mecanismos hidrÁulicos y su aplicaciÓn a … sistemas... · 3- principios básicos de operaciones...
TRANSCRIPT
MECANISMOS HIDRÁULICOS Y SU APLICACIÓN A LAS AERONAVES. Pablo L. Ringegni Índice: 1- Introducción 2- Generalidades:
2.1 Ecuaciones útiles 2.2 Características de los fluidos 2.3 Fluidos hidráulicos
3- Principios básicos de operaciones de los sistemas hidráulicos de aeronaves 4- Componentes hidrúlicos del avión:
4.1 Bombas o generadores de presión 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 presión B. cilindros fijos (Bombas en estrella de válvulas) 4.1.1.2 Bombas de pistones Axial o Barrilete B. rotativas B. con válvulas 4.1.2 Bombas de engranajes 4.1.3 Bombas de mano 4.1.4 Bombas de paletas 4.1.5 Bombas centrífugas 4.1.6 Algunas expresiones para cálculo de bombas
4.2 Gatos hidráulicos 4.3 Motores hidráulicos 4.4 Servomotores 4.5 Servomotores electrohidráulicos 4.6 Acumuladores 4.7 Reguladores de presión 4.8 Válvula de sobrepresión o de seguridad 4.9 distribuidores 4.10 Limitadores de caudal 4.11 Reductores de presión 4.12 Multiolicadores de presión 4.13 Filtros 4.14 Juntas 4.15 Depósitos de aceite 4.16 Órganos de seguridad 5. Comparación de los sistemas hidráulicos con los neumáticos 6. Aplicaciones generales 6.1 Mecanismos de acción del tren de aterrizaje 6.2 Amortiguadores 6.3 Sistema de frenado 6.4 Sistemas de mandos a distacia 4.5 Circuito hidráulico de Avión caza 6.6 Sistemas hidráulicos para altos temperaturas 7. Aplicaciones particulares 7.1 Bolkow 7.2 Avión piper o similar 8. Bombas centrífugas
MECANISMOS HIDRÁULICOS
Los mecanismos hidráulicos son sistemas formados por diferentes componentes encargados de transmitir potencia a distancia a través de un fluido poco compresible bajo presión. Ventajas: -La alta relación potencia-peso: -La baja inercia de las partes móviles: -La flexibilidad en cuanto a sus diferentes usos y disposiciones. -Las características de controlabilidad Componentes básicos:
Figura 1
-Un depósito (A) -Un generador de presión o bomba (B) -El receptor, motor o actuador (cilindro C) hidráulico -Los órganos de unión entre la bomba y el receptor (E) Algunos usos de los sistemas hidráulicos en las aeronaves: -Elevación y descenso del tren de aterrizaje. -Absorción de choque en el aterrizaje. -Movimiento hacia atrás y hacia adelante de alas. -Apertura y cierre de flaps. -Movimiento de alerones, frenos aerodinámicos y timón de dirección y profundidad. -Apertura y cierre de puertas de compartimentos para bombas. -Accionamiento de los frenos. -Alimentación de circuitos de lubricación de diferentes sistemas (p.ej.; plantas de poder)
2-GENERALIDADES: (Conceptos previos básicos) -Ecuaciones que relacionan parámetros mecánicos con hidráulicos. -Ecuación del trabajo:
Figura 2
2
1
P
P
dPW
)12(1
PPW
m
PPVW
)12(
donde: m es la masa del fluído circulante. V = S x X es el volumen circulante S es la superficie del émbolo X es el desplazamiento del émbolo -Ecuación de las potencias:
)12()12(
PPm
q
t
PP
m
V
t
WP
donde: q es el caudal [Vol/seg]. Características físicas de los fluidos y su flujo. a-Fórmula de S. Venant / Bernoullí:
02
2
dPv
d [S. Venant]
donde: v : velocidad del fluído P : la presión
Válvulas
EX
Fluído incompresible
ctePv
2
2 [Bernoullí]
Figura 3 b-Viscosidad.
donde: es la viscosidad absoluta [decapoises o poises] S es la superficie de una lámina dv/dz es el incremento de velocidad por unidad de distancia en el sentido de separación
a
T
Too
e))((log
donde: o es la viscosidad para T = To a caracteriza el índice de viscosidad. Indice de viscosidad de un fluído
pppv
ppv
212
212
2
2
dz
dvSF
Figura 4
Paralelamente, para una determinada temperatura, la viscosidad aumenta con la presión según la ley:
1
0
0p
p
p a
donde: p es la viscosidad a la presión p 0 es la viscosidad para p=p0
a es aproximadamente igual 1,003 para los aceites minerales y varía con la temperatura.
c-Viscosidad cinemática:
ficaMasaEspecí
taidadAbsoluVis cos ][ 22TL ][stokes o [centistockes]
Figura 5
-Flujo laminar de un fluído incompresible en un tubo.
Figura 6
Como se conoce, la ley de velocidades de un fluido en un tubo cilíndrico es parabólica y se expresa como:
Y la velocidad máxima tiene por valor:
El caudal total está dado por
Y la velocidad media es:
22
4rR
l
p
l
pRmax
4
2
l
pR
R
qVmed
8
2
2
l
pRq
rrR
l
pdqq
Rr
r
R
8
4224
0 0
222
-Escurrimiento laminar en un espesor pequeño: - Seción plana
Figura 7
La fuerza ejercida por las presiones p1 y p2:
y la ejercida por la viscosidad es:
La suma de éstas dos fuerzas es nula :
La segunda ecuación fue hallada con la condición de que v=0 para y=e/2. El gasto elemental en volumen de una sección de espesor dy es:
(1)
22
2
42
2
ye
l
pv
Ctey
l
pv
l
peq
dyye
l
pdqq
dyye
l
pvdydq
ey e
12
;42
22
42
3
2/
0
2/
0
22
22
pyppyF 22 211
dy
dvlF 22
l
py
dy
dv
dy
dvlpy
e2-Sección anular:
Figura 8
En el caso en que la pared se presente bajo la forma de una sección circular de diámetro medio D y de holgura diametral j entre las dos secciones, la fórmula precedente se establece con los siguientes valores: e=j/2 y =D, por lo tanto
Como vemos las fugas varían con el cubo de la holgura. Esto caracteriza la precisión de maquinado de los elementos de todos los sistema hidráulicos que funcionan bajo fuertes presiones. e3- Sección anular excéntrica: La fórmula anterior ha sido deducida suponiendo el émbolo centrado en el cilindro, pero éste no es el caso general. Supongamos una situación como la de la figura 9.
Figura 9
Consideremos un émbolo de longitud l y de radio r colocado en un cilindro de radio 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 cos+a cos); como a/R es siempre muy pequeño, cos puede considerarse igual a la unidad. Por lo tanto tendremos: AB=R - (r+a cos)=b – a cos . Con R – r =b. Apliquemos la ecuación de gasto ( 1 ) al elemento AA’ BB’ La ecuación se escribe entonces:
3
96
j
l
pDq
Haciendo = a/b ( excentricidad relativa), el gasto total de la fuga está dado por:
Pero como b=j/2 y D=2 R: es como máximo igual a 1 y en este caso el gasto de la fuga se multiplica por 2,5 con relación a la que sería si la excentricidad fuese nula. Como se ve un orificio calibrado constituido por una holgura anular es muy sensible a las variaciones de excentricidad.
f-Número de Reynolds. Pérdidas de carga en las tuberías. De la mecánica de fluídos se conoce que el flujo de un fluído que circula por un tubo cilíndrico puede ser laminar (ordenado y regular) o turbulento (irregular y desordenado) dependiendo del número de Reynolds (adimensional) definido como:
VD
donde: V es la velocidad media en cm/seg. D es el diámetro del tubo en cm. es la viscosidad cinematica en stokes. El mismo da la relación entre fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas que se desarrollan en el fluído. Cuando este número es inferior a 1080, el régimen es laminar, es decir que las fuerzas viscosas son las predominantes. Cuando este valor es superior a 2300, el régimen es turbulento y se caracteriza por tener un predominio de las fuerzas de inercia. (o peso y velocidad). Las leyes de las pérdidas de carga, varían dependiendo si el escurrimiento se da en régimen laminar o régimen turbulento. Según habíamos visto en la ecuación:
Y teniendo en cuenta que: = ; q = R^2V; D = 2R; = V D/ Se puede establecer:
2
31
122
;)cos1(12
23
32
0
32
0
Rbl
pQ
dRbl
pdqQ
2
31
96
23
j
l
pDQ
l
pRq
8
4
fD
lVp
2
2
dRABl
pdq ..
