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Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias

versão On-line ISSN 2071-0054

Rev Cie Téc Agr v.19 n.1 San José de las Lajas jan.-mar. 2010

 

 

Metodología para el diseño de bomba de pistones axiales para máquinas pulverizadoras

Methodology for the design of axial pistons bomb for sprayer machines

 

Ing. José Antonio Gómez Bauzá1 , E-mail: jgomez@cedema.cu, M.Sc.Yunia Parra Escalona1 yDr. C.Profesor e Investigador Titular. Pedro Paneque Rondón2

 

1, Centro de Desarrollo de la Maquinaria Agrícola (CEDEMA), Peralta # 65 Esq. a Coliseo Rpto. Peralta, Holguín, Cuba, Apartado Postal 3, CP: 80100, Teléfonos: 461251, 424362, 422906, Fax: 422906

2 Universidad Agraria de La Habana (UNAH), Facultad de Ciencias Técnicas, La Habana, Cuba.


RESUMEN

Este trabajo tiene por objetivo desarrollar un estudio hidromecánico integrador, orientado al diseño de bombas de pistones axiales de máquinas pulverizadoras para la agricultura, basado no solo en estudios anteriores sino en la experiencia acumulada durante los años de trabajo en este tema, dado que la información existente está dirigida fundamentalmente a la selección y explotación de este componente, no sucediendo así para el diseño, y esto dificulta en gran medida el desarrollo de estos equipos en países como Cuba que no cuentan con una tradición y experiencia en este campo, lo que demuestra la importancia del tema para el desarrollo de estos equipos en el país. Para ello se propone una metodología de cálculo específicamente orientada al diseño de estos equipos, y además se realiza un estudio estadístico basado en los datos recopilados de más de cien bombas de producción extranjera de diecinueve firmas de reconocido prestigio internacional que permiten analizar aspectos como: velocidad máxima real de desplazamiento del pistón, caudal y presión de trabajo para estas bombas, respondiendo a las nuevas tendencias internacionales. El aporte teórico de la investigación radica en que este estudio constituye una guía metodológica integradora para el diseño de este tipo de bombas y como aporte práctico la fabricación de estas bombas con la consiguiente sustitución de importaciones y la puesta en marcha del parque de máquinas pulverizadoras, fundamentalmente de producción nacional, que en la actualidad requieren de este componente.

Palabras clave: velocidad, desplazamiento, caudal, presión, hidromecánico.


ABSTRACT

It was designed and evaluated a system that avoids in the mechanized elk incorporate to the sugarcane (Saccharum spp) bundle such impurities as stones, earth and stubbles. The principle is that the cutter should place the sugarcane stem on a metallic structure so that, this is not in contact with the floor (about 20 cm. separated) and also make form to the bundle so that "it claws" on the elk machine can take it in a single action. To determine the system effectiveness, during 2007-2008 harvest, in the area of supply of sugarmills Central Motzorongo, two aspects, the cutter yield and carried strange matter percentage were evaluated. The subjected results to the variance analysis allow asserting that the system of containers was superior to the traditional one when reducing or to eliminate the earth and stones and with it to increase the economic benefit and of operation. It is recommended to continue the generalization to all the supply areas with similar conditions to that of the study.

Keywords: Impurities, raw material, harvest.


 

INTRODUCCIÓN

Estudiando el estado actual del arte de las bombas de pistones axiales utilizadas en las máquinas pulverizadoras para la protección fitosanitaria de plantas en la agricultura, se puede concluir, que la bomba es el elemento principal en estas máquinas, de su correcto diseño, selección y funcionamiento depende la aplicación del producto fitosanitario y por ende la calidad del producto final a consumir, como parte de una agricultura más sostenible con alimentos sanos sin afectar el medio ambiente (COMET, 2007; Gama, 2007; Agroinformacion, 2008a; Agroinformacion, 2008b; Syngentaagro, 2008; Members.fortunecity, 2008; Porras, 2008; Fernández, 2005; Gutiérrez, 2004).

El control fitosanitario de los cultivos supone realizar una serie de técnicas de aplicación de productos que impliquen su correcta distribución para lo cual será imprescindible disponer de la maquinaria adecuada, de forma que se consigan altas efectividades y rendimientos, dependiendo fundamentalmente de la forma de presentación del producto fitosanitario (Aca, 2008; Conarefi, 2008; Engormix, 2008; INTA, 2008; Pestalert, 2008; Sanidadvegetal, 2008; Wto, 2008).

La capacidad operativa de la maquinaria utilizada en estas labores se relaciona directamente con el funcionamiento de los distintos componentes del equipo. Las fallas o defectos que se produzcan en algún o algunos de los componentes de la máquina pulverizadora, incidirán en forma negativa en la calidad del trabajo y por ende en el resultado de la aplicación (Cooperativasdegalicia, 2008).

