MECANISMOS HIDRULICOSY SU APLICACIN A LAS AERONAVES.Pablo L.
Ringegni ndice: 1-Introduccin 2-Generalidades: 2.1 Ecuaciones tiles
2.2 Caractersticas de los fluidos 2.3 Fluidos hidrulicos
3-Principios bsicos de operaciones de los sistemas hidrulicos de
aeronaves 4-Componentes hidrlicos del avin: 4.1 Bombas o
generadores de presin 4.1.1 Bombas de piston/es 4.1.1.1 Bombas en
estrella B. bloque cilindro-giratorio B. Gasto variable B. Gasto v
y reg. de presin B. cilindros fijos (Bombas en estrella de vlvulas)
4.1.1.2 Bombas de pistones Axial o Barrilete B. rotativas B. con
vlvulas 4.1.2 Bombas de engranajes 4.1.3 Bombas de mano 4.1.4
Bombas de paletas 4.1.5 Bombas centrfugas 4.1.6 Algunas expresiones
para clculo de bombas 4.2 Gatos hidrulicos 4.3 Motores hidrulicos
4.4 Servomotores 4.5 Servomotores electrohidrulicos 4.6
Acumuladores 4.7 Reguladores de presin 4.8 Vlvula de sobrepresin o
de seguridad 4.9 distribuidores 4.10 Limitadores de caudal 4.11
Reductores de presin 4.12 Multiolicadores de presin 4.13 Filtros
4.14 Juntas 4.15 Depsitos de aceite 4.16 rganos de seguridad 5.
Comparacin de los sistemas hidrulicos con los neumticos 6.
Aplicaciones generales 6.1 Mecanismos de accin del tren de
aterrizaje 6.2 Amortiguadores 6.3 Sistema de frenado 6.4 Sistemas
de mandos a distacia 4.5 Circuito hidrulico de Avin caza 6.6
Sistemas hidrulicos para altos temperaturas 7. Aplicaciones
particulares 7.1 Bolkow 7.2 Avin piper o similar 8. Bombas
centrfugas MECANISMOS HIDRULICOS
Losmecanismoshidrulicossonsistemasformadospordiferentescomponentesencargadosde
transmitir potencia a distancia a travs de un fluido poco
compresible bajo presin. Ventajas: -La alta relacin potencia-peso:
-La baja inercia de las partes mviles:-La flexibilidad en cuanto a
sus diferentes usos y disposiciones. -Las caractersticas de
controlabilidad Componentes bsicos: Figura 1 -Un depsito (A) -Un
generador de presin o bomba (B)-El receptor, motor o actuador
(cilindro C) hidrulico -Los rganos de unin entre la bomba y el
receptor (E) Algunos usos de los sistemas hidrulicos en las
aeronaves: -Elevacin y descenso del tren de aterrizaje. -Absorcin
de choque en el aterrizaje. -Movimiento hacia atrs y hacia adelante
de alas. -Apertura y cierre de flaps. -Movimiento de alerones,
frenos aerodinmicos y timn de direccin y profundidad. -Apertura y
cierre de puertas de compartimentos para bombas. -Accionamiento de
los frenos. -Alimentacin de circuitos de lubricacin de diferentes
sistemas (p.ej.; plantas de poder) 2-GENERALIDADES: (Conceptos
previos bsicos) -Ecuaciones que relacionan parmetros mecnicos con
hidrulicos. -Ecuacin del trabajo: Figura 2 }=21PPdPW ) 1 2 (1P P W
= mP P VW) 1 2 ( =donde: m es la masa del fludo circulante. V = S x
AX es el volumen circulante S es la superficie del mbolo AX es el
desplazamiento del mbolo -Ecuacin de las potencias: ) 1 2 () 1 2 (P
PmqtP PmVtWP == = donde: q es el caudal [Vol/seg]. Caractersticas
fsicas de los fluidos y su flujo. a-Frmula de S. Venant / Bernoull:
022= +dP vd [S. Venant] donde: v : velocidad del fludo P : la
presin VlvulasEAX Fludo incompresiblecteP v= + 22[Bernoull] Figura
3 b-Viscosidad. donde: es la viscosidad absoluta [decapoises o
poises] S es la superficie de una lmina dv/dz es el incremento de
velocidad por unidad de distancia en el sentido de separacin
aTTooe) )( (log = donde: o es la viscosidad para T = To
acaracteriza el ndice de viscosidad. Indice de viscosidad de un
fludo p p p vp p vA=== +2 122 1222dzdvS F = Figura 4 Paralelamente,
para una determinada temperatura, la viscosidad aumenta con la
presin segn la ley: ||.|
\|=100pppa donde: p es la viscosidad a la presin p 0 es la
viscosidad para p=p0 a es aproximadamente igual 1,003 para los
aceites minerales y vara con la temperatura.
c-Viscosidad cinemtica: fica MasaEspecta idadAbsolu Vis cos= u ]
[2 2T L ] [stokeso [centistockes] Figura 5 -Flujo laminar de un
fludo incompresible en un tubo. Figura 6
Comoseconoce,laleydevelocidadesdeunfluidoenuntubocilndricoesparablicayse
expresa como: Y la velocidad mxima tiene por valor: El caudal total
est dado porY la velocidad media es: ( )2 24r RlpA=vlpRmaxv42A=lp
RRqVmed tA= =822lp Rqr r Rlpdq qR rrRttA=||.|
\|A= = }==84 2 240 02 2 2 -Escurrimiento laminar en un espesor
pequeo: - Secin plana Figura 7 La fuerza ejercida por las presiones
p1 y p2: y la ejercida por la viscosidad es:La suma de stas dos
fuerzas es nula : La segunda ecuacin fue hallada con la condicin de
que v=0 para y=e/2. El gasto elemental en volumen de una seccin de
espesor dy es: (1) ||.|
\|A=+A=2224 22yelpvCteylpvlpeqdy yelpdq qdy yelpvdy dqe y e12;4
22 24 232 /02 /02222A=||.|
\|A= =||.|
\|A= =} }=( ) p y p p y F A = = 2 22 1 1dydvl F 22 =lpydydvdydvl
p yA = = Ae2-Seccin anular: Figura 8 En el caso en que la pared se
presente bajo la forma de una seccin circular de dimetro
medioDydeholguradiametraljentrelasdossecciones,lafrmulaprecedentese
establece con los siguientes valores: e=j/2 y =tD, por lo tanto
Como vemos las fugas varan con el cubo de la holgura. Esto
caracteriza la precisin de maquinado de los elementos de todos los
sistema hidrulicos que funcionan bajo fuertes presiones. e3- Seccin
anular excntrica: La frmula anterior ha sido deducida suponiendo el
mbolo centrado en el cilindro, pero ste no es el caso general.
