مفاهیم پایه هیدرولیک و کاربرد آن

مفاهیم پایه هیدرولیک و کاربرد آن

هیدرولیک از کلمه یونانی”هیدرو” مشتق گردیده است. این کلمه به معنای جریان حرکات مایعات است. در قرون گذشته و مقصود از هیدرولیک فقط آب بوده و البته بعدها عنوان هیدرولیک مفهوم بیشتری به خود گرفت و معنی و مفهوم آن بررسی در مورد بهره برداری بیشتری از آب و حرکت دادن چرخ های آبی و مهندسی آب بوده است.

مفهوم هیدرولیک در این قرن، دیگر مختص به آب نبوده بلکه دامنه وسیع تری به خود گرفته و شامل قواعد و کاربرد مایعات دیگری به خصوص “روغن معدنی” هم است، زیرا آب به علت خاصیت زنگ زدگی، در صنایع نمی تواند به عنوان انرژی انتقال دهنده مورد استفاده قرار گیرد و به علت آن که روغن خاصیت زنگ زدگی ندارد، امروزه در صنایع از آن به خصوص برای انتقال انرژی در سیستم کنترل استفاده بسیار می گردد.

به طور خلاصه می توان گفت: فنی که انتقال و تبدیل نیرو را توسط مایعات انجام دهد “هیدرولیک” نامیده می شود. از آنجایی که هیدرولیک آبی دارای خاصیت زنگ زدگی است، لذا در صنایع از هیدرولیک روغنی هم به خاطر انتقال انرژی در سیستم های کنترل استفاده می شود.

هیدرولیک شاخه ای از فیزیک است که با خواص مکانیکی سیالات سر و کار داشته و موارد استفاده این خصوصیات را در علوم مهندسی بررسی می کند. با وجودی که فقط در حدود ۵۰ سال از عمر این علم می گذرد، ولی آن را نمی توان شاخه تازه ای از علوم دانست و در حقیقت پاسکال، دانشمند فرانسوی در قرن هفدهم اصول و قوانین اساسی این علم را پایه گذاشت.

عدم توانایی در تولید واشرها و تهیه سطوح کاملاً پرداخت شده، شاید دلایل عمده عدم رشد این علم تا قبل از قرن بیستم باشد. با توجه به پیشرفت های چشمگیری که در طی چند دهه گذشته در ساخت مواد در زمینه ها و روش های ماشین کاری حاصل شده است، موارد استفاده از سیالات در کنترل حرکات مختلف روز به روز بیشتر می گردد.

مجموعه پیشرفت های فنون در عصر فضا و کامپیوتر در سال های اخیر سرعت و کارایی سیستم های هیدرولیکی را به گونه ای چشمگیر دگرگون ساخته است، ولی مبانی حاکم بر همه دستگاه ها و اجزای گوناگون همچنان ثابت است. سیستم هیدرولیکی با آب، روغن و یا سیالات دیگر کار می کند. در این سیستم ها در کنار مایع، از هوای فشرده یا برخی گازها و سیالات تراکم پذیر هم می توان استفاده نمود.

نگاهی گذرا بر رشته های مختلف صنعت، نمایان گر گستردگی کاربرد هیدرولیک است. به عنوان مثال در کشاورزی، خودروسازی، صنایع هوایی، راه و ساختمان، صنایع شیمیایی، صنایع دفاعی، صنایع چوب، صنایع دریایی، جابه جایی مواد، ماشین کاری، معدنکاری، بسته بندی، صنعت نفت، صنعت چاپ، لاستیک سازی، راه آهن، نساجی، صنعت فولاد و حتی منازل و مراکز عمومی در مقیاس وسیعی استفاده می شود و روز به روز نیز افزایش می یابد.

مثلاً در صنایع هوایی، خلبان به یاری هیدرولیک، باز و بسته شدن چرخ ها، سکان های عمودی، بالابرها و بالچه ها را مهار می کند. در عملیات ریخته گری تحت فشار، برای ساخت قطعات سبک از آلومینیوم و منیزیم از نیروی هیدرولیک برای بستن قالب ها و تزریق فلز استفاده می شود. بدنه هواپیما را نیز با پرس های کششی که با نیروی هیدرولیک کار می کند شکل می دهند.

کاربردهای هیدرولیک

هیدرولیک فناوری تولید، کنترل و انتقال قدرت توسط سیال تحت فشار است. به طور کلی یک سیستم هیدرولیک چهار کار اساسی انجام می دهد:

تبدیل انرژی مکانیکی به قدرت سیال تحت فشار به وسیله پمپ ها
انتقال سیال تا نقاط مورد نظر توسط لوله ها و شلنگ ها
کنترل فشار، جهت و جریان سیال توسط شیرها
انجام کار توسط عملگرها

مفاهیم پایه در هیدرولیک
قانون پاسکال

قانون پاسکال پایه هیدرولیک نوین است. این قانون بیان می کند که فشار وارد به هر نقطه از یک مایع محدود، به طور مساوی در تمام جهات منتقل شده و با نیروی مساوی بر روی سطوح مساوی اثر می کند.

