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An�lisis del rendimiento de las bombas hidr�ulicas de m�quinas autopropulsadas dedicadas a movimiento de tierras

 

Performance analysis of hydraulic pumps of self-propelled machines dedicated to earthmoving

 

An�lise do desempenho das bombas hidr�ulicas das m�quinas automotoras de terraplanagem

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: alex3000_199@hotmail.com

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Art�culo de revisi�n

 

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*Recibido: 30 de enero de 2021 *Aceptado: 27 de febrero de 2021 * Publicado: 14 de marzo de 2021

        I.            Mag�ster en Dise�o Mec�nico Menci�n Fabricaci�n de Autopartes de Veh�culo, Ingeniero Automotriz, Docente Investigador, Estudiante de Universidad Internacional SEK, Quito, Ecuador.

     II.            Ingeniero Automotriz, Docente Investigador Instituto Superior Tecnol�gico Central T�cnico, Quito, Ecuador.

   III.            Mag�ster en Sistemas Automotrices, Ingeniero en Mec�nica Automotriz, Programa Desarrollo Tecnol�gico, �Docente de la Carrera de Ingenier�a Automotriz en la Universidad Internacional SEK, Quito, Ecuador.

  IV.            Magister en Dise�o Mec�nico, Estudiante de Universidad Internacional SEK, Docente Investigador, Instituto Superior Tecnol�gico Tecnoecuatoriano, Quito, Ecuador.

     V.            Mag�ster en Dise�o Mec�nico Menci�n Fabricaci�n de Autopartes de Veh�culo, Ingeniero Automotriz, Docente Investigador, Programa Desarrollo Tecnol�gico, Estudiante de Universidad Internacional SEK, Quito, Ecuador.

Resumen

La bomba toma su fuente de energ�a por medio del aceite hidr�ulico con especificaciones seg�n el tipo de bomba y de trabajo, la bomba produce caudal de aceite y est� la impulsa hacia varios componentes. El estudio se refiere a la gran importancia de los sistemas y se podr� notar los diferentes rendimientos de tres tipos de series de retroexcavadora y excavadora, en la cual se podr� analizar a qu� tipo de trabajo est�n destinados y seg�n sus esfuerzos al momento de realizar una acci�n. En retroexcavadora y excavadora pueden utilizar diferentes tipos de bombas, pero la m�s usada es la bomba hidr�ulica de pistones axiales, la bomba hidr�ulica por lo general es accionada por medio del motor de la maquinaria pesada. El rendimiento de la bomba hidr�ulica, se debe tomar las especificaciones de presi�n de salida, su caudal generado por la bomba hidr�ulica, estos valores son importantes para poder realizar la comparaci�n de rendimiento. En conclusi�n, cabe recalcar que cada maquinaria est� destinada a un tipo de trabajo espec�fico, donde sus valores de esfuerzo no pueden superar a las especificadas en fichas t�cnicas.

Palabras clave: Veh�culo comercial; rendimiento; bomba hidr�ulica; retroexcavadora; excavadora.

 

Abstract

The pump takes its source of energy through hydraulic oil with specifications according to the type of pump and work, the pump produces oil flow and is driven to various components. The study refers to the great importance of the systems and it will be possible to notice the different performances of three types of series of backhoe and excavator, in which it will be possible to analyze what type of work they are destined for and according to their efforts at the time of carrying out an action. In backhoe and excavator, they can use different types of pumps, but the most used is the axial piston hydraulic pump, the hydraulic pump is usually driven by the motor of heavy machinery. The performance of the hydraulic pump, the output pressure specifications must be taken, its flow generated by the hydraulic pump, these values are important to be able to perform the performance comparison. In conclusion, it should be noted that each machinery is intended for a specific type of work, where its effort values cannot exceed those specified in technical sheets.

Keywords: Commercial vehicle; performance; hydraulic pump; backhoe; excavator.