123
Siendo f = 64/R cuando el régimen es laminar, (hasta = 1000), cuando el régimen es turbulento, las fórmulas son empíricas y f surge de la expresión (empírica) de Blasius
De la figura siguiente se pueden obtener los distintos valores de f para los diferentes regímenes de flujo.
Figura 10
En la práctica para obtener la caída de presión, y para evitar largos cálculos, se utilizan ábacos (ver figuras 3, 4 y 5 del Anexo) en los cuales se trabaja con los siguientes datos de entrada: el caudal del flujo, el diámetro de la cañería, la viscosidad cinemática, el tipo de fluído y el tipo de régimen (). Generalmente en el cálculo de tuberías de los sistemas hidráulicos de las aeronaves se toman regímenes laminares. Con esta consideración el efecto de la rugosidad interna de las cañerías, se hace despreciable, contrariamente a lo que ocurre para el caso de régimen turbulento. Para la aspiración de bombas se admiten velocidades de 1.5 a 2.5 m/seg y para la descarga con el circuito bajo presión, velocidades de 2.5 a 5 m/seg g-Caudal a través de un orificio de pared delgada. Sea el esquema de la figura 11:
25.0
316.0
f
Figura 11
La velocidad al pasar el orificio está dada por Bernoullí y vale:
Y el caudal volumétrico es:
Pero como el chorro de líquido se contrae después de su paso por el orificio disminuyendo su sección real y formando lo que se llama “vena contracta”, a causa del frotamiento interno debido a la viscosidad, la velocidad real es también menor que la expuesta anteriormente. Por lo tanto la expresión del caudal real queda:
El coeficiente C está dado en la figura 9, y está en función del número de para distintas 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 evalúan por un lado las pérdidas de carga de un sistema y por otro cuando se evalúa la potencia necesaria para bombear un determinado fluído. i-Coeficiente de compresibilidad Los líquidos tomados como incompresibles en realidad poseen un grado de compresibilidad, es decir que su volumen disminuye bajo efectos de la presión. Este fenómeno toma importancia en los flujos transitorios y en el estudio de los servomecanismos. Paralelamente es esta compresibilidad de los fluídos la que permite realizar resortes muy compactos. Se define como coeficiente de compresibilidad a:
p
v
2
p
svs
2
p
Csqv
2
dPV
dV
PV
V
Y si integramos la expresión anterior entre dos estados 1 y 2 se tiene
)(
1
2 12 PPeV
V
Con lo que podríamos definir un nuevo parámetro denominado “Módulo de Elasticidad Cúbica” igual a la inversa de y que nos da el aumento de presión que es necesario suministrar a un fluído para dividir su volumen por e.
Para los aceites minerales más comunes el valor de 1
es aprox. 1.4 a 2 x 104 bars.
Una de las aplicaciones más importantes del módulo de elasticidad cúbica se da en los servos. El mismo determina la rigidez estática del sistema e influencia la ganancia o amplificación que un servo puede tener. j-Coeficiente de dilatación El comportamiento de la dilatación de un fluido está dado por
tDV
V
donde D es el coeficiente de dilatación y vale 10-3 para los aceites de petróleo o minerales. t es la variación de la temperatura k-Calor específico El trabajo por unidad de masa disipado por laminado del fluído bajo presión está dado por:
)21(21
TTCpPP
W
donde: T1-T2 es la variación de temperatura correspondiente al aceite Cp es el calor específico y vale 0.5 x 4180 para los aceites minerales para temperaturas usuales de trabajo. Esta expresión resulta útil también para calcular el calentamiento del aceite (T1-T2) para una determinada caída de presión (P1-P2) l-Definiciones adicionales -Punto de anilina El punto de anilina es la temperatura correspondiente al cambio de aspecto de una mezcla aceite-anilina durante su enfriamiento. La goma sintética, comunmente utilizada como material de juntas en los sistemas hidráulicos reacciona con un cambio de volumen (contracción y dilatación) cuando la misma es sometida al contacto con el aceite y se ha descubierto que este cambio de volumen está en relación con el punto de anilina. Cuanto más alto es el punto de anilina, más se contrae la goma e inversamente mientras más bajo sea más 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 fricción entre superficies en contacto móviles y resulta de una atracción fisicoquímica entre la superficie metálica y la película de aceite que la cubre. Un aceite con buena lubricidad deberá mantener las superficies separadas por la película de aceite en las condiciones de trabajo. -Punto de inflamabilidad Es la temperatura a la que es necesario calentar el aceite para que los vapores producidos se inflamen al contacto con una llama. -Punto de congelación Este parámetro está relacionado con la capacidad de fluir del aceite a bajas temperaturas. -Indice de acidez y de saponificación La acidez de un aceite resulta del hecho que la misma se deteriora en servicio debido a una serie de complejas reacciones de oxidación y que forman productos que generan aumento de la viscosidad del aceite, compuestos corrosivos, gomas pegajosas y sedimentos pesados. Así, cuando el índice de acidez llega a un cierto valor, se debe reemplazar la carga de aceite por una nueva. El análisis se realiza con un indicador coloreado. Cabe mencionar acá, que otro de los motivos de la corrosión es la presencia de aire y agua en el aceite. El índice de saponificación permite determinar en que proporción un aceite está alterado con componentes grasos de origen animal o vegetal. -Detección de carbón residual Se realiza por evaporación del aceite y se efectúa para determinar la propención del aceite a formar depósitos de carbón sobre las paredes de los sistemas cuando está sometida a altas temperaturas.
2.3 Fluidos hidráulicos a- Fluídos de base acuosa (Water –based fluids): Su designación es MIL-O-7083 Poseen la característica de ser no inflamables y es por eso que son utilizados en aviones navales. Estos son químicamente tratados con aditivos para mejorar sus cualidades lubricantes y corrosivas. El porcentaje de agua está 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 específico(Kcal/Kg/°C): 0.8 Pto. De congelación: -30°C Viscosidad: (cst) -18°C 1000
-32°C 40 -50°C 30
-90°C 10 El índice de viscosidad es mejor que el de los aceites minerales. No debe utilizarse zinc, cadmio ni magnesio con estos fluidos. El aluminio debe protejerse con protección anódica. b-Fluidos de base mineral (Mineral-based petroleum oil) Su designación es MIL-O-5606 / Este tipo de fluido posee las características: -Bajo punto de congelación (-60°C), -Baja viscosidad. -Baja lubricidad -Es inflamable. -Bajo índice de viscosidad. -Máxima temperatura de utilización: 150 °C -Posee agregado de aditivos para mejorar su índice de viscosidad y aumentar su lubricidad. El OM-15 posee una viscosidad de 14 cts a 50°C y alto índice de viscosidad. El INVAROL 54 posee una viscosidad de 30 cts a 50°C y un exelente índice de viscosidad. c-Fluidos o Aceites Sintéticos: Se caracterizan por ser no inflamables, tener un amplio rango de temperaturas de trabajo y un buen índice de viscosidad aunque su precio es más elevado que el de los mencionados anteriormente. Estos fluidos se utilizan en aeronaves y particularmente en las supersónicas, ya que poseen buen funcionamiento a altas temperaturas. Uno de los más utilizados es la mezcla de agua-glicol con agregado de aditivos para mejorar las cualidades de lubricación y anticorrosivas. Uno de los aceites utilizados es el Skydroll 500 de base ester-fosfato. También se utilizan los de base silicato-ester que son utilizableshasta 300 °C
3-PRINCIPIOS BÁSICOS DE OPERACIÓN DE LOS SISTEMAS HIDRÁULICOS DE AERONAVES. a- 1er. Principio: Es el mas simple y muy usado en el avión
Figura 12
Las bombas son de gasto variable y P = cte. b- 2do Principio:
Figura 13 Cuando el distribuidor está en posición neutra, la descarga queda conectada al depósito (a b-c d) y la bomba sin presión. Cuando se accionan los distribuidores se corta el regreso al depósito y se accionan los actuadores. Cuando se acciona uno de los lados del actuador, el otro lado descarga al depósito por B. La válvula de seguridad limita la presión máxima sobre los actuadores
a actuadores
distribuidores
Actuadores y distribuidores
c- 3er Principio
Figura 14 La bomba descarga a un regulador, el cual pone en comunicación la descarga de la bomba con el depósito cuando la bomba del circuito sobrepasa un determinado valor. Inversamente si la presión del circuito desciende por debajo de cierto valor, orienta la descarga de la bomba hacia el acumulador y al circuito general.
