Bomba de pistão axial - Axial piston pump
Uma bomba de pistão axial é uma bomba de deslocamento positivo que possui vários pistões em uma matriz circular dentro de um bloco de cilindros . Pode ser usado como uma bomba autônoma, um motor hidráulico ou um compressor de ar condicionado automotivo .
Descrição
Uma bomba de pistão axial tem um número de pistões (geralmente um número ímpar) dispostos em uma matriz circular dentro de um alojamento que é comumente referido como um bloco de cilindros , rotor ou cilindro . Este bloco de cilindro é acionado para girar em torno de seu eixo de simetria por um eixo integral que é, mais ou menos, alinhado com os pistões de bombeamento (geralmente paralelo, mas não necessariamente).
- Superfícies de acasalamento . Uma extremidade do bloco de cilindros é convexa e se desgasta contra uma superfície de contato em uma placa de válvula estacionária . O fluido de entrada e saída da bomba passa por diferentes partes da interface deslizante entre o bloco de cilindros e a placa da válvula. A placa da válvula tem duas portas semicirculares que permitem a entrada do fluido operacional e a exaustão do fluido de saída, respectivamente.
- Pistões salientes . Os pistões de bombeamento projetam-se da extremidade oposta do bloco de cilindros. Existem inúmeras configurações usadas para as extremidades expostas dos pistões, mas em todos os casos elas se apoiam em um came. Em unidades de deslocamento variável, o came é móvel e comumente referido como placa oscilante , garfo ou gancho . Para fins conceituais, o came pode ser representado por um plano, cuja orientação, em combinação com a rotação do eixo, fornece a ação do came que leva à reciprocidade do pistão e, portanto, ao bombeamento. O ângulo entre um vetor normal ao plano do came e o eixo de rotação do bloco de cilindros, denominado ângulo do came , é uma variável que determina o deslocamento da bomba ou a quantidade de fluido bombeado por rotação do eixo. As unidades de deslocamento variável têm a capacidade de variar o ângulo do came durante a operação, enquanto as unidades de deslocamento fixo não.
- Pistões alternativos . Conforme o bloco de cilindros gira, as extremidades expostas dos pistões são forçadas a seguir a superfície do plano do came. Uma vez que o plano do came está em um ângulo com o eixo de rotação, os pistões devem reciprocar axialmente enquanto precessam em torno do eixo do bloco de cilindros. O movimento axial dos pistões é sinusoidal . Durante a parte crescente do ciclo de reciprocidade do pistão, o pistão se move em direção à placa da válvula. Além disso, durante esse tempo, o fluido preso entre a extremidade enterrada do pistão e a placa da válvula é ventilado para a porta de descarga da bomba através de uma das portas semicirculares da placa da válvula - a porta de descarga . Conforme o pistão se move em direção à placa da válvula, o fluido é empurrado ou deslocado através da porta de descarga da placa da válvula.
- Efeito da precessão . Quando o pistão está no topo do ciclo de reciprocidade (comumente referido como ponto morto superior ou apenas TDC), a conexão entre a câmara de fluido aprisionada e a porta de descarga da bomba é fechada. Pouco depois, essa mesma câmara fica aberta para a porta de entrada da bomba. À medida que o pistão continua a precessão em torno do eixo do bloco de cilindros, ele se afasta da placa da válvula, aumentando assim o volume da câmara presa. Quando isso ocorre, o fluido entra na câmara pela entrada da bomba para preencher o vazio. Esse processo continua até que o pistão alcance a parte inferior do cilindro alternativo - comumente referido como ponto morto inferior ou BDC. No BDC, a conexão entre a câmara de bombeamento e a porta de entrada é fechada. Pouco depois, a câmara se abre para a porta de descarga novamente e o ciclo de bombeamento é reiniciado.
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Deslocamento variável . Em uma bomba de deslocamento variável , se o vetor normal ao plano do came (placa oscilante) for colocado paralelo ao eixo de rotação, não há movimento dos pistões em seus cilindros. Portanto, não há saída. O movimento da placa oscilante controla a saída da bomba de zero ao máximo. Existem dois tipos de bombas de pistão axial de deslocamento variável:
- bomba de controle de deslocamento direto, um tipo de bomba de pistão axial com controle de deslocamento direto. Um controle de deslocamento direto usa uma alavanca mecânica fixada na placa oscilante da bomba de pistão axial. As pressões mais altas do sistema exigem mais força para mover essa alavanca, tornando o controle de deslocamento direto adequado apenas para bombas de serviço leve ou médio. Bombas pesadas requerem controle servo. Uma bomba de controle de deslocamento direto contém ligações e molas e, em alguns casos, ímãs em vez de um eixo para um motor localizado fora da bomba (reduzindo assim o número de peças móveis ), mantendo as peças protegidas e lubrificadas e reduzindo a resistência contra o fluxo de líquido .
- bomba de controle servo.
