Fundamentos de ingeniería: Motores hidráulicos

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Fig. 1. Los motores de engranajes externos tienen un engranaje motriz y un engranaje loco encerrados en una sola carcasa. El par de salida es una función de la presión en un diente porque la presión en los otros dientes está en equilibrio hidráulico.

Todos los tipos de motores hidráulicos tienen estas características de diseño comunes: un área de superficie motriz sujeta a un diferencial de presión; una forma de programar el porteo del fluido de presión a la superficie de presión para lograr una rotación continua; y una conexión mecánica entre el área de superficie y un eje de salida.

La capacidad de las superficies de presión para soportar la fuerza, las características de fuga de cada tipo de motor y la eficiencia del método utilizado para enlazar la superficie de presión y el eje de salida determinan el rendimiento máximo de un motor en términos de presión, flujo, salida de par, velocidad, eficiencias volumétrica y mecánica, vida útil y configuración física.

El desplazamiento del motor se refiere al volumen de fluido necesario para hacer girar el eje de salida del motor durante una revolución. Las unidades más comunes de desplazamiento del motor son pulg.3 o cm3 por revolución.

El desplazamiento de los motores hidráulicos puede ser fijo o variable. Un motor de cilindrada fija proporciona un par constante. La velocidad se varía controlando la cantidad de flujo de entrada al motor. Un motor de cilindrada variable proporciona un par y una velocidad variables. Con el flujo de entrada y la presión constantes, la relación par-velocidad puede variarse para satisfacer los requisitos de carga variando la cilindrada.

La salida de par se expresa en pulgadas-libra o pies-libra, y es una función de la presión del sistema y la cilindrada del motor. Los valores nominales del par del motor se dan generalmente para una caída de presión específica a través del motor. Las cifras teóricas indican el par disponible en el eje del motor suponiendo que no hay pérdidas mecánicas.

El par de arranque es el par necesario para hacer girar una carga estacionaria. Se necesita más par para poner en movimiento una carga que para mantenerla en movimiento.

El par de arranque puede referirse a la carga de un motor o al motor. Cuando se refiere a una carga, indica el par requerido para mantener la carga girando. Cuando se refiere al motor, el par de funcionamiento indica el par real que un motor puede desarrollar para mantener una carga girando. El par de funcionamiento tiene en cuenta la ineficiencia de un motor y es un porcentaje de su par teórico. El par de funcionamiento de los motores comunes de engranajes, paletas y pistones es aproximadamente el 90% del teórico.

El par de arranque se refiere a la capacidad de un motor hidráulico para arrancar una carga. Indica la cantidad de par que un motor puede desarrollar para iniciar el giro de una carga. En algunos casos, esto es considerablemente menor que el par de funcionamiento del motor. El par de arranque también puede expresarse como un porcentaje del par teórico. El par de arranque de los motores de engranajes, paletas y pistones más comunes oscila entre el 70% y el 80% del par teórico.

La eficiencia mecánica es la relación entre el par real suministrado y el par teórico.

La ondulación del par es la diferencia entre el par mínimo y el máximo suministrado a una presión determinada durante una revolución del motor.

La velocidad del motor es una función del desplazamiento del motor y del volumen de fluido suministrado al motor.

La velocidad máxima del motor es la velocidad a una presión de entrada específica que el motor puede mantener durante un tiempo limitado sin sufrir daños.

La velocidad mínima del motor es la velocidad de rotación más lenta, continua e ininterrumpida disponible en el eje de salida del motor.

El deslizamiento es la fuga a través del motor – o el fluido que pasa a través del motor sin realizar trabajo.

Motores de engranajes

Los motores de engranajes externos, Figura 1, consisten en un par de engranajes emparejados encerrados en una carcasa. Ambos engranajes tienen la misma forma de diente y son accionados por un fluido a presión. Uno de los engranajes está conectado a un eje de salida; el otro es una rueda loca. El fluido a presión entra en la carcasa en un punto en el que se engranan los engranajes. Obliga a los engranajes a girar y sigue el camino de menor resistencia alrededor de la periferia de la carcasa. El fluido sale a baja presión por el lado opuesto del motor.

