unidad de poder hidráulico

Cuando se especifican los componentes de una unidad de potencia hidráulica, el tamaño del motor principal depende de los requisitos de par, velocidad y potencia de la bomba hidráulica. Esto es bastante sencillo para los motores eléctricos, ya que su par de arranque suele ser mucho mayor que su par de funcionamiento. Sin embargo, los diseñadores suelen especificar un motor más grande de lo necesario. Esto da como resultado energía desperdiciada ya que el motor funciona a una eficiencia inferior a la máxima.

Los motores diesel y de gasolina son otra cosa. Tienen una curva de par-velocidad más plana, por lo que proporcionan aproximadamente el mismo par a altas velocidades que a bajas velocidades. Esto significa que el motor de combustión interna puede producir un par lo suficientemente alto como para impulsar la bomba de carga, pero no lo suficiente como para acelerarla hasta la velocidad de funcionamiento. Entonces, en igualdad de condiciones, una central eléctrica que requiere un motor eléctrico de una potencia nominal determinada generalmente requiere un motor de gasolina o diesel con el doble de la potencia nominal del motor eléctrico.

Elegir el mejor tamaño de motor

El costo de la electricidad para hacer funcionar un motor a lo largo de su ciclo de vida es muchas veces mayor que el costo del propio motor. Por lo tanto, la selección correcta del tamaño del motor para una unidad de potencia hidráulica puede ahorrar mucho dinero durante la vida útil de la máquina. Si la presión y el flujo del sistema son constantes, el dimensionamiento del motor involucra solo las ecuaciones estándar:

Caballos de fuerza = (Q × P) ÷ (1,714 × EMetro), donde: hp son caballos de fuerza, Q es flujo en gpm, P es presión en psi, EMetroes la eficiencia mecánica de la bomba.

Sin embargo, si la aplicación requiere diferentes presiones para diferentes partes del ciclo operativo, generalmente puede calcular la potencia cuadrática media (RMS) y elegir un motor más pequeño y menos costoso. Además de calcular la potencia rms (Figura 1), también se debe encontrar el par máximo requerido en el nivel de presión más alto aplicado. En realidad, estos dos cálculos son muy simples.

Por ejemplo, una aplicación de este tipo podría usar una bomba de engranajes de 6 gpm y 3450 rpm para impulsar una varilla de cilindro con un ciclo de trabajo de 85 segundos (Figura 2). El sistema requiere 3000 psi durante los primeros 10 segundos, 2200 psi durante los siguientes 30 segundos, 1500 psi durante los siguientes 10 segundos y 2400 psi durante los siguientes 10 segundos. A continuación, la bomba se hizo funcionar a 500 psi durante 20 segundos, luego se hizo funcionar durante 15 segundos con el motor apagado.

Es fácil usar la fórmula estándar, conectar el segmento de mayor presión del ciclo y calcular:

Caballos de fuerza = (6 × 3000) ÷ (1714 × 0,9) = 11,7 caballos de fuerza durante 10 segundos.

Para proporcionar esta potencia, algunos diseñadores optan por un motor de 10 caballos de fuerza;Otros serán muy conservadores y usarán un motor de 15 hp;Algunos podrían arriesgar 7½ caballos de fuerza. Los precios relativos de estos modelos de cara C de goteo abierto con patas son de aproximadamente $900, $1200 y $600, respectivamente, por lo que puede ahorrar cientos de dólares por planta motriz eligiendo un motor de 7½ hp, si hace el trabajo si lo desea. .

Para determinar esto, primero calcule la potencia requerida para cada segmento de presión del ciclo:

valor de vida1= (6 × 2200) ÷ (1714 × 0,9) = 8,5 CV durante 30 segundos.valor de vida2= (6 × 1500) ÷ (1714 × 0,9) = 5,8 hp durante 10 segundos.valor de vida3= (6 × 500) ÷ (1714 × 0,9) = 1,9 hp durante 30 segundos.

Los caballos de fuerza RMS se calculan tomando la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de estos valores de potencia, multiplicando el intervalo de tiempo para esa potencia y dividiendo por la suma de tiempo más el término (tabandonar÷ F), como se muestra en la Figura 1.