La efectividad de estas máquinas se debe al correcto funcionamiento de cada uno de sus componentes, entre los que se destaca por su función e importancia la bomba, la cual se puede considerar como el corazón de la misma, accionada por la toma de fuerza del tractor. Esta realiza la función de transformar la energía mecánica que se le entrega en energía hidráulica, es decir succiona el caldo, desde el depósito y lo impulsa hacia las boquillas a una presión determinada (Hardi, 2007).

A nivel nacional se han desarrollado un grupo de máquinas pulverizadoras fundamentalmente para la agricultura cañera, con resultados favorables al igual que se ha estado trabajando para lograr una familia de bombas cubanas. En la Figura 1 se muestra la bomba BPA3-120/25 desarrollada en un proyecto del Centro de Desarrollo de la Maquinaria Agrícola (CEDEMA), con el objetivo de introducirla a la producción nacional y sustituir importaciones.

FIGURA 1. Esquema de la bomba BPA3-120/25.

El estudio de la bibliografía consultada sobre el tema de las bombas de pistones axiales y su metodología de cálculo demuestra que éstas, independientemente de estar ampliamente abordadas, están orientadas a la selección y explotación de este componente y no al diseño, lo que demuestra la importancia del tema para desarrollar estos equipos en el país.

Es por ello que este trabajo tiene por objetivo desarrollar el estudio hidromecánico para el diseño de bombas de pistones axiales de máquinas con la integración de tres metodologías independientes: el cálculo del mecanismo, de la bomba y de las válvulas, garantizando las correctas dimensiones de todos los elementos que intervienen en el funcionamiento de estas lo que constituye una guía metodológica integradora para el diseño de este tipo de bombas y su fabricación con la consiguiente sustitución de importaciones y la puesta en marcha de las máquinas pulverizadoras fundamentalmente de producción nacional.

DESARROLLO DEL ESTUDIO HIDROMECÁNICO

Estudio hidromecánico para el diseño de bomba de pistones axiales para máquinas pulverizadoras

Análisis de parámetros indispensables para el desarrollo de la metodología de cálculo orientada al diseño de bombas de pistones axiales de las máquinas pulverizadoras

Para dar respuesta al problema de la investigación, el estudio hidromecánico para el diseño de bombas de pistones axiales de las máquinas pulverizadoras en la agricultura, se propone una metodología de cálculo específicamente orientada al diseño de estos equipos, basados no solo en estudios anteriores sino en la experiencia acumulada durante los años de trabajo en este tema.

De forma diferenciada se realiza un estudio estadístico basado en los datos recopilados de más de cien bombas de producción extranjera de diecinueve firmas de reconocido prestigio internacional que se muestran en la Tabla 1 y que permiten analizar aspectos como:

  • Determinación de la velocidad máxima real de desplazamiento del pistón;

  • Análisis del comportamiento del caudal para estas bombas;

  • Análisis del comportamiento de la presión de trabajo para estas bombas.

Estos parámetros resultan indispensables para comenzar los cálculos, luego se expone de forma detallada la metodología de cálculo la cual no solo integra las tres metodologías indispensables que son el cálculo del mecanismo, de la bomba y de las válvulas, sino que se aplican estudios importantes como el de Chiniaev (1983) y Fernández (2005), que resultan de obligatorio cumplimiento para garantizar el correcto funcionamiento de estos equipos.

Esta investigación constituye en primer lugar una guía metodológica integradora para el diseño de las bombas de pistones axiales de las máquinas pulverizadoras y por otra parte contribuye a la sustitución de importaciones para el país. El estudio fue realizado con más de 40 bombas extranjeras, en la Tabla 1 se muestra un resumen de la cantidad de bombas y firmas por países analizados para realizar el estudio.

Determinación de la velocidad máxima real de desplazamiento del pistón

Partiendo de la recomendación expuesta por Fernández (2005), en su trabajo “Bombas centrífugas y volumétricas” donde plantea como velocidad máxima teórica de desplazamiento del pisón 1,5 m/s, la cual a su vez constituye la velocidad máxima recomendada para el líquido en la línea de succión; y del estudio realizado con más de 40 bombas extranjeras, para determinar la velocidad lineal máxima real utilizada en equipos de firmas de reconocido prestigio en dependencia de la frecuencia de rotación del árbol y el recorrido del pistón. Para el procesamiento de los datos fue utilizado el programa STATGRAPHICS Plus Version 5.0. Se obtuvo como resultado del análisis de regresión el gráfico que se muestra en la Figura 2.

TABLA 1. Resumen de la cantidad de bombas y firmas por países analizados para realizar el estudio

 

FIGURA 2. Gráfico de velocidad lineal del pistón ajustado.

Independientemente del resultado obtenido, el gráfico muestra que en ningún caso la velocidad es superior a los 1,1 m/s, por lo que se recomienda este valor para comenzar a desarrollar los cálculos.

