سیستم های هیدرولیک چگونه کار می کنند: اجزاء، مدارها، محاسبات و عیب یابی

یک سیستم هیدرولیک ورودی مکانیکی را به نیروی سیال تبدیل می کند، سپس آن نیروی سیال را دوباره به نیرو یا حرکت تبدیل می کند. این ترکیب از اجزای فشرده و نیروی خروجی بالا، هیدرولیک را رایج می کندپرس های صنعتی، ماشین آلات، تجهیزات ساختمانی و کشاورزی، سیستم های بالابر و ماشین آلات متحرک.

درک سیستم بیشتر از دانستن اینکه یک پمپ روغن را حرکت می دهد نیاز دارد. فشار در پاسخ به مقاومت ایجاد می‌شود، جریان سرعت محرک را کنترل می‌کند، سوپاپ‌ها انرژی را هدایت و تنظیم می‌کنند، و شرایط سیال بر قابلیت اطمینان تأثیر می‌گذارد. این راهنما آن روابط را توضیح می دهد و سیستم را از قانون پاسکال از طریق عملیات مدار، اندازه، نگهداری و عیب یابی پیروی می کند.

قانون پاسکال و انتقال نیرو

نیروی هیدرولیک بر اساس قانون پاسکال است: فشار اعمال شده به یک سیال محدود به طور یکسان در همه جهات منتقل می شود.

فشار هیدرولیک عبارت است از:

فشار=ناحیه نیروی ÷

یا:

P = F ÷ A

در واحدهای مرسوم ایالات متحده:

Pفشار=بر حسب پوند بر اینچ مربع (psi)

F= نیرو در پوند-نیرو (lbf)

Aمساحت=در اینچ مربع (در²)

تنظیم مجدد فرمول به دست می دهد:

F = P × A

این رابطه ضرب نیروی هیدرولیکی را توضیح می دهد. دو سیلندر متصل را در نظر بگیرید. پیستون کوچک دارای مساحت 1 اینچ مربع و پیستون بزرگتر دارای مساحت 10 اینچ مربع است. اگر یک اپراتور 10 lbf را به پیستون کوچک اعمال کند:

P=10 lbf ÷ 1 in²=10 psi

تقریباً 10 psi نیز روی پیستون بزرگتر تأثیر می گذارد و نیروی نظری زیر را تولید می کند:

F=10 psi × 10 in²=100 lbf

خروجی ده برابر ورودی است زیرا مساحت پیستون ده برابر بزرگتر است.

سیستم های واقعی 100 درصد کارآمد نیستند. اصطکاک آب بندی، نشت داخلی، تلفات از طریق شیرها و شیلنگ ها و اصطکاک مکانیکی نیروی موجود را کاهش می دهد. با 90 درصد راندمان ترکیبی هیدرولیک و مکانیکی:

نیروی واقعی=100 lbf × 0.90=90 lbf

همین روش در مورد تجهیزات صنعتی و سیار نیز صدق می کند. یک سیلندر با مساحت موثر 20 اینچ مربع در فشار اندازه گیری شده 2500 psi تولید می کند:

نیروی نظری=2,500 × 20=50,000 lbf

با بازده تخمینی 92 درصد:

نیروی قابل استفاده ≈ 46000 lbf

هنگامی که ناحیه موثر پیستون مشخص باشد، یک-خوان فشار سنج می تواند نیروی سیلندر تقریبی را ارائه دهد.

فشار و جریان مرتبط هستند اما قابل تعویض نیستند. فشار نیرو یا گشتاور موجود را تعیین می کند، در حالی که جریان عمدتاً سرعت محرک را تعیین می کند.

اجزای اصلی هیدرولیک

هر جزء نقش خاصی در تولید، کنترل یا استفاده از انرژی هیدرولیک دارد.

پمپ های هیدرولیک

پمپ جریان تولید می کند. فشار زمانی ایجاد می شود که آن جریان با مقاومت مواجه شود.

