Ingeniería Mecánica: Bomba de caudal variable de pistones axiales.

El buen conocimiento de los sistemas hidráulicos en general, y específicamente los de nuestra máquina de papel, ayuda en gran medida en el diagnóstico y resolución de las averías provocadas por los mismos. Las diversas formas de generación de la energía hidráulica son un buen comienzo para el estudio de estos sistemas. El estado de la técnica en este campo es muy amplio, es difícil abarcar toda la tecnología que hoy en día tenemos a nuestro alcance. De momento, podemos centrarnos en aquellos equipos hidráulicos que de forma más habitual podemos encontrar en la industria. Una bomba hidráulica de pistones axiales de caudal variable es uno de los equipos que mas curiosidad suscita a la hora de reparar o simplemente revisar en el taller. No es la primera vez que desmontamos una bomba de este tipo levantando la curiosidad del resto del personal del taller por conocer cómo es exactamente su funcionamiento. En esta ocasión os mostraré cuál es el principio de su funcionamiento y aprovechando que hemos desmontado una de ellas publicaré algunas fotos interesantes.

Podemos definir el concepto de bomba como un dispositivo que convierte la energía mecánica, disponible en el eje de un motor eléctrico, en energía hidráulica disponible en forma de caudal del líquido bombeado, en este caso aceite hidráulico. Cabe mencionar un concepto que, aún siendo muy básico, es de vital importancia para el buen conocimiento de un sistema hidráulico, una bomba, sea del tipo que sea produce simplemente un caudal, en ningún momento genera presión, la presión en un circuito hidráulico sólo y exclusivamente se genera cuando el fluido bombeado encuentra una resistencia, ya sea en forma de pérdida de carga, fuerzas a vencer, etc. Esta idea es válida tanto para las bombas no volumétricas (por ejemplo las centrífugas) como para las volumétricas.

Las bombas de pistones axiales son de tipo volumétrico, es decir, generan un cierto caudal de aceite en cada rotación completa de la misma. Su principio de funcionamiento es simple a la vez que ingenioso, está basado en el movimiento axial, paralelo al eje de la bomba, producido por un pistón dentro de su alojamiento o cilindro en cada rotación de la bomba. Este desplazamiento se consigue mediante el deslizamiento de la base del pistón sobre una placa que permanece inclinada mientras el pistón gira, solidario con el eje de la bomba, alrededor del centro de la placa. El fluido a bombear llega a la bomba por el lado de baja presión que no es más que aquel sector en el que los pistones realizan la aspiración y es transportado hacia el lado de alta presión. Para aumentar la eficiencia de la bomba, suministrando más volumen por vuelta, la bomba se compone no de uno si no de varios pistones que simultáneamente bombean el fluido hidráulico en cada vuelta de la misma.

Principio de funcionamiento de la bomba de pistones axiales

Ahora bien, la cilindrada o volumen aportado por la bomba en cada vuelta está influenciada principalmente por el ángulo α de inclinación de la placa estacionaria. Cuanto mayor es éste mayor es el volumen desplazado por el pistón ya que su carrera será mayor. Aunque no es el caso que nos ocupa, cabe mencionar que existen modelos de bombas en los cuales la placa inclinada está mecanizada directamente sobre la carcasa de la bomba, sin posibilidad alguna de variación de su ángulo de inclinación, se trata por supuesto de bombas de caudal constante. En caso de que la placa se encuentre totalmente vertical, es decir α = 0º, la bomba no aportará ningún caudal. Por tanto, podemos variar el caudal de aceite hidráulico simplemente variando el ángulo de inclinación de la placa estacionaria. En la siguiente figura podéis ver un esquema algo mas detallado en el que también aparece el cálculo del volumen aportado por la bomba en cada rotación, en función del ángulo de la placa inclinada.

Representación de una construcción de placa inclinada

Para un determinado número de revoluciones del motor, el par de giro absorbido y por tanto la potencia absorbida aumenta con la diferencia de presión entre la entrada y la salida de la bomba. Recuerda que las bombas volumétricas no generan presión, sino caudal, la presión alcanzada a la salida de la bomba dependerá del circuito hidráulico aguas abajo. Por ejemplo, supongamos que la bomba alimenta un motor hidráulico que puede embragarse o desembragarse a voluntad, si el motor se encuentra desembragado y sin carga alguna, la presión a la salida de la bomba será la estrictamente necesaria para girar el motor en vacío y vencer las perdidas de carga de la línea y el motor, es decir, muy baja. Sin embargo, si embragamos el motor, la presión a la salida de la bomba aumentará hasta el valor necesario para mover el par resistente aplicado en el eje del motor y vencer las pérdidas de carga en el mismo y en la línea de alimentación. En la siguiente figura puede apreciarse la sección de una bomba Rexroth de pistones axiales y caudal variable del tipo A10VSO y su forma constructiva.