Las estrechas tolerancias entre los engranajes y la carcasa ayudan a controlar las fugas de fluido y a aumentar el rendimiento volumétrico. Las placas de desgaste en los lados de los engranajes impiden que éstos se muevan axialmente y ayudan a controlar las fugas.

Los motorreductores internos se dividen en dos categorías. Un motor gerotor de accionamiento directo consta de un conjunto de engranajes interiores-exteriores y un eje de salida, figura 2. El engranaje interior tiene un diente menos que el exterior. La forma de los dientes es tal que todos los dientes del engranaje interior están en contacto con alguna parte del engranaje exterior en todo momento. Cuando se introduce fluido a presión en el motor, ambos engranajes giran. La carcasa del motor tiene puertos integrales de entrada y salida en forma de riñón. Los centros de rotación de los dos engranajes están separados por una cantidad determinada conocida como excentricidad. El centro del engranaje interior coincide con el centro del eje de salida.

Fig. 2. El motor gerotor de accionamiento directo tiene conjuntos de engranajes internos y externos. Ambos engranajes giran durante el funcionamiento.

En la figura 2(a), el fluido a presión entra en el motor a través del puerto de entrada. Debido a que el engranaje interno tiene un diente menos que el externo, se forma una cavidad entre los dientes internos 6 y 1, y otra cavidad A. El puerto de entrada en forma de riñón está diseñado de manera que justo cuando el volumen de esta cavidad alcanza su máximo, el flujo de fluido se cierra, con las puntas de los dientes del engranaje interno 6 y 1 proporcionando un sello, Figura 2(b).

A medida que el par de engranajes interiores y exteriores sigue girando, figura 2(c), se forma una nueva bolsa entre los dientes interiores 6 y 5, y el enchufe exterior G. Mientras tanto, la bolsa formada entre los dientes interiores 6 y 1 y el enchufe exterior A se ha desplazado frente al puerto de salida en forma de riñón, drenando constantemente a medida que el volumen de la bolsa disminuye. El cambio de volumen gradual y medido de las bolsas durante la entrada y el escape proporciona un flujo de fluido suave y uniforme con un mínimo de variación de presión (u ondulación).

Debido al diente extra en el engranaje exterior, los dientes del engranaje interior se adelantan al exterior en un diente por revolución. En la figura 2(c), el diente interior 4 está asentado en el encaje exterior E. En el siguiente ciclo, el diente interior 4 se asentará en el encaje exterior F. Esto produce una baja velocidad diferencial relativa entre los engranajes.

Un motor gerotor orbital, figura 3, consiste en un conjunto de engranajes emparejados, un acoplamiento, un eje de salida y un conmutador o placa de válvula. El engranaje exterior fijo tiene un diente más que el engranaje interior giratorio. El conmutador gira al mismo ritmo que el engranaje interior y siempre proporciona fluido a presión y un pasaje para depositar a los espacios adecuados entre los dos engranajes.

En el funcionamiento, Figura 3(a), el diente 1 del engranaje interior está alineado exactamente en el encaje D del engranaje exterior. El punto y es el centro del engranaje estacionario, y el punto x es el centro del rotor. Si no hubiera fluido, el rotor sería libre de pivotar sobre el encaje D en cualquier dirección. Podría moverse hacia el asiento del diente 2 en el enchufe E o, por el contrario, hacia el asiento del diente 6 en el enchufe J.

Fig. 3. El motor gerotor orbital tiene un engranaje exterior fijo y un engranaje interior giratorio. El rotor y el eje giran en sentido contrario a las agujas del reloj, pero el lugar del punto X es el de las agujas del reloj. El conmutador o placa de la válvula, que se muestra debajo de la ilustración de cada etapa de la rotación del motor, proporciona presión y paso al tanque para el fluido de presión.

Cuando el fluido de presión fluye en la mitad inferior del volumen entre los engranajes interiores y exteriores, si se proporciona un paso al tanque para el volumen de la mitad superior entre los engranajes interiores y exteriores, se induce un momento que hace girar el engranaje interior en sentido contrario a las agujas del reloj y comienza a asentar el diente 2 en el encaje E. El diente 4, en el instante mostrado en la figura 3(a), proporciona un sello entre la presión y el fluido de retorno.