Supongamos una situacin como la de la figura 9. Figura 9
Consideremosunmbolodelongitudlyderadiorcolocadoenuncilindroderadio
R=D/2 y con una excentricidad de valor a. La holgura en un punto
dado A es AB=OB-OA, con AB=R - (r coso+a cos|); como a/R
essiempremuypequeo,cosopuedeconsiderarseigualalaunidad.Porlotanto
tendremos: AB=R - (r+a cos|)=b a cos| . Con R r =b. Apliquemos la
ecuacin de gasto ( 1 ) al elemento AA BB La ecuacin se escribe
entonces: t396jlp DqA=Haciendo c = a/b ( excentricidad relativa),
el gasto total de la fuga est dado por: Pero como b=j/2 y D=2 R: c
es como mximo igual a 1 y en este caso el gasto de la fuga se
multiplica por 2,5 con
relacinalaqueserasilaexcentricidadfuesenula.Comoseveunorificiocalibrado
constituido por una holgura anular es muy sensible a las
variaciones de excentricidad. f-Nmero de Reynolds. Prdidas de carga
en las tuberas. De la mecnica de fludos se conoce que el flujo de
un fludo que circula por un tubo cilndrico
puedeserlaminar(ordenadoyregular)oturbulento(irregularydesordenado)dependiendodel
nmero de Reynolds (adimensional) definido como: uVD= 9donde: V es
la velocidad media en cm/seg. D es el dimetro del tubo en cm. u es
la viscosidad cinematica en stokes.
Elmismodalarelacinentrefuerzasdeinerciaylasfuerzasviscosasquesedesarrollanenel
fludo.
Cuandoestenmeroesinferiora1080,elrgimeneslaminar,esdecirquelasfuerzasviscosas
son las predominantes.
Cuandoestevaloressuperiora2300,elrgimenesturbulentoysecaracterizaportenerun
predominio de las fuerzas de inercia. (o peso y velocidad).
Lasleyesdelasprdidasdecarga,varandependiendosielescurrimientosedaenrgimen
laminar o rgimen turbulento. Segn habamos visto en la ecuacin:Y
teniendo en cuenta que: =v ;q = t R^2V;D = 2R;9 = V D/v Se puede
establecer: ||.|
\|+A=A= =} }231122; ) cos 1 (1223320320ct| | ct tR blpQd R blpdq
Q||.|
\|+A=231962 3ct jlp DQlp Rqt A=84fDl Vp22 = A( ) |d R ABlpdq
..123 A= Siendo f = 64/R cuando el rgimen es laminar, (hasta 9 =
1000), cuando el rgimen es turbulento, las frmulas son empricas
yfsurge de la expresin (emprica) de Blasius De la figura siguiente
se pueden obtener los distintos valores de f para los diferentes
regmenes de flujo. Figura 10
Enlaprcticaparaobtenerlacadadepresin,yparaevitarlargosclculos,seutilizanbacos
(verfiguras3,4y5delAnexo)enloscualessetrabajaconlossiguientesdatosdeentrada:el
caudal del flujo, el dimetro de la caera, la viscosidad cinemtica,
el tipo de fludo y el tipo de rgimen (9).
Generalmenteenelclculodetuberasdelossistemashidrulicosdelasaeronavessetoman
regmenes laminares. Con esta consideracin el efecto de la rugosidad
interna de las caeras, se hace despreciable, contrariamente a lo
que ocurre para el caso de rgimen turbulento. Para la aspiracin de
bombas se admiten velocidades de 1.5 a 2.5 m/seg y para la descarga
con el circuito bajo presin, velocidades de 2.5 a 5 m/seg
g-Caudal a travs de un orificio de pared delgada. Sea el esquema
de la figura 11: 25 . 0316 . 09= f Figura 11 La velocidad al pasar
el orificio est dada por Bernoull y vale: Y el caudal volumtrico
es:
Perocomoelchorrodelquidosecontraedespusdesupasoporelorificiodisminuyendosu
seccin real y formando lo que se llama vena contracta, a causa del
frotamiento interno debido a la viscosidad, la velocidad real es
tambin menor que la expuesta anteriormente. Por lo tanto la
expresin del caudal real queda:
ElcoeficienteCestdadoenlafigura9,yestenfuncindelnmerode9paradistintas
relaciones de Do / Du. Para el caso de los aceites utilizados en
aeronaves,vale aprox. 0.8. h-Densidad Con las expresiones vistas
anteriormente, la densidad de los aceites se hace importante cuando
se evalan por un lado las prdidas de carga de un sistema y por otro
cuando se evala la potencia necesaria para bombear un determinado
fludo. i-Coeficiente de compresibilidad
Loslquidostomadoscomoincompresiblesenrealidadposeenungradodecompresibilidad,es
decir que su volumen disminuye bajo efectos de la presin.
Estefenmenotomaimportanciaenlosflujostransitoriosyenelestudiodelos
servomecanismos.Paralelamenteesestacompresibilidaddelosfludoslaquepermiterealizar
resortes muy compactos. Se define como coeficiente de
compresibilidad a: pvA=2ps vsA=2pCs qvA=2dPVdVPVV =AA = | Y si
integramos la expresin anterior entre dos estados 1 y 2 se tiene )
(121 2P PeVV =| Con lo que podramos definir un nuevo parmetro
denominado Mdulo de Elasticidad Cbica igualalainversade |
yquenosdaelaumentodepresinqueesnecesariosuministraraun fludo para
dividir su volumen por e. Para los aceites minerales ms comunes el
valor de |1 es aprox. 1.4 a 2 x 104 bars. Una de las aplicaciones
ms importantes del mdulo de elasticidad cbica se da en los servos.