Sección de una bomba Rexroth A10VSO de caudal variable

Accionando la bomba, el eje dentado de accionamiento gira arrastrando el cilindro que a su vez gira arrastrando a los nueve pistones que monta este tipo de bomba. Los pistones se apoyan mediante los patines de apoyo sobre la superficie de deslizamiento de la placa inclinada y son mantenidos y conducidos forzosamente sobre esta superficie mediante el llamado dispositivo recuperador. En una vuelta, cada pistón efectúa una carrera completa pasando por el punto muerto superior, momento en el cual comienza la zona de aspiración o baja presión y llegando al punto muerto inferior que es dónde comienza la zona de alta presión. El fluido bombeado atraviesa las ranuras de la placa de mando hacia adentro en el lado de aspiración y hacia afuera en el lado de impulsión. La placa inclinada se desliza fácilmente por medio de dos apoyos laterales y es mantenida en la posición cero o posición vertical por medio de un resorte que la mantiene en esta posición hasta que un pistón de posicionamiento comandado hidráulicamente la inclina en función de la presión medida en el conducto de salida. La siguiente figura muestra un esquema de funcionamiento del regulador hidráulico de presión que suelen acompañar a este tipo de bombas.

Esquema de funcionamiento del regulador hidráulico de presión de salida

Veamos cómo funciona este regulador. Se compone principalmente de una válvula 3/2 (3 vías, dos posiciones) proporcional y un pequeño cilindro hidráulico de simple efecto y retorno por muelle (pistón de posicionamiento y resorte que veíamos en la sección de la bomba). El caudal de salida de la bomba en su puesta en marcha es máximo, la presión a la salida de la bomba, como vimos anteriormente dependerá del estado de los elementos de distribución y potencia del circuito. Si la presión aumenta hasta valores cercanos a la presión máxima ajustada en la válvula hidráulica, ésta se desplazará hacia la derecha permitiendo el paso de aceite hacia el cilindro de simple efecto. El cilindro efectuará un determinado desplazamiento positivo llevando la placa inclinada hacia una posición cercana al punto cero (posición vertical) disminuyendo el caudal suministrado. Si esto no es suficiente y la presión sigue aumentando, alcanzará el valor máximo ajustado en el resorte del lado izquierdo de la válvula, este ajuste puede modificarse de manera externa con una simple llave allen y llevará a la placa inclinada a su valor cero, la bomba deja de suministrar caudal y la presión no sobrepasará el valor máximo. Cuando la presión a la salida de la bomba disminuye, el resorte de la válvula desplaza a ésta hacia la izquierda, el cilindro de simple efecto comunica su cámara de presión con el tanque y produce un desplazamiento negativo, desplazando a su vez e inclinando la placa con lo cual aumentará el caudal suministrado. De esta forma se mantiene la presión de salida de la bomba, ajustada en el regulador, constante mediante la variación del caudal suministrado. Existen otros tipos de reguladores similares que podemos encontrar en este tipo de bombas, si queréis ampliar la información podéis echar un vistazo a este manual para las bombas de Rexroth del tipo A10VSO.

En nuestra fábrica se nos ha dado el caso de una bomba A10VSO-71 de pistones axiales y caudal variable de Rexroth que ha dejado de suministrar caudal. Al realizar la primera comprobación hemos notado que el acoplamiento flexible para su accionamiento estaba dañado. Ante el miedo de que pudiera haber sufrido algún daño interno que pudiese haber provocado la rotura del acoplamiento hemos decidido desmontarla (existe bomba en paralelo en stand-by) para su revisión en taller aunque volvimos a montarla tal cual, llegando a la conclusión que el accionamiento se había dañado por que había llegado al final de su vida útil. A continuación os muestro las fotos tomadas a la bomba.

La bomba en el taller para su revisión

Pistones, cilindro y dispositivo recuperador

Conjunto impulsor montado

Detalle del resorte, pistón de desplazamiento y, al fondo, la placa de control

Revisando el regulador de presión de la bomba

Detalle importante, a la hora de volver a montar esta bomba es de vital importancia llenarla con el mismo tipo de aceite que el bombeado. Lo haremos por el conducto marcado como L a través del cual se drena el aceite de fugas interno de la bomba hacia el tanque. Bueno, espero que os resulte instructivo. Por favor, dejad vuestros comentarios o dudas. Gracias.

Un saludo

mecantech@gmail.com