قوانین پایه در هیدرولیک

سیال تحت فشار، همواره مسیر با مقاومت کمتر را برای عبور انتخاب می کند.
پمپ تولید فشار نمی کند بلکه تولید دبی می کند.
فشار تنها در برابر مقاومت یک مانع ایجاد می شود.

اصول کلیدی فوق اگر چه ساده به نظر می رسند، ولی پایه و اساس علم هیدرولیک هستند. با داشتن درک صحیحی از این قوانین به راحتی می توان حرکت سیال در خطوط انتقال را دنبال کرده و عملکرد سیستم را تحلیل نمود.

فشار

فشار نتیجه مقاومت در مقابل حرکت سیال است. برای محاسبه ریاضی فشار، نیرو را بر سطح تقسیم می نمایند. واحد فشار “بار” است. در هیدرولیک عملی، معمولاً یک کیلوگرم بر سانتیمتر مربع برابر یک بار است.
تعیین فشار کاری سیستم هیدرولیک

برای تعیین سطح فشار در یک سیستم هیدرولیک، باید در نظر داشت که با بالا بردن فشار می توان از المان های هیدرولیکی کوچکتری برای رسیدن به تناژ مورد نظر، استفاده نمود. همچنین قطر لوله ها را می توان کوچکتر انتخاب نمود در نتیجه، هزینه ساخت سیستم کاهش می یابد. از طرف دیگر با افزایش فشار، دمای روغن در سیستم زودتر افزایش می یابد، نشتی ها بیشتر و اصطکاک و سایش نیز افزایش می یابد، در نتیجه فاصله انجام سرویس ها باید کوتاه تر شود. همچنین نویز و پیک های فشاری نیز افزایش یافته و خواص مطلوب دینامیکی سیستم کاهش می یابد.

عملگر (محرک)

اولین وظیفه یک واحد عملگر، ایجاد حرکت دلخواه یا عمل برای ربات است تا نیروی مورد نیاز صرف شده، یک عمل به صورت فیزیکی انجام دهد. سه منبع برای ایجاد انرژی واحد عملگر وجود دارد:

نیروی الکتریکی
نیروی هیدرولیکی
نیروی نیوماتیک

عملگرها را می توان به پنج دسته تقسیم نمود:

عملگرهای الکترومکانیکی
ماشینهای الکتریکی مانند موتورهای AC موتورهای DC و موتورهای پله ای
عملگرهای پیزوالکتریک
میکروموتورها
عملگرهای هیدرولیک و نیوماتیک

اجزاء سیستم های هیدرولیک

هیدرولیک فناوری تولید، کنترل و انتقال قدرت توسط سیال تحت فشار است. یک سیستم عملگر هیدرولیک از اجزاء زیر تشکیل شده است:

پمپ های هیدرولیکی: جهت به جریان انداختن سیال در سیستم
شیرهای هیدرولیکی: برای کنترل فشار، جریان و جهت حرکت سیال
آکومولاتور (انباره های هیدرولیکی)
فیلتراسیون
روغن ها و مخازن روغن هیدرولیکی
سیل های هیدرولیکی (آب بندها)
اتصالات و شیلنگ های هیدرولیکی
موتورهای هیدرولیکی
مبدل ها و اندازه گیرها
سیلندرهای هیدرولیکی

اشکالات عمومی سیستم های هیدرولیکی

۱- کمبود فشار کمبود دبی

۲- زوزه پمپ، سر و صدا و ارتعاشات

۳- حرارت بیش از حد

۴- حرکات غلط عمل کننده ها

۵- استهلاک سریع قطعات

عیب یابی سیستم های هیدرولیک

عیب یابی به معنای یافتن مشکل سیستم بوده و باید طی یک روند منطقی جهت شناسایی قسمت معیوب، اشکالات به صورت مشخص لیست شوند.

– مراحل انجام عیب یابی

– بررسی دستورالعمل تعمیر و نگهداری

– بررسی تاریخچه تعمیر و نگهداری

– انجام بازدید اولیه

– بررسی و تهیه لیست ایرادات مشاهده شده

– محاسبات اولیه

– تعیین عوامل کلی مشکل

– تعیین عوامل اختصاصی بروز مشکل

– انجام آزمایشات مختلف
مزایا و معایب سیستم عملگر هیدرولیک

مزایا:

داشتن نیرو و توان بالا.