Depósito
4- COMPONENTES HIDRÁULICOS DEL AVIÓN 4-1 BOMBAS O GENERADORES DE PRESIÓN. Las bombas utilizadas en aeronaves pueden ser de dos tipos: de émbolos o de engranajes, pues son los que pueden alcanzar las presiones de trabajo (P) que requieren los sistemas y que van entre 100 y 250 bars. El caudal (q) varía entre 40 cm^3/seg y 5000cm^3/seg. Así por ejemplo una bomba que trabaja con un q = 500 cm^3/seg y 250 bar de presión, entrega una potencia hidráulica de: P = 25000.0,0005 = 12,5 KW Y si pesa 4.5 Kg., tiene una potencia /unidad de masa de 3 KW/Kg, el cual se considera un valor bastante bueno. El siguiente cuadro permite clasificar los distintos tipos de bombas que serán tratados acontinuación. 4.1 Bombas o generadores de presión
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 presión B. cilindros fijos (Bombas en estrella de válvulas) 4.1.1.2 Bombas de pistones Axial o Barrilete B. rotativas B. con válvulas 4.1.2 Bombas de engranajes 4.1.3 Bombas de mano 4.1.4 Bombas de paletas 4.1.5 Bombas centrífugas 4.1.6 Algunas expresiones para cálculo de bombas
4.1.1 Bombas de pistón/es: El funcionamiento de dicha bomba se basa en un pistón que se mueve dentro de un cilindro, aspirando el fluido durante la carrera descendente (se cierra la válvula de escape y se abre la de admisión) y descargandolo en su carrera ascendente (se cierra la válvula de admisión y se abre la de escape)
Figura 15
Un circuito típico de bombeo es el que se ve en la siguiente figura.
Figura 16 El émbolo descarga durante media vuelta del eje generando un caudal útil proporcional a la velocidad del émbolo a través de su área S. q=V.S
Haciendo referencia a la figura 15; en el triángulo OAB, tenemos:
Entonces, sustituyendo la segunda ecuación en la primera, obtenemos:
lr
rlx
sensen
coscos
)1(,sen1cos 22
2
l
rlrx
v. admisión v. escape
Como el segundo término bajo el radical es muy pequeño comparado con la unidad; se tiene, limitando el desarrollo a los dos primeros términos:
Derivando, se tiene
Para el caso que se desea aumentar el caudal total necesario, lo que se hace es ubicar varios
pequeños pistones en paralelo, formando una bomba de pistones múltiples
Figura 17
Figura 18 El caudal total de una bomba de pistones múltiples por cada revolución, es la suma de los caudales desalojados por los pequeños pistones, ya que todos ellos son accionados durante un ciclo en una vuelta del eje de la bomba.
22
2
22
2
sen2
cos
sen2
1cos~
l
rrlx
l
rlrx
2sen2
sen
cossen22
*sen2
l
r
r
Vl
rr
dt
dxV
Éstas bombas se utilizan a más de 4000 r.p.m. y a presiones mayores de 100 a 150 bar. 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 pistón son mas costosas que las de engranajes. En cuanto a la irregularidad del caudal, siempre es conveniente elegir una bomba con un número impar de émbolos, en vez de par. Las bombas de pistones múltiples 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. En este tipo de bombas, todos los ejes de los cilindros son concurrentes y situados en el mismo plano. Estas pueden subdividirse en dos, las bombas de bloque–cilindro giratorio y las bombas de cilindros fijos. ·Bombas de bloque-cilindro giratorio: El bloque cilindro solidario al eje del motor gira centrado respecto al bastidor. Cada émbolo se aplica, por efecto de la fuerza centrífuga, sobre una corona giratoria la cual esta montada sobre agujas y es exéntrica respecto al bloque de cilindros.
Figura 19
Durante la rotación, el volumen entre cada pistón y su cilindro respectivo varía si gira en sentido horario, del lado izquierdo de la figura el volumen aumenta y del derecho disminuye. Si estos volúmenes se comunican con los orificios de distribución, 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 también trabajar como motor. Si consideramos la cinemática de la bomba, según 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.
despejando x y reemplazando r por e, y l por R, se obtiene, tras resolver la ecuación, la luz de desplazamiento del cilindro obtenida en la ecuación (1). Este tipo de bomba se divide en algunas variantes que son: -Bomba de gasto variable:
Figura 21
0.cos.2cos..2
cos2
222
22211
2
12
12
RexexxexeR
AOOOAOOOOA
En estas, si se varía la excentricidad e, se cambia la cilindrada y el caudal. -Bomba de gasto variable y regulada en presión: Regulador de presión: Es del tipo forzado. La presión llega por P, pasa a C1, después a C2 por el conducto Ca1; actúa sobre la corredera T, en equilibrio, por una parte bajo el efecto del resorte y por la otra, bajo el de la presión. Cuando la acción de la presión sobrepasa la del resorte R1, T se desaloja hacia la izquierda, el aceite, bajo presión, de C2 pasa a C3 a través del orificio Or1 y del conducto Ca2. Una vez establecida la presión en C3, empuja el émbolo Pi hacia la izquierda, lo que tiene por efecto disminuir el gasto de la bomba: este movimiento se produce hasta que la corredera T vuelve a ocupar la posición neutra, lo que tiene lugar para una presión determinada que llamaremos presión nominal. Si en un momento dado la presión es inferior a este valor, la corredera T es desalojada hacia la derecha, la Cámara C3 se pone entonces en comunicación con el depósito por el orificio Or2 y el conducto Ca2, el émbolo Pi se desaloja hacia la derecha bajo el efecto del resorte R2 y de la presión, P, que actúa en la cámara C1. El gasto aumenta hasta que la presión nominal se restablece. Las presiones de funcionamiento para las bombas de gasto fijo, que no quedan bajo presión sino de una manera intermitente, son de 100 a 150 bars, y de 80 hps para las bombas de regulación automática de presión. ·Pistones radiales y anillos estacionarios: Flitch Presión 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 válvulas ·Bombas rotativas: El principio de éstas bombas se representa en la figura 23
Figura 23
Cuando esta bomba se mueve en el sentido indicado por la flecha, los émbolos que se encuentran frente al plano de la figura, se desalojan con relación al bloque de cilindros, hacia la parte superior
de los cilindros, se encuentran todos en comunicación con el orificio de aspiración (en riñón) y el aceite proveniente del depósito, llena cada cilindro. Los émbolos que se encuentran atrás del plano de la figura se desalojan hacia abajo, en los cilindros (con relación al bloque de cilindros), y descargan el aceite hacia el orificio de descarga, también en forma de riñón. Algunas de éstas variantes son las bombas de gasto controlado, como la figura 24-a y las bombas con reguladores de presión figuras 24-b y 24-c.
Figura 24-a
Figura 24-b
Figura 24-c
Comparación de éstas bombas con las bombas giratorias en estrella. Este tipo de bomba posee las siguientes características: -No necesita válvulas para la distribución. -Posee fugas de aceite más pequeñas que las bombas de estrella. -Las presiones de trabajo son de aprox. 100 a 400 bares y los caudales de aprox 200 lts./min. -Para el mismo tamaño de orificio de aspiración, el caudal es mayor que en las bombas estrella. -Puede girar más rápido y llegar hasta 6000 rpm. -Tiene una Potencia/U masa de 3.5 Kw/Kg -Baja Fricción, en lo que la eficiencia llega a 90 - 95 % -Tiene mayor dificultad en la fabricación que la estrella. -Requiere mejor filtrado del fluído, ya que posee una placa plana que lubricar. ·Bombas con Válvulas: Ésta bombas utiliza los mismos principios que las bombas en estrella con válvulas; pero los cilindros se disponen de manera diferente.