Sin embargo, a medida que la rotación continúa, el locus del punto x es en sentido horario. A medida que cada diente sucesivo del rotor se asienta en su alojamiento, Figura 3(b), el diente directamente opuesto en el rotor al diente asentado se convierte en el sello entre la presión y el fluido de retorno. El fluido presurizado sigue obligando al rotor a engranar en el sentido de las agujas del reloj mientras gira en sentido contrario.

Debido a la existencia de un encaje adicional en el engranaje fijo, la próxima vez que el diente 1 se asiente, estará en el encaje J. En ese momento, el eje ha girado 1/7 de una revolución, y el punto x se ha movido 6/7 de su círculo completo. En la figura 3(c), el diente 2 se ha acoplado con el encaje D, y el punto x se ha alineado de nuevo entre el encaje D y el punto y, lo que indica que el rotor ha dado una vuelta completa dentro del engranaje exterior. El diente 1 se ha movido en un ángulo de 60° desde su punto original en la figura 3(a); se necesitarían 42 (o 6 X 7) engranajes de dientes o ciclos de fluido para que el eje complete una revolución.

El conmutador o placa de válvula, mostrado en las figuras 3(d), (e) y (f), contiene pasajes de presión y depósito para cada diente del rotor. Los pasajes están espaciados de manera que no proporcionan presión o flujo de retorno al puerto apropiado cuando un diente se asienta en su encaje. En todos los demás momentos, los pasajes están bloqueados o están proporcionando fluido de presión o un pasaje de tanque en la mitad apropiada del motor entre los engranajes.

Un motor gerotor de paletas de rodillos, Figura 4, es una variación del motor gerotor orbital. Tiene un engranaje de anillo estacionario (o estator) y un engranaje planetario móvil (o rotor). En lugar de estar sujeto por dos cojinetes de deslizamiento, el brazo excéntrico del planetario está sujeto por el engranaje del rotor de 6 dientes y el estator de 7 dientes. En lugar del contacto directo entre el estator y el rotor, se incorporan paletas de rodillos para formar las cámaras de desplazamiento. Las paletas de los rodillos reducen el desgaste, lo que permite utilizar los motores en circuitos hidrostáticos de alta presión en bucle cerrado como accionamientos de rueda de montaje directo.

Motores de paletas

Fig. 5. Los motores de paletas (se muestra el tipo equilibrado) tienen paletas en un rotor ranurado.

Los motores de paletas, figura 5, tienen un rotor ranurado montado en un eje de transmisión que es accionado por el rotor. Los álabes, estrechamente encajados en las ranuras del rotor, se mueven radialmente para sellar contra el anillo de levas. El anillo tiene dos secciones radiales mayores y dos menores unidas por secciones de transición o rampas. Estos contornos y las presiones introducidas en ellos están equilibrados diametralmente.

En algunos diseños, unos ligeros resortes fuerzan los álabes radialmente contra el contorno de la leva para asegurar un sellado a velocidad cero de modo que el motor pueda desarrollar el par de arranque. Los resortes son asistidos por la fuerza centrífuga a velocidades más altas. Las ranuras y agujeros radiales que atraviesan los álabes igualan las fuerzas hidráulicas radiales sobre los álabes en todo momento.

El fluido a presión entra y sale de la carcasa del motor a través de las aberturas de las placas laterales en las rampas. El fluido a presión que entra por los orificios de entrada mueve el rotor en sentido contrario a las agujas del reloj. El rotor transporta el fluido a las aberturas de la rampa en los puertos de salida para regresar al tanque. Si se introdujera presión en los puertos de salida, giraría el motor en el sentido de las agujas del reloj.

El rotor está separado axialmente de las superficies de las placas laterales por la película de fluido. La placa lateral delantera está sujeta contra el anillo de levas por la presión, y mantiene las holguras óptimas a medida que la temperatura y la presión cambian las dimensiones.

