1. Bombas y motores oleohidráulicos
Red Tecnológica:
Oleohidráulica BOMBAS OLEOHIDRÁULICAS
Principios fundamentales de su funcionamiento
Tipo constructivo de engranajes externos
1 . – Definición de Bombas Oleohidráulicas
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2. Bombas y motores oleohidráulicos
- Las bombas oleohidráulicas
«Son máquinas volumétricas de desplazamiento positivo. Esto es, su funcionamiento se basa en la
variación de volúmenes con puntos de cierre bien definidos.»
Al introducir un movimiento rotativo a una bomba, sus mecanismos constructivos hacen que aparezcan
volúmenes crecientes que, a partir de un cierto momento de la rotación, se convierten en decrecientes. Todo ello
sin que haya comunicación alguna entre la zona en que son crecientes y la zona en que son decrecientes. Por
tanto he aquí los conceptos básicos iniciales:
1. Volúmenes crecientes/decrecientes.
2. Separados por puntos de cierre herméticos.
3. Los volúmenes crecientes están conectados a la zona de aspiración
4. Los volúmenes decrecientes a la zona de impulsión
Estos volúmenes crecientes y decrecientes ∆V+/- se generan y desaparecen Ω veces por rotación, por lo que al
introducir n r.p.m. revoluciones por minuto al eje de la bomba ocurre que, si los ∆V+/- están expresados en cm3,
tendremos que por cada revolución habrá un volumen de cm3 impulsado por la bomba.
Por cada revolución se generarán pues:
V0 = ∆V+/- . Ω [cm3] [Siendo V0 el tamaño o cilindrada de la bomba].
En el caso de una bomba de engranajes, si z es el numero de dientes de cada engranaje Ω =2.z
Por tanto al considerar las n r.p.m. que le entran a la bomba y su tamaño o cilindrada V0 , el resultado será el
del caudal de la bomba en [cm3/m], por lo que, para expresarlo en l/m, dividiremos por mil (1/1000).
Qb = (1 / 1000) . n . V0 [ l/m]
2 . – La bomba de engranajes externos
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3. Bombas y motores oleohidráulicos
El eje motriz hace girar el engranaje ligado a él y éste hace girar al otro engranaje idéntico a él. De tal forma que
al estar los engranajes rozando la carcasa, entre ese roce y el otro de su línea de contacto o engrane, se consigue
separar las dos zonas en las que los volúmenes entre dientes crecen y decrecen:
1. La zona en la que los volúmenes entre dientes ∆V+/- crecen o aspiración [zona azul]
2. La zona en la que los volúmenes entre dientes ∆V+/- decrecen o impulsión [zona roja]
Luego el volumen sometido a decrecimiento no tiene más remedio que enviar el fluido oleohidráulico que contiene
entre dientes provocando el flujo del caudal contra el sistema oleohidráulico, siendo éste, con sus dificultades de
transito y trabajo al fluido, quien le comunica la presión contra la que debe fluir.
Mientras, en la zona donde los volúmenes crecen, se está intentando generar un vacío (todo volumen creciente lo
hace, pues al crearse cualquier volumen o se llena de algo o se llena de vacío con presión absoluta por debajo de
la atmosférica o cero manométrico). Por tanto, es la presión atmosférica sobre la superficie del fluido en el
depósito, quien empuja a éste hacia las cámaras de aspiración de los volúmenes crecientes.
3 . – Funcionamiento y aspiración de una bomba
Previamente repasaremos algunos conceptos fundamentales para comprender el funcionamiento de una bomba
oleohidráulica.
3. - 1 – Presión en el seno de un líquido
Si consideramos una superficie S que se encuentra a una profundidad ∆h en el seno de un líquido, observamos
que, sobre esa superficie, pesa una columna de liquido cuyo volumen es ∆Vol = S . ∆h , por tanto ese volumen
tendrá un peso Gh en función de la densidad δ del fluido. Quedando ese peso definido por la expresión Gh =
∆Vol . δ . g [donde g es la aceleración de la gravedad] y, puesto que tal peso, al descansar sobre la superficie
S , origina una presión; podemos establecer que la presión Ph en el seno de un liquido queda determinada por la
expresión que a continuación deduciremos:
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Ph = Gh / S = ∆Vol . δ . g / S
Ph= S . ∆h . δ . g / S = ∆h . δ . g
Que luego al usar las unidades prácticas queda de la siguiente forma:
Ph = (1/100) . δ . g . ∆h [Ph = bar ; ∆h = m ; δ = Kgr./dm3 ; g = m/s ]
Siendo esta presión manométrica o relativa, al no sumar la presión atmosférica que se encuentra encima.