معایب:

بهترین نوع آن از لحاظ ساخت هم نشتی سیال (روغن) دارد
روغن های هیدرولیک قابلیت اشتعال دارند
هزینه بالا برای تهیه پمپ، مخزن، کنترل و اجزاء جانبی
سر و صدای زیاد
نگهداری و تعمیر با هزینه بالا و احتیاج به متخصص
احتیاج به سرویس و چک زمان بندی شده

موتورهای هیدرولیک

کاربرد موتورهای هیدرولیک (Hydraulic Motors) تبدیل فشار یا جریان هیدرولیک از طریق یک شفت به انرژی چرخشی مکانیکی است. موتورها زمانی که به یک خروجی دوار نیاز داشته باشید، به کار گرفته می شوند و راه اندازها (Actuators) برای خروجی خطی مورد استفاده قرار می گیرند. به هر حال در عمل، موتورها بسیار شبیه به پمپ ها هستند. خروجی یک موتور، یک گشتاور و یک سرعت زاویه ای است.(قدرت= گشتاور × سرعت زاویه ای).

موتورها دقیقاً برعکس پمپ ها عمل می کنند، در واقع برخی موتور پمپ ها هر دو نقش را در یک سیستم هیدرولیک ایفا می کنند. (به عنوان یک پمپ یا موتور، بسته به موقعیت سوپاپ های کنترل عمل می کنند). موتورهای هیدرولیک عملگرهایی با دَوَران مداوم هستند که جهت ایجاد گشتاور لازم برای دَوَران بار چرخشی مورد استفاده قرار می گیرند. این عملگرها در انواع دنده ای، پره ای و پیستونی طبقه بندی می شوند.
انتخاب هیدروموتور

برای انتخاب یک هیدروموتور حداقل موارد ذیل باید مشخص گردد:

– حجم جابه جایی روغن بر حسب cm3

– حداکثر دبی مجاز عبوری از موتور و حداکثر سرعت

– ثابت گشتاور برحسب Nm/bar توسط این ثابت می توان مقدار گشتاور موتور را در فشارهای کاری مختلف محاسبه نمود.

– حداکثر گشتاور موتور در اختلاف فشار ماکزیمم بر حسب Nm

انواع فیلتر در سیستم هیدرولیک

۱- فیلتر خط مکش (Suction line)

۲- فیلتر خط فشار (Pressure line)

۳- فیلتر خط برگشت (Return line)

مسدود شدن تدریجی صافی ورودی باعث ایجاد موارد ذیل می شود:

١-کاویتاسیون

۲-افزایش صدا

۳-کاهش عمر مفید پمپ
ویژگی های فیلتراسیون خط برگشت

۱-هزینه کم

۲-سرویس ساده

۳-امکان استفاده از نشانگر انسداد

۴-امکان فیلتراسیون ظریف

۵-جلوگیری از ایجاد کاویتاسیون در پمپ

۶-نیاز به شیر بای پس

۷-امکان استفاده از ۲ فیلتر برای کاهش زمان سرویس
جنس فیلترهای هیدرولیک

١- بافت شیشه ای

۲- تشکیل شده از قسمت های جامد گیاهان

٣- تشکیل شده از سیم های بافته شده
ویژگی های یک فیلتر هیدرولیک

١- باید دارای راندمان کاری خوبی باشد.

۲- باید آلودگی ها و کثیفی ها را در خود نگاه دارد و خارج نکند.

۳- باید تحمل فشارهای تفاضلی را دارا باشد.

۴- عمر طولانی در یک سیستم داشته باشد.

۵- هزینه اولیه آن مناسب باشد.
معیارهای طراحی فیلتر هیدرولیک

۱- میزان حساسیت اجزاء بکار گرفته شده در سیستم هیدرولیک به ذرات خارجی

۲- تعیین میزان دبی

۳- اختلاف فشار مجاز

۴- سازگاری مواد فیلتر با روغن مورد استفاده

۵- دمای کاری

۶- ویسکوزیته روغن

در تعیین سایز فیلتر موارد ذیل در نظر گرفته می شوند:

۱- میزان آلودگی محیطی که سیستم در آن قرار دارد.

۲- میزان مراقبت و سرویس سیستم هیدرولیک

۳- دمای کاری روغن
مخزن روغن سیستم هیدرولیک

مخزن روغن از لحاظ کاربردی باید دارای ویژگی های ذیل باشد:

– توانایی ذخیره کردن کل روغن سیستم

– جداسازی هوای موجود در روغن

– ته نشین شدن آلودگی ها در مخزن

– دفع حرارت سیستم مخزن

روغن باید حجم کافی جهت جبران انبساط روغن داخل مخزن داشته باشد. مخازن بهتر است مرتفع و کم عرض ساخته شوند. در مخازن کم عمق، امکان ورود هوا به پورت مکش پمپ وجود دارد.