یک پمپ جابجایی ثابت-تقریباً همان حجم را در هر دور تحویل می‌دهد و برای سیستم‌هایی با تقاضای نسبتاً ثابت مناسب است.

یک پمپ جابجایی متغیر با تغییر تقاضا، خروجی خود را تغییر می‌دهد. اغلب در مواردی استفاده می شود که راندمان انرژی، کنترل دقیق یا نیازهای محرک متفاوت باشد.

انتخاب پمپ باید جابجایی، فشار نامی، حداکثر سرعت، جریان مورد نیاز در GPM، راندمان حجمی، سازگاری سیال و آرایش نصب را در نظر بگیرد.

مخزن

مخزن سیال را ذخیره می کند و به حباب های هوا زمان می دهد تا جدا شوند، آلاینده ها زمان ته نشین شدن را می دهد و مسیری را برای پراکندگی گرم می کند. یک مخزن خوب-طراحی شده ممکن است شامل موارد زیر باشد:

فیلترهای پر و تنفس

پخش‌کننده‌های خط-را برگردانید

صافی های مکش در صورت لزوم

نشانگرهای سطح و دما

بافل های داخلی

دسترسی به تخلیه و پاکسازی

تجهیزات سیار ممکن است به یک مخزن فشرده فشرده یا بافلینگ ویژه نیاز داشته باشند زیرا در شیب ها و تحت ارتعاش کار می کنند.

شیرهای هیدرولیک

سوپاپ ها کنترل می کنند که انرژی هیدرولیک کجا می رود و چگونه محرک واکنش نشان می دهد.

شیر تسکین دهنده پمپ ها، شیلنگ ها، سیلندرها و سایر اجزا را از فشار بیش از حد محافظت می کند.

عملگرها

محرک های هیدرولیک قدرت سیال را به خروجی مکانیکی تبدیل می کنند. الفسیلندر هیدرولیکبا اعمال فشار بر روی ناحیه پیستون حرکت خطی ایجاد می کند. یک موتور هیدرولیک حرکت چرخشی ایجاد می کند: جریان بر سرعت چرخش تأثیر می گذارد، در حالی که دیفرانسیل فشار گشتاور موجود را تعیین می کند.

مهر و موم باید با شیمی سیال، فشار، سرعت و دما مطابقت داشته باشد. لاستیک نیتریل در سیستم‌های نفت{1} معدنی رایج است. FKM اغلب در دماهای بالاتر یا در سرویس های شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرد، در حالی که عناصر مبتنی بر PTFE ممکن است برای برنامه هایی که به اصطکاک کم یا سازگاری شیمیایی گسترده تر نیاز دارند، مناسب باشند. مواد نهایی را در برابر سیال واقعی و شرایط عملیاتی بررسی کنید.

یک مدار هیدرولیک معمولی

یک مدار صنعتی پایه را می توان به صورت زیر نشان داد:

مخزن ← پمپ ← فشارسنج ← شیر تخلیه ← شیر جهت ← سیلندر ← فیلتر برگشت ← مخزن

1. راه اندازی

یک موتور الکتریکی یا موتور پمپ را روشن می کند. پمپ سیال را از مخزن می کشد و آن را به خط فشار می فرستد.

در حالتی که شیر جهت در مرکز باز-یا موقعیت تخلیه باشد، جریان ممکن است با فشار نسبتاً کم به مخزن بازگردد. نقاط نظارت مفید عبارتند از فشار خروجی پمپ، جریان اصلی، دمای مخزن، و فشار دیفرانسیل فیلتر برگشتی.

2. توسعه فشار

هنگامی که شیر جهت جریان را به محرک می فرستد، مقاومت افزایش می یابد. فشار فقط به اندازه ای افزایش می یابد که بر بار خارجی و تلفات داخلی غلبه کند.

برای مثال، اگر یک سیلندر برای جابجایی بار خود به 1800 psi نیاز داشته باشد، ممکن است فشار از سطح آماده به کار پایین به 1800 psi به اضافه تلفات مدار افزایش یابد.