Figura 25
En el ejemplo dado en la figura 25 la inclinación del disco es función de la presión de descarga, y el gasto es autorregularizado. En el funcionamiento de esta bomba, el émbolo está sometido, durante la mitad del tiempo (carrera de descarga) a la descarga máxima; de ahí se sigue que los baleros y los apoyos de los émbolos trabajen siempre en condiciones de esfuerza máximo, aun cuando la bomba, cuando el gasto es nulo, no suministra potencia alguna. Es evidente que, si todo lo demás queda igual, la resistencia a la fatiga aumentaría mucho, si se pudieran hacer trabajar menos tiempo las cabezas de los émbolos, a medida que el gasto disminuyera así también la fuerza media sobre los baleros disminuirá en la misma proporción. La bomba de la figura 26 es capaz cumplir las condiciones anteriores.
4.1.2 Bombas de engranajes: Las bombas de engranajes son muy utilizadas por su robustez, su simplicidad de fabricación, su rapidez de giro y su Pot/U masa bastante elevadas. Dado que su presión máxima es bastante reducida, su uso en aeronaves es bastante limitado. Su rango de utilización es de: Pmáx: 150 bars y Qmáx: 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 piñones iguales, los dientes son rectos y de envolvente de círculo. El principio de funcionamiento es el siguiente, durante la rotación, los dientes de los piñones, al entrar en contacto del lado de la descarga, expulsan el aceite contenido en los huecos, en tanto que, el vacío que se crea al costado de los dientes del engranaje, provoca la aspiración de aceite en los mismo huecos.
Figura 27
Consideremos la figura 27 en la que los dientes se han hecho mas grandes y se ha exagerado el juego lateral entre los flancos de los dientes. El piñón motor arrastra al piñón 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 posición media (A es la mitad de OO1). M desaloja sobre la recta
de presiones, inclinada un ángulo llamado ángulo de preión, (con la normal a OO1 en el caso de los piñones de evoluta). Consideremos ahora el piñón movido O1, sea p la presión relativa de descarga con relación a la presión de aspiración, la cual tomaremos como origen de las presiones. Las caras F1 y F2, como son simétricas no ejercen ningún par sobre el piñón. Por su parte la cara F4 está sometida a presión únicamente en su parte inferior. Mientras que la cara F3 está sometida por completo a la presión, éste desequilibrio tiende a oponerse al movimento impuesto por el piñón 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 es la velocidad derotación 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 piñón motor O. Las caras F5, F6, etc., están equilibradas. La cara F7 (MB) empuja el aceite con un gasto:
El gasto instantáneo de la bomba es:
El gasto instantáneo está dado por la siguiente expresión:
en la que u es la única variable. Si los demás parámetros permanecen igual, el gasto será tanto mas regular en cuanto u sea más pequeña. u puede expresarse en función del ángulo de rotación del piñón, tomándose como origen de los ángulos, aquel para el cual u = O, o sea cuando M coincida con A. En la figura 27 se representa el círculo de base de radio rb = rp cos. En las bombas de engranes bien construídas, nunca trabaja sino un solo diente al mismo tiempo, esta condición es indispensable si se quieren evitar sobrepresiones locales
22
22
3ieie rr
brr
bhq
22
2211
14ii
i
rMOb
rMOrMObq
2
21
2
431
MOrbqqq e
22
22
7
OMrb
OMOBOMOBbq e
2
21
22
71
MOOMrbqqq e
222 urrbq pe
elevadas y fatigas del material. Esto se consigue, practicando aberturas de alivio sobre las tapas laterales del lado de la descarga. De acuerdo con esto cada diente funciona durante 2/n (con n el número de dientes) El gasto está dado entonces por la expresión:
El gasto medio se halla integrando la expresión anterior entre 0 y máx y el gasto por vuelta se obtiene haciendo = 2 y por lo tanto:
Este gasto no es otra cosa que el volumen del toro que tiene por centro el círculo de radio rp y por sección, 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 mecánico 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 más clásica, de dos cilindros, de doble efecto y válvulas.
Figura 28
La figura 28-a y 28-b representa también una bomba de doble efecto y de un solo émbolo utilizando el efecto del pistón buzo.
Figura 28-a y 28-b
Durante la carrera del émbolo hacia la derecha, (2) está cerrada, la bomba descarga por la sección diferencial S1, y la aspiración se produce por (1). Durante la carrera hacia la
22222 cos ppe rrrbq
hrbq pvuelta 2
izquierda (1) está cerrada, (2) abierta, la bomba trabaja como una bomba de émbolo buzo de sección S2. Bombas de mano de dos cámaras: Las bombas de mano montadas para emergencias en el avión, se utilizan principalmente para realizar el descenso del tren de aterrizaje en caso de necesidad. Deben por lo tanto poder proporcionar una alta presión, para efectuar el primer tiempo de la maniobra (desbloqueo), después suministrar una fuerte cantidad de aceite a baja presión, para acompañar el tren de aterrizaje durante el descenso y por último suministrar nuevamente una alta presión, para bloquearlo en la posición baja.
Figura 29
Una bomba de una sola cilindrada no cumple con éstas condiciones, ya que su gasto es prácticamente constante e impuesta por la condición de presión máxima. La bomba de dos cámaras tiene, una de ellas, a alta presión y baja cilindrada y la otra, a baja presión y gran cilindrada; el paso de una altura a otra cámara se hace automáticamente en función de la presión 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 sección es una excéntrica, se forma una capacidad de volumen variable, entre el motor, el estator y dos paletas; esta variabilidad es la que permite el bombeo. La distribución se realiza por medio de aberturas de las caras laterales de la bomba y que comunican con la aspiración y la descarga. El equilibrio del rotor se obtiene por la simetría alrededor del eje de rotación. Estas bombas permiten funcionar de 70 a 100 bars, son de dimensiones reducidas y de un funcionamiento relativamente silencioso. 4-2 GATOS HIDRÁULICOS: Estos componentes son órganos que reciben la energía hidráulica y la restituyen en forma de energía mecánica en forma de traslación. Este órgano simple se utiliza cuando el movimiento buscado es de tipo alternativo. -Pistones de simple efecto:
Figura 31
La acción del aceite se ejerce en un solo sentido y el regreso se realiza a través de un resorte. El pistón posee una junta hermética y el vástago es cromado o rectificado. -Pistón doble efecto:
Figura 32
Figura 33
Estos pueden ser de un solo vástago o con contravástago. El segundo posee la característica de ser simétrico desde el punto de vista hidráulico aunque es más voluminoso. También posee una guía mejor asegurada.
Los orificios a y b se ponen alternativamente e inversamente en conexión, uno al depósito y el otro a la llegada del aeite a presión. -Gato o cilindro diferencial:
Figura 34
El aceite llega siempre bajo presión a la parte diferencial. Este posee esfuerzos máximos iguales en los dos sentidos. La relación entre las dos secciones se elige en función de las fuerzas máximos 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 presión a ambos lados, puede ejercer más fuerza cuando se extiende, por que el área del pistón es mayor. -Sistema de bloqueo de los gatos: Este sistema se utiliza para trabar mecánicamente a un pistón, cuando no esta sometido a ningún efecto hidráulico como se da en el caso del tren de aterrizaje de una aeronave.
