Bomba de pistones axiales

Una bomba de pistones axiales es una bomba de desplazamiento utilizada en hidráulica, en la que varios pistones están dispuestos en paralelo al eje de accionamiento y, mediante su rotación, realizan una carrera axial para aspirar y impulsar el fluido hidráulico. Se caracteriza por sus altas presiones de servicio de hasta 500 bar, su diseño compacto y su regulación continua del caudal, y es uno de los tipos de bomba más utilizados en sistemas hidráulicos industriales y móviles.

Principio básico y funcionamiento de la bomba de pistones axiales

Las bombas de pistones axiales transforman la energía mecánica de rotación en energía hidráulica de presión. El principio de funcionamiento básico se basa en el desplazamiento de volumen: los pistones se mueven axialmente hacia adelante y hacia atrás en los cilindros, modificando así el volumen en las cámaras de los pistones y generando alternativamente una presión negativa para la aspiración y una presión positiva para el bombeo del fluido hidráulico.

Estructura de una bomba de pistones axiales

El bloque de cilindros, también denominado bloque de pistones rotativos, constituye el núcleo. Suele contener entre siete y once orificios de pistón, que discurren paralelos al eje de rotación. Los propios pistones están conectados mediante bielas o articulaciones esféricas a un disco inclinado o a una brida de control. Un eje de accionamiento hace girar el bloque de cilindros, y el ángulo de inclinación del disco inclinado obliga a los pistones a realizar un movimiento de carrera. En la parte frontal del bloque de cilindros, un disco de control con canales en forma de riñón garantiza que cada pistón pase exactamente por una fase de aspiración y una fase de presión durante una vuelta.

Generación de empuje y caudal

La carrera de cada pistón resulta del ángulo de inclinación del disco inclinado con respecto al eje de rotación. Cuanto mayor es este ángulo, mayor es la carrera del pistón y mayor el volumen desplazado por revolución. El caudal de la bomba depende, por tanto, directamente de dos magnitudes: la velocidad de giro del eje de accionamiento y el ángulo de inclinación del disco inclinado. Con un ángulo de inclinación de cero grados, los pistones no se mueven y la bomba no genera caudal. A medida que aumenta el ángulo, el caudal aumenta de forma continua. Las bombas de pistones axiales modernas alcanzan caudales de hasta unos 800 litros por minuto.

Tipos de bombas de pistones axiales

Las bombas de pistones axiales se pueden clasificar según diversos criterios. La distinción más importante se refiere al tipo de generación de empuje: bomba de disco inclinado (disco oscilante) y bomba de eje inclinado. Además, se distingue entre bombas de volumen de desplazamiento constante y variable.

Bomba de disco inclinado con disco oscilante

En este tipo de construcción, el bloque de cilindros y el eje de accionamiento giran conjuntamente. El disco inclinado está fijo en la carcasa o puede inclinarse alrededor de un punto de pivote. Los pistones se deslizan con sus extremos inferiores sobre el disco inclinado y realizan un movimiento de carrera gracias al ángulo del disco. El ángulo de giro máximo es de unos 18 grados en la mayoría de los modelos. Las bombas de disco inclinado regulables permiten un ajuste continuo del caudal durante el funcionamiento. En este tipo de construcción es posible un accionamiento mecánico directo, lo que permite montar bombas en tándem en un eje de accionamiento común.

Bomba de eje inclinado

En la bomba de eje inclinado, el eje del bloque de cilindros está dispuesto en ángulo con respecto al eje de accionamiento. Una brida de transmisión transmite el movimiento giratorio del eje de accionamiento al bloque de cilindros. Los pistones están conectados al disco deslizante fijo mediante articulaciones esféricas. La carrera del pistón se produce debido a la posición inclinada del eje. El ajuste del caudal se realiza modificando el ángulo de inclinación entre el eje del bloque de cilindros y el eje de accionamiento. Las bombas de eje inclinado se caracterizan por una buena capacidad de autoaspiración y una mayor resistencia a la contaminación del aceite hidráulico.

Bombas de caudal constante y variables

Las bombas de caudal constante tienen un ángulo de inclinación fijo y suministran un caudal constante a una velocidad determinada. Las bombas de caudal variable ajustan el volumen de desplazamiento de forma continua según la demanda. En los sistemas hidráulicos industriales se utilizan principalmente bombas de caudal variable, ya que ahorran energía, mantienen la presión según la demanda y reducen la generación de calor.

Bomba de pistones axiales en circuito abierto y cerrado

La elección del tipo de construcción depende en gran medida del circuito en el que funciona la bomba.

Circuito abierto

En el circuito abierto, la bomba aspira el fluido hidráulico de un depósito y lo impulsa hacia el consumidor. El retorno fluye de vuelta al depósito. Las bombas de eje inclinado son especialmente adecuadas para circuitos abiertos, ya que disponen de una buena capacidad de autoaspiración y absorben bien las cargas variables. Los circuitos abiertos se encuentran en prensas, máquinas de moldeo por inyección y máquinas herramienta.

Circuito cerrado

En el circuito cerrado, el fluido hidráulico circula directamente entre la bomba y el motor hidráulico, sin pasar por un depósito. Una bomba de alimentación compensa las fugas. Las bombas de disco inclinado se utilizan con frecuencia en este caso, por ejemplo, en transmisiones hidrostáticas de maquinaria de construcción, palas cargadoras y vehículos agrícolas. El circuito cerrado permite un sistema compacto y una rápida inversión del sentido de marcha.

Parámetros técnicos de la bomba de pistones axiales

Las bombas de pistones axiales funcionan en un amplio rango de funcionamiento. Los siguientes valores característicos sirven de orientación para el dimensionamiento:

Los valores reales varían en función del fabricante, el tamaño y las condiciones de funcionamiento. A presiones superiores a 400 bar, las bombas de pistones radiales se perfilan cada vez más como una alternativa, ya que este diseño soporta presiones más altas con menor pulsación.