El
mismodeterminalarigidezestticadelsistemaeinfluencialagananciaoamplificacinqueun
servo puede tener. j-Coeficiente de dilatacin El comportamiento de
la dilatacin de un fluido est dado por t DVVA =A dondeD es el
coeficiente de dilatacin y vale 10-3 para los aceites de petrleo o
minerales. At es la variacin de la temperatura k-Calor especfico El
trabajo por unidad de masa disipado por laminado del fludo bajo
presin est dado por: ) 2 1 (2 1T T CpP PW == donde: T1-T2 es la
variacin de temperatura correspondiente al aceite Cp es el calor
especfico y vale 0.5 x 4180 para los aceites minerales para
temperaturas usuales de trabajo.
Estaexpresinresultatiltambinparacalcularelcalentamientodelaceite(T1-T2)parauna
determinada cada de presin (P1-P2) l-Definiciones adicionales
-Punto de anilinaEl punto de anilina es la temperatura
correspondiente al cambio de aspecto de una mezcla aceite-anilina
durante su enfriamiento.
Lagomasinttica,comunmenteutilizadacomomaterialdejuntasenlossistemashidrulicos
reacciona con un cambio de volumen (contraccin y dilatacin) cuando
la misma es sometida al
contactoconelaceiteysehadescubiertoqueestecambiodevolumenestenrelacinconel
punto de anilina. Cuanto ms alto es el punto de anilina, ms se
contrae la goma e inversamente mientras ms bajo sea ms se infla. El
punto de anilina entra dentro de las especificaciones de los
aceites utilizados en las aeronaves.
-Untuosidad o lubricidad Es la capacidad del aceite a reducir la
friccin entre superficies en contacto mviles y resulta de
unaatraccinfisicoqumicaentrelasuperficiemetlicaylapelculadeaceitequelacubre.Un
aceite con buena lubricidad deber mantener las superficies
separadas por la pelcula de aceite en las condiciones de
trabajo.
-Punto de inflamabilidad
Eslatemperaturaalaqueesnecesariocalentarelaceiteparaquelosvaporesproducidosse
inflamen al contacto con una llama. -Punto de congelacin Este
parmetro est relacionado con la capacidad de fluir del aceite a
bajas temperaturas. -Indice de acidez y de saponificacin La acidez
de un aceite resulta del hecho que la misma se deteriora en
servicio debido a una serie
decomplejasreaccionesdeoxidacinyqueformanproductosquegeneranaumentodela
viscosidad del aceite, compuestos corrosivos, gomas pegajosas y
sedimentos pesados. As, cuando el ndice de acidez llega a un cierto
valor, se debe reemplazar la carga de aceite por una nueva. El
anlisis se realiza con un indicador coloreado. Cabe mencionar ac,
que otro de los motivos de la corrosin es la presencia de aire y
agua en el aceite.
Elndicedesaponificacinpermitedeterminarenqueproporcinunaceiteestalteradocon
componentes grasos de origen animal o vegetal.
-Deteccin de carbn residual
Serealizaporevaporacindelaceiteyseefectaparadeterminarlapropencindelaceitea
formardepsitosdecarbnsobrelasparedesdelossistemascuandoestsometidaaaltas
temperaturas. 2.3 Fluidos hidrulicos a- Fludos de base acuosa
(Water based fluids): Su designacin es MIL-O-7083 Poseen la
caracterstica de ser no inflamables y es por eso que son utilizados
en aviones navales.
Estossonqumicamentetratadosconaditivosparamejorarsuscualidadeslubricantesy
corrosivas. El porcentaje de agua est comprendido entre 35 y 50 %.
Se denomina comercialmente como Hydrolube. Como referencia damos
algunos datos de una mezcla con 40% de agua: Densidad: 1.05 Ph: 8.5
Calor especfico(Kcal/Kg/C):0.8 Pto. De congelacin:-30C Viscosidad:
(cst)-18C1000 -32C40 -50C30 -90C10 El ndice de viscosidad es mejor
que el de los aceites minerales.
Nodebeutilizarsezinc,cadmionimagnesioconestosfluidos.Elaluminiodebeprotejersecon
proteccin andica. b-Fluidos de base mineral (Mineral-based
petroleum oil) Su designacin es MIL-O-5606 / Este tipo de fluido
posee las caractersticas: -Bajo punto de congelacin (-60C),-Baja
viscosidad.-Baja lubricidad -Es inflamable. -Bajo ndice de
viscosidad. -Mxima temperatura de utilizacin: 150 C -Posee agregado
de aditivos para mejorar su ndice de viscosidad y aumentar su
lubricidad. El OM-15 posee una viscosidad de 14 cts a 50Cy alto
ndice de viscosidad. El INVAROL 54 posee una viscosidad de 30 cts a
50C y un exelente ndice de viscosidad. c-Fluidos o Aceites
Sintticos:Secaracterizanporsernoinflamables,tenerunampliorangodetemperaturasdetrabajoyun
buenndicedeviscosidadaunquesuprecioesmselevadoqueeldelosmencionados
anteriormente. Estos fluidos se utilizan en aeronaves y
particularmente en las supersnicas, ya que poseen buen
funcionamiento a altas temperaturas. Uno de los ms utilizados es la
mezcla de agua-glicol con agregado de aditivos para mejorar las
cualidades de lubricacin y anticorrosivas. Uno de los aceites
utilizados es el Skydroll 500 de base ester-fosfato. Tambin se
utilizan los de base silicato-ester que son utilizableshasta 300 C
3-PRINCIPIOSBSICOSDEOPERACINDELOSSISTEMAS HIDRULICOS DE AERONAVES.
a- 1er. Principio:Es el mas simple y muy usado en el avin Figura 12
Las bombas son de gasto variable y P = cte. b-2do Principio: Figura
13 Cuando el distribuidor est en posicin neutra, la descarga queda
conectada al depsito (a b-c d) y la bomba sin presin.Cuando se
accionan los distribuidores se corta el regreso al depsito y se
accionan los actuadores. Cuando se acciona uno de los lados del
actuador, el otro lado descarga al depsito por B.La vlvula de
seguridad limita la presin mxima sobre los actuadores a actuadores
distribuidoresActuadores y distribuidores c- 3er Principio Figura
14 La bomba descarga a un regulador, el cual pone en comunicacin la
descarga de la bomba con el depsito cuando la bomba del circuito
sobrepasa un determinado valor. Inversamente si la presin
delcircuitodesciendepordebajodeciertovalor,orientaladescargadelabombahaciael
acumulador y al circuito general. Depsito 4- COMPONENTES HIDRULICOS
DEL AVIN 4-1 BOMBAS O GENERADORES DE PRESIN.