Figura 35
En la figura se representa un dispositivo de bloqueo que puede actuar en cualquier punto de la carrera del pistón. El émbolo secundario está suave sobre el émbolo y las bolas se aprietan con los resortes a la pared del cilindro. Cuando actúa la presión (de cualquier lado del émbolo secundario) éste se desaloja y afloja las bolas correspondientes del lado del movimiento. Este dispositivo está limitado en su carga de bloqueo para que no se deformen las paredes del cilindro. Las figuras siguientes muestran otro tipo de bloqueo con resortes y presión externa.
figura 36 a
Figura 36 b
-Pistones o gatos rotativos: Se utilizan para obtener movimientos rotatorios de salida para amplitudes superiores a los 60º 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 rotación de 300º o el de la figura 37 a que permite una rotación de100º,mientras que la de la figura 37 b permite una de 60º
Figura 37 c
Figura 37 d
4-3 MOTORES HIDRÁULICOS: Este tipo de órgano recibe la energía hidráulica y la transforma en energía mecánica en forma de rotación. Esta es la diferencia que tienen con los gatos hidráulicos, siendo este tipo de aplicación más escasa que las anteriores. Se utilizan principalmente en el accionamiento de flaps, donde el motor hidráulico se conecta con un eje giratorio que los acciona. Se usan también en grúas y herramientas. Tanto las bombas tipo estrella como las de pistónes axiales pueden funcionar como motor si la presión se ejerce en el orificio de descarga. Las bombas de pistón tienen mejor rendimiento, como motor, que las de estrella ya que los frotamientos son más reducidos. La bomba estrella tiene frotamiento en la cabeza de los pistones y en la corona giratoria. Los principales parámetros en los motores son la presión, el desplazamiento y la torsión. El desplazamiento es la cantidad de aceite (volumen) que se debe bombear dentro de él para provocar una revolución. -Motor estrella (dos carreras o mas): Se elimina parte del rozamiento ubicando rodamientos en la cabeza de los émbolos.
Figura 38 El distribuidor está formado por 4 orificios: 1 comunicado con 3 y 2 con 4. Si se supone, por ejemplo, que la presión llega por 1-3, sobre uno de los émbolos, la fuerza es: F=pS donde: p: presión S: área del émbolo. La reacción de apoyo Ra del rodillo pasa por O y es perpendicular a la superficie exterior exéntrica en el punto de contacto. F y Ra generan una Ft (Fuerza tangencial) que crea un par sobre el motor. De la figura tenemos:
tgFF t
El trabajo por revolución es: donde
c es la cilindrada del motor. El par será:
Como muestra la figura si se duplica el número de carreras por vuelta, se duplica el par teórico del motor. Ahora, si es el coeficiente de fricción de los rodamientos, la reacción Ra pasa a ser R’a que forma un ángulo con el OO1 y se tendría la fuerza real que vale:
y el rendimiento será:
Es decir que el rendimiento aumenta si 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. También 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].
PcW
2
WQ
tgFFt
1
tg
tg
Ft
F t
VQ
De ésta expresión se puede calcular la velocidad impulsada como:
El par o torsión máxima de un motor está dada por la carga que puede mover y por la distancia radial desde el centro del eje a la aplicación de la carga. El porcentaje de torsión es la torsión en lb/in por 100 psi de presión Máx. Torsión = % Torsión. Máx .Psi [Lb in psi/psi] o Presión de Trabajo = Carga Torsión/ % Torsión La fórmula general esta dada por: Torsión o Par = Presión .desplaz.longitudinal/2 [lb.in] Donde: Presión [Kg/cm2] desplaz.longitudinal[cm3/rev] El trabajo por revolución del cuerpo será: Trbajo = 2 F L = 2 Par Y la potencia: Hp = Torsión . rpm/63025 o Hp = gpm . psi . 0.583/1000 gpm galones por minuto Luego: con N revoluciones [rpm] Potencia/rev = F . 2 . R = Trabajo/ t . rev Potencia total = F . 2R . N 4-4 SERVOMOTORES: Un servomotor es un órgano que se utiliza para hacer dependiente un movimiento de salida con producción de trabajo, de un movimiento de entrada que requiere poco o casi ningún trabajo. Tal es el caso de los mandos de las superficies o sistemas del avión, los cuales son operados por el piloto sólo a través del bastón de mando. Por otro lado, permiten realizar otras funciones como por ejemplo, regular el timón automáticamente en el caso que un motor se averíe. En aviones supersónicos su uso se hace imperativo debido a las grandes fuerzas que se desarrollan. 4-4-1 Servomotores con bombas de gasto variable El principio de funcionamiento de un servomotor se muestra en la figura 40.
Q
V
Figura 40
Cuando el piloto mueve la palanca de mandos de A a A’ en un tiempo muy corto, el timón por ejemplo, por su gran inercia no ha podido moverse y los puntos solidarios C y B no se han movido. La palanca giró alrededor de B y M llegó a M’. A su vez el desplazamiento de M controla el caudal de una bomba de gasto variable. El aceite es enviado a la cámara inferior del gato, moviendo la pieza EDC y haciendo mover B a B’. Consecuentemente el punto M’ habrá regresado a M, anulando el gasto y alcanzando una nueva posición. El punto M que vuelve a tomar su posición 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 está en el medio de AB
sinó sería:
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 función de la característica de la bomba, del gasto y del vínculo mecánico de M con la bomba. Usando transformada de Laplace, hallamos la función de transferencia de éste servomotor (estable) que es:
ESdt
dS
k
SEkdt
dS
MMkdt
dS
1
)(
)'(2
2'
SEMM
)(' SEMM
o
k
PS
E
1
1 o
K
Wi
S
E 1
Sin embargo deben tomarse otras consideraciones en el estudio (como la compresibilidad del aceite y la elasticidad de los resortes) que pueden hacer que el sistema se torne inestable bajo ciertas condiciones de trabajo. La frecuencia de interrupción, que es la frecuencia máxima a la que puede operar el servomotor está dada por Nc=k/2. Como ejemplo se puede citar el sistema de salida timón-gato que forma un sistema pendular, que tiene una frecuencia propia de oscilación, puesto que el aeite es compresible, los soportes son elásticos, el timón tiene una inercia, etc.; si esta frecuencia propia del sistema, Np es elebada con relación a la operación del servomecanismo, es decir a Nc, el funcionamiento no será modificado para frecuencias inferiores a Nc. Para frecuencias superiores a Nc el servomecanismo se comporta como un ahogador, las reacciones que pueden provenir de S a la frecuencia propia de Np, serán ahogadas en el servomecanismo y no amplificadas. En la práctica es suficiente escoger:
O lo que es lo mismo:
pNK 2
Cálculo de la frecuencia propia Sea la siguient figura:
Figura 41 La masa equivalente del sistema M, colocada en el extremo del gato correspondiente al timón, es:
k
P
S
E 1
22
KNN c
cp
donde: I Momento de inercia del timón C carrera del gato, correspondiente a un ángulo de rotación ángulo de rotación Así la ecuación del movimiento está dada por:
X es el desalojamiento de M, ( se determina aplicando una fuerza F y sacando x). F = .x con = función de la elasticidad de los soportes, compresibilidad del aceite, elasticidad de la camisa del gato. Si suponemos que es sólo función de la compresibilidad del aceite, entonces, el volumen del aceite en trabajo para cada medio cilindro es: V = mitad cilindro del gato + volumen de tuberías + mitad cilindro de la bomba. con: x desalojamiento del gato, S sección útil El F sobre la cara derecha del émbolo es: F=-S.P
El F sobre la cara izquierda es igual, de sentido contrario y vale
La frecuencia natural será: Para el caso de un motor hidráulico vale:
4-4-2 Servomotores con fuentes de presion constante:
2
cIM
02
2
Sxdt
xdM
pvv
v
sXPsXv
V
xSF
2
V
S
x
F
V
xSFF
22 222
VM
S
M
Sp
2
2 2
IV
cilp ....2
)(2
22
Figura 42
El sistema de la figura es similar al de la figura 41 pero la bomba está reemplazada por un distribuidor que alimenta al cilindro, donde M es el punto semifijo del sistema. -Servomotores con gato diferencial:
Figura 44
El distribuidor está dentro del émbolo, que es el que mueve el timón. El aceite llega al cilindro a presión y según el movimiento del distribuidor ( unido a la palanca de mando) alimenta uno u otro lado del cilindro.
-Gato diferencial con distribución por válvulas: (actúa presión diferencial)
Figura 45
-Sistema cuerpo móvil: ( los utiliza Dassault en sus aviones)
Figura 46
Figura 46 a
Sistema giratorio: Posee la característica de tener un movimiento suave y gradual.