Los motores de paletas proporcionan buenas eficiencias de funcionamiento, pero no tan altas como las de los motores de pistón. Sin embargo, los motores de paletas generalmente cuestan menos que los motores de pistones de la misma potencia.

La vida útil de un motor de paletas suele ser más corta que la de un motor de pistones. Los motores de paletas están disponibles con desplazamientos de 20 pulg.3/rev.; algunos modelos de baja velocidad/alto par vienen con desplazamientos de hasta 756 pulg.3/rev. Excepto los modelos de alta cilindrada y baja velocidad, los motores de paletas tienen una capacidad limitada de baja velocidad.

Motores de pistón

Fig. 6. Típico motor de pistones radiales.

Los motores de pistones radiales, figura 6, tienen un cilindro unido a un eje motriz; el cilindro contiene varios pistones que giran en agujeros radiales. Los extremos de los pistones se apoyan en un anillo de empuje. El fluido a presión fluye a través de un pivote en el centro del cilindro para impulsar los pistones hacia fuera. Los pistones empujan contra el anillo de empuje y las fuerzas de reacción hacen girar el cilindro.

El desplazamiento del motor se varía desplazando lateralmente el bloque de deslizamiento para cambiar la carrera del pistón. Cuando las líneas centrales del barril del cilindro y la carcasa coinciden, no hay flujo de fluido y por lo tanto el barril del cilindro se detiene. Al desplazar la corredera más allá del centro se invierte el sentido de giro del motor.

Los motores de pistones radiales son muy eficientes. Aunque el alto grado de precisión requerido en la fabricación de los motores de pistones radiales eleva los costes iniciales, generalmente tienen una larga vida útil. Proporcionan un alto par a velocidades de eje relativamente bajas y un excelente funcionamiento a baja velocidad con un alto rendimiento; tienen capacidades limitadas a alta velocidad. Los motores de pistones radiales tienen desplazamientos de hasta 1.000 pulg.3/rev.

Los motores de pistones axiales también utilizan el principio de movimiento del pistón alternativo para girar el eje de salida, pero el movimiento es axial, en lugar de radial. Sus características de eficiencia son similares a las de los motores de pistones radiales. Inicialmente, los motores de pistones axiales cuestan más que los motores de paletas o de engranajes de potencia comparable y, al igual que los motores de pistones radiales, tienen una larga vida útil. Por ello, su mayor coste inicial puede no reflejar realmente los costes globales previstos durante la vida útil de un equipo.

Fig. 7. Dibujo de corte de un motor hidráulico de pistones axiales en línea.

En general, los motores de pistones axiales tienen excelentes capacidades de alta velocidad, pero, a diferencia de los motores de pistones radiales, están limitados a bajas velocidades de funcionamiento: el tipo en línea funcionará suavemente hasta 100 rpm y el tipo de eje doblado dará una salida suave hasta el rango de 4 rpm. Los motores de pistones axiales están disponibles con desplazamientos desde una fracción hasta 65 pulg.3/rev.

Los motores de pistones en línea, figura 7, generan par a través de la presión ejercida sobre los extremos de los pistones que giran en un bloque de cilindros. En el diseño en línea, el eje de transmisión del motor y el bloque de cilindros están centrados en el mismo eje. La presión ejercida en los extremos de los pistones provoca una reacción contra un plato cíclico inclinado y hace girar el bloque de cilindros y el eje del motor. El par es proporcional al área de los pistones y es una función del ángulo en el que se coloca el plato cíclico.

Estos motores se construyen en modelos de cilindrada fija y variable. El ángulo del plato cíclico determina el desplazamiento del motor. En el modelo variable, el plato cíclico está montado en un yugo oscilante, y el ángulo puede cambiarse por diversos medios, desde una simple palanca o volante hasta sofisticados servocontroles. El aumento del ángulo del plato cíclico aumenta la capacidad de par pero reduce la velocidad del eje de transmisión. A la inversa, si se reduce el ángulo, se reduce la capacidad de par pero aumenta la velocidad del eje de transmisión (a menos que disminuya la presión del fluido). Se incluyen topes de ángulo para que el par y la velocidad se mantengan dentro de los límites de funcionamiento.