Lasbombasutilizadasenaeronavespuedenserdedostipos:dembolosodeengranajes,pues
sonlosquepuedenalcanzarlaspresionesdetrabajo(P)querequierenlossistemasyquevan
entre 100 y 250 bars. El caudal (q) vara entre 40 cm^3/seg y
5000cm^3/seg. As por ejemplo una bomba que trabajacon un q = 500
cm^3/seg y 250 bar de presin, entrega una potencia hidrulica de: P
= 25000.0,0005 = 12,5 KW Y si pesa 4.5 Kg., tiene una potencia
/unidad de masade 3 KW/Kg, el cual se considera un valor bastante
bueno.
Elsiguientecuadropermiteclasificarlosdistintostiposdebombasqueserntratados
acontinuacin. 4.1 Bombas o generadores de presin 4.1.1 Bombas de
piston/es 4.1.1.1 Bombas en estrella B. bloque cilindro-giratorio
B. Gasto variable B. Gasto v y reg. de presin B. cilindros fijos
(Bombas en estrella de vlvulas) 4.1.1.2 Bombas de pistones Axial o
Barrilete B. rotativas B. con vlvulas 4.1.2 Bombas de engranajes
4.1.3 Bombas de mano 4.1.4 Bombas de paletas 4.1.5 Bombas
centrfugas 4.1.6 Algunas expresiones para clculo de bombas 4.1.1
Bombas de
pistn/es:Elfuncionamientodedichabombasebasaenunpistnquesemuevedentrodeuncilindro,
aspirando el fluido durante la carrera descendente (se cierra la
vlvula de escape y se abre la de admisin) y descargandolo en su
carrera ascendente (se cierra la vlvula de admisin y se abre la de
escape) Figura 15 Un circuito tpico de bombeo es el que se ve en la
siguiente figura. Figura 16
Elmbolodescargadurantemediavueltadelejegenerandouncaudaltilproporcionalala
velocidad del mbolo a travs de su rea S.q=V.S Haciendo referencia a
la figura 15; en el tringulo OAB, tenemos: Entonces, sustituyendo
la segunda ecuacin en la primera, obtenemos: l rr l xu u sen sencos
cos= =) 1 ( , sen 1 cos222||.|
\|+ + = u ulrl r xv. admisin v.
escapeComoelsegundotrminobajoelradicalesmuypequeocomparadoconlaunidad;setiene,
limitando el desarrollo a los dos primeros trminos: Derivando, se
tiene Para el caso que se desea aumentar el caudal total necesario,
lo que se hace es ubicar varios pequeos pistones en paralelo,
formando una bomba de pistones mltiples Figura 17 Figura 18
Elcaudaltotaldeunabombadepistonesmltiplesporcadarevolucin,eslasumadelos
caudalesdesalojadosporlospequeospistones,yaquetodosellossonaccionadosduranteun
ciclo en una vuelta del eje de la bomba. u uu u222222sen2cossen21
cos ~lrr l xlrl r x =||.|
\| + =u uee u u e u2 sen2sencos sen 22* sen2lrrVlrrdtdxV = =
=stasbombasseutilizanamsde4000r.p.m.yapresionesmayoresde100a150bar.Son
permisibles temperaturas altas de trabajo ya que estas bombas son
menos afectadas por usar una menor viscosidad del fluido. Cabe
mencionar que para igual potencia requerida, las bombas de pistn
son mas costosas que las de engranajes.En cuanto a la irregularidad
del caudal, siempre es conveniente elegir una bomba con un nmero
impar de mbolos, en vez de par. Las bombas de pistones mltiples se
pueden dividir en: bombas en estrella y de pistones axial o
barrilete. 4.1.1.1 Bombas en estrella: Este tipo de bomba posee
presiones de funcionamiento que van de 100 a 150 bars y puede girar
hasta 2000 r.p.m. aproximadamente. Poseen una Potencia / unidad de
masa aprox. de 1KW/Kg. y una eficiencia de 0.76.
Enestetipodebombas,todoslosejesdeloscilindrossonconcurrentesysituadosenelmismo
plano. Estas pueden subdividirse en dos, las bombas de
bloquecilindro giratorio y las bombas de cilindros fijos. Bombas de
bloque-cilindro
giratorio:Elbloquecilindrosolidarioalejedelmotorgiracentradorespectoalbastidor.Cadambolose
aplica,porefectodelafuerzacentrfuga,sobreunacoronagiratorialacualestamontadasobre
agujas y es exntrica respecto al bloque de cilindros. Figura 19
Durante la rotacin, el volumen entre cada pistn y su cilindro
respectivo vara si gira en sentido
horario,delladoizquierdodelafiguraelvolumenaumentaydelderechodisminuye.Siestos
volmenes se comunican con los orificios de distribucin, que se
disponen como se observa en la figura, se tiene una bomba que
aspira por el lado izquierdo y descarga por el derecho.Esta bomba
es reversible y puede tambin trabajar como motor. Si consideramos
la cinemtica de la bomba, segn la Figura 20 tenemos: Figura 20 O1:
centro del distribuidor y del bloque de cilindros. O: centro de la
corona. O O1: excentricidad e O1 A: eje de un cilindro.
despejandoxyreemplazandorpore,ylporR,seobtiene,trasresolverlaecuacin,laluzde
desplazamiento del cilindro obtenida en la ecuacin (1). Este tipo
de bomba se divide en algunas variantes que son: -Bomba de gasto
variable: Figura 21 ( ) 0 . cos . 2cos . . 2cos 22 2 22 2 21
121212= + ++ + = + + =R e x e xx e x e RA O OO A O OO OAuuu En
estas, si se vara la excentricidad e, se cambia la cilindrada y el
caudal. -Bomba de gasto variable y regulada en presin: Regulador de
presin: Es del tipo forzado. La presinllega por P, pasa a C1,
despus a C2 por el conducto Ca1; actasobre la corredera T, en
equilibrio, por una parte bajo el efecto del resorte y por la otra,
bajo el de la presin.
CuandolaaccindelapresinsobrepasaladelresorteR1,Tsedesalojahacialaizquierda,el
aceite, bajo presin, de C2 pasa a C3 a travs del orificio Or1 y del
conducto Ca2.
