Uno para todos: banco de pruebas hidráulico universal con control secundario

© HANSA-FLEX AG Fotografía: Julia Ahlers

Hasta ahora, los bancos de pruebas hidráulicos se diseñaban para labores o productos especiales. A pesar de que en la actualidad se prueban los componentes por separado, la interacción entre las bombas y los sistemas de control individuales solo se puede someter a pruebas una vez que todos los elementos se montan en la máquina del usuario.

Un nuevo banco de pruebas universal para transmisiones hidráulicas cambia este panorama, porque también hace pruebas de la compleja interacción entre los distintos componentes. La cadena de medición completa de HBM, en la que destaca el amplificador QuantumX garantiza unos resultados seguros y fiables.

El proveedor de sistemas hidráulicos HANSA-FLEX encargó la fabricación a medida de un banco de pruebas hidráulicas universal muy especial, concebido por la International Hydraulic Academy (IHA), diseñado y construido por adt-Rinck, y equipado con unidades con control secundario de Bosch Rexroth y con la moderna tecnología de medición de HBM.

Este banco de pruebas puede examinar sistemas hidráulicos completos con distintas configuraciones, en lugar de sus componentes por separado. En estrecha colaboración con la IHA, adt-Rinck actuó como contratista general del proyecto y suministró el banco de pruebas completo llave en mano. En la actualidad este proyecto conjunto ya se utiliza con éxito en el departamento de I+D del IHA en Weixdorf, Dresde.

adt-Rinck GmbH es una innovadora empresa del sector de la ingeniería de especialidades, experta en combinar automatización y tecnología de la información (TI). Esta empresa, fundada en 1999, desarrolla y produce sistemas de automatización industriales con uso intensivo de datos.

Sus productos, consistentes en bancos de pruebas, controladores de software y sistemas de comparación o diagnóstico, sirven de puente entre la automatización clásica y la TI moderna, ya que adquieren, almacenan y procesan datos de procesos y producción (por ejemplo, para la fabricación en masa de componentes hidráulicos o para el sector del automóvil).

Sus soluciones de hardware y software específicas para la evaluación y administración de datos técnicos y logísticos complementan o sustituyen ventajosamente a los sistemas disponibles en el mercado.

La hidráulica es la solución

Los sistemas hidráulicos se emplean a menudo como tecnología de transmisión para grandes masas con elevadas cargas dinámicas. Esta popularidad se debe a que, a igualdad de espacio, proporcionan entre cuatro y cinco veces más potencia que los accionamientos eléctricos.

Se utilizan en equipos conformadores como prensas, maquinaria de construcción, equipos agrícolas, vehículos especializados, plataformas elevadoras y tensores de máquinas CNC.

Los accionamientos hidráulicos no tienen problema para trabajar a baja velocidad y con pares elevados. Si el accionamiento se sobrecarga, lo único que le ocurre es que se detiene. En las mismas circunstancias, un accionamiento eléctrico requiere refrigeración o se deteriora como consecuencia del sobrecalentamiento.

No obstante, los costes energéticos de los sistemas hidráulicos pueden ser considerablemente mayores. Por ello, interesa optimizar la configuración del sistema para mejorar el balance energético. Para optimizar el diseño es preciso identificar las pérdidas.

Los distintos componentes deben encajar a la perfección y estar adecuadamente dimensionados. Esto solo es posible si se conocen en detalle los procesos que tienen lugar dentro del sistema.

Pruebas del sistema: tanto o más importantes que las pruebas de los componentes

Hasta ahora, los bancos de pruebas hidráulicos se diseñaban para labores o productos especiales. A pesar de que en la actualidad se prueban los componentes por separado, la interacción entre las bombas y los sistemas de control individuales solo se puede someter a pruebas una vez que todos los elementos se montan en la máquina del usuario.

Resulta difícil conocer con precisión las relaciones existentes en un sistema completo y realizar el análisis de las causas raíz, para determinar con claridad el origen de las dificultades. Todavía hoy sigue siendo frecuente resolver problemas mediante pruebas y sustitución de componentes.

Este panorama puede cambiar gracias a un nuevo concepto de banco de pruebas universal. Eso sí: para detectar de manera efectiva, por ejemplo, procesos altamente dinámicos en el rango de milisegundos, es imprescindible utilizar la tecnología de medición adecuada.

El objetivo del nuevo banco de pruebas universal consiste en obtener un conocimiento valioso de los procesos hidráulicos de todo el tren de un accionamiento o transmisión, desde la bomba hasta la carga.

Con ello se espera optimizar los procesos de producción durante el desarrollo de nuevos productos, con ayuda de evaluaciones de los sistemas independientes del fabricante. Es más, un banco de estas características también ayuda a resolver problemas específicos y analizar fallos en otros sistemas ya existentes.

