Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias ISSN: 1010-2760 [email protected] 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

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

OLEOHIDRÁULICA FLUID POWER I N V E N C I Ó N ®

Motor hidráulico de alto torque de cilindros y cigüeñal High torque hydraulic motor with cylinders and crankshaft Guillermo Arias Polo1 RESUM EN. El presente trabajo contiene una nueva invención ®, de un tipo de motor hidráulico, para las aplicaciones llamadas de alto torque y baja velocidad de rotación, donde como característica, no es necesario interponer algún escalón de reducción de velocidad entre el motor y el equipo a ser movido. Esta sencilla maquinaria en su construcción tiene el atractivo de utilizar componentes de tecnología muy común en la práctica, de bajo costo, y de poca complejidad. Está compuesto esencialmente por tres cilindros hidráulicos de doble efecto y una válvula distribuidora de flujo rotatoria, montado todo en un bastidor. Tiene la novedad patentada que los tres cilindros hidráulicos mencionados realizan trabajo 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 simple machinery in its construction has the attr activeness in using components of very common technology, with low cost and complexity. It is compound essentially for three double effect hydraulic cylinders and a flow rotary valve, all supported on a chassis. As novelty, the three mentioned hydraulic cylinders carry out useful work in their stroke going and return, fact that confers a torque/mass density superior to the others well- known solutions. In this paper a prototype that worked under real conditions at «Habana Libre» Sugar Mill in Cuba with very promising results, is shown. It is also presented, the design of a new more robust model, improving the benefits of the experimental prototype. Ke ywords : hydraulic motor, high torque motor, multicilinder motor.

INTRODUCCIÓN A finales de la década del 70 la firma sueca «Hägglunds2» introdujo en la industria azucarera cubana los motores hidráulicos de alto torque y baja velocidad de rotación (en inglés HTLS - High Torque, Low Speed) (15) donde, como característica, no es necesario interponer algún escalón de reducción de velocidad entre el motor y el órgano de trabajo útil. Se han venido aplicando en la agroindustria azucarera en: cristalizadores de azúcar, transportadores de caña,

winches, molinos de paja, tornos de masa y hasta para el movimiento de molinos de caña. Las principales ventajas que se reportan de estos motores 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 siguientes beneficios: – Bajos costos de montaje. No se necesita cimentación.

Re cibido 19/02/08, 13/11/08, trabajo 53/08, investigación. 1 MSc., Inv. Titular, Instituto Cubano de Investigaciones Azucareras (ICINAZ), La Habana. Cuba, E-  : [email protected] 2 La mención de marcas comerciales de los equipos, instrumentos o materiales específicos obedece únicamente a propósitos de identificación, no existiendo ningún compromiso promocional con relación a los mismos por la dirección de la revista, la que tampoco se responsabiliza con los criterios emitidos con relación a productos de determinada firma comercial.

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b) c) d) e) f)

g) h)

– Disminución de pérdidas de potencia en la transmisión. – Disminución del espacio requerido. Alta densidad de torque/masa Facilidad en la variación de velocidad sin escalonamiento. Torque completo a velocidad cero sin límite de tiempo. No hay limitación para frecuentes arranques y paradas. Ahorro de energía ya que entrega a la carga solo la necesaria. Baja inercia (un 1% de las transmisiones convencionales). Las sobrecargas y cargas de impacto se controlan por una sencilla válvula de alivio. Larga vida, alta fiabilidad técnica y un exiguo mantenimiento. Movimiento inverso de forma sencilla

Desempeño de excelencia de los accionamientos hidráulicos de alto torque En multitud de ocasiones en la práctica la carga de trabajo se presenta con una significativa variabilidad durante su ciclo de trabajo. Tal es el caso de: los transportadores alimentadores a la molida de caña, molinos de caña, bombas, ventiladores, etc., donde la característica «b) Facilidad en la variación de velocidad sin escalonamiento», toma una importancia destacada para lograr un considerable ahorro energético y suavidad del funcionamiento de los mecanismos (13) y (14). Lo anterior se logra mediante un lazo cerrado automático que permite ajustar la velocidad a la carga. La baja inercia también mencionada, le permite al control automático una respuesta más rápida que otras alternativas que utilizan escalones de reducción mecánico de la velocidad. Cuando se demanda frecuentes paradas, arrancadas y disminución de la velocidad hasta cero inclusive, son los accionamientos hidráulicos las soluciones de excelencia, sobre todo, cuando de altas cargas

se trata. La experiencia de Hägglunds en Cuba ha demostrado lo anterior, durante más de 25 zafras azucareras. Dificultades financieras de la industria azucarera cubana frenaron la extensión de esta valiosa tecnología. Con vistas a encontrar una solución económicamente viable y técnicamente factible, el autor desarrolló un novedoso motor hidráulico de alto torque y bajas velocidad que a continuación se presenta.

