Diseño de un equipo electrohidráulico para la elevación de cargas

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Proyecto de un equipo para el suministro de energía hidráulica y eléctrica continúa para una grúa fija

Introducción

El diseño de este equipo electrohidráulico parte de la necesidad de suministrar energía hidráulica y eléctrica continua a una grúa en instalación fija, según norma UNE-EN 12999-03 “Grúas cargadoras”.

Las necesidades del diseño del equipo electrohidráulico provienen de las características técnicas de la grúa cargadora, y son:

Capacidad de elevación 606 kNm

Caudal recomendado 75-98 l/min

Presión de trabajo 31 MPa

La composición principal de los diferentes bloques que componen el conjunto del equipo electrohidráulico, figura 1, son:


  1. Cuadro eléctrico de fuerza, maniobra y protección.
  2. Motor eléctrico + acoplamiento + bomba.
  3. Depósito hidráulico.
  4. Enfriador aire-aceite.
  5. Filtros hidráulicos, silent-blocks, etc.

Para un mejor desarrollo del equipo electrohidráulico se separan en las siguientes áreas:

Parte mecánica


Campana transmisora

Este componente está formado por un acoplamiento elástico y por una carcasa que lo recubre y protege frente a agentes externos. El acoplamiento elástico es el encargado de hacer solidario el giro del eje del motor eléctrico con el eje de la bomba hidráulica, y posee una robustez suficiente para soportar los esfuerzos de torsión a los que se ve sometido. El hecho de que sea elástico este acoplamiento permite que haya alguna ligera desalineación de ambos ejes y hace más suave la transmisión.

Parte eléctrica


Tensiones de utilización

Suministro trifásico 400 V AC para el funcionamiento del motor.

Suministro en monofásica 24 V AC para el funcionamiento del circuito de maniobra y equipos de señalización y control.

Suministro en continua 24 V DC obtenidos a través de fuente de alimentación estabilizada para suministro al sistema eléctrico de la grúa cargadora, enfriador aire-aceite.

Motor eléctrico

La función del motor eléctrico es la de transmitir la suficiente potencia a la bomba hidráulica, de modo que el aceite impulsado por la bomba hacia la grúa cumpla con los requisitos de caudal y pre-sión especificados en las características técnicas de la grúa, obteniendo un motor eléctrico con las siguientes características:











Potencia 44.1 kW (60 CV)
Par 291 Nm
Voltaje 400 V AC

Esquemas eléctricos

En cumplimiento de los requisitos de la grúa y el Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión, en la figura 2 se aprecia el esquema de maniobra de la instalación.

El esquema de fuerza suministra tensión trifásica al motor a través de un arrancador estrella-triángulo temporizado y protección mediante disyuntor magnetotérmico, como se aprecia en la figura 3.

Parte hidráulica


Aceite

En todos los sistemas hidráulicos al aceite se le exige que cumpla diferentes condiciones dependiendo del tipo de sistema y de su uso. En este caso, nos encontramos ante un sistema hidráulico que alimenta las funciones de una grúa. Por tanto, las características más importantes que se le exigirá al aceite hidráulico son las siguientes:


  1. Tener buenas cualidades lubricantes e impedir el desgaste.
  2. Tener una temperatura adecuada a la temperatura de trabajo.
  3. Tolerar altas temperaturas.
  4. Funcionar a bajas temperaturas.
  5. Proteger contra la corrosión.
  6. Resistir la oxidación y la tendencia a averías.
  7. Impedir espumas y quitar rápidamente el aire.
  8. No estropear las juntas y mangueras.
  9. Tener un punto alto de inflamación.

Filtros

Estos componentes son de gran importancia, ya que de ellos depende la vida de todas las piezas y dispositivos hidráulicos de los que se compone el circuito hidráulico. A lo largo de todo este circuito encontramos un filtro protegiendo cada una de las líneas hidráulicas:


  1. Línea de aspiración.
  2. Línea de presión.
  3. Línea de retorno o tanque.

Depósito de aceite

El depósito está diseñado para albergar todo el aceite necesario por la grúa, así como para hacer de base de instalación todos los componentes, de modo que el equipo de trabajo sea lo más compacto posible. En él se encuentran orificios de limpieza para facilitar la eliminación de impurezas tras cada cambio de aceite.

Enfriador de aceite

El sistema de refrigeración de aceite consiste en un enfriador de tipo aceite-aire instalado en la línea de retorno y que evitará que el aceite alcance una temperatura superior a 60 ºC, temperatura a partir de la cual la vida del aceite disminuye muy rápidamente, como también su capacidad de lubricación.

Tras haber hecho una relación de todos los componentes que forman el circuito hidráulico, se muestra un resumen (tabla 1) de las características de funcionamiento de cada uno de ellos.