3. پسوند سیلندر

مسیرهای سوپاپ جهت پمپ به انتهای درپوش سیلندر می ریزد. روغن خروجی از انتهای میله از طریق شیر به مخزن باز می گردد و سیلندر گسترش می یابد. یک شیر کنترل جریان{2}}می تواند جریان را برای تنظیم سرعت گسترش محدود کند.

4. پایان سکته مغزی و محدود کردن فشار

هنگامی که سیلندر به انتهای حرکت خود می رسد، از حرکت می ایستد. اگر پمپ به تامین جریان ادامه دهد، فشار به سرعت افزایش می یابد.

در فشار از پیش تعیین شده، شیر تخلیه باز می شود و جریان اضافی را به سمت مخزن منحرف می کند. این امر باعث می شود سیستم از حد فشار ایمن خود تجاوز نکند. کارکردن مداوم در سرتاسر شیر تسکین انرژی را هدر می دهد و گرمای قابل توجهی تولید می کند.

5. عقب نشینی

سوپاپ جهت معکوس می شود و روغن تحت فشار را به سمت میله می فرستد در حالی که روغن از سمت درپوش به مخزن باز می گردد.

میله مساحت موثر پیستون را در حین جمع شدن کاهش می دهد، بنابراین یک سیلندر تک میله ای معمولی در همان فشار نیروی جمع شدن کمتری تولید می کند. با همان جریان ورودی، ممکن است سریعتر جمع شود.

6. تخلیه و خاموش شدن

پس از عملیات، مدار به حالت خنثی باز می گردد. بسته به طراحی آن، پمپ ممکن است تخلیه، تخریب یا متوقف شود.

قبل از تعمیر و نگهداری، فشار ذخیره شده را مطابق با رویه‌های قفل/تاگوت و کاهش فشار سازنده دستگاه آزاد کنید.

سیستم های الکتروهیدرولیک به تکنسین ها اجازه می دهد تا فرمان الکتریکی را با پاسخ هیدرولیک مقایسه کنند. یک اسکوپ یا رابط تشخیصی می‌تواند فرمان ارسال شده به شیر برقی یا پروپورشنال را تأیید کند، در حالی که گیج‌ها و دبی سنج‌ها آنچه را که در مدار اتفاق افتاده را نشان می‌دهند.

اگر PLC فرمان سوپاپ ارسال کرد اما فشار تغییر نکرد، شیر برقی، حرکت قرقره، مدار پیلوت و منبع هیدرولیک را بررسی کنید. اگر دستوری وجود ندارد، با کنترل، سنسور، سیم کشی یا قفل شروع کنید.

سیال هیدرولیک، کاهش فشار و نگهداری

سیال هیدرولیک نیرو را انتقال می دهد، اجزا را روغن کاری می کند، گرما را می برد، آلاینده ها را به فیلترها منتقل می کند و از سطوح در برابر سایش و خوردگی محافظت می کند.

روغن های هیدرولیک معدنی معمولاً با درجه های ویسکوزیته ISO مانند ISO VG 32، 46 و 68 شناسایی می شوند. درجه صحیح به نیاز پمپ و دمای کارکرد بستگی دارد.

روغن سرد چسبناک تر می شود. اگر بیش از حد ضخیم باشد، سیستم ممکن است راه‌اندازی دشوار، افت مکش زیاد، واکنش کند محرک، کاویتاسیون یا بای پس فیلتر را تجربه کند.

دمای بالا ویسکوزیته را کاهش می دهد و ممکن است نشت داخلی را افزایش دهد، فیلم روان کننده را ضعیف کند، اکسیداسیون را تسریع کند و به مهر و موم آسیب برساند.

تجهیزات در آب و هوای سرد شمالی ایالات متحده ممکن است به مایعی با ویسکوزیته پایین-یا با شاخص ویسکوزیته بالا نیاز داشته باشند. ماشین آلاتی که به طور مداوم در آب و هوای گرم جنوبی کار می کنند ممکن است به پایداری حرارتی بیشتر یا درجه ویسکوزیته{4}} بالاتر نیاز داشته باشند. قبل از تعویض روغن، محدوده ویسکوزیته مجاز سازنده پمپ را بررسی کنید.

افت فشار در مدار

سیال با عبور از شیلنگ ها، لوله ها، اتصالات، فیلترها، خنک کننده ها و شیرها فشار خود را از دست می دهد. تلفات با سرعت جریان، طول خط، ویسکوزیته سیال، محدودیت ها و قطر شلنگ ناکافی افزایش می یابد.

با افزایش سرعت جریان، افت فشار به سرعت افزایش می یابد. بنابراین خطوط مکش، فشار و برگشت باید برای سرعت مناسب اندازه‌گیری شوند و تلفات با داده‌های سازنده یا محاسبات افت فشار هیدرولیک بررسی شوند.

نقاط نشتی خارجی رایج شامل اتصالات شلنگ، مهر و موم میله، منیفولد سوپاپ، مهر و موم شفت پمپ، اتصالات و لوله های آسیب دیده است.

شیوه های نگهداری

یک برنامه تعمیر و نگهداری عملی باید شامل کارهای زیر باشد:

سطح مایع، دما، سر و صدای غیر معمول و نشتی های قابل مشاهده را در طول بازرسی های معمول بررسی کنید.

به جای تکیه بر جایگزینی مبتنی بر تقویم، از نشانگرهای محدودیت فیلتر استفاده کنید.

نمونه روغن را از مکان های ثابت تحت شرایط عملیاتی ثابت بگیرید.

آلودگی ذرات، ویسکوزیته، محتوای آب، اکسیداسیون و سایش فلزات را در صورت لزوم آزمایش کنید.

به جای جایگزینی ساده اجزا، تغییرات قابل توجه در تعداد ذرات را بررسی کنید.

شلنگ ها را از نظر سایش، ترک خوردگی، تاول زدن و حرکت در اتصالات بررسی کنید.

هنگام تعویض سیال یا آب بند، سازگاری شیمیایی را تأیید کنید.

تعویض روغن و فیلتر باید از توصیه‌های سازنده تجهیزات، نظارت بر آلودگی، شدت عملکرد و نتایج تجزیه و تحلیل روغن{0}}به جای یک بازه{1}}ساعت کار عمومی پیروی کند.

اندازه و کنترل هیدرولیک

اندازه گیری معمولاً با نیروی بار و سرعت محرک مورد نیاز شروع می شود.

فرض کنید یک ماشین به 30000 پوند بایت از یک سیلندر در حداکثر فشار کاری 2500 psi نیاز دارد. مساحت پیستون مورد نیاز عبارت است از:

A = F ÷ P

= 30,000 ÷ 2،500=12 اینچ مربع

محاسبه حفره از:

A = πD² ÷ 4

بنابراین:

D = √(4A ÷ π)

برای مساحت 12 اینچ:

D ≈ 3.91 اینچ

یک سوراخ استاندارد 4-اینچ یک نقطه شروع معقول است که تابع ضریب ایمنی، اصطکاک، درجه فشار، بارهای نصب و الزامات کمانش میله است.

یک سوراخ 4 اینچی تقریباً دارای مساحت زیر است:

یک=12.57 در²

در 2500 psi، نیروی بسط نظری آن عبارت است از:

F=2، 500 × 12.57 ≈ 31،425 پوند فوت

اگر سرعت گسترش مورد نیاز 4 اینچ بر ثانیه باشد، جریان مورد نیاز عبارت است از:

Q=مساحت × سرعت

Q=12.57 × 4=50.28 در³/s

یک گالن ایالات متحده تقریباً 231 اینچ دارد، بنابراین:

GPM=50.28 × 60 ÷ 231 ≈ 13.1 GPM

پمپ باید تقریباً 13.1 GPM را در فشار مورد نیاز قبل از اجازه کارآیی و هرگونه تقاضای جریان همزمان تأمین کند.

تنظیم شیر کمکی

شیر تسکین باید از کمترین- جزء حیاتی محافظت کند و در عین حال به ماشین اجازه دهد نیروی کار مورد نیاز خود را توسعه دهد.

پیچ تنظیم را نچرخانید تا زمانی که دستگاه سخت‌تر کار می‌کند. فشار طراحی را شناسایی کنید، رتبه بندی قطعات را بررسی کنید، یک گیج کالیبره شده مناسب را وصل کنید، مدار را مطابق روش سرویس تایید شده بارگیری کنید، و شیر را مطابق با مشخصات سازنده تنظیم کنید.

کنترل های الکتروهیدرولیک

سیستم‌های مدرن ممکن است از دریچه‌های نسبی یا سروو که توسط PLC، کنترل‌کننده حرکت یا تقویت‌کننده الکترونیکی کنترل می‌شوند، استفاده کنند.

دریچه های متناسب جریان یا فشار متغیر را کنترل می کنند. دریچه‌های سرو معمولاً زمانی استفاده می‌شوند که پاسخ بسیار سریع و دقیق مورد نیاز باشد، اگرچه آنها به مایع تمیزتر و کنترل‌های پیچیده‌تری نیاز دارند.

هیدرولیک به طور کلی چگالی نیروی بالاتر و تحمل بار بهتر را نسبت به پنوماتیک ارائه می دهد. سیستم‌های پنوماتیکی می‌توانند برای اتوماسیون با سرعت بالا تمیزتر، ساده‌تر و مقرون به صرفه‌تر باشند، اما هوای فشرده بسیار تراکم‌پذیرتر از روغن هیدرولیک است.

چک لیست عیب یابی هیدرولیک

قبل از تعویض قطعات اندازه گیری کنید.

نیروی کم یا کاهش فشار

سطح مایع را بررسی کنید.

فشار خروجی پمپ را اندازه گیری کنید.

تنظیم {0}دریچه تسکین دهنده را تأیید کنید.

بررسی کنید که آیا شیر کمکی باز گیر کرده است یا خیر.

آزمایش جریان پمپ را انجام دهید.

سیلندر یا موتور را از نظر نشتی داخلی بررسی کنید.

شیرهای جهت را از نظر بای پس داخلی بررسی کنید.

حرکت آهسته محرک

جریان واقعی سیستم را اندازه گیری کنید.

محدودیت فیلتر را بررسی کنید.

بررسی سرعت پمپ

تنظیمات کنترل جریان{0}}را بررسی کنید.

نشتی داخلی را بررسی کنید.

افت فشار را در شیلنگ ها و شیرها اندازه گیری کنید.

گرم شدن بیش از حد

بررسی کنید که آیا جریان به طور مداوم از شیر کمکی عبور می کند یا خیر.

سطح روغن و ویسکوزیته را تأیید کنید.

عملکرد کولر را بررسی کنید

نشت داخلی را اندازه گیری کنید.

خطوط کم اندازه یا شیرهای محدود کننده را بررسی کنید.

بررسی کارایی پمپ و شیر

نویز یا کاویتاسیون

سطح مخزن را بررسی کنید.

شلنگ های مکش را از نظر محدودیت و نشت هوا بررسی کنید.

ویسکوزیته روغن را هنگام راه اندازی تأیید کنید.

صافی مکش را بررسی کنید.

فشار ورودی پمپ را بررسی کنید.

به دنبال فوم یا روغن هوادهی باشید.

استفاده از فشارسنج ها، سنسورهای دما و دبی سنج ها در یک توالی منطقی معمولاً عیب را سریعتر از تعویض پمپ یا شیر فقط بر اساس علائم جدا می کند.

مهندسی و پشتیبانی سیستم

یک ماشین‌حساب اندازه‌گیری پمپ و سیلندر با نمونه‌های کار شده، یک بسته کامل CAD مدار هیدرولیک، و یک ارزیابی عملکرد ساختاریافته می‌تواند به تیم مهندسی یا تعمیر و نگهداری کمک کند تا یک نصب موجود یا پیشنهادی را ارزیابی کند.

محصولات مهندسی معمولی شامل آزمایش بار و فشار، نمونه‌برداری روغن، تجزیه و تحلیل آلودگی، بررسی اندازه اجزا، بهینه‌سازی مدار، و بازبینی سیستم بر اساس دستورالعمل‌های ISO 4413 و SAE قابل اجرا است.

در یک وب سایت تجاری، سه مسیر مستقیم به مهندسان بدهید: دانلود ماشین حساب اندازه، درخواست نقشه مدار، یا برنامه ریزی ارزیابی تجهیزات از طریق فرم، تماس تلفنی، یا توزیع کننده محلی. زمان پاسخگویی مورد انتظار را بیان کنید و مشخص کنید که مشتری کدام فایل یا گزارش آزمایشی را دریافت خواهد کرد.

سوالات متداول

قانون پاسکال چگونه نیرو را ضرب می کند و چگونه بر حسب psi و in² محاسبه می شود؟

فشار اعمال شده به سیال هیدرولیک محدود در سراسر سیال منتقل می شود. استفاده کنیدP = F ÷ Aبرای محاسبه فشار وF = P × Aبرای محاسبه نیروی خروجی اعمال 10 پوند به یک پیستون 1 اینچی 10 psi ایجاد می کند. آن فشاری که بر روی یک پیستون 10 اینچی وارد می‌شود، از نظر تئوری 100 پوند فوت تولید می‌کند.

تفاوت پمپ های دنده ای، پره ای و پیستونی چیست؟

پمپ های دنده ای ناهموار، مقرون به صرفه و در کاربردهای جابجایی ثابت-متداول هستند. پمپ های پره ای معمولاً در سیستم های صنعتی نرم و بی صدا کار می کنند. پمپ های پیستونی فشار و راندمان بالایی دارند و اغلب در مواردی که جابجایی متغیر یا کنترل پیشرفته تر مورد نیاز است استفاده می شود.

یک مدار هیدرولیک معمولی چگونه کار می کند؟

پمپ روغن را از مخزن می کشد و شیر جهت جریان را به محرک می فرستد. فشار در پاسخ به بار با امتداد یا جمع شدن سیلندر افزایش می یابد. شیر تسکین فشار بیش از حد را محدود می کند. پس از عملیات، شیر به حالت خنثی باز می گردد و پمپ طبق طراحی مدار تخلیه، تخریب یا متوقف می شود.

چگونه سیال هیدرولیک را انتخاب کنم؟

با الزامات ویسکوزیته سازنده تجهیزات شروع کنید. سپس حداقل دمای راه‌اندازی، دمای عملیاتی معمولی، شاخص ویسکوزیته، الزامات ضد سایش، مقاومت در برابر اکسیداسیون، قرار گرفتن در معرض آب، سازگاری مهر و موم و شرایط محیطی را در نظر بگیرید. درجه ویسکوزیته ISO به تنهایی کافی نیست.

شایع ترین خرابی های سیستم هیدرولیک چیست؟

مشکلات رایج عبارتند از گرمای بیش از حد، کاویتاسیون، صدای زیاد، حرکت آهسته محرک، ناتوانی در ایجاد فشار، نشتی داخلی یا خارجی، روغن آلوده، و خطاهای دریچه. عیب یابی را با اندازه گیری وضعیت سیال، فشار، جریان و دما شروع کنید.

چگونه یک پمپ و سیلندر را برای نیرو و سرعت اندازه کنم؟

مساحت سیلندر را باA = F ÷ P، سپس آن ناحیه را با استفاده از قطر سوراخ تبدیل کنیدD = √(4A ÷ π). پس از انتخاب سیلندر، دبی مورد نیاز برای سرعت هدف را محاسبه کنید:

GPM=مساحت (in²) × سرعت (in/s) × 60 ÷ 231

قبل از انتخاب پمپ و سیلندر، راندمان، چرخه کار، تقاضای همزمان محرک، افت فشار، درجه بندی قطعات و حاشیه ایمنی مناسب را در نظر بگیرید.