Figura 47
Análisis de la distribución: Los distribuidores deben exigir para su movimiento, un esfuerzo tan pequeño como sea posible Las diferentes formas de distribución se pueden dividir en: - Distribución de corredera: (Este tipo de distribuidor está formado por las partes detalladas en la figura)
Figura 48
El problema con este tipo de distribuidor es que la corredera sufre un fenómeno 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 más estrechos debidos a los altos presiones de trabajo. Para solucionar esto, se puede hacer girar sobre si misma la corredera o impulsarle una vibración superpuesta, o realizar una forma cónica sobre los elementos de la corredera, con lo que se logra un centrado automático de la misma en el casquillo cuando se produce el pasaje de flujo. El
fenómeno se debe a que la fuerza de presión en sentido radial, a ambos lados del cono (arriba y abajo) tienen una resultante que tiende a centrar la corredera.
Figura 49
- Distribución de válvulas:
Figura 50
En reposo las fuerzas son nulas. El esfuerzo de entrada es superior al de las anteriores, pues se necesita levantar las válvulas. - Distribución de cilindro rotativo: Para un buen funcionamiento, este requiere que esté hidráulicamente equilibrado ( presión igual en puntos opuestos)
Figura 51
Se da también el fenómeno de pegado cuando los huelgos son pequeños. Para solucionar el problema, se utilizan apoyos de agujas o rodillos, que eliminan el pegado. Posee bajas fugas y tienen bajo par de fricción. Consideraciones de estabilidad de los servomotores Todo servomotor hidráulicos debe ser estable, es decir que no deben presentarse en ningún momento durante el régimen, vibraciones permanentes.
Figura 52
Este mecanismo es estable salvo para la condición:
donde E=x-y es el margen entre los movimientos de entrada y salida.
Esta condición de inestabilidad se suprime generando fugas en el distribuidor o en el gato (agujero de entrada-salida agrandados)
Figura 53
12
2 pSPME
VM
Sp
22
o realizando un efecto de amortiguamiento a través de una fuga entre las cámaras del gato.
Figura 54 Para el caso que la impedancia de salida sea una masa pura, si se agrega una interfase elástica entre el gato y la masa M a mover (caso del timón y su mecanismo que en realidad poseen elasticidad propia) esta no modifica la condición de estabilidad entre el servomotor y el pistón. Para el caso anterior, si el servomotor esta ligado a una masa pura más una carga estática, se encuentra que la estabilidad aumenta cuando el servo trabaja con esfuerzo aplicado resistente en el timón . (Para ello se preveen resortes de restitución del movimiento a ambos lados del timón). Por último si el servomotor está ligado a una masa y a esfuerzos dinámicos proporcionales a la velocidad ( flutter sobre el timón) la condición de estabilidad no puede lograrse, para lo cual hay que amortiguar el sistema mas allá del amortiguamiento crítico. Un método conocido de amortiguador auxiliar consiste en agregar un amortiguador hidráulico de cilindro o émbolo entre el movimiento de entrada y el movimiento de salida. Este amortiguador, crea un esfuerzo proporcional a la velocidad relativa de la entrada, con relación a la salida. Si hay tendencia a que se produzca una vibración, la salida S arrastrará mediante dicho amortiguador la entrada E inmovilizando en parte la corredera en el distribuidor y suprimiendo el efecto el servomecanismo que únicamente puede mantener ese movimiento. El inconveniente que presenta éste mecanismo es el de aumentar los esfuerzos de mando.
Figura 55
Este dispositivo tiene el inconveniente de aumentar los esfuerzos de mando. 4-4-3 Instalaciones auxiliares de seguridad. Para que un accidente en un servomotor o circuito particular no sea catastrófico, se toman ciertas medidas, como ser: - Se acude a una operación de mando manual del sistema, derivación by pass automática
incorporada al bloque del servomotor, que es alimentado por una fuente de presión externa. - Se duplican completamente los sistemas. Esta se implementa para aviones de gran porte y con
grandes velocidades en las que el mando manual no puede efectuarse.
4-4-4- Sensación Muscular: Para el caso de los servomotores vistos anteriormente, las reacciones en la palanca de mando son independientes de los esfuerzos sobre el sistema a mover (timón, alerones, flaps, etc). Por tal motivo, para permitir al piloto ajustar más naturalmente sus movimientos, es decir “sentir lo que está pasando”, se implementa un servomotor reversible llamado de sensación muscular, que devuelve a la palanca de mando un esfuerzo proporcional al de la salida. Esto no es aplicable a los aviones supersónicos debido a la irregularidad de las reacciones aerodinámicas sobre las superficies de control. El gato de sensación muscular puede verse en las siguientes figuras
Figura 56 b
Figura 56 c
Figura 56 a
4-5-SERVOMOTORES ELECTROHIDRAULICOS: Son los dispositivos que permiten mantener en posición (o velocidad) un movimiento de salida accionado hidráulicamente, a una tensión eléctrica de control utilizando una fuente de presión cte. El mecanismo de control sería el siguiente:
Figura 59
En A la tensión es nula. Si la suma de las corrientes es nula
Si esta igualdad no se satisface, aparece en A una tensión que amplificada, acciona un motor eléctrico de control del distribuidor hidráulico que hace mover el gato hasta que la igualdad anterior se satisfaga. Al conjunto de motor eléctrico-distribuidor se lo llama: servo válvula electrohidráulica, y estos pueden ser de varios tipos: · Servoválvulas de un solo paso: Estos se pueden dividir a su vez en: -Motor par de pequeño amplitud que acciona un distribuidor
Figura 60
111
1 0 ER
RS
R
S
R
E s
s
-Motor par que acciona un distribuidor de fugas
Figura 61
El motor par está formado por un imán giratorio montado sobre una armadura, el cual gira cuando circula una corriente. La estabilidad se obtiene por señales eléctricas mandadas al amplificador que llevan la velocidad y aceleración de la salida a través de un potenciómetro y un tacómetro respectivamente.
Figura 62
4-6-ACUMULADORES: Estos son sistemas que almacenan fluido a presión y lo abandonan cuando el sistema hidráulico necesita un abastecimiento con gran rapidez. También son utilizados como amortiguadores de expulsión de fluido. Utilizan un gas (nitrógeno o aire comprimido) como acumulador de energía. Los utilizados en aviación pueden ser de émbolo como se muestra en la figura
Figura 65 a
o de membrana
Figura 65 b
La parte superior se llena con el gas bajo presión y la inferior recibe el aceite bajo presión. Comunmente la presión de inflado inicial es la presión mínima utilizable para el circuito. 4-7- REGULADORES DE PRESION Estos reguladores se emplean en el caso de circuitos del tipo de la figura 14. La finalidad de estos sistemas es dirigir la descarga de la bomba hacia el depósito cuando el circuito de aceite está normalmente cargando y recargar el circuito si su presión desciende por debajo de un cierto valor. Hay dos tipos de reguladores: 4-7-1- Reguladores de control directo.
Figura 66
La descarga de la bomba se hace por P. Según se varíe la presión del circuito de utilización (aumente o disminuye) respecto de la presión de trabajo, el regulador a través del pistón de sección S abrirá o cerrará la válvula. La tensión sobre el resorte R para abrir la válvula vale
sSPT donde s es la sección de la válvula. El cierre de ésta válvula se producirá para una presión P´S=T.
Estos reguladores poseen un cierre y apertura de válvula violenta, lo que genera problemas de fatiga de los componentes del circuito. Si se quiere amortiguar éstos choques, se puede estrangular el orificio de llegada del aceite al pistón. Se utilizan para instalaciones pequeñas y con elementos pesados y robustos. 4-7-2 Reguladores de control indirecto: Es más flexible y maneja mayores caudales y presiones.