Bomba de pistones axiales frente a bomba de pistones radiales

Ambos tipos pertenecen a la categoría de las bombas de pistones, pero se diferencian en su diseño y en sus principales aplicaciones. Los diseñadores eligen la bomba de pistones axiales cuando priman las dimensiones compactas, las altas velocidades de giro y la regulación continua. Las bombas de pistones radiales se utilizan en caso de presiones extremas, funcionamiento continuo y altos requisitos de suavidad de marcha.

Regulación y control de las bombas de pistones axiales

El ajuste del caudal se realiza mediante diversos conceptos de regulación que han demostrado su eficacia en la práctica.

Regulación de la presión

La regulación de presión mantiene la presión del sistema en un valor nominal preestablecido, independientemente de la demanda de caudal de los consumidores. Tan pronto como la presión alcanza el valor nominal, el disco gira hacia atrás y reduce el caudal al nivel necesario para mantener la presión. El exceso de potencia no se disipa en forma de calor a través de una válvula limitadora de presión, lo que mejora considerablemente el balance energético.

Regulación del caudal

En este caso, la bomba regula el caudal a un valor constante, independientemente de las fluctuaciones de presión en el sistema. El ángulo de apertura del disco inclinado es ajustado por un regulador. Esta regulación es adecuada para aplicaciones con un caudal constante en los consumidores.

Regulación Load-Sensing

La regulación Load-Sensing detecta la demanda de presión máxima de los consumidores conectados y ajusta la bomba exactamente a esa presión más una pequeña diferencia de presión de pilotaje. De este modo, la bomba suministra solo el caudal que los consumidores realmente necesitan y funciona con la presión mínima necesaria del sistema. Esto reduce el consumo de energía y el calentamiento del aceite hidráulico.

Regulación electrónica

Las bombas de pistones axiales modernas utilizan cada vez más controladores electrohidráulicos que accionan válvulas proporcionales o servoválvulas. Un regulador electrónico procesa las señales de los sensores de presión y velocidad y envía señales de control a las válvulas de regulación. Esto permite circuitos de regulación precisos y dinámicos, así como la integración en sistemas de control de máquinas de nivel superior. Las señales de control típicas se sitúan en el rango de 4 a 20 mA.

Normas y requisitos de seguridad

La norma EN ISO 4413: 2010 regula los requisitos de seguridad para las instalaciones hidráulicas y sus componentes, incluidas las bombas de pistones axiales. Define riesgos como la sobrepresión, las fugas y el ruido, y establece principios para su prevención. La norma exige, entre otras cosas, que las cargas axiales y radiales sobre el eje de la bomba se mantengan dentro de los límites especificados por el fabricante, que las vibraciones torsionales se reduzcan mediante acoplamientos amortiguadores y que las temperaturas superficiales estén limitadas de forma segura según la norma ISO 13732-1. Además, la norma ISO 4406 regula la clase de limpieza del aceite hidráulico, que es decisiva para el funcionamiento fiable de las bombas de pistones axiales.

Mantenimiento y conservación

Las bombas de pistones axiales funcionan a altas presiones y velocidades, lo que requiere un mantenimiento periódico. Aproximadamente el 70 % de las averías en los sistemas hidráulicos se deben a la contaminación del aceite hidráulico. Un filtrado eficaz y los cambios de aceite periódicos según las especificaciones del fabricante se encuentran entre las medidas preventivas más importantes.

Signos típicos de desgaste

• Superficies de deslizamiento de los pistones y diámetros interiores de los cilindros: estrías y picaduras por desgaste de partículas o cavitación
• Superficies de deslizamiento del disco inclinado: desgaste por fricción continua en la base del pistón, reconocible por un aumento del caudal de fuga
• Juntas y anillos de estanqueidad del eje: fragilización y formación de grietas por cargas térmicas y mecánicas
• Cojinetes: aumento de la holgura, ruidos de funcionamiento y aumento de la temperatura como indicadores de daños en los cojinetes

Medidas para aumentar la vida útil

En cada cambio de turno deben realizarse inspecciones visuales periódicas para detectar fugas, ruidos inusuales y vibraciones. Los análisis de fluidos proporcionan información sobre el contenido de partículas, el contenido de agua y el envejecimiento químico del aceite. Las juntas deben inspeccionarse cada tres a seis meses y sustituirse si es necesario. El cumplimiento de los intervalos de cambio de aceite y los ciclos de sustitución de filtros especificados por el fabricante garantiza la limpieza del aceite hidráulico y, con ello, el buen funcionamiento de la bomba. HK Hydraulik recomienda utilizar piezas de recambio originales en la reparación y el mantenimiento de bombas hidráulicas para garantizar el ajuste perfecto y la resistencia de las piezas de desgaste.

Ámbitos de aplicación de la bomba de pistones axiales

Las bombas de pistones axiales se utilizan en casi todos los ámbitos de la hidráulica industrial y móvil. En máquinas de trabajo móviles, como excavadoras, cargadoras sobre ruedas, grúas y tractores, constituyen la fuente de energía central para los sistemas de tracción y las funciones de trabajo. En instalaciones industriales fijas, suministran potencia hidráulica a prensas, máquinas de moldeo por inyección y máquinas herramienta. También se utilizan en la hidráulica naval, en aerogeneradores y en bancos de pruebas. La combinación de un alto nivel de presión, un diseño compacto y un ajuste continuo convierte a la bomba de pistones axiales en la primera opción cuando se trata de accionamientos hidráulicos eficientes y de alta densidad de potencia.