3. - 2 – Experimento de Torricelli y presión atmosférica.
Torricelli, al llenar un tubo de vidrio, de más de 1m de largo, con mercurio para luego darle la vuelta sobre una
cubeta también llena con mercurio, observó que éste, que antes llenaba todo el tubo, descendía de nivel dejando
un volumen vacío, y ocurriendo lo que se indica en la figura. Es decir, que por una parte la presión atmosférica
incide sobre la superficie de la cubeta y que por otra parte ésta se encuentra a 760 mm de profundidad del nivel
del tubo. Por tanto al aplicar la expresión vista anteriormente a la profundidad del tubo tenemos que:
Ph = 1/100 . ∆h . δ . g = 1/100 . 0,760 . 13,6 . 9,81 = 1,013 bar.
Que es el valor de la presión atmosférica en bar. ya que es la presión a esa profundidad del tubo, al
considerar que por encima del fluido en el tubo está el vacío y que en el vacío la presión es nula (aunque en este
caso el vacío sea siempre inexacto al existir siempre alguna partícula, en este caso de mercurio) y que, a su vez,
está al mismo nivel que la superficie de la cubeta sobre la que actúa la presión atmosférica y, por tanto, ambas
presiones son la misma. A nosotros, de este experimento, lo que nos interesa es que la presión atmosférica se
convierte en el motor que hace circular un fluido hacia las cámaras con presiones de vacío.
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3. - 2 – Funcionamiento de la Bomba y rendimiento volumétrico
El motor suministra n revoluciones por minuto a la bomba para que ésta aspire el fluido en forma de un caudal
Qb a través del filtro de aspiración para luego impulsarlo contra el sistema oleohidráulico en forma de un caudal
Qut
¿Qué ha ocurrido para estas diferencias de caudal? Pues que a través de las tolerancias de los mecanismos
que componen la bomba en sus puntos de cierre, afortunadamente, ocurren fugas que permitirán lubricar y limitar
los rozamientos que, obviamente, siempre se producen. Por tanto hay un caudal qf que se escapa de nuevo a la
zona de aspiración de la bomba. En muchas otras bombas estas fugas son recogidas por el tubo de drenaje y no
vuelven a la zona de aspiración de la bomba como aquí, sino que son devueltas al depósito.
Es decir, que no todo el caudal impulsado por la bomba contra la presión del sistema es conducido a él, sino que
una parte se fuga retornando o a la zona de aspiración o a tanque. Tenemos por tanto pérdidas volumétricas. Y
siempre que hay perdidas podemos decir que existe un rendimiento:
- Rendimiento:
«Lo que se obtiene partido de lo que debería obtener si no hubiera perdidas.»
En este caso lo denominamos rendimiento volumétrico Rv y queda expresado de la siguiente forma:
Rv = Qut / Qb
Este rendimiento volumétrico desciende al aumentar las fugas y éstas aumentan al aumentar la presión del
sistema, de forma moderada y uniforme si se produce dentro de los márgenes naturales del funcionamiento de la
bomba. Pero si la presión se sobrepasa en exceso las fugas se hacen notables y aceleradas provocando desgastes
y daños importantísimos en las bombas.
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3. - 3 – Potencia oleohidráulica
Es claro que al estar la bomba compuesta por mecanismos que rozan, y que es preciso lubricar, existen unas
perdidas de potencia por rozamientos. Pero
¿cómo se expresa la potencia en la oleohidráulica?
- Potencia W :
«La potencia es el trabajo dividido por el tiempo, o bien, lo que varía un tipo de energía en la unidad
de tiempo o capacidad para transformarla.»
