Cuaderno de Hidráulica: Bomba de paletas de caudal variable

Dentro del conjunto de las llamadas bombas volumétricas o de desplazamiento, encontramos un tipo constructivo muy comúnmente empleado en aplicaciones hidráulicas. Se trata de la bomba de paletas. Cabe señalar que el mecanismo que implementa dicho tipo constructivo es muy versátil, me refiero al hecho de que podremos encontrar el mimo sistema para máquinas de compresión de aire y motores hidráulicos. Se trata pues de un mecanismo muy introducido en la industria en general. Voy a comentar su funcionamiento y las diversas capacidades de regulación que posee, de esta forma, ampliaremos nuestros conocimientos sobre este tipo de bombas permitiéndonos mejorar así nuestro diagnóstico a la hora de resolver averías en aquellas instalaciones que posean bombas de este tipo.

La impulsión del caudal de aceite en este tipo de bombas se consigue mediante el giro excéntrico de un rotor dentro de una carcasa circular o estator. En la periferia del rotor se monta un conjunto de paletas deslizantes en sentido radial con el fin de formar las cámaras de desplazamiento o vanos. La estanqueidad de estas cámaras de deslazamiento está garantizada entre las placas, rotor, estator y las placas laterales que cierran el conjunto también llamadas placas de mando. Estos vanos así formados entre paletas varían su volumen con el giro del rotor. El volumen aumenta en la zona de aspiración, produciéndose una depresión que hace que la cámara o vano se llene con el aceite que fluye a través de una ranura de mando practicada en las placas laterales de mando. Por su parte, el volumen disminuirá en la zona de impulsión produciéndose una sobrepresión que obliga al líquido bombeado fluir a través de la ranura de impulsión mecanizada igualmente en las placas de mando o placas laterales. Las paletas se mantienen en contacto permanente con el estator gracias a la fuerza centrífuga producida por el giro del rotor o bien por medio de muelles e incluso en algunos casos por la presión del aceite tomada en la impulsión de la bomba Como puede apreciarse en la siguiente imagen, el grado de excentricidad entre ambas partes, estator y rotor, marcará el volumen de aceite desplazado por vuelta, es decir, lo que viene a llamarse cilindrada de la bomba (cc/rev).

Giro excéntrico del rotor en una carcasa circular

Bomba de paletas Rexroth tipo PV7

Ranuras de mando en la carcasa de una bomba de paletas Rexroth tipo PV7

Ahora bien, si el estator tuviera la forma adecuada podríamos conseguir que las paletas efectuaran una doble carrera. Son las llamadas bombas de paletas dobles. En la siguiente imagen puede apreciarse un mecanismo similar al explicado anteriormente solo que, en esta ocasión, el estator posee una superficie interna doblemente excéntrica. De esta manera cada paleta efectúa dos carreras por cada giro del rotor. Esta es la forma del mecanismo impulsor que suelen utilizar las bombas de paletas constantes o de cilindrada fija ya que en ellas no es posible modificar el grado de excentricidad para variar el caudal aportado por la misma.

Sistema de paletas con carrera doble

Este tipo de bomba doble posee un rendimiento elevado, bajo ruido de funcionamiento y suele ser muy adecuado para su uso en aplicaciones móviles sobre vehículos. En este caso las cámaras de presión y aspiración se encuentran enfrentadas dos a dos y se dice que la bomba está equilibrada hidráulicamente. Si hiciésemos un balance de cargas notaríamos que el único par resistente en la bomba es el par de giro del rotor entre las placas de mando.

Bomba de paletas descargada o equilibrada hidráulicamente

El volumen de aceite suministrado por la bomba en cada vuelta del rotor está directamente relacionado con el grado de excentricidad entre el estator y el rotor. Esto quiere decir que podremos conseguir variar el caudal de la bomba simplemente encontrando el mecanismo adecuado que nos permita modificar la excentricidad entre el rotor y el estator. Veamos la siguiente figura.