ANTECEDENTES El autor realizó una búsqueda bibliográfica encaminada a lograr el objetivo anteriormente mencionado, encontrando sencillas soluciones, aunque insatisfactorias, de dos cilindros aplicadas a los cristalizadores verticales como en (5) (6) y (8). De estas referencias y del funcionamiento de la máquina de vapor, al autor le surgió la idea de mejorar estos esquemas mediante la conveniencia de utilizar un número impar de cilindros como forma de estabilizar más la entrega de potencia al equipo a mover. Adicionalmente, para aumentar la fiabilidad del nuevo diseño y su compactación, el autor analizó la utilización del trabajo de las válvulas distribuidoras de flujo rotatorias utilizadas ampliamente por varios fabricantes entre los que se encuentra Ebara, Kawasaki, SAI, etc. (7, 10) y adaptó convenientemente esta solución al nuevo equipo. Fue necesario entonces, desarrollar un nuevo distribuidor no antes conocido, que permitiera el trabajo útil de los cilindros en ambos sentidos.

Descripción de la invención (4) La Figura 1 es un dispositivo compuesto por un mecanismo de cilindro-cigüeñal triple con un común punto de acción de las fuerzas 5. El flujo proveniente de una bomba penetra en un distribuidor 1 de flujo rotatorio del motor por la entrada E. Este distribuidor 1 movido junto con todo el mecanismo, es el que garantiza la secuencia y sincronización del trabajo de 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 las líneas conductoras 2. Con la llegada del flujo a los cilindros se produce el desplazamiento de los vástagos 4. Los extremos de los vástagos se articulan en 5, produciéndose la rotación de las manivelas o cigüeñal 6 moviendo el eje de salida 7 donde se aplica al órgano de trabajo el toque útil T a la velocidad angular θ . El otro punto o eje de fijación 8 se encuentra en una posición de la camisa exterior de cada cilindro, donde también se articula. De esta forma el movimiento de traslación de los émbolos dentro de los cilindros 3 se convierte en movimiento circular de la manivela 6. El regreso del fluido hidráulico al depósito de aceite se realiza también a través del distribuidor 1 por la salida S En este desarrollo, se logró la novedad tecnológica patentada (4), en que los cilindros realizan trabajo útil en ambos sentidos de su carrera como en ningún otro motor hidráulico conocido. Esa característica le confiere a la invención

lograda una relación torque/masa superior a los de su tipo, con las consiguientes ventajas de ahorro de material, espacio y masa, así como los ahorros en cuanto a los costos que se derivan. De esta manera, virtualmente se aumenta el número de cilindros de trabajo.

Desarrollo experimental en condiciones reales de producción Con el diseño del autor (2), en la fábrica TANACEN perteneciente a la producción mecánica de la industria azucarera cubana, se construyó un modelo a escala de producción. El mismo trabajó en condiciones reales en el ingenio Habana Libre de la República de Cuba, utilizando como carga de prueba un cristalizador Blanchard de masa C de 1 200 pie 3 girando hasta 2 min-1 , con resultados muy prometedores (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 del cristalizador (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 zafra azucarera.

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 de los tres pistones y el eje de salida de la potencia mecánica, como aspectos fundamentales a mencionar. Se incorporó además un acoplamiento al órgano de trabajo a base de los denominados Shrink Disc Couplings o Ringfeder (14) que no utiliza chavetas ni ranuras ya que la transmisión de potencia es sobre la base de aumentar el apriete entre el eje y el cubo, permitiéndose de esta manera, entre otros, los siguientes beneficios: más rápido montaje, eliminación de las ranuras en los ejes y un mayor acercamiento 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, 2008 TABLA 1. Datos del nuevo diseño

Presión máxima Eficiencia mecánica Torque disponible Torque específico Masa

300,0 97,0 180 000,0 600,0 1 360,0

[bar] [%] [N·m] [N·m/bar] [kg]

Relación torque vs. masa. Comparación con los líderes del mercado Tomando datos de los motores Hägglunds (9) y (12) que son los líderes del mercado de alto torque, el autor construyó la curva mostrada en la figura 3 utilizando 4 modelos, más los datos del nuevo diseño (ver Tabla 2)

TABLA 2. Comparación con los líderes del mercado

Tipo de motor MB 283 MB 400 MB 566 MB 800 Nuevo diseño Nuevo diseño + volante

Torque [N·m/bar] 283,0 400,0 566,0 800,0 600,0 848,0

Presión máxima [bar] 350,0 350,0 350,0 350,0 300,0 300,0

Torque máximo [N·m] 99 050,0 140 000,0 198 100,0 280 000,0 180 000,0 254 356,0

Masa [kg] 1 395,0 1 625,0 2 108,0 2 580,0 1 360,0 pendiente

En la Figura 3, se puede observar que un supuesto motor Hägglunds cuya masa es de 1 975,0 kg oferta un torque similar al 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 2 también se muestran los valores de los que se podría disponer en el caso que se le añadiera un volante al motor con vistas a uniformar 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 nueva invención en condiciones reales de producción en el ingenio Habana Libre durante más de 300 horas de trabajo hasta el final de la zafra • Se midieron y calcularon diferentes parámetros de funcionamiento, observándose un trabajo fiable y estable

• Con la experiencia acumulada, se realizó un nuevo diseño, cuyos parámetros de funcionamiento se presentan en la Tabla 1. En su construcción tiene una masa