Si el trabajo J = F . ∆h = ∆E facilita y procura la variación de la energía,
tendremos por tanto: W = F . ∆h / ∆t ,
es decir: W = F . v [ W= watios F= Newtons, v= m/s, W= watios] o bien:
W = (1 / 1000) . F . v [ W= kilowatios F= Newtons, v= m/s]
Puesto que F = 10 . P . S [F=Newtons; P= bar]
y v = ( 1 / 6 ) . Q / S [v=m/s; Q=l/m; S= cm2]
tendremos que, al sustituir en W = (1 / 1000) . F . v o bien W = (1 / 1000) . (10) . P . S . (1 / 6) Q / S
La expresión queda reducida y simplificada a:
W = (1 / 600) P . Q [W= Kw ; P= bar ; Q= l/m]
3. - 4 – Bloque de potencias de una bomba oleohidráulica
La bomba puede representarse según un bloque o grafo de potencias, de tal forma que, puesto que el proceso de
impulsión de caudal ocurre en el mismo continuo de tiempo, podemos, al igual que las energías, considerar que
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todas la suma de todas las potencias que entran (en nuestro caso siempre una), será siempre igual a la suma de
las potencias que salen (la útil y las perdidas). Y puesto que hay dos tipos de potencia perdida, podemos
considerar el grafo o bloque subdividido en dos: de entrada, motriz o mecánico, y de salida o propiamente
oleohidráulico o volumétrico.
3. - 5 – Rendimiento total
La bomba impulsa un caudal Qb contra la presión del sistema Pm pero una parte del caudal impulsado se
pierde en lubricar los mecanismos y reducir los rozamientos, por lo que perdemos parte de la potencia
volumétricamente Wpv en reducir los rozamientos y, por tanto, originando las perdidas de potencia mecánica
Wpm. El resultado es que:
De la potencia que se solicita al motor M , Wm , una parte se pierde en rozamientos y la eficaz, restante, que
usamos en la transformación de mecánica a oleohidráulica, Wb , la empleamos en impulsar el caudal Qb contra
la presión del sistema. Por tanto, al haber perdidas por rozamientos, podemos hablar de un rendimiento mecánico:
Rm = Wb / Wm o bien Rm = (Pm . Qb / 600) / Wm o lo que es lo mismo Wm = (Pm . Qb / 600) / Rm
Este rendimiento mecánico es muy bajo a bajas presiones puesto que, a parte del principio teórico que hace nulo
rendimiento cuando la potencia de salida es nula, también ocasiona ese bajo rendimientos el que a bajas presiones
apenas haya fugas y se lubrifica muy mal. De igual forma un desaconsejado régimen de revoluciones en la bomba
hacen aumentar los rozamientos y descender el rendimiento mecánico, sobre todo a bajas presiones por su
deficiente lubricación.
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Pero volviendo a la impulsión del caudal, y puesto que al haber la fuga qf podemos hablar de un rendimiento
volumétrico, como hemos ya dicho, ocurrirá que la potencia de utilización Wut es menor que la potencia
convertida en potencia de caudal por la bomba. Es decir:
Rv = Wut / Wb o bien Rv = (Pm Qut / 600) / (Pm Qb / 600) que es lo mismo que:
Rv = Qut / Qb
En conjunto, y de forma global, podemos advertir que existe una relación entre la potencia que se va al sistema
oleohidráulico y la suministrada por el motor, y, por tanto, un rendimiento total:
Rt = Wut / Wm o bien Rt = Rv . Wb / Wm o lo que es lo mismo
Rt = Rv . Rm
Si observamos curva del rendimiento total en función de la presión observamos que este mejora al aumentar la
presión de forma importante, esto es así inicialmente al mejorarse con la lubricación el rendimiento mecánico que,
poco a poco, se va estabilizando hasta que llegado a una determinada presión optima y a partir de ella el
rendimiento mecánico se hace constante y ya no mejora, pero como sigue empeorando el rendimiento volumétrico
de forma notable, el rendimiento total se convierte en una curva paralela a la del rendimiento volumétrico.
También es necesario tener en cuenta en los rendimientos las r.p.m. ya que éstas afectan al rendimiento mecánico
e incluso al volumétrico al hacer aparecer lo que se podría denominar estanqueidad dinámica.
En este gráfico se observa, de alguna forma, porque la mayoría de las bombas son accionadas por motores
eléctricos a 1480 r.p.m.
Pero también es preciso considerar la viscosidad del aceite, ya que a bajas viscosidades el aceite se escapa y fluye
mejor entre los intersticios de los mecanismos.
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Si denominamos Rp al rendimiento total en función de la presión, y Rn al rendimiento total debido en función
de las revoluciones por minuto del motor, y Rν al rendimiento en función de la viscosidad, el auténtico RT
rendimiento total vendría a ser:
RT = (Rp . Rn . Rν) 1/3
Es decir: la raiz cúbica del producto de los rendimientos.