Un compensador varía el desplazamiento del motor en respuesta a los cambios en la carga de trabajo. Un pistón con resorte está conectado al yugo y lo mueve en respuesta a las variaciones de la presión de trabajo. Cualquier aumento de la carga va acompañado de un aumento correspondiente de la presión como resultado de los requisitos de par adicionales. El control ajusta entonces automáticamente el yugo para que el par aumente cuando la carga es ligera. Idealmente, el compensador regula el desplazamiento para obtener el máximo rendimiento en todas las condiciones de carga hasta el ajuste de la válvula de alivio.

Fig. 8. Vista transversal de un motor de pistones de eje inclinado.

Los motores de pistones de eje inclinado, figura 8, desarrollan el par mediante una reacción a la presión sobre los pistones alternativos. En este diseño, el bloque de cilindros y el eje de accionamiento están montados en ángulo entre sí; la reacción se produce contra la brida del eje de accionamiento.

La velocidad y el par cambian con los cambios de ángulo, desde una velocidad mínima predeterminada con un desplazamiento y un par máximos en un ángulo de aproximadamente 30° hasta una velocidad máxima con un desplazamiento y un par mínimos en aproximadamente 7-1/2°. Existen modelos de cilindrada fija y variable.

Motores de pilar giratorio

Los motores de pilar giratorio, figura 9, tienen el pilar A, que gira para pasar por la aleta giratoria B, mientras que el segundo pilar C, está en compromiso de sellado alternativo con el cubo del rotor. El par se transmite directamente del fluido al rotor y del rotor al eje. Los engranajes de sincronización entre el eje de salida y los pilares giratorios mantienen el álabe del rotor y los pilares en la fase adecuada. Un rodillo en una ranura de cola de milano en la punta de la paleta del rotor proporciona un sello positivo que es esencialmente sin fricción y relativamente insensible al desgaste. Las fuerzas de sellado son altas y las pérdidas por fricción son bajas debido al contacto rodante.

Un motor de tornillo es esencialmente una bomba con la dirección del flujo de fluido invertida. Un motor de tornillo utiliza tres tornillos engranados: un rotor de potencia y dos rotores locos, Figura 10. Los rotores locos actúan como sellos. Los rotores locos actúan como sellos que forman cámaras helicoidales consecutivas aisladas dentro de una carcasa de rotor ajustada. La presión diferencial que actúa sobre las zonas roscadas del conjunto de tornillos desarrolla el par motor.

Los rotores locos flotan en sus orificios. La velocidad de rotación del conjunto de tornillos y la viscosidad del fluido generan una película hidrodinámica que soporta los rotores locos, como un eje en un cojinete de deslizamiento para permitir el funcionamiento a alta velocidad. El conjunto de tornillos rodantes proporciona un funcionamiento silencioso y sin vibraciones.

Selección de un motor hidráulico

Fig. 9. El pilar A del motor del pilar rotativo gira más allá de la paleta rotativa B, mientras que el segundo pilar C, entra en contacto con la placa de sellado para separar las zonas de alta y baja presión. Los pasadores de sellado en las puntas de las paletas y en la periferia del rotor proporcionan un sellado casi sin fricción. El rotor girará en el sentido de las agujas del reloj con el fluido de presión aplicado al puerto 1.

La aplicación del motor hidráulico generalmente dicta los caballos de fuerza requeridos y el rango de velocidad del motor, aunque la velocidad real y el par de torsión requeridos pueden a veces ser variados mientras se mantiene la potencia requerida. El tipo de motor seleccionado depende de la fiabilidad, la vida útil y el rendimiento requeridos.

Una vez determinado el tipo de fluido, la selección del tamaño real se basa en la vida útil esperada y en la economía de la instalación general en la máquina.

Un motor de fluido que funcione a una capacidad inferior a la nominal proporcionará una extensión de la vida útil más que proporcional a la reducción del funcionamiento por debajo de la capacidad nominal.