S
s
P
PSPsSP
1'')(
S
s
P
PP
P
P
'
Figura 67
Cuando la presión de utilización es baja: -La bolilla B se aplica sobre la izquierda por el resorte R Pi está equilibrado pues sus dos caras están en comunicación con el depósito y C está cerrado por el resorte R´ Cuando la presión de utilización aumenta: -B se apoya sobre S´ y la sobrepresión levanta a Pi y este abre a C que dirige la descarga al depósito. La zona mínima de funcionamiento es
Otro tipo se ve en la siguiente figura
P
P
P
PP
P
P '1
'
S
S
S
SS
S
S
P
PSPPS
'
'1''
Figura 68
La presión actúa en el primer distribuidor piloto, cuando sobrepasa la tara del resorte, pasa a i2, Pi2 se mueve hacia la izquierda, y la presión pasa a i y mueve a Pi abriendo la válvula C. La descarga de la bomba se dirige al depósito. Se encuentra para este tipo de mecanismos que la velocidad de apertura de C es proporcional a (P-P0) dt haciendo imposible todo funcionamiento como válvula de seguridad. Los tiempos de elevación y descenso de la presión de la bomba se ajustan por el orificio calibrado OC2. 4-8 VALVULA DE SOBREPRESION O DE SEGURIDAD Se usan para derivar el fluido hacia el depósito cuando la presión del sistema sobrepasa un valor determinado. Se pueden encontrar los siguientes tipos: -Válvula de bala:
Figura 69 a Figura 69 b Son simples pero las más inseguras, pues la bala vibra y gira. Se usan para bajas presiones y caudales, como válvula de retención y a veces como elemento de seguridad.
-Válvula de cono: En éste caso el cono no puede vibrar pues está centrado. Se utilizan cuando hay diferencias de presión bajas entre la entrada y la salida y como válvula de retención. Suelen vibrar para presiones muy altas.
Figura 70
-Válvula de cono y con amortiguamiento hidráulico: Se agrega el amortiguador hidráulico a émbolo para disminuir las vibraciones.
Figura 71
-Válvula de émbolo o corredera:
Figura 72
Se utilizan para disminuir la variación de presión en función del gasto que existe para abrir una válvula y para mantenerla abierta. Es menor la presión que se necesita para abrirla que para mantenerla abierta. d: diámetro de la sección efectiva cuando está abierta. d1: diámetro de la sección efectiva cuando está cerrada. Consiste basicamente en una corredera actuanda por un resorte, que ante una sobrepresión se mueve dejando pasar fluido al depósito por agujeros laterales. -Válvula de sobrepresión con válvula piloto:
Figura 73
Cuando los caudales son altos, las secciones y los resortes se vuelven voluminosos. Para evitar esto, se utilizan este tipo de válvulas ganando en peso y precio. La válvula principal normalmente está en posición baja. Cuando la presión de entrada sobrepasa la tara de la válvula piloto, un cierto caudal pasará por el orificio calibrado, creando una diferencia de presión entre las dos caras del émbolo principal, que se abre y deja escurrir líquido bajo presión hacia el depósito. 4-9 DISTRIBUIDORES 4-9-1 Distribuidores de correderas Son los más sencillos y no son herméticos. -Distribuidor simple de tres vías: Se emplea en control de gatos diferenciales.
Figura 74
-Distribuidor doble de dos direcciones (4 vías): Se usan para el control de gatos de doble efecto.
Figura 75
-Distribuidor de doble paso de líquido: Se usa en el esquema de la figura 13 4-9-2 Distribuidor de valvulas Son herméticos pero requieren de una fuerza mayor que los anteriores para su accionamiento.
Figura 76
Inicialmente el depósito y la utilización están en comunicación.
En la figura anterior, cuando se acciona la palanca, el cilindro T baja, obturando la salida al depósito y empujando la bolilla y pone en comunicación el suministro de presión con la utilización. Cuando las secciones se vuelven importantes, la apertura se controla con un servomotor. La figura 77 representa un distribuidor de válvula de este tipo, que puede ser accionado por un electroimán de pequeña potencia.
Figura 77
Cuando se oprime el botón P0 se comienzan estrangulando los orificios O1, después, la bala se abre y permite a la presión establecerse bajo la válvula C1 pasando por el canal Ca. Cuando C1 se levanta, comienza por aislar el circuito de utilización del depósito, después al levantar la válvula C2 pone la utilización bajo presión. Si se deja de oprimir el botón p0, la parte inferior de la válvula C1 se pone en comunicación con el depósito por el canal Ca, y los orificios O1 y O2. El distribuidor vuelve a tomar su posición inicial; la utilización está en comunicación con el depósito. 4-9-3 Electrollaves:
Figura 78
Estos dispositivos tienen la simple función de cerrar o abrir una comunicación entre la presión y el circuito de utilización a través de un electroimán. Sin exitación, la aguja se apoya en el asiento por medio del resorte R1, y la válvula misma permanece cerrada sobre su asiento a través de R2. El aceite no puede pasar por la utilización.
Si se acciona el electroimán, el núcleo es atraído hacia la derecha, levanta la aguja, y el aceite es admitido a presión bajo el émbolo, que manda la apertura de la válvula. Si se corta la corriente, la aguja se cierra y la cavidad bajo el émbolo se vacía por el orificio calibrado, cerrándose la válvula. 4-9-4 Divisores de caudal: Se utilizan para dividir el caudal de un conducto en dos partes iguales. -Divisor Nº1:
Figura 79
Es adecuado su funcionamiento cuando las presiones de utilización P1 y P2 son pequeñas frente a P. La mayor parte de la energía se pierde en las estrangulaciones. -Divisor Nº2:
Figura 80
Los caudales son iguales independientemente de las presiones que se utilicen debido a que en este dispositivo las pérdidas de carga se reducen a un mínimo. E1 y E2 son estrangulamientos de baja resistencia situados en el émbolo central flotante. Si el gasto en P1 es mayor que en P2, la pérdida de carga en E1 será mayor que en E2, la presión P’1 será menor que P'2 y el émbolo se moverá hacia la izquierda, cerrando el paso hacia P1, hasta que los gastos vuelvan a ser iguales. 4-10 LIMITADORES DE CAUDAL El caudal absorbido por un elemento motor es función de la presión del circuito, del par resistente y de las pérdidas de carga. Cuando el par resistente se vuelve muy bajo, para evitar grandes velocidades de las piezas mecánicas, se hace uso de éstos dispositivos. El estrangulamiento simple se podría utilizar, pero éste genera una pérdida de carga muy alta debido a que es proporcional al cuadrado de los gastos. El limitador de caudal que se emplea en los sistemas, genera una pérdida de carga tal que limita el gasto máximo posible a un valor determinado q0. Debajo de éste valor la pérdida de carga es muy pequeña.
Figura 81
El principio está dado por la siguiente figura:
Figura 81
El aceite en la llegada debe atravesar el orificio “O” de sección . El resorte equilibra el pistón. La pérdida de carga a través de “O” está dada por: donde: : masa efectiva de aceite. V: velocidad en el orificio = q/ El equilibrio del resorte es S.P=F
Sea q0 el valor que verifica la igualdad (equilibrio del resorte). Si qq0, P aumenta y el émbolo se mueve hacia la derecha, obturando los agujeros laterales en el cuerpo; el caudal disminuirá hasta llegar a su nuevo valor q0 ( parte longitudinal de la figura ). Si qq0 el émbolo se mueve hacia la izquierda, los agujeros laterales se abren y el limitador se comporta como un orificio calibrado de sección que es grande ( 1ra parte de la curva) y R se calcula en general para una pérdida de carga se aproximadamente 5 bares. Otra disposición similar puede ser el de la figura 82.
2
2VP
2
2
2 q
S
F
Figura 82
4-11 REDUCTOR DE PRESION Son dispositivos destinados a bajar la presión de un circuito para adaptarlo a las necesidades de un órgano receptor. Consideremos la figura 83 y supongamos que la sección de apoyo de la bala sea pequeña frente a la del émbolo. Si la fuerza ejercida por la presión reducida del émbolo, es inferior a la del resorte, la válvula de bala se abrirá, permiriendo la realimentación del circuito de utilización. Por el contrario, si la presión de utilización es muy alta, la válvula de bala se abrirá.