Bomba de paletas de caudal variable y mando directo

Se trata de la sección de una bomba de paletas de caudal variable y mando directo, es decir, la posición del estator es ajustada directamente mediante tornillos de regulación, veamos cómo funciona. En esta figura el sistema impulsor está compuesto por el rotor (3) que gira en sentido horario, las paletas (4), las placas de mando anterior (8) y posterior (11) y el estator (5). La posición de este último puede variar gracias a la posible modificación de tres elementos de ajuste:

• Tornillo de ajuste de cilindrada máxima (9). Limita el caudal máximo que entrega la bomba.
• Tornillo de ajuste de la posición vertical del estator (2). Regula su posición vertical e influye directamente sobre el ruido y la dinámica de la bomba.
• Tornillo de ajuste de la presión máxima de servicio (7). Este tornillo ajusta el pretensado del resorte (6) limitando la presión del sistema.

En estas condiciones el rotor gira dentro del estator en sentido horario produciendo una fuerza centrífuga sobre cada una de las paletas que obliga a éstas a ejercer una cierta presión superficial contra la cara interna del estator. Las cámaras de desplazamiento formadas por el rotor (3), las paletas (4) y las placas de mando (8) y (11) comienzan a disminuir su volumen en la zona marcada en la anterior imagen con el color rojo, momento en el que alcanzan la conexión, mecanizada sobre la placa de mando (8), con el lado sometido a la presión del sistema P, el líquido bombeado es obligado a fluir a través de esta conexión hacia el circuito hidráulico. Esta misma presión P actúa igualmente sobre la cara interna del estator ejerciendo un esfuerzo que en la imagen está representado por el vector Fp. Este vector puede ser descompuesto en sus componentes horizontal Fh y vertical Fv. Se obtiene de esta forma un gran esfuerzo vertical que es absorbido por el tornillo de ajuste (2) de la posición vertical del estator y un segundo esfuerzo ejercido contra el resorte (6) que limita la presión del sistema. Mediante el tornillo de ajuste (7) de la presión del sistema podrá modificarse la tensión del resorte (6), modificando así la fuerza Ff ejercida por éste sobre el estator. Si aumenta la presión del sistema P, por ejemplo debido a un aumento de resistencia, el esfuerzo ejercido sobre la cara interna del estator Fp aumentará igualmente, la fuerza Fh ejercida contra el resorte vencerá la fuerza Ff ejercida por aquél y el estator se desplazará hacia la derecha, hacia la llamada posición cero, disminuyendo así el grado de excentricidad y por tanto la cilindrada de la bomba. En estas condiciones la bomba mantiene la presión del sistema, a su vez continúa fluyendo un cierto caudal de aceite entre el rotor y las placas de mando que permitirá la correcta lubricación y evacuación del calor generado en el sistema impulsor. Este pequeño caudal de aceite fluye hasta el tanque hidráulico a través de la conexión L llamada conexión de fugas. Cuando la presión del sistema P alcance un valor tál que el esfuerzo Ff ejercido por el resorte (6) contra el estator (5) venza a la fuerza Fh generada por el sistema, el estator volverá a tomar una posición excéntrica con respecto al rotor, restableciéndose así el caudal de aceite hacia el sistema. Es clara ahora la influencia que, sobre la presión del sistema, tiene el tornillo de ajuste (7).

Veamos ahora cómo funciona otro tipo de bomba de paletas de caudal variable muy similar al anterior y que de forma habitual podremos encontrar bajo la firma de varios fabricantes (Vickers, Rexroth, etc.). La única diferencia radica en que, en este caso, la posición del estator es ajustada en todo momento por un regulador, es decir, la variación del caudal de la bomba se realiza de forma precomandada. En la figura siguiente aparece la sección de una bomba de este tipo.

Bomba variable de paletas precomandada

El funcionamiento de la bomba es similar a lo explicado anteriormente, su sistema impulsor de aceite está compuesto por un estator (4), un rotor (2) que gira en sentido horario, el conjunto de paletas (3) y las placas de mando anterior y posterior (9). La diferencia principal radica en que, en esta ocasión y a diferencia del caso anterior, la posición del estator es ajustada mediante dos pistones de posicionamiento (10) y (11) que se encuentran cargados con una determinada presión hidráulica. Recordemos que en las bombas de mando directo era la acción de un resorte el que ajustaba la posición del estator. En la siguiente imagen puede apreciarse el principio de funcionamiento de la bombas variables de paletas precomandadas y su diferencia con las de mando directo.

Mando directo a la izquierda y bomba precomandada con regulador R a la derecha

Los pistones que ajustan la posición del estator tienen distintos diámetros, aproximadamente la relación entre ambos es 2:1. La presión del sistema P llega a través de los canales adecuados, por un lado al pistón pequeño (10) y por el otro hasta el regulador de presión R que se encarga de alimentar al pistón de mayor diámetro (11). En estas condiciones y dada la diferencia de diámetros de ambos pistones el estator se encuentra en la posición de máximo caudal. El resorte (12) tiene la función de mantener igualmente el estator en la posición de máximo caudal cuando, en el arranque de la bomba, no se ha alcanzado aún la presión del sistema P. En la siguiente imagen aparece un esquema de funcionamiento del regulador en el que se mantiene la posición inicial del estator.

Esquema de funcionamiento del regulador. Posición original.

El regulador de presión está compuesto de un cilindro regulador (14) que se mueve dentro del cuerpo (5) y un resorte (13) que mantiene al cilindro regulador en su posición inicial. Este resorte puede ser regulado en tensión mediante un tornillo de ajuste que nos permitirá así regular la presión máxima del sistema . En estas condiciones la presión del sistema P alcanza, a través de un canal de la bomba, el cilindro regulador (14). Este cilindro regulador posee un taladro longitudinal y dos taladros transversales. A través de uno de los taladros transversales y una tobera, que limita el caudal que circula por el regulador, llega igualmente la presión del sistema P detrás del pistón (11) de mayor diámetro. El regulador de presión posee igualmente una conexión al tanque que, en este momento, se encuentra cerrada gracias a un pequeño cuello que posee el cilindro regulador. Mientras que la fuerza Fp ejercida por la presión del sistema sobre la superficie anular del cilindro regulador sea inferior a la fuerza Ff, ejercida por el resorte del regulador de presión, el estator de la bomba permanece en el estado inicial indicado, gracias a que los pistones (10) y (11) no varían su posición. Ahora bien, es fácil imaginar que ocurrirá cuando se produzca un aumento de la presión del sistema.. Echemos un vistazo a la siguiente imagen.

Esquema de funcionamiento del regulador. Posición descarga.

Cuando se produce un aumento de la presión P del sistema, la fuerza ejercida Fp sobre la superficie anular del cilindro regulador (14) vence a la fuerza Ff ejercida por el resorte (13) del regulador. El cilindro regulador se desplaza hacia la derecha abriendo la conexión a tanque. A través de esta conexión se descargará la presión detrás del pistón (11) de mayor diámetro. Como el pistón pequeño (10) aún está sometido a la presión del sistema moverá al estator (4) hacia la derecha, reduciendo el grado de excentricidad entre estator y rotor y, por tanto, la cilindrada de la bomba. Este efecto continuará de esta forma hasta que el estator alcance la posición cero, la bomba deja de suministrar aceite y únicamente mantendrá la presión máxima tarada sobre el tornillo de ajuste del regulador de presión. Si la presión del sistema disminuye, se desplazará el cilindro regulador a su posición inicial empujado por el resorte (13), cerrándose la conexión a tanque y restableciéndose las posiciones iniciales de los pistones (10) y (11), el estator alcanza su posición excéntrica y se restablece el caudal suministrado por la bomba.

Detalle del pistón de mayor diámetro y su resorte

Detalle del pistón de menor diámetro

Detalle del cilindro regulador con sus dos taladros transversales

Gracias al la implementación de este tipo de reguladores de presión sobre las bombas de paletas, las perdidas de energía al alcanzar el sistema la presión máxima son muy reducidas. No se produce aumento de temperatura en el fluido hidráulico y el ruido en el sistema impulsor se mantiene en niveles más que aceptables.

Espero que esta explicación sobre el funcionamiento de este tipo de bombas y el regulador de presión que habitualmente montan os ayuden a comprender cómo trabajan y, lo que es más importante, a resolver aquellos problemas que puedan aparecer sobre ellas. Os animo a dejar vuestros comentarios o dudas al respecto. Hasta pronto.

Un saludo

mecantech@gmail.com

 

 

 

 

 

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