Análisis del comportamiento del caudal para estas bombas

El caudal de la bomba por tarea técnica se exige hasta 120 dm3·min-1, no obstante realizando un análisis con los datos de las bombas estudiadas y con el objetivo de conocer el rango en que se encuentra este parámetro en los equipos de este tipo producidos internacionalmente y utilizando el método anterior se obtuvo el gráfico que se muestra en la Figura 3.

FIGURA 3. Gráfico de distribución normal del caudal.

Independientemente del caudal exigido por tarea técnica se puede concluir que efectivamente 120 dm3·min-1, constituye un valor intermedio entre las bombas de mediano y gran caudal específicamente para estos equipos, por tanto se recomienda trabajar en un equipo que permita con un mínimo de modificaciones garantizar un caudal entre (80÷120) dm3·min-1, y por tanto se toma este valor para comenzar a desarrollar los cálculos.

Análisis del comportamiento de la presión de trabajo para estas bombas

La presión de trabajo exigida por tarea técnica es de hasta 20 bar, no obstante realizando un análisis con los datos de las bombas estudiadas con el objetivo de conocer los rangos de presión utilizados en diferentes máquinas y utilizando el método anterior se obtuvo el gráfico que se muestra en la Figura 4.

Independientemente del rango de presión exigido por tarea técnica se puede concluir que efectivamente 25 bar, constituye un valor correspondiente a las bombas de mediana presión, por tanto y basado no solo en la tendencia mundial de aumento de este parámetro, sino en las variaciones de presión principalmente durante la puesta en marcha y la manipulación del equipo se recomienda tomar como valor para comenzar a desarrollar los cálculos 40 bar.

FIGURA 4. Gráfico de distribución normal de presión.

 METODOLOGÍA

Desarrollo de la metodología de cálculo

Para comenzar a desarrollar la metodología se cuenta con los siguientes datos que están relacionados tanto con las condiciones de trabajo del equipo como las condiciones del lugar de instalación:

  • Frecuencia de rotación del árbol de la bomba……. n (min-1);

  • Velocidad lineal máxima del pistón………………........vmax (m/s);

  • Presión máxima ………………………………...................pmax (bar);

  • Relación recorrido diámetro………………………......... ψinicial ;

  • Cantidad de pistones inicial ………………………........ Cpist;

  • Coeficiente de efectividad volumétrica ………….....ηo;

  • Longitud de la tubería de succión ………………........Lsucc (m);

  • Altura de succión ……………………………….............. Zsucc;

  • Aceleración de la gravedad …………………............ g (m/s2);

  • Presión atmosférica ……………………………............. po (m col. agua);

  • Presión mínima de desprendimiento de gases…… .pgases (m col. agua);

  • Masa inicial del disco de la válvula …………… .......Mvalv (kg);

  • Velocidad del líquido en la válvula ……………........ vvalv (m/s);

  • Caudal de la bomba ……………………………............. Qbomba (dm3·min-1).

Expresiones básicas para la realización del cálculo

A continuación se realiza el estudio dinámico del mecanismo en dependencia del ángulo de rotación del cigüeñal y teniendo en cuenta la longitud final de la manivela, desde el punto muerto inferior (PMI) hasta el punto muerto superior (PMS); o sea, para un ángulo de rotación del cigüeñal
(f)=(0÷1800), por medio de las expresiones que se muestran a continuación:

Los valores que se obtienen pueden ser tabulados o graficados para analizarlos, determinando los valores críticos, los cuales serán utilizados para los cálculos de resistencia de las diferentes piezas que componen el mecanismo.

En la Figura 5 se representa el algoritmo de cálculo para el diseño de bomba de pistones axiales para máquinas pulverizadoras.

Nota: Otros*-comprende los cálculos por la metodología propuesta por Fernández (2005).

FIGURA 5. Algoritmo de cálculo para el diseño de bomba de pistones axiales para máquinas pulverizadoras.

  CONCLUSIONES

  • El análisis estadístico de la velocidad máxima real del pistón demuestra que su valor no sobrepasa 1,1 m/s.

  • El análisis estadístico de distribución normal de caudal y presión demuestra que: Distribución normal de caudal ajustada:
    media=127,577 dm3·min-1. Distribución normal de presión ajustada: media=32,4038 bar, por tanto se propone utilizar hasta 120 dm3·min-1 y
    30 bar, para la realización de los cálculos.

  • La secuencia lógica de los cálculos para obtener las dimensiones básicas para el diseño de la bomba objeto de estudio constituye una novedad.

  • Las expresiones básicas para realizar la metodología de cálculos integran no solo la parte estadística, sino importantes estudios desarrollados sobre partes específicas, como son las válvulas y el mecanismo.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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Recibido 10/09/08, aprobado 22/11/09, trabajo 05/10, metodología.

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