Figura 83
4-13 FILTROS Se intercalan en el circuito hidráulico, para filtrar aquellas partículas abrasivas que puedan dañar las componentes. Por lo general se filtran partículas menores que el espesor de la película de aceite, que es menor que la mitad de la holgura entre las componentes. Es necesario eliminar el polvo metálico producido por el desgaste entre piezas al inicio del funcionamiento y durante el período del rodaje. -Filtro de las telas metálicas: La tela metálica posee agujeros ( entre 1 a 0.2 mm de lado) y éstos pueden ser limpiados. Se sitúan sobre las descargas de las bombas y a la llegada del aceite a los aparatos o sistemas. -Filtros finos: Son más voluminosos y filtran de 5 a 20. Se colocan en el retorno al depósito. Pueden ser también de cartón, telas y fieltros, de escoria metálica y de plástico. 4-14 JUNTAS: Existen diferentes tipos de juntas que están destinadas a suprimir fugas de aceite internas y externas. Se pueden encontrar las juntas de: - cobre (tapones externos) - goma: de labio cuadradas O’rings ( hasta 150 bares) Para mas de 150 bares, se ponen refuerzos laterales de teflón que impiden la deformación excesiva. 4-15 DEPÓSITOS DE ACEITE: 4-15-1 Los depósitos de aceite Su principal objetivo es el de contener el aceite de reserva del circuito, es decir, compensar las fugas, las dilataciones, las diferencias de volumen de aceite absorbidas por el circuito en el funcionamiento del mismo. También desempeñan otras funciones como la de decantado, separación de impurezas, contribuir al enfriamiento del aceite etc. Para realizar correctamentes estas funciones es necesario que el depósito cumpla con algunas especificaciones. Ver figura 85.
Figura 85
- Capacidad del depósito: Debe ser por lo menos una y en lo posiblo dos veces el gasto de la bomba durante un minuto de funcionamiento. Con esto se logrará absorver las fluctuaciones normales del nivel de aceite, constituir un volante térmico adecuado y tener suficiente superficie exterior que permita el enfriamiento normal. - Aspiración: la velocidad del líquido en la tubería de aspiración debe ser menor o igual a 1,5 m/seg, ésta debe realizarse a cierta distancia del fondo, (4 a 8 cm), a fin de evitarla aspiración de residuos que hayan decantado. - Retorno del aceite: la velocidad del retorno será de 1,6 m/seg a lo largo de una longitud de 20 veces el diámetro. La tubería (del retorno de las fugas) debe desembocar, por un tubo independiente, arriba del nivel del aceite. - Deflector: Tiene por objeto facilitar la desemulsión y la separación de las impurezas del aceite, aumentando el tiempo de paso del líquido y disminuyendo su velocidad. Está colocado entre la descarga y la aspiración. - Llenado: comprende un tapón y un filtro movible. - Nivel visible - Respiradero: está protegido por un filtro - Puerta de limpieza: debe equiparse el depósito con puertas para realizar la limpieza de las imurezas y lograr que las mismas se acumulen allí. Además asegurarse de que los filtros sean facilamente desmontables y en lo posible que puedan cambiarse sin que haya que vaciar el depósito. - Tapón de vaciado: Debe preveerse un tapón o grifo de vaciado, en el punto mas bajo del depósito, previéndose varios tapones en el caso de que el depósito posea varios puntos bajos. - Placa de espicificación de identificación: identifica las características del aceite. - Juntas: todas aquellas que se encuentren por encima del nivel de aceite deben ser herméticas. - Equipo complementario: este puede constar de un indicador de presión, un elemento de separación magnético, un termómetro, una salida especial (para conectar a un grupo móvil de depuración del aceite) - Temperatura que debe conservarse: deben encontrarse entre las estipuladas por las normas SAE. Todas las paredes del depósito deben conribuir a la disipación calorífica. - Espesor de las paredes: con el fin de mejorar el intercambio térmico el espesor de las paredes laterales debe ser pequeño.
- Pintura de los depósitos: esta dependerá de los materiales con los que se encuentren hechos los depósitos (por ejemplo, los de hierro fundidos no deberán ser pintados en el interior). La pintura también estara sujeta a estas consideraciones. - Mantenimiento: la placa de identificación, debe mencionar el tipo de fluído utilizado, así como la pintura que eventualmente revista el interior. 4-16 ORGANOS DE SEGURIDAD: Están destinados a prevenir los accidentes graves que pueda tener un avión a causa de un accidente menor como ser: -La bomba no descarga: Se dispone de una bomba de auxilio y de una bomba de mano. En las descargas de las bombas que funcionan en paralelo se colocan válvulas de retención para evitar retornos en caso de rotura de una de ellas. -Tubería con fuga: Es grave en los circuitos de presión constante de las figuras 13 y 14, pues el depósito puede vaciarse completamente. Por lo tanto se prevee un pequeño depósito auxiliar que provee de aceite necesario, por ejemplo, para garantizar el descenso del tren de aterrizaje. - Una tubería se rompe: Para el caso de los alerones, se duplican las cañerías de alimentación de los sistemas mas importantes como: servomotores, mecanismos para descenso del tren de aterrizaje, frenos, etc. El aislamiento de la tubería averiada debe hacerse automática e instantáneamente. 4-16-1 Tuberías dobles para presión: Es el caso de alimentación de servomotores. Se coloca un distribuidor automático a la salida del acumulador.
Figura 86
Si se rompe alguna de las cañerías, la diferencia de presión resultante empuja el émbolo Pi hacia el orificio de menor presión, hasta que lo obtura. La válvula de retención impide la realimentación.
4-16-2 Sistema doble (mando del tren de aterrizaje)
Figura 87
El mando de auxilio lo forma por ejemplo una bomba de mano. 4-16-2 Sistema doble (mando de los frenos de las ruedas)
Figura 88
6- APLICACIONES GENERALES 6.1-Mecanismo de accionamiento del tren de aterrizaje: Supongamos un tren de aterrizaje, el cual asciende y desciende a través de una rotación accionada por un servomotor hidráulico Sean los siguientes esquemas: Sea la figura 90 a y 90 b.
Figura 90 a
Figura 90 b
Para la elevación: - Se envía el aceite a presión al gato V2 desbloqueandose el cerrojo v2 - Luego se acciona el gato V1 que acciona la palanca con rotación en C y tiende a doblar el puntal de fuerza con articulación en D. - El tren se traba arriba con el cerrojo v3. Para el descenso: - Se desbloquea v3 y se acciona el gato V El bloqueo del tren abajo se hace con un resorte. 6.2- Amortiguadores: Se ubican entre la rueda y un punto fijo del avión. El amortiguador, como se ve en la figura tiene varias funciones a saber: - Absorber la energía cinética vertical del avión en el aterrizaje:
Esto se logra a través de una válvula de sobrepresión O2 que lamina el aceite en contacto con un émbolo en un cilindro. - Amortiguar las oscilaciones mientras el avión rueda: Se obtiene por el laminado del aceite a través de los orificios 1. -Crear estáticamente fuerzas elásticas que equilibran el peso del avión: Se logra a través de la fuerza estática del amortiguador generada a través de la presión de aire por la sección del émbolo móvil, pues no tienen resortes de suspención como los automóviles. 6.3- Sistema de frenado : Los frenos de las ruedas de los aviones (de tambor o disco)son operados a través de actuadores hidráulicos.
Figura 92
Figura 93
-Frenado de aviones pequeños:
Figura 94
Este sistema consiste en un gato emisor, vinculado a un depósito de compensación que permite llenar automáticamente el circuito en caso de fugas, en comunicación con un gato receptor que ejerce la fuerza sobre las zapatas para generar la acción de frenado. Otro tipo de gato emisor puede ser el de la figura 95 en el cual la puesta en comunicación del circuito con el depósito de compensación se realiza por una válvula que se abre automáticamente cuando se suelta el pedal de comando.
Figura 95
-Frenado de aviones de gran porte: Cuando la acción de frenado se hace importante se utilizan servofrenos. El gato receptor sigue siendo el mismo. El emisor es del tipo de la figura 96
Figura 96
El piloto acciona el pedal generando una fuerza F' y para la cual en la condición de equilibrio será k.F =P.S Si la presión de utilización P’es mayor que el valor para el equilibrio, el émbolo baja y descarga el depósito por ’. Si P’es menor, el émbolo sube y comunica la presión de alimentación P por a la utilización. Estos reductores son emisores para los cuales el resorte tiene una tensión dada. Otro tipo de emisor es el de la figura 97.
Figura 97
7- APLICACIONES PARTICULARES: