اصول علمی هیدرولیک: چگونه قدرت سیال در واقع کار می کند
هیدرولیک شاخه ای از فیزیک و مهندسی است که به مطالعه رفتار مکانیکی مایعات تحت فشار می پردازد. در هسته خود، علم بر سه اصل اساسی استوار است: قانون پاسکال ، معادله تداوم ، و اصل برنولی . این سه قانون بر همه چیز، از جک هیدرولیک ساده تا صنعتی پیچیده، حاکم است واحد برق هیدرولیک رانندگی ماشین آلات تولیدی سنگین درک آنها یک تمرین آکادمیک نیست - مستقیماً نحوه طراحی، اندازه و نگهداری سیستم ها در برنامه های کاربردی دنیای واقعی را تعیین می کند.
سیستم های هیدرولیک می توانند نیروهای بسیار زیادی را در فواصل طولانی با اتلاف انرژی بسیار کم منتقل کنند. فشار فقط 3000 psi (207 بار) اعمال شده بر روی یک پیستون با صفحه 10 اینچ مربع، نیروی فشار 30000 پوندی را ایجاد می کند - برای خم کردن فولاد ساختاری یا بلند کردن محور کامیون بارگذاری شده کافی است. این نوع اهرم تنها به این دلیل امکان پذیر است که مایعات، بر خلاف گازها، تقریباً تراکم ناپذیر هستند، و فیزیک زیربنایی اجازه می دهد تا نیرو ضرب شود، هدایت شود و دقیقاً به گونه ای کنترل شود که پیوندهای مکانیکی نمی توانند مطابقت داشته باشند.
قانون پاسکال: بنیاد انتقال نیروی هیدرولیک
بلز پاسکال اصل خود را در قرن هفدهم تدوین کرد: فشار اعمال شده به یک سیال محصور و ساکن به طور مساوی در تمام جهات در سراسر سیال و به دیواره های ظرف منتقل می شود. . از نظر ریاضی، این به صورت زیر بیان می شود:
پ = اف / الف
کجا P فشار است (Pa یا psi)، F نیروی اعمال شده (N یا lbf)، و الف سطح مقطع (m² یا in²) است. مفهوم عملی آن عمیق است: اگر یک پیستون کوچک را فشار دهید و آن را از طریق سیال به یک پیستون بزرگتر متصل کنید، نیرو متناسب با نسبت نواحی تقویت می شود.
مثال ضرب نیرو
سیلندر کوچکی را با یک پیستون 1 اینچی تصور کنید که 500 پوند فوت تولید می کند. که 500 psi فشار سیستم را تولید می کند. همان 500 psi را به یک سیلندر با پیستون 20 اینچی وصل کنید و نیروی خروجی تبدیل می شود 10000 پوند - مزیت مکانیکی 20:1 بدون دنده یا اهرم. دقیقاً به همین دلیل است که از سیلندرهای هیدرولیک برای بستن قالب های تزریق، فشار دادن مهرهای فلزی و گسترش بازوهای بیل مکانیکی استفاده می شود.
در یک واحد برق هیدرولیک ، قانون پاسکال زیربنای طراحی هر محرک در مدار است. پمپ فشار ایجاد می کند. قانون پاسکال تضمین می کند که فشار به هر محرک به طور همزمان و یکنواخت می رسد - با فرض اینکه سیستم ثابت است و ستون سیال در هر شاخه ارتفاع یکسانی دارد (اثرات گرانش به کنار). شیرهای کمکی، شیرهای کاهنده فشار و شیرهای ترتیبی همگی از این اصل برای هدایت نیرو به محرک مناسب در زمان مناسب استفاده می کنند.
اثرات فشار هیدرواستاتیک و عمق
قانون پاسکال همچنین فشار اضافه شده توسط یک ستون سیال به دلیل گرانش را محاسبه می کند:
P = ρgساعت
کجا ρ چگالی سیال است (kg/m³)، g شتاب گرانشی (9.81 متر بر ثانیه) است، و h ارتفاع (m) است. برای روغن هیدرولیک تقریباً 870 کیلوگرم بر متر مکعب، هر متر ستون عمودی حدوداً اضافه می کند. 0.085 بار (1.24 psi) از فشار در اکثر سیستمهای صنعتی این ناچیز است، اما در کاربردهای زیردریایی و معدنی که مسیرهای عمودی میتواند از 100 متر تجاوز کند، این فشار سر به یک پارامتر طراحی حیاتی تبدیل میشود.
معادله تداوم: جریان، سرعت و اندازه لوله
در حالی که قانون پاسکال بر فشار استاتیک حاکم است، معادله تداوم رفتار سیال در حال حرکت را کنترل می کند. بیان می کند که برای یک سیال تراکم ناپذیر که از طریق یک لوله جریان می یابد، سرعت جریان حجمی باید ثابت بماند - به این معنی که حاصلضرب سطح مقطع و سرعت سیال در هر نقطه از مسیر جریان ثابت است:
س = الف × v = ثابت
کجا Q سرعت جریان (L/min یا gpm) است. الف سطح مقطع لوله (m²) است و v سرعت سیال (m/s) است. اگر قطر لوله را کاهش دهید، سیال باید برای حفظ همان سرعت جریان شتاب بگیرد. اگر آن را افزایش دهید، سرعت کاهش می یابد.
چرا اندازه لوله در سیستم های هیدرولیک مهم است؟
اکثر مهندسان هیدرولیک سرعت سیال را در محدوده ای از 2-4 متر بر ثانیه برای خطوط فشار و 1-2 متر بر ثانیه برای خطوط برگشت . سرعتهای بالاتر باعث افزایش تلاطم (اندازهگیری شده با عدد رینولدز) میشود که باعث افت فشار، تولید گرما و فرسایش صندلیهای سوپاپ و لبههای پورت میشود. سرعتهای پایینتر در خطوط برگشت، از ایجاد حفره در ورودی پمپ جلوگیری میکند - احتمالاً مخربترین حالت در هر مدار هیدرولیکی.
هنگام تعیین الف واحد برق هیدرولیک برای یک کاربرد معین، معادله تداوم انتخاب قطر لوله، اندازه پورت منیفولد و درجه بندی عنصر فیلتر را هدایت می کند. یک پمپ 45 لیتر در دقیقه که از طریق یک خط سوراخ 10 میلی متری تغذیه می کند تقریباً تولید می کند 9.5 متر بر ثانیه - بسیار بالاتر از حد مجاز افزایش سوراخ تا 16 میلی متر سرعت را به حدود 3.7 متر بر ثانیه کاهش می دهد که در محدوده توصیه شده برای خطوط فشار قرار می گیرد.
سرعت عملگر و معادله تداوم
همین معادله سرعت محرک را تعیین می کند. یک سیلندر هیدرولیک با یک سوراخ 63 میلی متر (مساحت ≈ 31.2 سانتی متر مربع) که با سرعت 50 میلی متر بر ثانیه گسترش می یابد جریانی از:
Q = 31.2 سانتیمتر مربع × 5 سانتیمتر بر ثانیه = 156 سانتیمتر مکعب بر ثانیه ≈ 9.4 لیتر در دقیقه
با دانستن این موضوع، طراح سیستم می تواند پمپ، شیر کنترل جهت و شیر کنترل جریان را به درستی اندازه بگیرد - همه اینها قبل از خرید هر سخت افزاری. معادله پیوستگی ستون فقرات محاسباتی هر طرح مدار هیدرولیک است.
اصل برنولی: بقای انرژی در سیال متحرک
معادله برنولی قانون بقای انرژی برای جریان سیال است. بیان می کند که برای یک سیال تراکم ناپذیر و بدون اصطکاک که در امتداد یک خط جریان جریان دارد، کل انرژی مکانیکی در واحد حجم ثابت می ماند:
P½ρv² ρgh = ثابت
این معادله به ما می گوید که با افزایش سرعت سیال، فشار استاتیک باید کاهش یابد - و بالعکس. این سه عبارت به ترتیب انرژی فشار ساکن، انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل (گرانشی) را نشان می دهند.
کجا Bernoulli's Principle Appears in Hydraulic Circuits
اصل برنولی به طور مستقیم رفتار چندین جزء حیاتی هیدرولیک را توضیح می دهد:
- روزنه های کنترل جریان و دریچه های گاز: الفs fluid is forced through a small orifice, velocity spikes dramatically, and static pressure drops. The pressure differential across the orifice is what drives the flow rate — governed by the square-root relationship Q ∝ √ΔP.
- شیرهای چک: اختلاف فشار ایجاد شده توسط سرعت سیال همان چیزی است که پاپت یا توپ را از روی صندلی خود بلند می کند و اجازه می دهد جریان در یک جهت جریان داشته باشد در حالی که جریان معکوس را مسدود می کند.
- دبی سنج ونتوری: این ابزارها جریان را با اندازهگیری افت فشار در گلویی که دقیقاً ماشینکاری شده است، اندازهگیری میکنند. اختلاف فشار مستقیماً با سرعت جریان از طریق معادله برنولی ارتباط دارد.
- شرایط ورودی پمپ: اگر فشار ساکن در ورودی پمپ از فشار بخار سیال کمتر شود (به دلیل سرعت زیاد یا محدود بودن ورودی)، حفره ایجاد میشود - حبابهای بخار تشکیل میشوند و سپس به شدت منفجر میشوند و سطوح فلزی را با سرعتهایی فرسایش میدهند که میتواند ظرف چند ساعت پمپ را از بین ببرد.
برای طراحی خوب واحد برق هیدرولیک اصل برنولی دلیل اصرار مهندسان بر روی یک خط مکش کوتاه و با سوراخ بزرگ، حداقل خمیدگی، و یک صافی با اندازه مناسب - نه یک فیلتر خوب - در ورودی پمپ است. هر محدودیتی در سمت مکش، سرعت سیال را به صورت موضعی افزایش میدهد، فشار استاتیک را کاهش میدهد و سیستم را به آستانه حفره نزدیکتر میکند.
ویسکوزیته سیال: خاصیتی که نظریه را به واقعیت متصل می کند
سه اصل کلاسیک فوق سیال ایده آل، بدون اصطکاک و تراکم ناپذیر را فرض می کنند. روغن هیدرولیک واقعی هیچ کدام از اینها نیست. ویسکوزیته - مقاومت داخلی سیال در برابر برش - ویژگی غالب دنیای واقعی است که نحوه اعمال قانون پاسکال، پیوستگی و برنولی را در سیستمهای واقعی تغییر میدهد.
ویسکوزیته دینامیکی و ویسکوزیته سینماتیکی
دو معیار ویسکوزیته ماده در هیدرولیک. ویسکوزیته دینامیکی (μ، در Pa·s یا cP) مقاومت در برابر تنش برشی را به طور مستقیم اندازه گیری می کند. ویسکوزیته سینماتیکی (ν، بر حسب mm²/s یا cSt) ویسکوزیته دینامیکی تقسیم بر چگالی است و مقداری است که تقریباً به طور کلی در برگههای اطلاعات سیال هیدرولیک نقل شده است. اکثر سیستمهای هیدرولیک صنعتی با روغنهایی در محدوده ISO VG 32 تا ISO VG 68 کار میکنند که به معنای ویسکوزیته سینماتیکی است. 32-68 cSt در 40 درجه سانتی گراد .
ویسکوزیته و عدد رینولدز
عدد رینولدز (Re) پیشبینی میکند که جریان در یک لوله آرام است یا متلاطم:
Re = (ρ × v × D) / μ = (v × D) / ν
زیر Re ≈ 2300، جریان آرام است - صاف، قابل پیش بینی، اتلاف اصطکاک کم. بالاتر از Re ≈ 4000، جریان آشفته است - هرج و مرج، تلفات اصطکاک بیشتر، تولید گرمای بیشتر، و افزایش پتانسیل برای فرسایش و نویز. اکثر خطوط فشار هیدرولیک در رژیم لامینار کار می کنند به همین دلیل است که قانون Hagen-Poiseuille برای محاسبات افت فشار در آن خطوط اعمال می شود:
ΔP = (128 × μ × L × Q) / (π × D4)
این معادله نشان میدهد که مقیاسهای افت فشار با توان چهارم قطر - نصف شدن قطر لوله، افت فشار را تا ضریب 16 افزایش میدهد. به همین دلیل است که خطوط برگشتی کماندازه و خطوط تخلیه کیس از شایعترین علل خرابی قطعات در مدارهای هیدرولیکی نصبشده در میدان هستند.
ویسکوزیته و دما
ویسکوزیته روغن هیدرولیک به طور چشمگیری با دما تغییر می کند. یک روغن معدنی ISO VG 46 معمولی از حدود افت می کند 220 cSt در 0 درجه سانتی گراد تا 46 cSt در 40 درجه سانتی گراد تا تقریباً 15 cSt در 80 درجه سانتی گراد . در ویسکوزیته کم، نشت داخلی در پیستون پمپ، قرقره سوپاپ و کموتاتورهای موتور به طور قابل توجهی افزایش می یابد - باعث کاهش راندمان حجمی و ایجاد کنترل نامنظم سرعت می شود. در ویسکوزیته بالا (شروع سرد)، خطر کاویتاسیون افزایش مییابد زیرا سیال غلیظ در برابر جریان سریع به ورودی پمپ مقاومت میکند. حفظ دمای روغن در 40-60 درجه سانتیگراد پنجره عملیاتی یک نیاز اصلی طراحی برای هر واحد برق هیدرولیک مجهز به مبدل حرارتی و ترموستات است.
نحوه ترکیب اصول علمی در داخل یک واحد برق هیدرولیک
A واحد برق هیدرولیک (HPU) یک مجموعه مستقل - معمولاً شامل یک موتور، پمپ، مخزن، فیلتراسیون، مبدل حرارتی و شیرهای کنترل است - که سیال تحت فشار را برای یک مدار هیدرولیک تولید و شرایط می کند. هر جزء اصلی شامل یک یا چند اصل از اصول مورد بحث در بالا است.
نحوه اعمال اصول علمی برای اجزای کلیدی HPU | کامپوننت HPU | اصل علمی اولیه | مفهوم طراحی |
| پمپ هیدرولیک | قانون پاسکال Continuity | جابجایی (سی سی / دور) × سرعت (دور در دقیقه) = جریان. گشتاور فشار را تعیین می کند |
| شیر تسکین دهنده | قانون پاسکال | حداکثر فشار سیستم را محدود می کند. پاپت زمانی که F = P × A بلند می شود (مجموعه فنر) |
| صافی مکش | اصل برنولی | مش ریز باعث افزایش سرعت، افت فشار و خطر کاویتاسیون می شود |
| شیر کنترل جریان | تداوم برنولی | منطقه روزنه سرعت را کنترل می کند. ΔP در عرض دهانه Q را کنترل می کند |
| سیلندر هیدرولیک | قانون پاسکال Continuity | نیرو = P × مساحت سوراخ; سرعت = Q / منطقه سوراخ |
| مبدل حرارتی | ویسکوزیته / ترمودینامیک | روغن را در پنجره 40 تا 60 درجه سانتیگراد حفظ می کند تا ویسکوزیته و یکپارچگی آب بندی را حفظ کند. |
| مخزن | دینامیک سیال تداومی | حجم = 3-5× جریان پمپ (L/min) اجازه انتشار هوا، اتلاف گرما و رسوب را می دهد. |
راندمان پمپ و تلفات حجمی
یک پمپ هیدرولیک واقعی هرگز 100% جابجایی تئوری خود را در هر دور ارائه نمی دهد زیرا ویسکوزیته اجازه می دهد تا مقدار کمی از سیال در خلاهای داخلی از مناطق پرفشار به مناطق کم فشار نشت کند. راندمان حجمی به طور معمول اجرا می شود 90-98٪ برای یک پمپ پیستونی محوری که به خوبی نگهداری می شود در محدوده سرعت متوسط. با افزایش فشار، نشت افزایش می یابد و بازده حجمی کاهش می یابد. با کاهش ویسکوزیته روغن (گرم داغ یا اشتباه)، نشتی بیشتر می شود. درک این روابط به مهندسان اجازه می دهد تا جریان خروجی واقعی را در هر نقطه عملیاتی معین پیش بینی کنند و موتوری با ذخایر توان کافی را مشخص کنند - معمولا 10 تا 15 درصد بالاتر از تقاضای محاسبه شده .
انرژی و توان در سیستم های هیدرولیک
توان هیدرولیک حاصل ضرب فشار و دبی است. در واحدهای SI:
P (kW) = Q (L/min) × ΔP (bar) / 600
در واحدهای امپراتوری: P (hp) = Q (gpm) × ΔP (psi) / 1714. این رابطه اولین محاسبه انجام شده در هر واحد برق هیدرولیک تمرین اندازه گیری سیستمی که به 80 لیتر در دقیقه در 200 بار نیاز دارد، به حداقل توان ورودی نظری زیر نیاز دارد:
80 × 200 / 600 = 26.7 کیلو وات
با راندمان کلی سیستم در حدود 85٪ (مکانیکی پمپ حجمی × موتور)، موتور الکتریکی باید حداقل برای 31.4 کیلو وات . کوچک کردن موتور منجر به اضافه بار حرارتی می شود. بزرگی بیش از حد باعث هدر رفتن سرمایه و افزایش مصرف برق بدون بار می شود.
کجا Energy Is Lost in a Hydraulic System
قوانین ترمودینامیک به این معنی است که تمام تلفات انرژی در یک مدار هیدرولیک در نهایت به گرما تبدیل می شود. درک منابع تلفات به طراحان اجازه می دهد تا آنها را به حداقل برسانند:
- تلفات گازی: الفny time flow is restricted through a valve at a pressure above what the load actually requires, the excess pressure energy converts to heat. Pressure-compensated pumps eliminate much of this by only generating as much pressure as the load demands.
- تلفات اصطکاک خط: تحت کنترل Hagen-Poiseuille برای جریان آرام. با مجذور سرعت در جریان آشفته افزایش می یابد. مسیرهای طولانی با لوله های با قطر کوچک رایج ترین منبع ایجاد گرمای غیرمنتظره هستند.
- نشتی داخلی: دور زدن جریان در پیستون های پمپ، قرقره های سوپاپ و کموتاتورهای موتور مستقیماً به گرما تبدیل می شود. این مکانیسم از دست دادن با فرسودگی قطعات در طول زمان بدتر می شود.
- افزایش ضربه و فشار: بسته شدن ناگهانی شیر انرژی جنبشی را در ستون سیال به دام می اندازد و امواج فشاری (چکش آب) ایجاد می کند که می تواند 300٪ یا بیشتر از فشار اسمی سیستم بیشتر شود. انباشتهها و رمپهای کاهش سرعت در شیرهای تناسبی، این امر را کاهش میدهند.
یک خوش مهندسی واحد برق هیدرولیک به هر چهار مکانیسم تلفات در مرحله طراحی می پردازد: از طریق پمپ های جابجایی متغیر، هادی ها با اندازه مناسب، اجزای با تحمل محدود با فاصله های کنترل شده، و انباشته های پیش پر در مدارهای سریع الاثر.
تراکم پذیری سیال: حد عملی فرض تراکم ناپذیری
مهندسان هیدرولیک معمولاً روغن را غیرقابل تراکم تلقی می کنند و برای کاربردهای آهسته یا پایدار این یک ساده سازی معتبر است. اما روغن کاملا تراکم ناپذیر نیست. مدول حجمی یک روغن هیدرولیک معدنی معمولی تقریباً است 14000-17000 بار (1.4-1.7 GPa) . این بدان معنی است که در 200 بار، روغن تقریباً فشرده می شود 1.2-1.4٪ از حجم آن
در اکثر سیستم ها این امر بی اهمیت است. اما در سه سناریو بسیار مهم می شود:
- کنترل سروو با سرعت بالا: تراکم پذیری یک "چشمه" در ستون سیال بین شیر سروو و محرک ایجاد می کند. این اثر فنر فرکانس طبیعی هیدرولیک و بنابراین حداکثر پهنای باند حلقه های کنترل موقعیت را محدود می کند. به همین دلیل تنظیم کردن سیلندرهای بزرگ و بلند با سوپاپ های سروو که در دوردست نصب شده اند بسیار دشوار است.
- سیستم های فشار بسیار بالا: الفt 700 bar (10,000 psi), oil compression approaches 4–5% by volume — significant enough that actuator stiffness drops measurably and cycle-to-cycle repeatability can degrade.
- هوای حباب شده: حتی 1% هوای حل شده یا حباب شده بر حسب حجم، مدول توده موثر را تا حد کاهش می دهد 50% ، باعث می شود سیستم احساس "اسفنجی" کند و باعث خطاهای شدید کنترل موقعیت شود. طراحی صحیح مخزن - خطوط برگشت غوطه ور، بافل ها و زمان ماند کافی - اقدام متقابل است.
کاویتاسیون و هوادهی: وقتی فیزیک سخت افزار را نابود می کند
کاویتاسیون و هوادهی دو پدیده مخرب در هیدرولیک هستند و هر دو پیامدهای مستقیم فیزیک سیالاتی هستند که در بالا مورد بحث قرار گرفت.
کاویتاسیون
کاویتاسیون زمانی اتفاق میافتد که فشار استاتیک موضعی به زیر فشار بخار سیال، معمولاً در اطراف، کاهش مییابد 0.02-0.05 bar مطلق برای روغن های معدنی در دمای عملیاتی اصل برنولی توضیح می دهد که چرا: گذرگاه های جریان محدود سرعت را افزایش می دهند که فشار استاتیک را کاهش می دهد. وقتی فشار به زیر فشار بخار میرسد، بخار گاز و نفت محلول به صورت حباب میتابد. هنگامی که این حباب ها وارد یک منطقه پرفشار می شوند، به طور نامتقارن فرو می ریزند و باعث افزایش فشار موضعی بیش از حد می شوند. 1000 بار و دمای بالاتر 1000 درجه سانتی گراد در نقطه فروپاشی نتیجه فرسایش حفرهای است – از نظر بصری شبیه به سند بلاست – بر روی بشکههای پمپ، صندلیهای سوپاپ و صفحات انتقال موتور.
علائم کاویتاسیون عبارتند از صدای بلند و ترقه از پمپ (متمایز از صدای ناله هوادهی)، از دست دادن سریع راندمان حجمی، و آلودگی فلزی تسریع شده در نمونه های روغن. پیشگیری ساده است: فشار مثبت کافی را در ورودی پمپ حفظ کنید (NPSH - Net Positive Suction Head)، از خطوط مکش با سوراخ بزرگ استفاده کنید، پمپ را نزدیک و زیر مخزن نصب کنید و از صافی های ظریف در سمت مکش خودداری کنید.
هوادهی
الفeration حباب هوا یا گاز آزاد به داخل سیال است که از گاز محلول متمایز است. منابع عبارتند از: سطح روغن پایین (مکش هوا را جذب می کند)، نشتی مهر و موم محور روی پمپ (هوا تحت خلاء مکش)، و خطوط برگشتی با طراحی ضعیف که روغن را بالای سطح سیال می ریزند و هوا را به مخزن می ریزند. روغن هوادهی تراکمپذیر، اسفنجی، مستعد اکسید شدن (هوا تخریب حرارتی را تسریع میکند) و از طریق اثرات میکرو دیزل به سطوح پمپ آسیب میرساند - حبابهای هوای حبابدار تحت فشردهسازی سریع خود به خود مشتعل میشوند، روغن را به صورت موضعی زغال میکنند و لاک را روی سطوح فلزی رسوب میکنند.
انواع پمپ های هیدرولیک و اصول عملکرد آنها
یک پمپ هیدرولیک با ایجاد جریان روغن تحت فشار، انرژی مکانیکی را به نیروی سیال تبدیل می کند. سه نوع پمپ اصلی بر کاربردهای صنعتی و موبایلی غالب هستند که هر کدام اصول علمی اصلی را به طور متفاوتی اعمال می کنند.
پمپ های دنده ای
پمپ های دنده خارجی از دو چرخ دنده مشبک استفاده می کنند که در داخل یک محفظه با تحمل نزدیک می چرخند. همانطور که دندان ها در سمت ورودی جدا می شوند، یک حجم در حال گسترش (فشار کم) ایجاد می کنند که مایع را به داخل می کشد. همانطور که آنها دوباره در سمت خروجی مش می شوند، سیال محصور شده به طور مثبت به خط فشار جابه جا می شود. پمپ های دنده ای جابجایی ثابت، قوی و ساده هستند. فشار عملیاتی معمولاً می رسد 200-250 بار ، آنها را به انتخاب های استاندارد در تجهیزات ساختمانی، ماشین آلات کشاورزی و مدارهای کم فشار واحدهای برق هیدرولیک صنعتی تبدیل می کند.
پمپ های پره ای
پمپهای پرهای از تیغههای فنری یا فشاری استفاده میکنند که به صورت شعاعی در شکافهای داخل یک روتور خارج از مرکز میلغزند. با چرخش روتور، نوک پره از پروفایل حلقه بادامک پیروی می کند و محفظه های منبسط و انقباض ایجاد می کند. آنها نسبت به پمپ های دنده ای جریان نرم تری را با صدای کمتری ارائه می دهند و تا حد امکان کار می کنند 175 بار ، باعث محبوبیت آنها در ماشین ابزار، قالب گیری تزریقی و کاربردهای فرمان برقی می شود که در آن نویز یک نگرانی است.
پمپ های پیستونی محوری
پمپهای پیستونی محوری از پیستونهای متعدد (معمولاً 7 یا 9 تایی) استفاده میکنند که در یک الگوی دایرهای در یک بلوک سیلندر چرخان قرار گرفتهاند. پیستونها به صورت رفت و برگشتی به داخل و خارج میشوند، زیرا بلوک در برابر یک صفحه زاویهدار میچرخد. جابجایی با تغییر زاویه swashplate کنترل می شود و این پمپ ها را می سازد جابجایی متغیر - قادر به ارائه دقیقاً جریان مورد نیاز سیستم در هر لحظه باشد. فشارهای عملیاتی به طور معمول می رسد 350-420 بار ، و some designs are rated to 700 bar. They are the pump of choice for high-performance industrial Hydraulic Power Units, servo-controlled presses, and all major mobile hydraulic systems including excavator main circuits.
مقایسه انواع پمپ های هیدرولیک رایج بر اساس مشخصات عملکرد | نوع پمپ | حداکثر فشار (بار) | جابجایی متغیر | برنامه معمولی | سطح نویز |
| دنده خارجی | 200-250 | خیر | ساخت و ساز، کشاورزی | بالا |
| پره | 150-175 | برخی از مدل ها | ماشین ابزار، قالب گیری | کم – متوسط |
| الفxial Piston | 350–420 | بله | HPU صنعتی، موبایل | متوسط |
| پیستون شعاعی | تا 700 | بله | بالا-force presses, test rigs | کم – متوسط |
الفpplying Hydraulic Science to Real-World System Design
درک اصول یک چیز است; استفاده سیستماتیک از آنها در طول طراحی یکی دیگر از موارد است. دنباله زیر نشان می دهد که مهندسان سیستم هیدرولیک با تجربه چگونه به یک برنامه جدید برخورد می کنند:
- الزامات بار را تعریف کنید: نیرو (یا گشتاور برای موتورها)، ضربه (یا چرخش)، و زمان سیکل مورد نیاز. اینها مستقیماً اندازه محرک و سرعت جریان مورد نیاز را از طریق تداوم و قانون پاسکال به دست میآورند.
- فشار عملیاتی را انتخاب کنید: فشار بالاتر به معنای محرکهای کوچکتر و لولههای کوچکتر برای همان نیرو، اما همچنین اجزای دقیقتر، نیازهای آببندی بالاتر و حساسیت بیشتر به آلودگی است. اکثر سیستم های صنعتی در 160-250 بار محدوده به عنوان تعادل
- اندازه پمپ و موتور: جریان نظری را از سرعت و مساحت محرک محاسبه کنید. 10-15% برای تلفات بازده حجمی اضافه کنید. توان مورد نیاز را با استفاده از P = Q × ΔP / 600 محاسبه کنید. برای بازده مکانیکی و گشتاور راه اندازی 15 درصد حاشیه اضافه کنید.
- اندازه هادی ها: الفpply continuity equation to keep pressure-line velocity 2–4 m/s, return-line velocity 1–2 m/s, suction-line velocity below 1 m/s. Check pressure drop using Hagen-Poiseuille for all lines longer than 1 m.
- طراحی مخزن: حداقل حجم = 3× جریان پمپ در L/min. خطوط برگشت باید زیر سطح سیال تخلیه شوند. تیک آف مکش 50 تا 75 میلی متر بالاتر از کف مخزن. بین مناطق برگشت و مکش بافل کنید تا امکان جداسازی هوا و ته نشین شدن ذرات فراهم شود.
- محاسبه دفع حرارت: تلفات کل راندمان را تخمین بزنید (معمولاً 15 تا 25 درصد توان ورودی به گرما تبدیل می شود). مبدل حرارتی را طوری اندازه بگیرید که این گرما را دفع کند و در عین حال دمای روغن را در پنجره 40 تا 60 درجه سانتی گراد در حداکثر دمای محیط حفظ کنید.
- انتخاب استراتژی کنترل آلودگی: هدف پاکیزگی ISO امتیاز فیلتر را درایو می کند. مدارهای سروو و شیرهای تناسبی معمولاً به تمیزی ISO 4406 نیاز دارند 16/14/11 یا بهتر ، نیاز به 10 میکرومتر فیلتراسیون مطلق با فشار بالا به اضافه 3 میکرومتر فیلتر برگشتی.
هر مرحله به طور مستقیم یک یا چند اصل اصلی مورد بحث در این مقاله را اعمال می کند. هیچ یک از آنها نیاز به حدس و گمان ندارند - هیدرولیک یک علم قطعی است، و یک واحد برق هیدرولیک با اندازه این فرآیند دقیقاً همانطور که از روز اول مشخص شده است عمل می کند، مشروط بر اینکه سیال به درستی نگهداری شود.
کنترل آلودگی: پیامد عملی علم سیالات
آلودگی ذرات مسئول است 70-80٪ خرابی قطعات هیدرولیک بر اساس داده های تولید کنندگان عمده پمپ و شیر. دلیل مستقیماً ریشه در فیزیک اجزا دارد: فاصله بین پیستونهای پمپ و سوراخهای سیلندر یا بین دریچههای قرقره و سوراخهای آنها معمولاً وجود دارد. 5-25 میکرومتر . ذرات بزرگتر از این فاصله ها باعث سایش ساینده سه بدنه می شوند که ذرات بیشتری را در چرخه تخریب خود شتاب دهنده ایجاد می کند.
آلودگی مایع همچنین عملکرد را به روش هایی که کمتر آشکار اما به همان اندازه مخرب هستند، کاهش می دهد:
- آلودگی آب بالای 200 ppm استحکام لایه روغن را کاهش می دهد، باعث خوردگی اجزای فولادی می شود و تخریب اکسیداتیو خود روغن را تسریع می کند. آب همچنین هنگام امولسیون شدن، مدول حجیم را به طور چشمگیری کاهش می دهد و تراکم پذیری را به مدارهایی اضافه می کند که برای کنترل دقیق موقعیت به سفتی بستگی دارد.
- محصولات اکسیداسیون (لاک، لجن) از رسوب روغن بیش از حد گرم شده بر روی قرقره سوپاپ و پیستون پمپ، باعث چسبندگی و پاسخ نامنظم می شود. یک رویداد در دمای بالا - به عنوان مثال، کارکردن یک پمپ دنده ای در برابر یک دریچه بازدارنده مسدود شده برای چند دقیقه - می تواند به اندازه کافی لاک ایجاد کند تا بر عملکرد شیر در کل مدار تأثیر بگذارد.
- درجه ویسکوزیته نادرست یا از طریق مشخصات اشتباه روغن یا از طریق آلودگی قابل توجه با درجه متفاوت، همه رفتارهای وابسته به ویسکوزیته که در بالا توضیح داده شد تغییر میدهند: راندمان حجمی، افت فشار، ضخامت فیلم یاتاقان و آستانه حفرهای همگی با هم تغییر میکنند و تشخیص را دشوار میکنند.
روشهای نگهداری که مستقیماً از علم پیروی میکنند
تعمیر و نگهداری خوب هیدرولیک یک نظر یا عادت نیست - به طور منطقی از فیزیک ناشی می شود. هر وظیفه تعمیر و نگهداری به مکانیزم خرابی خاصی که ریشه در اصول بالا دارد، نگاشت می شود:
- نمونه برداری و آنالیز منظم روغن: ویسکوزیته، تعداد ذرات (ISO 4406)، محتوای آب و نشانگرهای اکسیداسیون باید در فواصل زمانی مطابق با سختی کاربرد کنترل شوند - معمولاً هر 500-1000 ساعت کار برای HPU های صنعتی این تنها اقدام نگهداری با بالاترین ارزش موجود است.
- تعویض عنصر فیلتر به شرط: فیلترهای فشار قوی مجهز به نشانگرهای بای پس یا گیج فشار دیفرانسیل باید هنگام حرکت نشانگر، نه بر اساس یک برنامه زمانی، عناصر تعویض شوند. یک عنصر مسدود شده که مسیر بای پس خود را باز کرده است، مایع فیلتر نشده را به اجزای دقیق می رساند.
- پایش دما: ثبت مداوم یا دورهای دما باعث کاهش عملکرد مبدل حرارتی، افزایش نشت داخلی (هر دو دمای حالت پایدار را افزایش میدهد) و درجههای ویسکوزیته نادرست اعمال میشود قبل از اینکه باعث آسیب شوند.
- مخزن breather maintenance: هواکش هوای ورودی به مخزن را با کاهش سطح روغن در حین گسترش سیلندر فیلتر می کند. یک تنفس مسدود شده یا تخریب شده، مکش را در فضای سر مخزن ایجاد می کند، که فشار ورودی پمپ موثر را کاهش می دهد و سیستم را به سمت کاویتاسیون حرکت می دهد.
- بررسی هوادهی: روغن کف آلود در شیشه دید مخزن، ظاهر شیری رنگ (آلودگی آب)، یا پاسخ محرک "اسفنجی" همگی به طور مستقیم به فیزیک سیال توضیح داده شده در بالا قابل ردیابی هستند و اقدامات اصلاحی خاصی را نشان می دهند.
الف واحد برق هیدرولیک که با درک کامل علم زیربنایی حفظ شود، به طور قابل اعتمادی برای آن عمل خواهد کرد 20000-50000 ساعت قبل از تعمیرات اساسی - عمر مفیدی که اگر کنترل آلودگی و مدیریت حرارتی نادیده گرفته شود، بسیار کوتاهتر به نظر می رسد.