 

Resumo

A bomba pega sua fonte de energia por meio de �leo hidr�ulico com especifica��es de acordo com o tipo de bomba e trabalho, a bomba produz fluxo de �leo e � acionada para v�rios componentes. O estudo se refere � grande import�ncia dos sistemas e ser� capaz de perceber os diferentes desempenhos de tr�s tipos de s�ries de retroescavadeiras e escavadeiras, nas quais ser� capaz de analisar a que tipo de trabalho est�o destinadas e de acordo com seus esfor�os no momento de realizar uma a��o. As retroescavadeiras e escavadeiras podem utilizar diferentes tipos de bombas, mas a mais comumente utilizada � a bomba hidr�ulica de pist�o axial. A bomba hidr�ulica � normalmente acionada pelo motor do equipamento pesado. O desempenho da bomba hidr�ulica, voc� deve tomar as especifica��es de press�o de sa�da, seu fluxo gerado pela bomba hidr�ulica, estes valores s�o importantes para poder fazer uma compara��o de desempenho. Em conclus�o, deve-se observar que cada m�quina � destinada a um tipo espec�fico de trabalho, onde seus valores de esfor�o n�o podem exceder os especificados nas fichas t�cnicas.

Palavras-chave: Ve�culo comercial; desempenho; bomba hidr�ulica; retroescavadeira; escavadeira.

 

Introducci�n

La hidr�ulica es una de las formas m�s vers�tiles y flexibles que ha inventado el hombre para transmitir energ�a. Los sistemas hidr�ulicos sencillamente, convierten la energ�a de una forma a otra para realizar trabajos, en la maquinaria pesada esto se traduce en el uso de la energ�a otorgada por el motor de combusti�n interna que com�nmente son los motores di�sel hacia una potencia hidr�ulica (Guasumba-Maila et al., 2021). Donde la hidr�ulica se usa para elevar o descender un cucharon de una excavadora o diferentes movimientos a los cuales est�n dise�ados diferentes dispositivos donde el fluido es transmitido por medio de la bomba hidr�ulica hacia los v�lvulas y cilindros. La bomba no genera presi�n, pero esta trabaja a presi�n atmosf�rica y los env�a hacia los canales correspondientes. La presi�n se produce por acci�n a la resistencia al caudal, donde la resistencia se produce a medida que el flujo pasa por mangueras, orificios, conexiones, cilindros, motores u otro elemento incluido en el sistema hidr�ulico, estos retornando propiamente hacia el tanque del sistema hidr�ulico (Ram�rez, 2007).

La bomba hidr�ulica es impulsada por medio del motor de combusti�n interna, la bomba est� conformada de pistones por dos cuerpos que proporcionan un caudal variable con un plato angular que modifica el recorrido de los pistones, donde se obtiene un mejor rendimiento y se optimiza un caudal necesario para un correcto funcionamiento. De igual forma la bomba hidr�ulica es un sistema mec�nico que forma parte de un sistema hidr�ulico o h�brido que com�nmente existe en la actualidad. El movimiento de la bomba son acciones de regulaci�n y control para la elevaci�n de un caudal (Manrinz y Fales, 2019).

La bomba de engranajes tiene un desplazamiento positivo, es decir una bomba en el cual su caudal se da por revoluciones, pero esta no pude variarse. El fluido es llevado entre los dientes de engranes y la carcasa, los engranes de malla ajustados a la carcasa (Moreno-Zulca et al., 2020). Este tipo de bombas trabajan a una alta velocidad no regulable y a bajas presiones, est� constituido por una carcasa de fundici�n de hierro o de aleaci�n de aluminio, normalmente en las maquinarias pesada la carcasa est� compuesta de dos orificios uno de alimentaci�n y otro de salida, en el interior de la carcasa est�n los engranes que normalmente tienen dientes rectos, el engrane conductor puede estar introducido al eje o mecanizado directamente sobre el mismo.

El engrane conducido no siempre es solidario del eje que lo soporta al mismo, puede girar a trav�s del cojinete que normalmente es de bronce o con rodamientos de agujas. Los engranes giran mutuamente en sentido inverso del uno al otro, el aceite llega al orificio de alimentaci�n donde es arrastrado. Durante la rotaci�n los engranes de la carcasa, el aceite no solo se arrastra, si no que este se queda aprisionado entre alojamientos de la carcasa misma y de los orificios formados por los dientes de los engranes. El aceite no se libera hasta que los dientes desengranen en la c�mara hacia la salida, entonces el aceite es expulsado en la tuber�a o canal de distribuidores de sistema hidr�ulico (Carvajal, 2017).

En las retroexcavadoras y excavadoras es com�n encontrarse con una bomba hidr�ulica variable, donde se define como pistones axiales son un ejemplo de la mejora a trav�s del tiempo a un nivel de maquinaria pesada. La bomba de pistones es de tipo volum�trico, donde generan caudal de aceite o fluido por cada rotaci�n de 360� por parte de la bomba, su principio es un movimiento axial paralelo al eje (Jara Segura, 2016). Estas bombas son ocupadas a un nivel mundial por parte de maquinaria pesada, m�s a�n en la retroexcavadora o en mini cargadora y montacargas. La bomba de pistones se caracteriza por ser de tipo volum�trico generando caudal de aceite a cada rotaci�n completa, su movimiento es axial, paralelo al eje que es producido por un pist�n dentro de su cilindro. El desplazamiento es mediante el deslizamiento de la base del pist�n sobre una placa, que esta inclinada mientras el pist�n se encuentra girando solidario con el eje de la bomba. El fluido llega por el lado de baja presi�n, donde los pistones hacen la acci�n de aspirar y lo transporta hacia el circuito de alta presi�n. Para un aumento de eficiencia en la bomba, la bomba se puede componer de uno o varios pistones que bombean el fluido seg�n su tiempo de trabajo por cada vuelta (Carvajal, 2017). Existe en una inclinaci�n con un �ngulo α, el cual influye en la cilindrada y volumen aportado por la misma bomba hidr�ulica, cuando mayor es el �ngulo, mayor es el volumen desplazado por el pist�n donde su carrera es mayor.

Con estos antecedentes, es objetivo de esta investigaci�n� mostrar la evaluaci�n de la operaci�n como de la eficiencia de varias bombas como portador de energ�a utilizado, que se utiliza en los sistemas de accionamiento hidr�ulico de las excavadoras y retroexcavadoras. Mediante la verificaci�n, as� como, potencialmente, diagnosticar los cambios en las propiedades f�sicas de este tipo de componentes hidr�ulicos.

 

Metodolog�a

Se� presenta el protocolo de la evaluaci�n, para obtener las caracter�sticas de comportamiento de las distintas bombas. Se propone la siguiente ruta, la selecci�n de las bombas como objeto de estudio, a los cuales son sometidos al proceso anal�tico, bajo par�metros prestablecido y planteados, se obtienen datos experimentales como los resultados que muestren las condiciones de funcionamiento de estos elementos.

La investigaci�n busca identificar la creaci�n del flujo que es creada por medio de la c�mara de aspiraci�n que est� conectada al dep�sito del aceite. Cuando los engranes de la bomba hidr�ulica giran, el volumen de la c�mara aumenta ligeramente cada vez m�s que un diente deja un espacio. Esto crea un vac�o parcialmente dentro de la c�mara de aspiraci�n, el cual obliga al aceite a salir del dep�sito. El aceite es transportado entre los dientes del engranaje a lo largo de las paredes de la bomba hidr�ulica hasta una c�mara de impulsi�n. El caudal de la bomba depende del tama�o de los engranes en lo que transporta el fluido. La cantidad de aceite que suministra la bomba hidr�ulica por vuelta recibe el nombre de volumen desplazado, donde va multiplicado por el n�mero de vueltas por minutos que produce el caudal nominal (Guam�n et al., 2019).

En la tabla 1, se puede observar valores t�picos de una bomba y sistema hidr�ulica de una retroexcavadora, tanto para tracci�n en las dos ruedas y tracci�n en las cuatro ruedas.

 

Tabla 1: Propiedades y especificaciones Bomba Hidr�ulica Retroexcavadora

Fuente: Autores, 2020

 

Estos valores de presiones como se muestra en la figura 1, se obtuvieron gracias a medidores de presi�n entre un rango de 0 a 6000 kPa o 0 a 870 psi, para cada conjunto de mangueras del circuito hidr�ulico. Este proceso tiene fluctuaciones mayores a 1200 rpm.

 

Figura 1: Presiones del sistema hidr�ulico Retroexcavadora Caterpillar

Fuente: (Jara, 2016)

 

C�lculos de la bomba hidr�ulica

El rendimiento de una bomba n_b viene dado por el cociente entra la potencia hidr�ulica producida y la potencia mec�nica absorbida: Siendo: P: La presi�n de aceite a la salida de la bomba (Pascales); Q: El caudal que produce la bomba (m^3⁄s); M: El par de accionamiento (N.m); ω: Velocidad de giro de su eje (rad⁄s) (Tk�č et al., 2018).

100��� (1)

En caso el rendimiento puede oscilar entre 70% y 95%, seg�n sea el tipo de bomba hidr�ulica utilizada. Donde c es igual a la cilindrada del caudal impulsado por cada revoluci�n.

��� (2)

El rendimiento de la bomba hidr�ulica tanto de retroexcavadora como excavadora se debe tomar en cuenta los par�metros presentados en la ecuaci�n (1), donde se tomar�n valores reales obtenidos en fichas t�cnicas de maquinaria pesada, en lo que corresponde a especificaciones de la bomba hidr�ulica de cada serie comparada. En la tabla 2 y 3, se puede observar los valores de las propiedades para reemplazar en la ecuaci�n, tanto de la retroexcavadora como la excavadora. Las unidades est�n dadas en el sistema internacional.

 

Tabla 2: Especificaciones Bomba Hidr�ulica Retroexcavadora diferentes series

Fuente: (Caterpillar, 2020)

 

Tabla 3: Especificaciones Bomba Hidr�ulica Excavadora diferentes series

Fuente: (Caterpillar, 2020)

 

En la tabla 4 y 5, se observa el resultado de la velocidad angular que se calcula por medio de la ecuaci�n que tiene como principio el caudal de la bomba hidr�ulica y su cilindrada respecto al caudal. Con todos los datos obtenidos se puede analizar el rendimiento de la bomba hidr�ulica en la parte de resultados.

 

 

Tabla 4: Velocidad angular de Retroexcavadora diferentes series

Fuente: (Caterpillar, 2020)

 

Tabla 5: Velocidad angular de Retroexcavadora diferentes series

Fuente: (Caterpillar, 2020)

 

Resultados y discusi�n

En los resultados se podr� observar los factores de rendimiento en porcentaje de la bomba hidr�ulica de cada maquinaria pesada descritas con anterioridad, y de igual forma se analizar� su comportamiento seg�n sea su clase asignada. En la figura 2, se puede observar el comportamiento de rendimiento de la bomba hidr�ulica para tres diferentes tipos de excavadora, y realizan diferentes tipos de trabajo como esfuerzos. Una caracter�stica que sobresale es que la retroexcavadora 914M tiene un rendimiento de 94.17 %, que es superior a las otras dos comparadas. Esto se da por varios par�metros y especiaciones por parte de la bomba hidr�ulica utilizada en la retroexcavadora, que tiene valores superiores en lo que es referente al caudal y su presi�n de salida a las retroexcavadoras 910M y 908M. Por otro lado, la retroexcavadora serie 908M, tiene un rendimiento inferior a las otras dos series de retroexcavadora, con un valor de 70.670947 %., esta retroexcavadora tiene como principio menos esfuerzo y trabajo a la hora de ejecutarse su objetivo, con una bomba que tiene un caudal en menor proporci�n (Benavides, 2009).

 

Figura 2: An�lisis de Rendimiento de Bomba Hidr�ulica, Retroexcavadora

Fuente: Autores, 2021

 

En la figura 3, se realiza la comparaci�n de rendimiento de bomba hidr�ulica de tres diferentes tipos de excavadoras. Donde se observa que la excavadora 340D2L es superior en su porcentaje de rendimiento por parte de la bomba hidr�ulica con un valor de 79.77%, esta excavadora es una de las m�s grandes que existen en el campo de maquinaria pesada (Wang et al., 2012). La bomba hidr�ulica de esta excavadora proporciona un caudal superior a las otra dos comparadas y de igual forma en su presi�n de salida est� por encima de los valores obtenidos en sus comparaciones. Las dos restantes excavadoras, tiene un rendimiento bastante semejante en ambos casos, ya que tanto su presi�n de salida y su par de accionamiento tiene valores similares, en lo que respecta a las especificaciones de la bomba hidr�ulica (Ledesma Mercado, 2015).

 

Figura 3: An�lisis de Rendimiento de Bomba Hidr�ulica, Excavadora

Fuente: Autores, 2021

 

Al seleccionar una bomba hidr�ulica, es muy importante considerar la presi�n de funcionamiento necesaria para que el sistema funcione correctamente, la presi�n depende de igual forma de los actuadores y de la fuerza requerida para un trabajo. La bomba debe estar dise�ada de tal forma que la presi�n requerida normalmente sea menor que la presi�n nominal de la bomba hidr�ulica instalada.

 

Conclusiones y recomendaciones

Los beneficios de este proyecto es de fundamental importancia ya que la productividad y eficiencia del proceso, as� las bombas hidr�ulicas se caracterizan de igual forma por presentar una variaci�n en su caudal al momento de compararlas con distintas series tanto de retroexcavadora como excavadora, una caracter�stica que se debe notar es el caudal que producen para que funcionen distintos componentes del sistema hidr�ulico.

El rendimiento de la bomba hidr�ulica est� dado por especificaciones de la bomba misma, que estaba presentes como la presi�n de salida, el caudal al que trabaja, su cilindra respecto al caudal, su par de accionamiento y su velocidad angular. Estos valores adem�s de proporcionarnos informaci�n, ayuda al c�lculo del rendimiento presenta cada serie de retroexcavadora y excavadora.

En las presentes retroexcavadora y excavadora, existen maquinarias que son superiores a las dem�s en este caso se realiz� tres diferentes comparaciones de cada con el fin de saber que bomba hidr�ulica tiene m�s rendimiento en el momento del trabajo ejercido, al momento de analizar las diferentes comparaciones cabe recalcar que cada maquinaria est� destinada a un tipo de trabajo espec�fico, donde sus valores de esfuerzo no pueden superar a las especificadas en fichas t�cnicas.

 

Referencias

1.              Benavides, J. (2011, March 29). Repositorio de la Universidad de Fuerzas Armadas ESPE: Elaboraci�n de un manual interactivo de operaci�n, mantenimiento y pruebas hidr�ulicas para la excavadora Caterpillar 320c. ESPE. http://repositorio.espe.edu.ec/handle/21000/2884

2.              Carvajal Barrera, J. E. (2017). �An�lisis del proceso de prueba y diagn�stico de bomba hidr�ulica de caudal variable en retroexcavadora caterpillar modelo 416e y su incidencia en la productividad, en talleres para maquinaria industrial agr�cola sa (talleres pmiasa)� (Bachelor's thesis, Universidad Tecnol�gica Indoam�rica).

3.              Caterpillar (2020). Wheel Loaders, Compare Models, https://www.cat.com/en_US/products/product-comparison.html?productId=1000024618&type=new

4.              Guam�n, E. R., Llanes-Cede�o, E. A., Celi-Ortega, S. F., & Rocha-Hoyos, J. C. (2019). Par�metros del M�ltiple de Escape para su Dise�o Computacional: una revisi�n. Informaci�n tecnol�gica, 30(6), 255-268.

5.              Guasumba-Maila, J. E., Garay-Cisneros, V. A., Solís-Santamaria, J. M., & Jima-Matailo, J. C. (2021). An�lisis del sistema de inyecci�n electr�nica de combustible para motor de combusti�n interna respecto a sus fallas y mantenimiento. Polo del Conocimiento, 6(1), 603-621.

6.              Jara Segura, E. M. (2016). Dise�o de un banco de pruebas para bombas de pistones axiales con sensor de carga de hasta 140 CC/REV.

7.              Ledesma Mercado, M. A. (2015). An�lisis de aceite hidr�ulico para identificar componentes de desgaste en el sistema de implementos de excavadoras 336DL CAT.

8.              Manring, N. D., & Fales, R. C. (2019). Hydraulic control systems. John Wiley & Sons.

9.              Moreno-Zulca, P. A., Llanes-Cede�o, E. A., Gua�a-Fern�ndez, W. V., & Jima-Matailo, J. C. (2020). An�lisis estructural de un bus por el m�todo de elementos finitos. Polo del Conocimiento, 5(01), 799-837.

10.          Ram�rez Hern�ndez, J. F. (2007). Plan de lubricaci�n para el mantenimiento mec�nico para la maquinaria pesada utilizada en movimiento de tierra, en la industria de la construcci�n, por Topsa Construcciones SA (Doctoral dissertation, Universidad de San Carlos de Guatemala).

11.          Tk�č, Z., Kosiba, J., Hujo, Ľ., Jablonick�, J., & Nosian, J. (2018). Experimental Hydraulic Device for the Testing of Hydraulic Pumps and Liquids. Tribology in Industry, 40(1).

12.          Wang, F. Y., Zhang, J., Sun, R. F., & Yu, F. (2012). Analysis on the Performance of Wheel Loader in Typical Work Cycle. In Applied Mechanics and Materials (Vol. 148, pp. 526-529). Trans Tech Publications Ltd.

 

 

 

 

 

 

�2020 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).