- Pressão . Em uma bomba de pressão compensada típica, o ângulo da placa oscilante é ajustado por meio da ação de uma válvula que usa feedback de pressão de modo que o fluxo de saída da bomba instantâneo seja exatamente o suficiente para manter uma pressão designada. Se o fluxo de carga aumentar, a pressão diminuirá momentaneamente, mas a válvula de compensação de pressão sentirá a diminuição e aumentará o ângulo da placa oscilante para aumentar o fluxo de saída da bomba de modo que a pressão desejada seja restaurada. Na realidade, a maioria dos sistemas usa a pressão como controle para esse tipo de bomba. A pressão de operação atinge, digamos, 200 bar (20 MPa ou 2900 psi) e a placa oscilante é conduzida para o ângulo zero (curso do pistão quase zero) e com os vazamentos inerentes ao sistema permite que a bomba se estabilize no volume de entrega que mantém a pressão definida. Conforme a demanda aumenta, a placa oscilante é movida para um ângulo maior, o curso do pistão aumenta e o volume de fluido aumenta; se a demanda diminuir, a pressão aumentará e o volume bombeado diminuirá conforme a pressão aumentar. Na pressão máxima do sistema, a saída é novamente quase zero. Se a demanda de fluido aumentar além da capacidade de entrega da bomba, a pressão do sistema cairá para quase zero. O ângulo da placa oscilante permanecerá no máximo permitido e os pistões funcionarão em curso completo. Isso continua até que a demanda de fluxo do sistema diminua e a capacidade da bomba seja maior do que a demanda. Conforme a pressão aumenta, o ângulo da placa oscilante se modula para tentar não exceder a pressão máxima enquanto atende a demanda de fluxo.
Dificuldades de design
Os projetistas têm vários problemas a superar ao projetar bombas de pistão axial. Uma é conseguir fabricar uma bomba com as tolerâncias finas necessárias para uma operação eficiente. As faces de acoplamento entre o conjunto pistão-cilindro rotativo e o corpo da bomba estacionária têm que ser uma vedação quase perfeita enquanto a parte rotativa gira a talvez 3000 rpm . Os pistões têm geralmente menos de meia polegada (13 mm) de diâmetro com comprimentos de curso semelhantes. Manter a vedação da parede ao pistão estanque significa que há folgas muito pequenas envolvidas e que os materiais devem ser estreitamente combinados para um coeficiente de expansão semelhante .
Os pistões devem ser puxados para fora em seu cilindro por algum meio. Em bombas pequenas, isso pode ser feito por meio de uma mola dentro do cilindro que força o pistão para cima. A pressão do fluido de entrada também pode ser disposta de modo que o fluido empurre os pistões para cima no cilindro. Freqüentemente, uma bomba de palhetas está localizada no mesmo eixo de transmissão para fornecer essa pressão e também permite que o conjunto da bomba extraia fluido contra alguma cabeça de sucção do reservatório , o que não é um atributo da bomba de pistão axial sem auxílio.
Outro método de puxar os pistões para cima do cilindro é prender as cabeças dos cilindros à superfície da placa oscilante. Dessa forma, o curso do pistão é totalmente mecânico. No entanto, o problema do projetista de lubrificar a face da placa oscilante (um contato deslizante) torna-se ainda mais difícil.
A lubrificação interna da bomba é obtida pelo uso do fluido operacional - normalmente chamado de fluido hidráulico . A maioria dos sistemas hidráulicos tem uma temperatura máxima de operação , limitada pelo fluido, de cerca de 120 ° C (250 ° F), de modo que usar esse fluido como lubrificante traz seus próprios problemas. Nesse tipo de bomba, o vazamento da face entre a carcaça do cilindro e o bloco do corpo é usado para resfriar e lubrificar o exterior das peças giratórias. O vazamento é então levado para o reservatório ou para o lado de entrada da bomba novamente. O fluido hidráulico utilizado é sempre resfriado e passa por filtros de tamanho micrométrico antes de ser recirculado pela bomba.
Usos
Apesar dos problemas indicados acima, este tipo de bomba pode conter a maioria dos controles de circuito necessários integralmente (o controle do ângulo da placa oscilante) para regular a vazão e a pressão, ser muito confiável e permitir que o resto do sistema hidráulico seja muito simples e barato.
As bombas de pistão axial são usadas para alimentar os sistemas hidráulicos de aeronaves a jato, sendo acionadas por engrenagem do eixo principal do motor de turbina. O sistema usado no F-14 usava uma bomba de 9 pistão que produzia uma pressão operacional de sistema padrão de 3000 psi e um fluxo máximo de 84 galões por minuto.
Os compressores de ar condicionado automotivos para refrigeração da cabine são hoje em dia baseados principalmente em torno do design da bomba de pistão axial (outros são baseados no compressor scroll ou bomba de palheta rotativa ) para conter seu peso e necessidade de espaço no compartimento do motor do veículo e reduzir as vibrações. Eles estão disponíveis em deslocamento fixo e variantes de deslocamento variável ajustadas dinamicamente e, dependendo do projeto do compressor, a placa oscilante giratória real ou aciona diretamente um conjunto de pistões acoplados às suas bordas através de um conjunto de sapatas de metal hemisféricas ou uma placa nutating em que um conjunto de pistões são montados por meio de hastes.
Eles também são usados em algumas lavadoras de pressão . Por exemplo, a Kärcher possui vários modelos movidos por bombas de pistão axial com três pistões.
Motores alternativos axiais também são usados para alimentar muitas máquinas . Eles operam no mesmo princípio conforme descrito acima, exceto que o fluido circulante é fornecido sob pressão considerável e o compartimento do pistão é feito para girar e fornecer força ao eixo para outra máquina. Um uso comum de um motor alternativo axial é para alimentar pequenas instalações de movimentação de terras, como máquinas carregadeiras de skid . Outro uso é apertar parafusos de torpedos .