UnavezestablecidalapresinenC3,empujaelmboloPihacialaizquierda,loquetienepor
efectodisminuirelgastodelabomba:estemovimientoseproducehastaquelacorrederaT
vuelveaocuparlaposicinneutra,loquetienelugarparaunapresindeterminadaque
llamaremos presin nominal.
Sienunmomentodadolapresinesinferioraestevalor,lacorrederaTesdesalojadahaciala
derecha, la Cmara C3 se pone entonces en comunicacin con el depsito
por el orificio Or2 y el
conductoCa2,elmboloPisedesalojahacialaderechabajoelefectodelresorteR2ydela
presin,P,queactaenlacmaraC1.Elgastoaumentahastaquelapresinnominalse
restablece. Las presiones de funcionamiento para las bombas de
gasto fijo, que no quedan bajo presin sino
deunamaneraintermitente,sonde100a150bars,yde80hpsparalasbombasderegulacin
automtica de presin. Pistones radiales y anillos estacionarios:
Flitch Presin 420 bares y hasta 7000 rpm 4.1.1.2 Bombas de
barrilete o pistones axiales: Este tipo de bombas se puede dividir
en bombas rotativas y bombas con vlvulas Bombas rotativas: El
principio de stas bombas se representa en la figura 23 Figura 23
Cuando esta bomba se mueve en el sentido indicado por la flecha,
los mbolos que se encuentran frente al plano de la figura, se
desalojan con relacin al bloque de cilindros, hacia la parte
superior
deloscilindros,seencuentrantodosencomunicacinconelorificiodeaspiracin(en
rin) y el aceite proveniente del depsito, llena cada cilindro.
Losmbolosqueseencuentranatrsdelplanodelafigurasedesalojanhaciaabajo,enlos
cilindros (con relacin al bloque de cilindros), y descargan el
aceite hacia el orificio de descarga, tambin en forma de rin.
Algunas de stas variantes son las bombas de gasto controlado, como
la figura 24-a y las bombas con reguladores de presin figuras 24-b
y 24-c. Figura 24-a Figura 24-b Figura 24-c Comparacinde stas
bombas con las bombas giratorias en estrella. Este tipo de bomba
posee las siguientes caractersticas: -No necesita vlvulas para la
distribucin. -Posee fugas de aceite ms pequeas que las bombas de
estrella. -Las presiones de trabajo son deaprox. 100 a 400 bares y
los caudales de aprox 200 lts./min. -Para el mismo tamao de
orificio de aspiracin, el caudal es mayor que en las bombas
estrella. -Puede girar ms rpido y llegar hasta 6000 rpm. -Tiene una
Potencia/U masa de 3.5 Kw/Kg -Baja Friccin, en lo que la eficiencia
llega a 90 - 95 % -Tiene mayor dificultad en la fabricacin que la
estrella. -Requiere mejor filtrado del fludo, ya que posee una
placa plana que lubricar. Bombas con Vlvulas:
stabombasutilizalosmismosprincipiosquelasbombasenestrellaconvlvulas;perolos
cilindros se disponen de manera diferente. Figura 25 En el ejemplo
dado en la figura 25 la inclinacin del disco es funcin de la presin
de descarga, y el gasto es autorregularizado.
Enelfuncionamientodeestabomba,elmboloestsometido,durantelamitaddeltiempo
(carreradedescarga)aladescargamxima;deahsesiguequelosbalerosylosapoyosdelos
mbolostrabajensiempreencondicionesdeesfuerzamximo,auncuandolabomba,cuandoel
gasto es nulo, no suministra potencia alguna.
Esevidenteque,sitodolodemsquedaigual,laresistenciaalafatigaaumentaramucho,sise
pudieranhacertrabajarmenostiempolascabezasdelosmbolos,amedidaqueelgasto
disminuyera as tambin la fuerza media sobre los baleros disminuir
en la misma proporcin. La bomba de la figura 26 es capaz cumplir
las condiciones anteriores. 4.1.2 Bombas de
engranajes:Lasbombasdeengranajessonmuyutilizadasporsurobustez,susimplicidaddefabricacin,su
rapidez de giro y su Pot/U masa bastante elevadas.
Dadoquesupresinmximaesbastantereducida,suusoenaeronavesesbastantelimitado.Su
rango de utilizacin es de: Pmx: 150 bars yQmx: 50 lts/min. Los
americanos utilizan en el DC 3 (Dakota) la bomba Pesco de 60 bars y
girando a 3900 rpm. Todas estas bombas se componen de dos piones
iguales, los dientes son rectos y de envolvente de crculo. El
principio de funcionamiento es el siguiente, durante la rotacin,
los dientes de los piones, al
entrarencontactodelladodeladescarga,expulsanelaceitecontenidoenloshuecos,entanto
que, el vaco que se crea al costado de los dientes del engranaje,
provoca la aspiracin de aceite en los mismo huecos. Figura 27
Consideremoslafigura27enlaquelosdientes
sehanhechomasgrandesysehaexageradoel juego lateral entre los
flancos de los dientes. El pin motor arrastra al pin movido, el
punto de contacto en un momento dado es el punto; determinaremos la
distancia U=AM como, la distancia desde el punto de contacto a su
posicin media (A es la mitad de OO1). M desaloja sobre la recta de
presiones, inclinada un ngulo u llamado ngulo de prein, (con la
normal a OO1 en el caso de los piones de evoluta).
ConsideremosahoraelpinmovidoO1,seaplapresinrelativadedescargaconrelacinala
presin de aspiracin, la cual tomaremos como origen de las
presiones. Las caras F1 y F2, como son simtricas no ejercen ningn
par sobre el pin. Por su parte la cara F4 est sometida a presin
nicamente en su parte inferior. Mientras que la cara F3 est
sometida
porcompletoalapresin,stedesequilibriotiendeaoponersealmovimentoimpuestoporel
pin motor y asegura el contacto en M. El engranaje trabaja de la
siguiente manera: La cara F3 empuja el aceite, con un gasto de:
Donde: b es el ancho del diente h es la altura del diente=re-ri e
es la velocidad derotacin del engranaje re es el radio exterior del
engranaje ri es el radio interior del engranaje La cara F4 (MC)
disminuye el gasto precedente en la siguiente cantidad: Ya que el
oroducto (O1M-ri)b representa la superficie de trabajo del diente.
El gasto correspondiente del engranaje movido es: Consideremos
ahora el pin motor O. Las caras F5, F6, etc., estn equilibradas. La
cara F7 (MB) empuja el aceite con un gasto: El gasto instantneo de
la bomba es: El gasto instantneo est dado por la siguiente
expresin: en la que u es la nica variable. Si los dems parmetros
permanecen igual, el gasto ser tanto mas regular en cuanto u
seamspequea.upuedeexpresarseenfuncindelnguloderotacindelpin,
tomndosecomoorigendelosngulos,aquelparaelcualu=O,oseacuandoM
coincida con A. En la figura 27 se representa el crculo de base de
radio rb = rp cosu. En las bombas de engranes bien construdas,
nunca trabaja sino un solo diente al mismo
tiempo,estacondicinesindispensablesisequierenevitarsobrepresioneslocales
( )2 22 23i e i er rbr rbh q =+ = ee( )2 22 21 11 4i iir M Obr M Or
M O b q = |.|
\| + = e e||.|
\| = =22124 3 1M O rb q q qee( )||.|
\| = |.|
\| ++ =2 22 27OM rbOM OBOM OB b qee e||.|
\| + = + =221227 1M O OMr b q q qee( )2 2 2u r r b qp e =
eelevadasyfatigasdelmaterial.Estoseconsigue,practicandoaberturasdealiviosobre
las tapas laterales del lado de la descarga. De acuerdo con esto
cada diente funciona durante 2t/n (con n el nmero de dientes) El
gasto est dado entonces por la expresin: El gasto medio se halla
integrando la expresin anterior entre 0 y mx y el gasto por vuelta
se obtiene haciendo e = 2t y por lo tanto: Este gasto no es otra
cosa que el volumen del toro que tiene por centro el crculo de
radio rp y por seccin, la de un diente, o sea bh. La altura a
considerar es un poco menor que la altura real del diente, ya que
no hay que tener en cuenta el juego mecnico del fondo del diente
que es generalmente de 0,15m. 4.1.3) Bombas de mano: Las bombas de
mano se destinan generalmente para servir como bombas de emergencia
o bombas de prueba. La figura 28 representa la bomba ms clsica, de
dos cilindros, de doble efecto y vlvulas. Figura 28 La figura 28-a
y 28-b representa tambin una bomba de doble efecto y de un solo
mbolo utilizando el efecto del pistn buzo. Figura 28-a y 28-b
Durante la carrera del mbolo hacia la derecha, (2) est cerrada, la
bomba descarga por la seccin diferencial S1, y la aspiracin se
produce por (1). Durante la carrera hacia la ( )2 2 2 2 2cos u ep p
er r r b q =h r b qp vueltat 2
=izquierda(1)estcerrada,(2)abierta,labombatrabajacomounabombadembolo
buzo de seccin S2. Bombas de mano de dos cmaras: Las bombas de mano
montadas para emergencias en
elavin,seutilizanprincipalmentepararealizareldescensodeltrendeaterrizajeen
caso de necesidad. Deben por lo tanto poder proporcionar una alta
presin, para efectuar el primer tiempo de la maniobra (desbloqueo),
despus suministrar una fuerte cantidad de aceite a baja presin,
para acompaar el tren de aterrizaje durante el descensoy por ltimo
suministrar nuevamente una alta presin, para bloquearlo en la
posicin baja. Figura 29 Una bomba de una sola cilindrada no cumple
con stas condiciones, ya que su gasto es prcticamente constante e
impuesta por la condicin de presin mxima. La bomba de dos cmaras
tiene, una de ellas, a alta presin y baja cilindrada y la otra, a
bajapresinygrancilindrada;elpasodeunaalturaaotracmarasehace
automticamente en funcin de la presin de descarga. 4.1.4 Bombas de
paletas. El principio de funcionamiento de estas bombas se
representa en la figura 30. Figura 30 Las paletas se apoyan sobre
la parte inferior del estator, cuya seccin es una excntrica,
seformaunacapacidaddevolumenvariable,entreelmotor,elestatorydospaletas;
estavariabilidadeslaquepermiteelbombeo.Ladistribucinserealizapormediode
aberturasdelascaraslateralesdelabombayquecomunicanconlaaspiracinyla
descarga. El equilibrio del rotor se obtiene por la simetra
alrededor del eje de rotacin. Estas bombas permiten funcionar de 70
a 100 bars, son de dimensiones reducidas y de un funcionamiento
relativamente silencioso. 4-2 GATOS HIDRULICOS:
Estoscomponentessonrganosquerecibenlaenergahidrulicaylarestituyenenformade
energa mecnica en forma de traslacin. Este rgano simple se utiliza
cuando el movimiento buscado es de tipo alternativo. -Pistones de
simple efecto: Figura 31 La accin del aceite se ejerce en un solo
sentido y el regreso se realiza a travs de un resorte.El pistn
posee una junta hermtica y el vstago es cromado o rectificado.
-Pistn doble efecto: Figura 32 Figura 33 Estos pueden ser de un
solo vstago o con contravstago. El segundo posee la caracterstica
de ser simtrico desde el punto de vista hidrulico aunque es ms
voluminoso. Tambin posee una gua mejor asegurada.
Losorificiosaybseponenalternativamenteeinversamenteenconexin,unoaldepsitoyel
otro a la llegada del aeite a presin. -Gato o cilindro diferencial:
Figura 34 El aceite llega siempre bajo presin a la parte
diferencial.Este posee esfuerzos mximos iguales en los dos
sentidos. La relacin entre las dos secciones se elige en funcin de
las fuerzas mximos que se quieren obtener en los dos sentidos. El
funcionamiento del cilindro diferencial puede dividirse en dos
reglas: -. Con igual caudal en la salida y en la entrada, el
cilindro se mueve mas aprisa cuando se retrae por el volumen
reducido. -. Con igual presin a ambos lados, puede ejercer ms
fuerza cuando se extiende, por que el rea del pistn es mayor.
-Sistema de bloqueo de los gatos: Este sistema se utiliza para
trabar mecnicamente a un pistn, cuando no esta sometido a ningn
efecto hidrulico como se da en el caso del tren de aterrizaje de
una aeronave. Figura 35
Enlafiguraserepresentaundispositivodebloqueoquepuedeactuarencualquierpuntodela
carrera del pistn. El mbolo secundario est suave sobre el mbolo y
las bolas se aprietan con los resortes a la pared del cilindro.
Cuando acta la presin (de cualquier lado del mbolo secundario) ste
se desaloja y afloja las bolas correspondientes del lado del
movimiento.
Estedispositivoestlimitadoensucargadebloqueoparaquenosedeformenlasparedesdel
cilindro. Las figuras siguientes muestran otro tipo de bloqueo con
resortes y presin externa. figura 36 a Figura 36 b -Pistones o
gatos rotativos:
Seutilizanparaobtenermovimientosrotatoriosdesalidaparaamplitudessuperioresalos60
aproximadamente y suministrar un par alto de trabajo. Tal es el
caso del gato doble de paletas Figura 37 a Figura 37 b Otros son
del tipo como muestran las figuras siguientes: Figura 37 que
permite una rotacin de 300 o el de la figura 37 a que permite una
rotacin de100,mientras que la de la figura 37 b permite una de
60Figura 37 c Figura 37 d 4-3 MOTORES HIDRULICOS: Este tipo de
rgano recibe la energa hidrulica y la transforma en energa mecnica
en forma de rotacin. Esta es la diferencia que tienen con los gatos
hidrulicos, siendo este tipo de aplicacin ms escasa que las
anteriores.Se utilizan principalmente en el accionamiento de flaps,
donde el motor hidrulico se conecta con un eje giratorio que los
acciona. Se usan tambin en gras y herramientas.
Tantolasbombastipoestrellacomolasdepistnesaxialespuedenfuncionarcomomotorsila
presin se ejerce en el orificio de descarga.
Lasbombasdepistntienenmejorrendimiento,comomotor,quelasdeestrellayaquelosfrotamientos
son ms reducidos. La bomba estrella tiene frotamiento en la cabeza
de los pistones y en la corona giratoria. Los principales parmetros
en los motores son la presin, el desplazamiento y la torsin.
Eldesplazamientoeslacantidaddeaceite(volumen)quesedebebombeardentrodelpara
provocar una revolucin. -Motor estrella (dos carreras o mas): Se
elimina parte del rozamiento ubicando rodamientos en la cabeza de
los mbolos. Figura 38 El distribuidor est formado por 4 orificios:
1 comunicado con 3 y 2 con 4. Si se supone, por ejemplo, que la
presin llega por 1-3, sobre uno de los mbolos, la fuerza es: F=pS
donde:p: presin S: rea del mbolo.
LareaccindeapoyoRadelrodillopasaporOyesperpendicularalasuperficieexterior
exntrica en el punto de contacto. F y Ra generan una Ft (Fuerza
tangencial) que crea un par sobre el motor. De la figura tenemos: o
tg F Ft =El trabajo por revolucin es: donde ces la cilindrada del
motor. El par ser: Como muestra la figura si se duplica el nmero de
carreras por vuelta, se duplica el par terico del motor.
Ahora,sieselcoeficientedefriccindelosrodamientos,lareaccinRapasaaserRaque
forma un ngulo con el OO1 y se tendra la fuerza real que vale: y el
rendimiento ser: Es decir que el rendimiento aumenta si o aumenta
(o sea si las inclinaciones son mayores). La eficiencia se
encuentra por lo general entre 0.85 y 0.95. Las presiones son de
100 a 150 bars, la velocidad es de 750 rpm y la Pot/Peso=1KW/Kg.
Tambin existen los motores de cuatro carreas por vuelta. Figura 39
El caudal requerido para una cierta velocidad es: donde es el
desplazamieto Con V [rpm], [cm^3/min], Q [ cm^3/min]. Pc W =t 2WQ
=( ) o = ' tg F Ft( )oo oq =='= 1tgtgFtFt V Q =De sta expresin se
puede calcular la velocidad impulsada como:
Elparotorsinmximadeunmotorestdada
porlacargaquepuedemoveryporladistancia radial desde el centro del
eje a la aplicacin de la carga. El porcentaje de torsines la torsin
en lb/in por 100 psi de presin Mx. Torsin = % Torsin. Mx .Psi [Lb
in psi/psi] o Presin de Trabajo = Carga Torsin/ % Torsin La frmula
general esta dada por: Torsin o Par = Presin
.desplaz.longitudinal/2t[lb.in] Donde:Presin [Kg/cm2]
desplaz.longitudinal[cm3/rev] El trabajo por revolucin del cuerpo
ser: Trbajo = 2 t F L = 2 t Par Y la potencia: Hp = Torsin .
rpm/63025 o Hp = gpm . psi . 0.583/1000 gpm galones por minuto
Luego: con N revoluciones [rpm]Potencia/rev = F . 2t . R = Trabajo/
t . revPotencia total = F . 2tR . N 4-4 SERVOMOTORES:
Unservomotoresunrganoqueseutilizaparahacerdependienteunmovimientodesalidacon
produccin de trabajo, de un movimiento de entrada que requiere poco
o casi ningn trabajo. Tal es el caso de los mandos de las
superficies o sistemas del avin, los cuales son operados por el
pilotosloatravsdelbastndemando.Porotrolado,permitenrealizarotrasfuncionescomo
por ejemplo, regular el timn automticamente en el caso que un motor
se avere.
Enavionessupersnicossuusosehaceimperativodebidoalasgrandesfuerzasquese
desarrollan. 4-4-1 Servomotores con bombas de gasto variable El
principio de funcionamiento de un servomotor se muestra en la
figura 40. QV = Figura 40
CuandoelpilotomuevelapalancademandosdeAaAenuntiempomuycorto,eltimnpor
ejemplo,porsugraninercianohapodidomoverseylospuntossolidariosCyBnosehan
movido.LapalancagiralrededordeByMllegaM.AsuvezeldesplazamientodeM
controla el caudal de una bomba de gasto variable. El aceite es
enviado a la cmara inferior del gato, moviendo la pieza EDC y
haciendo mover B a
B.ConsecuentementeelpuntoMhabrregresadoaM,anulandoelgastoyalcanzandouna
nueva posicin. El punto M que vuelve a tomar su posicin en cada
movimiento es llamado punto semifijo. -Estabilidad del servomotor
Sea E el movimiento de entrada A A y S el movimiento de salida B B,
en el mismo instante de tiempo. Entonces si M est en el medio de AB
sin sera: Las velocidades de D y S son proporcionales al gasto de
la bomba y como el gasto de la bomba es proporcional a MM', donde k
es una constante que es funcin de la caracterstica de la bomba, del
gasto y del vnculo mecnico de M con la bomba.