4 . – Presión en la cámara de aspiración y el fenómeno de la cavitación de una bomba
4. - 1 – El difícil equilibrio de los líquidos y su presión de vapor a cada temperatura.
Los líquidos no son un estado frecuente de la materia en el universo, aunque en nuestro planeta el agua en estado
liquido, sea la materia más abundante de su superficie. Esto es así porque existe un equilibrio entre la presión del
entorno de los líquidos y la temperatura de los mismos. De tal forma que a cada temperatura de los líquidos les
corresponde una presión que les permite seguir en estado líquido, o dicho de otra forma: a esa presión o por
debajo, el líquido se convierte en vapor y por tanto en gas. A esa presión determinada para cada temperatura, se
la denomina presión de vapor Pv / ºC a dicha temperatura. Por tanto siempre que se diga una presión de vapor
de un líquido debe indicarse la temperatura a la que le corresponde tal presión de vapor. Por tanto:
- Presión de vapor de un líquido a determinada temperatura
«Es la presión a la que el líquido, a esa temperatura, se convierte en vapor. Únicamente por encima
de ella puede el fluido permanecer en estado liquido a esa temperatura.»
Contemos la historia contemplando la próxima imagen:
Todas las moléculas están provistas de agitación o movimiento en función de la temperatura. Así:
- El comportamiento de los sólidos:
A bajas temperaturas se agitan sin moverse del sitio y, obviamente, respetando la distancia intermolecular.
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Sin embargo como vemos en esta imagen los fluidos gases o líquidos están provistos de movilidad molecular.
- El comportamiento de los líquidos:
A partir de cierta temperatura la agitación del estado sólido es tal que comienza su liberación del sitio
desplazándose con facilidad hacia los sitios más allá de sus bordes y límites ocupando cualquier lugar en que haya
hueco, pero siempre conservando la distancia intermolecular.
- El comportamiento de los gases y la presión de vapor:
Si la temperatura confiere la velocidad necesaria a las moléculas, éstas se liberarán de la presión opresora (presión
de vapor) que les obliga a mantenerse en ese estado líquido, alcanzando así las moléculas la gran movilidad que
les permite convertirse en vapor. Una velocidad que en ocasiones alcanzan en la superficie del líquido, no tanto por
temperatura, sino por los empujones: tanto de ellas mismas entre sí, como de las moléculas del aire al soplar o
actuar sobre la superficie, algo que ocasiona la evaporación. Pero es la elevación de la temperatura la que origina
que el líquido hierva. Y es que los líquidos, cuyas moléculas se desplazan a una velocidad cambiando
constantemente de lugar y ocupando todos los lugares, buscan la libertad que envidian de los gases y
desprenderse de la obligación de mantener la distancia intermolecular, algo que logran con la elevación de la
temperatura o la bajada de la presión al alcanzar la presión de vapor a determinada temperatura. Por tanto:
- Alcanzar la presión de vapor por elevación de la temperatura a presión constante:
«Cuando la temperatura de un líquido se eleva, hace que las moléculas de éste alcancen la velocidad
de escape que las deja en estado libre convertidas en gas venciendo la presión constante del entorno
que, en este caso, sería la Presión de vapor a esa temperatura a la que ha entrado en ebullición.»
- Alcanzar la presión de vapor por descenso de presión a temperatura constante.
«Cuando la presión del entorno de un líquido desciende hasta conseguir que a la temperatura en la
que está el líquido, éste pueda alcanzar la libertad de convertirse en gas, entonces esa presión del
entorno es la presión de vapor del líquido a esa temperatura.»
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La presión de vapor siempre es una presión absoluta que frecuentemente se expresa en mm Hg.
Este gráfico es orientativo, los datos se han sacado de un gráfico que no indicaba el tipo de fluido, y no se ha
contrastado con otros datos sobre la presión de vapor en los fluidos oleohidráulicos por no haber podido encontrar
otra fuente.
4. - 2 – Presión en la cámara de aspiración de una bomba.
La presión atmosférica Patm debe empujar al fluido que buscará ocupar los volúmenes crecientes ∆V+ que se
están originando en la cámara de aspiración cuya presión Pc dependerá de las perdidas de carga que ha sufrido
la presión atmosférica debido a las resistencias hidráulicas Rh tanto las ocasionadas por el filtro de aspiración
como las producidas por la tubería de aspiración, así como las dificultades (o aportaciones) gravitacionales de
altura o profundidad de la bomba respecto al nivel del depósito ∆h . Por tanto y ya en valores absolutos de
presión:
Patm – Pc = Rh . Qbn +/- (1/100) . ∆h . δ . g o bien en este caso de la figura:
Pc = 1,013 - Rh . Qbn – 0,098 . δ . ∆h [Pc = bar; ∆h = m; δ = Kgr./dm3; Rh y n (indefinidos)]
4. - 3 – Definición, causas y motivos para la cavitación de una bomba.
