Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias

ISSN: 1010-2760

paneque@isch.edu.cu

Universidad Agraria de La Habana Fructuoso

Rodríguez Pérez

Cuba

Arias Polo, Guillermo

Motor hidráulico de alto torque de cilindros y cigüeñal

Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, vol. 17, núm. 4, 2008, pp. 41-45

Universidad Agraria de La Habana Fructuoso Rodríguez Pérez

La Habana, Cuba

Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=93215942008

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Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, Vol. 17, No. 4, 2008

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Motor hidráulico de alto torque de cilindrosy cigüeñal

High torque hydraulic motor with cylindersand crankshaft

Guillermo Arias Polo1

RESUMEN. El presente trabajo contiene una nueva invención ®, de un tipo de motor hidráulico, para las aplicaciones llamadas de alto torquey baja velocidad de rotación, donde como característica, no es necesario interponer algún escalón de reducción de velocidad entre el motor y elequipo a ser movido. Esta sencilla maquinaria en su construcción tiene el atractivo de utilizar componentes de tecnología muy común en lapráctica, de bajo costo, y de poca complejidad. Está compuesto esencialmente por tres cilindros hidráulicos de doble efecto y una válvuladistribuidora de flujo rotatoria, montado todo en un bastidor. Tiene la novedad patentada que los tres cilindros hidráulicos mencionados realizantrabajo útil tanto a la ida como al regreso de su carrera, hecho este que le confiere una densidad de torque/masa superior a las soluciones conocidas.Se presenta un prototipo que trabajó en condiciones reales de producción en el ingenio Habana Libre de Cuba, con resultados muy prometedores.Se presenta además, el diseño de un nuevo modelo más robusto, mejorando las prestaciones del prototipo experimental.

Palabras clave : motor hidráulico, motor de alto torque, motor multicilindros.

ABSTRACT. The present paper contains a new invention ®, of a type of hydraulic motor, for the named high torque and low speed applications,where as characteristic, it is not necessary to interpose some reduction step between the motor and the equipment to be moved. This simplemachinery in its construct ion has the attractiveness in using components of very common technology, with low cost and complexity. It iscompound essentially for three double effect hydraulic cylinders and a flow rotary valve, all supported on a chassis. As novelty, the threementioned hydraulic cylinders carry out useful work in their stroke going and return, fact that confers a torque/mass density superior to theothers well-known solutions. In this paper a prototype that worked under real conditions at «Habana Libre» Sugar Mill in Cuba with verypromising results, is shown. It is also presented, the design of a new more robust model, improving the benefits of the experimental prototype.

Keywords: hydraulic motor, high torque motor, multicilinder motor.

Recibido 19/02/08, 13/11/08, trabajo 53/08, investigación.1

MSc., Inv. Titular, Instituto Cubano de Investigaciones Azucareras (ICINAZ), La Habana. Cuba, E- : guillermo.ariaspolo@icinaz.minaz.cu2

La mención de marcas comerciales de los equipos, instrumentos o materiales específicos obedece únicamente a propósitos de identificación, noexistiendo ningún compromiso promocional con relación a los mismos por la dirección de la revista, la que tampoco se responsabiliza con loscriterios emitidos con relación a productos de determinada firma comercial.

INTRODUCCIÓN

A finales de la década del 70 la firma sueca «Hägglunds2»introdujo en la industria azucarera cubana los motores hi-dráulicos de alto torque y baja velocidad de rotación (en in-glés HTLS - High Torque, Low Speed) (15) donde, comocaracterística, no es necesario interponer algún escalón dereducción de velocidad entre el motor y el órgano de trabajoútil. Se han venido aplicando en la agroindustria azucareraen: cristalizadores de azúcar, transportadores de caña,

OLEOHIDRÁULICAFLUID POWER

I N V E N C I Ó N ®

winches, molinos de paja, tornos de masa y hasta para elmovimiento de molinos de caña.

Las principales ventajas que se reportan de estos moto-res son (1), (11), (12), (13) y (14):a) Acoplamiento directo en el eje motor de los equipos sin

necesidad de escalones de reducción. Esto trae los si-guientes beneficios:– Bajos costos de montaje. No se necesita cimenta-

ción.

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– Disminución de pérdidas de potencia en la transmi-sión.