Un banco de pruebas de sistemas con un buen balance energético

El banco de pruebas consta de un sistema de trasmisión electrohidráulico y de una estructura de pruebas. En lo que respecta a la transmisión, el banco cuenta con tres sistemas de transmisión con control secundario de Bosch Rexroth y electrónica de control basada en velocidad/par (HNC100-SEK con conexión de bus CAN).

Estas bombas de pistón axial de alta capacidad dinámica funcionan en un circuito de presión hidráulica cerrado y común, con un depósito de aceite hidráulico independiente. Un segundo depósito de aceite hidráulico alimenta una bomba auxiliar marca ATOS y todas las muestras en los cuatro puestos de ensayo. El complejo sistema hidráulico con armarios de mando, controlador lógico programable, convertidor de frecuencia, sistema de refrigeración del aceite por aire y distintos componentes tecnológicos de medición se controla íntegramente mediante un software de bancos de pruebas de adt-Rinck, adaptado específicamente al cliente.

El operario puede ejecutar el software del banco de pruebas cerca de la muestra de ensayo, protegido por una pantalla móvil o desde una sala de control remota.

Con este banco de pruebas universal, el departamento de I+D de la IHA puede ofrecer a los fabricantes y usuarios de sistemas hidráulicos una innovación para sus propios ensayos de bombas con altas características dinámicas en circuitos abiertos o cerrados, así como para componentes, colectores y controles hidráulicos (características del banco de pruebas: potencia hasta 160 kW, velocidades de eje máx. 2200 o 3200 rpm, par hasta 750 Nm).

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Principio de un banco de pruebas con sistema de control secundario

El sistema de control secundario se encarga de reutilizar la energía de carga. En lugar de convertir toda la energía de transmisión asociada a la carga en calor mediante una válvula de presión, puede devolver al sistema hasta el 60% de la energía de carga. Únicamente se disipan en forma de calor las pérdidas de presión y eficiencia. El resultado es un banco de pruebas de sistemas de aplicación universal que, además, ofrece un buen balance energético.

Numerosas opciones de aplicación

En el banco se pueden probar componentes hidráulicos, bombas en circuito abierto o cerrado y colectores de control. El control secundario permite incluso el funcionamiento en cuatro cuadrantes, lo que implica que también es posible emular motores para transmisiones de automóvil.

Si un vehículo avanza o sube por una pendiente, se produce una carga positiva, mientras que si baja por una pendiente, se produce una carga negativa. La carga también es negativa cuando el vehículo se desplaza marcha atrás. Estos cuatro casos se corresponden con los cuatro cuadrantes. Estas situaciones de carga se pueden configurar con programas específicos en el banco de pruebas y ejecutarse después de forma dinámica. Incluso se pueden simular las características de velocidad y par de los motores diésel.

Tecnología de medición

Operating mode pump test open circuit

Principio de funcionamiento de un circuito abierto para pruebas de bombas

La eficiencia total es la suma de las eficiencias mecánica e hidráulica.

Las pérdidas mecánicas provienen de la fricción, y las hidráulicas de fugas y pérdidas de regulación. Las pérdidas de un sistema hidráulico dependen de la velocidad de caudal y las pérdidas de presión.

La eficiencia volumétrica puede determinarse midiendo las fugas externas. Por su parte, las fugas internas pueden calcularse midiendo la descarga real de la bomba. Las fugas externas y el caudal de descarga real se restan del caudal de descarga geométrico (teórico).

Las resistencias individuales pueden determinarse midiendo las presiones en distintos puntos del sistema. Si se conoce la velocidad de caudal, es posible calcular la pérdida de carga local. Las pérdidas más importantes de los sistemas hidráulicos se deben a la regulación del flujo volumétrico, para controlar la velocidad de caudal.

Para determinar todas estas pérdidas en el banco de pruebas es fundamental disponer de tecnología de medición adecuada. Para ello, se mide la potencia de impulsión mecánica del eje de la bomba y se compara con la potencia hidráulica.
De forma aproximada, la potencia de impulsión es el producto del par y la velocidad del eje de la bomba, mientras que la potencia hidráulica está relacionada con el caudal volumétrico y la presión.

La potencia mecánica de entrada en el eje de la bomba se obtiene midiendo el par y la velocidad. Para ello, se instala de forma permanente una brida medidora de par T40 de HBM en el eje de impulsión de la bomba. La velocidad se obtiene de la señal CAN de una unidad HNC100-SEK.

"Como nuestra aplicación tiene unidades secundarias altamente dinámicas, es muy interesante que los dos amplificadores universales Quantum MX840 de HBM dispongan cada uno de un puerto CAN. La recepción de dos señales CAN digitales, redundantes y exentas de pérdidas, directamente de la unidad HNC al PC industrial vía Ethernet, nos permite disponer de parámetros vitales y altamente dinámicos, tales como velocidad, par o ángulo de giro, con los que calcular resultados relevantes”, explicó el jefe del proyecto Torsten Sigmund, de adt-Rinck. El software de este banco de pruebas fue desarrollado específicamente por adt-Rinck.

Cada unidad MX840 proporciona un total de ocho canales de entrada compatibles con una gran variedad de transductores de señales. Además de medir los caudales volumétricos y el par, los operarios del IHA pueden medir presiones en varios puntos, conforme a los requisitos, con ayuda de los transductores de presión absoluta de HBM P8AP y P3ICP.

adt-Rinck lleva años utilizando los transductores de presión de HBM en bancos de pruebas hidráulicas. La cadena de medición completa del banco de pruebas se compone de lo siguiente: los sensores, dos amplificadores universales móviles MX840, el software catman®Easy, de manejo intuitivo, y un ordenador portátil que se emplea para presentar en tiempo real los valores medidos y, por supuesto, para almacenarlos y evaluarlos. adt-Rinck se encarga de adaptar toda la tecnología de medición del banco de pruebas.

Torsten Sigmund explica las razones por las que utiliza el software catman®Easy y el módulo EasyMath de HBM: “El software de HBM facilita la adquisición de datos; además, dispone de herramientas muy potentes de visualización y análisis, y se maneja de forma sencilla e intuitiva”.

El banco de pruebas demuestra lo que vale

El banco de pruebas mide 12 metros de longitud desde el armario de compensación de potencia reactiva hasta el sistema de refrigeración aceite-aire. Tiene una altura de 4,5 metros y una anchura de 6,5 metros.

Pesa alrededor de 25 toneladas y contiene más de 3000 litros de aceite hidráulico, repartido entre dos depósitos. Una pantalla móvil compuesta por paneles de Makrolon de 100 mm de espesor, también desarrollada por adt-Rinck, protege al operario en caso de proyecciones de piezas metálicas o chorros de aceite durante las pruebas de los prototipos. El banco de pruebas desarrolla presiones muy altas, de hasta 400 bar, y las transmisiones hidráulicas aceleran los ejes de 0 a 2000 rpm en menos de 100 ms.

Desde ahora, los clientes que no disponen de instalaciones de ensayos propias pueden beneficiarse del banco de pruebas del IHA en Dresden para examinar sus componentes y sistemas. El banco de pruebas y el sistema de medición se adaptan a cada aplicación individual. A continuación se define la secuencia de pruebas concreta y las mediciones que se desea llevar a cabo.

Según Dierk Peitsmeyer, jefe del departamento de I+D del IHA, los canales de cálculo de los amplificadores MX840 resultan especialmente útiles en estas operaciones, por su facilidad de uso. Hata ahora, la experiencia con este nuevo banco de pruebas universal ha sido muy positiva. Ofrece resultados reproducibles y el funcionamiento del software a medida y las funciones específicas del IHA resulta muy estable. No obstante, el IHA integra continuamente nuevas ideas y continúa el desarrollo del banco de pruebas.

Tecnología de medición móvil

Cuando es preciso, las mediciones pueden llevarse a cabo directamente en el sistema del cliente porque, a diferencia del banco de pruebas, la tecnología de medición es móvil.

Los módulos de medición MX840 son muy compactos y pueden extraerse del banco de pruebas. El software de medición y el ordenador portátil pueden también trasladarse sin dificultad hasta las instalaciones del cliente. Todo ello ofrece unas condiciones ideales para el uso móvil. Sea cual sea la posición de montaje, los transductores P8AP y P3ICP, pequeños y prácticos, pueden utilizarse aunque existan serias limitaciones de espacio. Los resultados de las mediciones de presión pueden transferirse rápidamente vía Ethernet y evaluarse en el ordenador portátil.

La elección de HBM

"Llevamos más de 10 años utilizando la tecnología de medición de HBM en nuestros bancos de pruebas nacionales e internacionales, y siempre nos ha ofrecido los mejores resultados. Las propiedades técnicas, la fiabilidad y la calidad de sus productos nos convencieron. Valoramos muy positivamente la fiabilidad, la precisión, la alta calidad de la señal y la versatilidad del cómodo y potente software de registro de datos. Además de las características especiales del producto, el asesoramiento y los servicios son también importantes para nosotros. La completa oferta de HBM encaja a la perfección con nuestras soluciones llave en mano. A menudo, nuestros clientes finales solicitan expresamente que utilicemos tecnología de medición de HBM en nuestros proyectos".

Torsten Sigmund, jefe de proyecto en adt-Rinck.

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