Cavitación:
«Formación de cavidades o burbujas de vapor en el seno del fluido por haberse alcanzado presiones
absolutas inferiores a la presión de vapor correspondiente a esa temperatura a la que encuentra el
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fluido. Dichas cavidades (que tienden al formarse en aristas y bordes de las superficies metálicas)
dejan a la bomba con muy mala lubricación y, al pasar a la zona de presión, implotan provocando
vibraciones y fatiga en el material haciendo que el resultado de todo ello sea una destrucción
exponencial de la bomba.»
Las resistencias hidráulicas del filtro y de la tubería de aspiración hacen que exista una depresión en la cámara de
aspiración de la bomba, si esa presión se hace menor que la presión de vapor a la temperatura del fluido
hidráulico, el fluido comienza a hervir formando burbujas de gas en su seno.
¿Cómo puede llegar a ocurrir esto? Pues sólo por dos motivos fundamentales: o baja la presión en la cámara de
aspiración por haber aumentado las perdidas sin que varíe la temperatura; o el aumento de la temperatura ha
hecho que la presión de vapor del fluido haya descendido.
- Bajada de la presión en la cámara de aspiración:
Las causas más comunes para que esto ocurra es una obstrucción en la tubería de aspiración producida por algún
golpe, o simplemente una obstrucción en el filtro de aspiración.
- Bajada de la presión de vapor del fluido oleohidráulico:
La causa fundamental para esto es el aumento de la temperatura del aceite por mala refrigeración o simplemente
por un aumento de la perdidas de potencia del sistema oleohidráulico.
En la vejez de un sistema suelen concurrir ambas situaciones por lo que es mayor el peligro de cavitación.
Además de esta cavitación explicada hasta aquí, y que podríamos llamar cavitación pura, existe la que podríamos
llamar cavitación impura, y debida a la entrada de aire en la cámara de aspiración de la bomba. La causa más
común para esta cavitación es la ruptura del reten del eje de la bomba. O, también, el aflojamiento de la brida o
del racordaje en la tubería de aspiración, o un nivel muy bajo de aceite en el depósito lo que origina un chupón o
embudo de aire que desciende hasta alcanzar el filtro de aspiración. Se pueden producir descensos fuertes de nivel
en el depósito al coincidir todos los cilindros con los vástagos hacia fuera.
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Nota 1:
Aunque no se tengan datos absolutamente fidedignos sobre la presión de vapor de los fluidos oleohidráulicos, sí es
cierto que existen recomendaciones sobre la diferencia de presión entre la cámara de aspiración Pc y la Presión
atmosférica Patm del deposito.
0,15 bar > Patm - Pc
Nota 2:
En ocasiones los depósitos deben estar presurizados debido a que ciertos tipos de bomba exigen presiones
manométricas positivas en sus cámaras de aspiración. Esa presión manométrica positiva, también es requerida en
algunos casos por las altas revoluciones de entrada al ser bombas que prefieren bajas revoluciones. En muchas
ocasiones esto se resuelve colocando el depósito encima de la bomba consiguiendo el favor de la presión
hidrostática.
Anécdota:
En una ocasión, en una puesta en marcha, la bomba, nada más arrancar, entraba en cavitación y no generaba
caudal. El equipo era nuevo y no encontrábamos inicialmente el origen al estar la industria en la que nos
encontrábamos en producción con los consabidos ruidos y vibraciones, sin embargo, en un momento de parada
para comida y descanso del personal, pudimos oír un sonido característico, pero no era el de la cavitación, sino el
de las paredes del depósito, y los dos supimos inmediatamente lo que estaba pasando: no pasaba aire al depósito,
no había presión atmosférica impulsora: habían colocado el filtro del aire sobre la pared del deposito, pero no
habían hecho el agujero para el tránsito del aire; por lo que la cámara del depósito se quedaba sin presión
atmosférica de empuje en cuanto se cargaban los acumuladores y se intentaba hacer salir el cilindro.
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