– Disminución del espacio requerido. Alta densidadde torque/masa

b) Facilidad en la variación de velocidad sin escalona-miento.

c) Torque completo a velocidad cero sin límite de tiempo.d) No hay limitación para frecuentes arranques y paradas.e) Ahorro de energía ya que entrega a la carga solo la

necesaria.f) Baja inercia (un 1% de las transmisiones convenciona-

les). Las sobrecargas y cargas de impacto se controlanpor una sencilla válvula de alivio.

g) Larga vida, alta fiabilidad técnica y un exiguo manteni-miento.

h) Movimiento inverso de forma sencilla

Desempeño de excelencia de los accionamientoshidráulicos de alto torque

En multitud de ocasiones en la práctica la carga detrabajo se presenta con una significativa variabilidad du-rante su ciclo de trabajo. Tal es el caso de: los transporta-dores alimentadores a la molida de caña, molinos de caña,bombas, ventiladores, etc., donde la característica «b)Facilidad en la variación de velocidad sin escalona-miento», toma una importancia destacada para lograr unconsiderable ahorro energético y suavidad del funciona-miento de los mecanismos (13) y (14). Lo anterior se logramediante un lazo cerrado automático que permite ajustar lavelocidad a la carga. La baja inercia también mencionada,le permite al control automático una respuesta más rápidaque otras alternativas que utilizan escalones de reducciónmecánico de la velocidad. Cuando se demanda frecuentesparadas, arrancadas y disminución de la velocidad hastacero inclusive, son los accionamientos hidráulicos las so-luciones de excelencia, sobre todo, cuando de altas cargas

se trata. La experiencia de Hägglunds en Cuba ha demos-trado lo anterior, durante más de 25 zafras azucareras.

Dificultades financieras de la industria azucarera cubanafrenaron la extensión de esta valiosa tecnología.

Con vistas a encontrar una solución económicamenteviable y técnicamente factible, el autor desarrolló un novedo-so motor hidráulico de alto torque y bajas velocidad que acontinuación se presenta.

ANTECEDENTES

El autor realizó una búsqueda bibliográfica encaminada alograr el objetivo anteriormente mencionado, encontrandosencillas soluciones, aunque insatisfactorias, de dos cilin-dros aplicadas a los cristalizadores verticales como en (5) (6)y (8). De estas referencias y del funcionamiento de la máqui-na de vapor, al autor le surgió la idea de mejorar estos esque-mas mediante la conveniencia de utilizar un número impar decilindros como forma de estabilizar más la entrega de poten-cia al equipo a mover.

Adicionalmente, para aumentar la fiabilidad del nuevo di-seño y su compactación, el autor analizó la utilización del tra-bajo de las válvulas distribuidoras de flujo rotatorias utilizadasampliamente por varios fabricantes entre los que se encuentraEbara, Kawasaki, SAI, etc. (7, 10) y adaptó convenientementeesta solución al nuevo equipo. Fue necesario entonces, desa-rrollar un nuevo distribuidor no antes conocido, que permitierael trabajo útil de los cilindros en ambos sentidos.

Descripción de la invención (4)

La Figura 1 es un dispositivo compuesto por un meca-nismo de cilindro-cigüeñal triple con un común punto de ac-ción de las fuerzas 5. El flujo proveniente de una bomba penetraen un distribuidor 1 de flujo rotatorio del motor por la entradaE. Este distribuidor 1 movido junto con todo el mecanismo,es el que garantiza la secuencia y sincronización del trabajode los cilindros 3.

FIGURA 1. Dibujo simplificado de la invención.

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Este flujo entra y sale a los tres cilindros 3 a través de laslíneas conductoras 2. Con la llegada del flujo a los cilindrosse produce el desplazamiento de los vástagos 4.

Los extremos de los vástagos se articulan en 5, produ-ciéndose la rotación de las manivelas o cigüeñal 6 movien-do el eje de salida 7 donde se aplica al órgano de trabajo eltoque útil T a la velocidad angular

θ . El otro punto o eje defijación 8 se encuentra en una posición de la camisa exte-rior de cada cilindro, donde también se articula. De estaforma el movimiento de traslación de los émbolos dentrode los cilindros 3 se convierte en movimiento circular de lamanivela 6. El regreso del fluido hidráulico al depósito deaceite se realiza también a través del distribuidor 1 por lasalida S

En este desarrollo, se logró la novedad tecnológicapatentada (4), en que los cilindros realizan trabajo útil en am-bos sentidos de su carrera como en ningún otro motor hidráu-lico conocido. Esa característica le confiere a la invención

lograda una relación torque/masa superior a los de su tipo, conlas consiguientes ventajas de ahorro de material, espacio ymasa, así como los ahorros en cuanto a los costos que sederivan.