ابعاد مخزن

ابعاد مخزن روغن در سیستم صنعتی حجم مخزن روغن (lit)= سه تا پنج برابر دبی پمپ ( lit/ min)

ابعاد مخزن روغن در سیستم سیار به ازاء هر ۱۰۰GPM دبی پمپ، حجم مخزن ۳۰~۲۰ gallon

لوله، شلنگ و اتصالات

انواع هدایت کننده های روغن

– لوله های صلب – تیوب (نیمه صلب) – شلنگ های انعطاف پذیر

نکته:

هنگام انتخاب نوع هدایت کننده روغن، نکات ذیل را باید به دقت بررسی نمایید:

– خطوط باید توانایی تحمل فشار کاری محاسبه شده و حداکثر فشار لحظه ای، تا چهار برابر فشار کاری را داشته باشند.

– خطوط انتقال به منظور نصب تجهیزات لازم باید از استحکام کافی برخوردار باشند.

– مسیر روغن باید از نظر ابعاد به اندازه کافی بزرگ باشد تا از افت فشار غیر مجاز (بیش از ۱۰% فشار اولیه) جلوگیری شود و بتوانند کل دبی مورد نیاز را انتقال دهند.

– به منظور کاهش جریان های آشفته و افت های اصطحکاکی، سطوح داخلی خطوط انتقال باید از صافی مناسب برخوردار باشند.

– مواد تشکیل دهنده خطوط انتقال باید با سیال گذرنده از آن ها سازگار باشد.

در بعضی از سیستم های هیدرولیک جهت غلبه بر مشکلات ناشی از به وجود آمدن ضربه و ارتعاشات در خطوط انتقال، استفاده از آکومولاتور توصیه می شود.

آکومولاتورهای هیدرولیکی

آکومولاتورها (انباره ها)

آکومولاتور هیدرولیکی به عنوان یک منبع ثانویه، با ذخیره پتانسیل سیال غیر قابل تراکم (تحت فشار قرار گرفته توسط عامل خارجی) می تواند در هنگام نیاز، مورد استفاه قرار گیرد. به منظور ذخیره سازی انرژی از مکانیزم های وزنه ای، فنری و یا گازی استفاده می شود.

آب بندهای هیدرولیکی (سیلینگ های دینامیکی)

برای نگهداری روغن تحت فشار در سیستم هیدرولیک، استفاده از آب بند ضرورت دارد. آب بندها علاوه بر آن از ورود گرد و خاک به داخل سیستم ممانعت بعمل می آورند. آب بندها در عین سادگی در حین کار خیلی پیچیده بوده و جزء قطعات دقیق به حساب می آیند.

سیلینگ های دینامیکی بین سطوح قطعاتی که نسبت به هم دارای حرارت هستند قرار گرفته و نشتی و روانکاری را کنترل می نماید. در بسیاری از موارد، طراحی سیلینگ ها به گونه ای است که از ورود ذرات اضافی و مواد خارجی نیز جلوگیری به عمل می آورد.
کاربرد آب بندهای هیدرولیکی

آب بندها بر اساس زمینه کاربرد به دو دسته اصلی تقسیم می گردند:

– آب بندهای استاتیک که برای آب بندی قطعات ثابت بکار می روند.

– آب بندهای دینامیک که برای آب بندی قطعات متحرک کاربرد دارند.

انواع آب بندهای هیدرولیکی

آب بندها را براساس شکل ظاهری به صورت زیر تقسیم می نمایند:

١– پکینگ های فنجانی (packing cup)

۲- پکینگ های فلنجی شکل (flange packing)

۳- پکینگ های یو شکل (u- packing)

۴- پکینگ های وی شکل (v–packing)

۵- آب بندهای فنری یا کاسه نمدی (spring –loaded lip seal)

۶- اورینگ ها (o- ring)

۷- پکینگ های تراکمی (packing compression)

۸- آب بندهای مکانیکی (mechanical seal)

۹- آب بندهای فلزی باز شونده و باز نشونده (expanding & non – expanding)

پمپ هیدرولیکی

پمپ به عنوان قلب سیستم هیدرولیک، که انرژی مکانیکی را از یک منبع خارجی اخذ و به سیال مایعی که از آن عبور می کند، انتقال می دهد. در نتیجه انرژی سیال پس از خروج از پمپ افزایش می یابد. یک پمپ هیدرولیکی، انرژی مکانیکی را از طریق عامل ایجاد فشار (پیستون، چرخ دنده، پره و غیره) به سیال منتقل می نماید.
انواع پمپ های هیدرولیکی

پمپ ها در صنعت هیدرولیک به دو دسته کلی تقسیم می شوند:

١- پمپ های با جابه جایی غیر مثبت (پمپ های دینامیکی)