Sustituyendo los valores de ejemplo en la ecuación encuadrada y resolviendo muestra que hpvalor válido= 7.2. Entonces, solo desde el punto de vista de la potencia, se podría usar un motor de 7½ hp. Sin embargo, el segundo par máximo aún debe verificarse antes de tomar una decisión final. El par máximo requerido para impulsar esa bomba en particular se encontrará a la presión más alta, ya que el flujo de salida de la bomba de engranajes es constante. Usa esta ecuación:

T = PD ÷ (12 × 6,28 × EMetro), donde T es el par en ft-lb y D es el desplazamiento en in.3

Para este ejemplo, D = (6 × 231) ÷ (3450) = 0,402 pulgadas.3

Entonces T = (0,402 × 3000) ÷ (12 × 6,28 × 0,9) = 17,8 ft-lb.

Debido a que el motor que funciona a 3450 rpm produce 1,5 ft-lb/hp, 17,8 ft-lb de par requiere 11,9 hp (17,8 ÷ 1,5) a 3000 psi. Esto coincide muy bien con la aplicación de muestra.(A otras velocidades estándar del motor: 3 libras-pie/hp a 1725 rpm; 4,5 libras-pie/hp a 1150 rpm; 6 libras-pie/hp a 850 rpm).

El segundo criterio ahora se puede comparar con el par que puede proporcionar el motor sugerido.¿Cuál es el par de arranque del motor de 7½ hp elegido?Dado que el par es mínimo cuando el motor acelera de 0 rpm a 3450 rpm, debe estar por encima de 11,9 ft-lb con un margen de seguridad aceptable. Tenga en cuenta que un motor que funcione con un voltaje un 10 % más bajo solo producirá el 81 % del par de arranque nominal: en otras palabras, (208 ÷ 230)2= 0,81. Observar las curvas de rendimiento del fabricante del motor revelará que varios de los modelos de 7½ hp disponibles tienen un par de arranque más alto. Cualquiera de estos motores podría ser una buena opción para esta aplicación.

Ambos estándares deportivos ya han sido validados. La potencia rms es igual o inferior a la potencia nominal del motor. El par de arranque del motor es mayor que el máximo requerido.

Potencia del motor de gasolina y diesel

Dimensionar correctamente un motor eléctrico para una unidad de potencia hidráulica es un proceso simple. Si la presión de carga y el flujo permanecen bastante constantes, es relativamente sencillo determinar el requerimiento de energía utilizando la fórmula familiar:

Caballos de fuerza = (q × p) ÷ (1714 × EMetro) donde: q es el caudal, gpm (y representa la eficiencia volumétrica de la bomba), p es la presión del sistema a plena carga, psi y EMetroes la eficiencia mecánica de la bomba

Por ejemplo, suponga que una aplicación requiere un flujo de 13,7 gpm, una presión máxima de 2000 psi y una eficiencia de bomba de 0,80. De la fórmula anterior: hp = (13,7 × 2000) ÷ (1714 × 0,80) = 20 hp.

Parece que el motor de gasolina o diésel como motor primario tendrá la misma potencia nominal que el motor eléctrico. Sin embargo, una regla general es especificar un motor de combustión interna con 2,5 veces la potencia nominal de un motor eléctrico equivalente (Figura 2). Esto se debe principalmente a que los motores de combustión interna tienen una relación par-velocidad diferente a la de los motores eléctricos. Examinar las diferentes características de torque proporcionará una comprensión de cómo tomar decisiones basadas en un razonamiento sólido, en lugar de confiar en las reglas generales.

Requisitos de par de la bomba

Por supuesto, la potencia es una combinación de par y revoluciones. El requerimiento de torque de la bomba es un factor importante para determinar si el motor es adecuado para la aplicación. La velocidad es menos importante porque si la bomba funciona lentamente, seguirá bombeando fluido. Sin embargo, si el motor principal no produce suficiente torque para impulsar la bomba, la bomba no producirá ningún flujo de salida.

Para determinar el torque requerido por la bomba hidráulica, utilice la siguiente fórmula:

T = (p × D) ÷ (6,28 × 12 × EMetro) donde: T es torque, lb-ft, D es desplazamiento, in.3/revolución

El desplazamiento de la bomba se proporciona en la literatura del fabricante. Continuando con el ejemplo presentado a la izquierda, si la bomba tiene un desplazamiento de 1,75 pulg.3/rev., el torque requerido se calcula como:

T = (2000 × 1,75) ÷ (75,36 × 0,80) T = 58 libras-pie

El par también se puede calcular usando la conocida ecuación de caballos de fuerza:

hp = (T × n) ÷ 5250 donde: n es la velocidad del eje en rpm. Sustituya el valor del ejemplo: 20 = (T × 1800) ÷ 5250 T. = 58 lb-ft.