De esta manera, virtualmente se aumenta el número decilindros de trabajo.

Desarrollo experimental en condiciones reales deproducción

Con el diseño del autor (2), en la fábrica TANACENperteneciente a la producción mecánica de la industria azu-carera cubana, se construyó un modelo a escala de pro-ducción. El mismo trabajó en condiciones reales en elingenio Habana Libre de la República de Cuba, utilizandocomo carga de prueba un cristalizador Blanchard de masaC de 1 200 pie3 girando hasta 2 min-1, con resultados muyprometedores (ver Figura 2).

FIGURA 2. Modelo físico trabajando en un ingenio.

El equipo procesó exitosamente varios ciclos o cargas de masa cocida C en diferentes valores de velocidad angular delcristalizador (0,5-0,75-1 y 2 min-1) teniendo que detenerse, luego de más de 300 horas de trabajo, por la conclusión de la zafraazucarera.

Diseño mejorado

Luego de obtener las experiencias del funcionamiento del modelo experimental, el autor realizó un nuevo diseño (3),buscando un equipo más robusto y tratando de lograr el máximo de torque posible en un volumen muy similar que el anterior(con la misma carcasa). Para ello se aumentó: el diámetro de los pistones y el del vástago, el diámetro del eje de confluencia delos tres pistones y el eje de salida de la potencia mecánica, como aspectos fundamentales a mencionar. Se incorporó además unacoplamiento al órgano de trabajo a base de los denominados Shrink Disc Couplings o Ringfeder (14) que no utiliza chavetasni ranuras ya que la transmisión de potencia es sobre la base de aumentar el apriete entre el eje y el cubo, permitiéndose de estamanera, entre otros, los siguientes beneficios: más rápido montaje, eliminación de las ranuras en los ejes y un mayor acerca-miento al equipo tecnológico. En la Tabla 1 se muestran los datos del nuevo diseño.

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Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, Vol. 17, No. 4, 2008TABLA 1. Datos del nuevo diseño Relación torque vs. masa. Comparación con los

líderes del mercado

Tomando datos de los motores Hägglunds (9) y (12) que sonlos líderes del mercado de alto torque, el autor construyó la curvamostrada en la figura 3 utilizando 4 modelos, más los datos delnuevo diseño (ver Tabla 2)

TABLA 2. Comparación con los líderes del mercado

Presión máxima 300,0 [bar] Eficiencia mecánica 97,0 [%] Torque disponible 180 000,0 [N·m] Torque específico 600,0 [N·m/bar] Masa 1 360,0 [kg]

Tipo de motor

Torque [N·m/bar]

Presión máxima [bar]

Torque máximo [N·m]

Masa [kg]

MB 283 283,0 350,0 99 050,0 1 395,0 MB 400 400,0 350,0 140 000,0 1 625,0 MB 566 566,0 350,0 198 100,0 2 108,0 MB 800 800,0 350,0 280 000,0 2 580,0 Nuevo diseño 600,0 300,0 180 000,0 1 360,0 Nuevo diseño + volante 848,0 300,0 254 356,0 pendiente

En la Figura 3, se puede observar que un supuesto motor Hägglunds cuya masa es de 1 975,0 kg oferta un torque similaral nuevo diseño de masa de 1 360,0 kg que es < 70%, de ahí su principal característica ventajosa. En la última fila de la Tabla 2también se muestran los valores de los que se podría disponer en el caso que se le añadiera un volante al motor con vistas auniformar la disponibilidad de torque (no demostrado en este trabajo).

FIGURA 3. Comparación entre el nuevo motor y los líderes en el mercado.

CONCLUSIONES

• Se comprobó el principio de funcionamiento de la nue-va invención en condiciones reales de producción en elingenio Habana Libre durante más de 300 horas de tra-bajo hasta el final de la zafra

• Se midieron y calcularon diferentes parámetros de fun-cionamiento, observándose un trabajo fiable y estable

• Con la experiencia acumulada, se realizó un nuevo dise-ño, cuyos parámetros de funcionamiento se presentanen la Tabla 1. En su construcción tiene una masa <70 %de la de los motores líderes del mercado

• La sencilla construcción mecánica permitió ser fabrica-do en un taller perteneciente a la industria azucareracubana

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