La potencia máxima producida por un motor se alcanza cuando funciona a la presión máxima del sistema y a la velocidad máxima del eje. Si el motor va a funcionar siempre en estas condiciones, su coste inicial será el más bajo. Sin embargo, cuando la velocidad de salida debe reducirse, debe considerarse el coste global del motor con la reducción de velocidad, para optimizar los costes globales de instalación del accionamiento.

Dimensionamiento de los motores hidráulicos

Como ejemplo de cómo calcular el tamaño del motor hidráulico para que coincida con una aplicación, considere lo siguiente: una aplicación requiere 5 CV a 3.000 rpm, con una presión de suministro disponible de 3.000 psi, y una presión de la línea de retorno de 100 psi; el diferencial de presión es de 2.900 psi.

El par teórico requerido se calcula a partir de:

T = (63,0252 3 caballos de fuerza)/N

donde:
T es el par, lb-pulgadas, y
N es la velocidad, rpm.
Para la condición T = 105 lb-in.

El desplazamiento del motor se calcula como:

D = 2π T ÷ ΔPeM

donde:
D es el desplazamiento, in.3/rev
ΔP es la presión diferencial, psi, y
eM es la eficiencia mecánica, %.
Si la eficiencia mecánica es del 88%, entonces D es 0,258 pulg.3/rev.

Calculando el caudal requerido:

Q = DN/231eV,

donde: Q es el caudal, gpm, y
eV es la eficiencia volumétrica, %.
Si la eficiencia volumétrica es del 93%, entonces Q es 3,6 gpm.

La presión en estas ecuaciones es la diferencia entre la presión de entrada y la de salida. Por lo tanto, cualquier presión en el puerto de salida reduce la salida de par de un motor de fluido.

El factor de eficiencia para la mayoría de los motores será bastante constante cuando se opere desde la mitad hasta la totalidad de la presión nominal, y en la parte media del rango de velocidad nominal. A medida que la velocidad se acerca a cualquiera de los extremos, la eficiencia disminuye.

Las presiones de funcionamiento más bajas dan lugar a eficiencias generales más bajas debido a las pérdidas rotativas internas fijas que son características de cualquier motor de fluido. La reducción de la cilindrada a partir de la máxima en los motores de cilindrada variable también reduce el rendimiento global.

Mal funcionamiento del motor hidráulico

La mayoría de los problemas del motor se clasifican en estas categorías:

Fluido inadecuado – El motor no es diferente de cualquiera de los otros componentes del sistema hidráulico: debe tener un fluido limpio, con un suministro adecuado y de la calidad y viscosidad apropiadas.

Mantenimiento deficiente – Un programa de mantenimiento deficiente es la segunda causa de problemas importantes. Los deslices típicos de un programa incluyen:

• No revisar y reparar las líneas y conexiones para detener las fugas; las conexiones defectuosas pueden permitir la entrada de suciedad y aire en el sistema, reducir la presión y causar un funcionamiento errático.
• No instalar el motor correctamente. La desalineación del eje del motor puede causar el desgaste de los cojinetes, lo que puede conducir a la pérdida de eficiencia. Un eje desalineado también puede reducir el par de torsión, aumentar el arrastre por fricción y el calentamiento, y provocar el fallo del eje.
• No encontrar la causa de un mal funcionamiento del motor. Si un motor falla, busque siempre la causa del fallo. Obviamente, si no se corrige la causa, el fallo se repetirá.

Funcionamiento inadecuado – Exceder los límites de funcionamiento de un motor favorece su fallo. Cada motor tiene limitaciones de diseño en cuanto a presión, velocidad, par, desplazamiento, carga y temperatura. Una presión excesiva puede generar calor debido al deslizamiento del motor y puede hacer que el motor supere los límites de par. Una velocidad excesiva puede provocar el calentamiento y el desgaste de los cojinetes y otras piezas internas.

Un par excesivo puede provocar fatiga y tensión en los cojinetes y en el eje del motor, especialmente en aplicaciones que requieren una inversión frecuente del motor. Una carga excesiva puede crear fatiga en los rodamientos y en el eje. Y, por último, una temperatura excesiva puede causar una pérdida de eficiencia porque el aceite se vuelve más fino, y puede producir un rápido desgaste por falta de lubricación.

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