Firma de par motor

Para comprender la diferencia en las características de potencia entre un motor eléctrico y un motor de combustión interna, primero examinaremos las características de un motor eléctrico trifásico estándar. La figura 3 muestra la relación par-velocidad para un motor NEMA Design B de 20 hp, 1800 rpm. Después de recibir energía, el motor produce un par inicial de rotor bloqueado y el rotor gira. El par disminuye ligeramente a medida que el rotor acelera, luego comienza a aumentar a medida que el rotor acelera más allá de las 400 rpm. Esta caída en la curva de torque a menudo se denomina torque de arranque. El par finalmente alcanza un máximo de alrededor de 1500 rpm, que es el par de ruptura del motor. A medida que la velocidad del rotor aumenta más allá de este punto, el par aplicado al rotor cae bruscamente. Esto se llama el par de funcionamiento,

La curva par-velocidad para el motor de 3600 rpm parece casi idéntica a la del motor de 1800 rpm. La diferencia es que el valor de la velocidad se duplicará y el valor del par se reducirá a la mitad.

Una práctica común es asegurarse de que el par requerido por el motor sea siempre menor que el par de falla. La aplicación de un par igual o mayor que el par de falla causará una caída repentina y severa en la velocidad del motor, lo que provocará que el motor se detenga y probablemente se queme. Si el motor ya está funcionando, el motor puede cargarse momentáneamente cerca de su par de falla. Pero para simplificar la discusión, suponga que el motor se selecciona en función del par de carga total.

Tenga en cuenta que la Figura 3 muestra un gran exceso de par temporal que puede proporcionar fuerza adicional para impulsar la bomba hidráulica a través de un aumento de carga transitorio. Estos tipos de motores también pueden funcionar indefinidamente a su potencia nominal más un porcentaje adicional basado en su factor de servicio, normalmente de 1,15 a 1,25 (a 3300 pies sobre el nivel del mar).

Las clasificaciones de catálogo para motores eléctricos enumeran su potencia disponible a la velocidad nominal. Si la carga aumenta, la velocidad del motor disminuye y el par aumenta hasta un valor superior al par de carga total (pero inferior al par de falla). Por lo tanto, cuando la bomba está funcionando a 1.800 rpm, el motor eléctrico tiene suficiente reserva de par para accionar la bomba.

Características de par del motor

En comparación con un motor eléctrico, la curva par-velocidad (Figura 4) de un motor de gasolina es muy diferente. Esto significa que el motor de gasolina exhibe una salida de torque mucho menos variable en todo su rango de velocidad. Dependiendo de su diseño, un motor diésel con la misma potencia nominal puede producir un poco más o menos par motor a menos revoluciones que un motor de gasolina, pero el motor diésel muestra una curva de par similar en todo su rango de velocidad de funcionamiento.

Los cálculos anteriores determinan que se requieren 58 lb-ft de torque para accionar la bomba a cualquier velocidad. Con referencia a la Figura 4, el par máximo producido por el motor de gasolina de 20 caballos de fuerza es de solo 31 libras-pie, obviamente no es suficiente para accionar la bomba. Esto se debe a que su clasificación de 20 hp se basa en un rendimiento de 3600 rpm. El par máximo se produce cerca de las 3000 rpm, pero todavía está muy por debajo de las 58 lb-ft requeridas por la bomba. Incluso si el motor produce suficiente torque a esta velocidad, todavía no hay suficiente potencia debido a la baja velocidad.

Aquí es donde entra en juego la regla del tamaño 2½. Una HPU que requiere un motor eléctrico de 20 hp para accionar la bomba a 1.800 rpm requiere un motor de gasolina o diesel de aproximadamente 50 hp. Además, estos valores se basan en el funcionamiento del motor al par máximo y la potencia nominal. Sin embargo, los fabricantes recomiendan que los motores de gasolina y diésel solo funcionen de forma continua a alrededor del 85 % de sus valores nominales máximos para evitar que su vida útil se acorte considerablemente. Entonces, refiriéndose nuevamente a la Figura 4, el motor de gasolina de 20 caballos de fuerza producirá más de 26 lb-pie de torsión máxima y solo 24 lb-pie a 3600 rpm.

También es interesante comparar este rendimiento con el consumo de combustible. El gráfico de consumo de combustible (Figura 5) muestra que el motor de gasolina de 20 hp alcanza su máxima eficiencia de combustible a aproximadamente 2400 rpm, con un consumo de poco más de 8,2 lb/h (0,41 lb/hp x 20 hp). A 3600 rpm, la eficiencia de combustible del motor se reduce significativamente.

Acción tomada

Ahora debería quedar claro que especificar un motor de gasolina o diésel para accionar una unidad de potencia hidráulica sigue un procedimiento diferente al de especificar un motor eléctrico. Si está acostumbrado a especificar motores eléctricos para unidades de energía hidráulica, es posible que desee elegir una bomba que funcione a 1800 rpm y luego especificar un motor de gran tamaño que pueda producir suficiente par para impulsar la bomba a esa velocidad. Esta técnica produciría un motor confiable, pero sería relativamente pesado, voluminoso, ineficiente y ruidoso.

En lugar de seguir este proceso, se debe considerar cualquiera de varias opciones. Una es hacer funcionar la bomba a velocidades superiores a 1.800 rpm. La literatura sobre bombas para equipos móviles debe enumerar las clasificaciones a varias velocidades. De lo contrario, consulte al fabricante de la bomba. Conducir la bomba a una velocidad más alta reduce su desplazamiento requerido, reduciendo así sus requisitos de tamaño, peso y par. Por lo tanto, hacer funcionar el paquete de energía a una velocidad más alta está más cerca de hacer coincidir el rendimiento del motor con la aplicación al aumentar el par producido por el motor y reducir el par requerido por la bomba.

Más específicamente, hacer funcionar la bomba a 2800 rpm en nuestro ejemplo aumentaría el torque del motor a más de 30 ft-lb y reduciría el torque requerido por la bomba a aproximadamente 38 ft-lb. Si bien el par motor sigue siendo insuficiente, está claramente más cerca de igualar el par de la bomba que cuando funciona a 1.800 rpm.

Es posible que los diseñadores prefieran hacer funcionar un motor de gasolina o diésel a una velocidad cercana a la que exhibe una eficiencia de combustible óptima. Sin embargo, la velocidad de operación a la que el motor produce la mayor cantidad de torque generalmente tiene prioridad. Esto se debe a que se requiere un motor más grande si el motor no puede producir suficiente torque a su velocidad óptima de eficiencia de combustible. Pero los motores más grandes consumen más combustible, lo que anula el propósito de ahorrar combustible al funcionar a cierta velocidad.

Además, las bombas suelen tener el rango de velocidad más eficiente. Por lo tanto, incluso si el motor está funcionando unos pocos cientos de rpm por encima o por debajo de su velocidad óptima de eficiencia de combustible, el par producido y la dinámica de la bomba generalmente tienen un impacto más significativo en la eficiencia general del motor. Por lo tanto, la velocidad de operación de un motor de gasolina o diésel debe tener en cuenta todos estos factores.

En términos de rendimiento de la bomba, muchos diseños exhiben mayores eficiencias mecánicas y volumétricas cuando funcionan a más de 1800 rpm. Por otro lado, hacer funcionar la bomba a una velocidad superior a la que está diseñada acortará su vida útil. Por lo tanto, es importante seleccionar la velocidad de la bomba que proporcione la mejor combinación de rendimiento de la bomba y el motor.

Quizás una mejor opción sería proporcionar una caja de cambios u otro tipo de retardador entre el motor y la bomba. Si bien esto aumenta los componentes de la unidad de potencia, aumenta el par y reduce la velocidad, al tiempo que permite que tanto el motor como la bomba funcionen a la velocidad óptima. El costo adicional del retardador puede compensarse con el menor costo de un motor más pequeño, liviano y económico.

Otras Consideraciones

Debido a que los motores de gasolina y diesel no tienen la reserva de torque de un motor eléctrico, especialmente cuando aceleran desde parado, es especialmente importante descargar la bomba cuando la HPU arranca. Esto se puede hacer hidráulica o mecánicamente con embragues centrífugos u otros tipos de elementos impulsores.

Finalmente, al igual que con una HPU impulsada por un motor eléctrico, el tamaño de la bomba (y, por lo tanto, el tamaño del motor primario) a menudo se puede reducir agregando un acumulador al sistema hidráulico. Si el sistema hidráulico opera en un ciclo que requiere flujo total solo durante períodos cortos, el acumulador puede almacenar energía hidráulica durante períodos de demanda de flujo bajo y liberar esa energía cuando se requiere flujo total.

Este contenido fue escrito por un ex miembro del equipo editorial de Power Motion.

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