En base a todos los datos hidráulicos obtenidos, se crea el esquema hidráulico de la figura 4.

Legisación ambiental. Ruido y vibraciones

Según la instrucción ITE 02.2.3.2 sobre vibraciones, para mantener los niveles de vibración por debajo de un nivel aceptable, los equipos y las conducciones deben aislarse de los elementos estructurales del edificio según se indica en la norma UNE 100-153-88.

Para reducir y atenuar lo máximo posible estos dos factores se hace uso de silent-blocks elásticos. Los dos focos más importantes de ruido y vibraciones los encontramos en el grupo “motor eléctrico-campana transmisora-bomba hidráulica” y en el enfriador. Por tanto, éstos se encuentran aislados de las superficies sobre las que se encuentran instalados mediante los mencionados silent-blocks.

Justificación de los componentes


Bomba hidráulica y motor eléctrico

Para la elección correcta de estos dos componentes se parte de los valores de caudal y presión demandados por la grúa. Se elige por catálogo una bomba que cumpla con ambos requisitos partiendo de que las revoluciones del motor que la impulsará son de 1500 rpm.

Para determinar el caudal de la bomba se usa la fórmula siguiente:

D= Q1 · 1000 / N (cm3/rev)

D = caudal de bomba (cm3/rev)
Q1 = caudal necesario (l/min)
N = revoluciones del motor (rev/min)

Para no sobrecargar el motor eléctrico es necesario calcular el par de giro y la potencia necesaria por la bomba, y se calcula de la siguiente forma:

M = Q2*p/6,3 P= Q2*p/6,0

M = par (Nm)
p = presión de trabajo (MPa)
Q2 = caudal necesario (l/min)
P = potencia (kW)

Tras la obtención de estos datos se hace la elección de un motor eléctrico que cumpla con ambos valores.

Acoplamiento

En la selección del tipo de acoplamiento se tendrá en cuenta un par de factores. Uno de ellos será el par de torsión que ejercerá el motor eléctrico sobre él, por lo que el acoplamiento deberá tener la suficiente robustez como para soportar este momento torsor. Por otra parte, habrá que prestar atención a las medidas de los ejes del motor eléctrico y de la bomba hidráulica para que en cada uno de los extremos del acoplamiento puedan fijarse ambos ejes.

Cuadro eléctrico de protección y maniobra

Se atenderá a los consumos de cada uno de los dispositivos instalados en el equipo, así como el de la grúa, con el fin de instalar correctamente todos los dispositivos de protección contra sobreintensidades y contactos indirectos. La instalación tendrá protecciones en todas las líneas de alimentación: corriente trifásica, corriente alterna y corriente continua.

En cuanto al circuito de maniobra que gobierna el funcionamiento del equipo de trabajo, decir que existe un pulsador de marcha que inicia el funcionamiento del motor, así como un pulsador de parada de motor, sensor de nivel de aceite del depósito, sensor de temperatura del motor que provocan la parada de motor automáticamente por seguridad y una parada de emergencia. El circuito en cuestión se muestra en la figura 5.

Silent-blocks

Para los silent-blocks elásticos donde asienta el motor eléctrico, se calculará la suma de pesos del conjunto: motor eléctrico, campana transmisora y bomba hidráulica. Este peso total se repartirá entre todos los silent-blocks, y en función de esta carga nominal soportada por cada uno de ellos se elegirá el tipo de silent-block adecuado. Por otra parte, hay que asegurarse que la frecuencia de vibración del conjunto motor + campana + bomba, que coincidirá con el régimen de revoluciones del motor eléctrico, no esté dentro del campo de frecuencias de los silent-blocks, de modo que no entren en resonancia.

Para los silent-blocks instalados en la base del depósito hidráulico se procede al mismo cálculo, sabiendo que esta vez habrá que tener en cuenta el peso de todo el equipo de trabajo.

Conclusiones

Este diseño de un equipo electrohidráulico persigue conjugar las necesidades de un equipo de trabajo (en este caso una grúa cargadora) con toda la reglamentación y normas vigentes. En todos los cálculos se ha buscado cumplir con requisitos técnicos; y para la elección de los elementos que la componen, un compromiso entre precio y calidades. Se ha buscado una compactación del equipo que parte desde el depósito como base para su estructuración.

Bibliografía

Norma UNE-EN 12999, mayo 2003. “Grúas cargadoras”

Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión.

Real Decreto 842/2002 de 2 de agosto de 2002.

Guía técnica de Aplicación del REBT.

Ministerio de Ciencia y Tecnología. Septiembre de 2003.

Prontuario de máquinas. Nicolás Larburu Arrizabalaga. Editorial Paraninfo.

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