UsandotransformadadeLaplace,hallamoslafuncindetransferenciadesteservomotor
(estable) que es: E SdtdSkS E kdtdSMM kdtdS= + = = 1) () ' ( 22'S
EMM=) ( ' S E MM =o kPSE+=11 o KWiSE+
=1Sinembargodebentomarseotrasconsideracionesenelestudio(comolacompresibilidaddel
aceiteylaelasticidaddelosresortes)quepuedenhacerqueelsistemasetorneinestablebajo
ciertas condiciones de trabajo. La frecuencia de interrupcin, que
es la frecuenciamximaalaquepuede operar el servomotor est dada por
Nc=k/2.t Como ejemplo se puede citar el sistema de salida timn-gato
que forma un sistema pendular, que
tieneunafrecuenciapropiadeoscilacin,puestoqueelaeiteescompresible,lossoportesson
elsticos, el timn tiene una inercia, etc.; si esta frecuencia
propia del sistema, Np es elebada con relacin a la operacin del
servomecanismo, es decir a Nc, el funcionamiento no ser modificado
para frecuencias inferiores a Nc.
ParafrecuenciassuperioresaNcelservomecanismosecomportacomounahogador,las
reaccionesquepuedenprovenirdeSalafrecuenciapropiadeNp,sernahogadasenel
servomecanismo y no amplificadas. En la prctica es suficiente
escoger:O lo que es lo mismo:pN K t 2 = Clculo de la frecuencia
propia Sea la siguient figura: Figura 41 La masa equivalente del
sistema M, colocada en el extremo del gato correspondiente al timn,
es: kPSE+ = 1t te2 2KN Ncc p= = >>donde:IMomento de inercia
del timn Ccarrera del gato, correspondiente a un ngulo de rotacin u
u ngulo de rotacin As la ecuacin del movimiento est dada por: Xes
el desalojamiento de M, ( se determina aplicando una fuerza F y
sacando x). F = o.x con o = funcin de la elasticidad de los
soportes, compresibilidad del aceite, elasticidad de la camisa del
gato.Sisuponemosqueoesslofuncindelacompresibilidaddelaceite,entonces,elvolumendel
aceite en trabajo para cada medio cilindro es: V = mitad cilindro
del gato+ volumen de tuberas + mitad cilindro de la bomba. con: x
desalojamiento del gato, S seccin til El AF sobre la cara derecha
del mbolo es: AF=-S.AP El AF sobre la cara izquierda es igual, de
sentido contrario y valeLa frecuencia natural ser: Para el caso de
un motor hidrulico vale: 4-4-2 Servomotores con fuentes de presion
constante: 2|.|
\|=cI Mu022= +Sxdtx dMp vvAA = |vsXP sX v|= A = AVx SF|2= A
VSxFVx SF F|o|2 22 22 = == A =VMSMSp|e222= =I Vcilp. . . . 2) (222|
te = Figura 42
Elsistemadelafiguraessimilaraldelafigura41perolabombaestreemplazadaporun
distribuidor que alimenta al cilindro, donde M es el punto semifijo
del sistema.
-Servomotores con gato diferencial: Figura 44 El distribuidor
est dentro del mbolo, que es el que mueve el timn. El aceite llega
al cilindro a presin y segn el movimiento del distribuidor ( unido
a la palanca de mando) alimenta uno u otro lado del cilindro. -Gato
diferencial con distribucin por vlvulas: (acta presin diferencial)
Figura 45 -Sistema cuerpo mvil: ( los utiliza Dassault en sus
aviones) Figura 46 Figura 46 a Sistema giratorio: Posee la
caracterstica de tener un movimiento suave y gradual. Figura 47
Anlisis de la distribucin: Los distribuidores deben exigir para su
movimiento, un esfuerzo tan pequeo como sea posible Las diferentes
formas de distribucin se pueden dividir en: - Distribucin de
corredera: (Este tipo de distribuidor est formado por las partes
detalladas en la figura) Figura 48 El problema con este tipo de
distribuidor es que la corredera sufre un fenmeno de pegado (al
inicio del movimiento del distribuidor) sobre las paredes. Esto es
debido al pasaje de aceite por los huelgos relativos entre
corredera y casquillo que se hacen cada vez ms estrechos debidos a
los altos presiones de trabajo. Para solucionar esto, se puede
hacer girar sobre si misma la corredera o impulsarle una vibracin
superpuesta, o realizar una forma cnica sobre los elementos de la
corredera, con lo que se logra un centrado automtico de la misma en
el casquillo cuando se produce el pasaje de flujo. El fenmeno se
debe a que la fuerza de presin en sentido radial, a ambos lados del
cono (arriba y abajo) tienen una resultante que tiende a centrar la
corredera. Figura 49 - Distribucin de vlvulas: Figura 50 En reposo
las fuerzas son nulas. El esfuerzo de entrada es superior al de las
anteriores, pues se necesita levantar las vlvulas. - Distribucin de
cilindro rotativo: Para un buen funcionamiento, este requiere que
est hidrulicamente equilibrado ( presin igual en puntos opuestos)
Figura 51 Se da tambin el fenmeno de pegado cuando los huelgos son
pequeos. Para solucionar el problema, se utilizan apoyos de agujas
o rodillos, que eliminan el pegado. Posee bajas fugas y tienen bajo
par de friccin. Consideraciones de estabilidad de los servomotores
Todoservomotorhidrulicosdebeserestable,esdecirquenodebenpresentarseenningn
momento durante el rgimen, vibraciones permanentes. Figura 52 Este
mecanismo es estable salvo para la condicin: dondeE=x-y es el
margen entre los movimientos de entrada y salida.
Estacondicindeinestabilidadsesuprimegenerandofugaseneldistribuidoroenelgato
(agujero de entrada-salida agrandados) Figura 53 122q0, AP aumenta
y el mbolo se mueve hacia la derecha, obturando los agujeros
laterales en el cuerpo; el caudal disminuir hasta llegar a su nuevo
valor q0 ( parte longitudinal de la figura ). Siq
