هيدروليك

توسعه علم هيدروليك زماني شروع شد كه پاسكال دانشمند فرانسوي قوانين مربوط به فشار را كشف كرد(۱۶۵۰ ميلادي) و هيدروليك را به عنوان يك علم نوين پايه گذاري نمود. از آن تاريخ به بعد دوران شكوفايي هيدروليك پديد آمد و اين علم به نحو چشمگيري وارد بازار گرديد. امروزه هيدروليك در ساختمان ماشين آلات صنعتي، كشاورزي، راهسازي، هواپيمايي، كشتي سازي، اتوموبيل سازي، ماشينهاي ابزار، تاسيسات صنايع سنگين، معدن و . . . در مقياس وسيعي استفاده ميشود و روز به روز نيز افزايش ميابد.
هيدروليك فن آوري توليد، كنترل و انتقال قدرت توسط سيال تحت فشار است. بطور كلي يك سيستم هيدروليك چهار كار اساسي انجام ميدهد:

• تبديل انرژي مكانيكي به قدرت سيال تحت فشار بوسيله پمپها
• انتقال سيال تا نقاط مورد نظر توسط لوله ها و شلنگها
• كنترل فشار، جهت و جريان سيال توسط شيرها
• انجام كار توسط عملگرها

قانون پاسكال:
قانون پاسكال پايه هيدروليك نوين است. اين قانون بيان ميكند كه فشار وارده به هر نقطه از يك مايع محدود بطور مساوي در تمام جهات منتقل شده و با نيروي مساوي بر رو سطوح مساوي اثر ميكند.

قوانين پايه در هيدروليك:
• سيال تحت فشار همواره مسير با مقاومت كمتر را براي عبور انتخاب ميكند
• پمپ توليد دبي ميكند نه فشار
• فشار تنها در برابر مقاومت يك مانع ايجاد ميشود
اصول كليدي فوق اگرچه ساده به نظر ميرسند ولي پايه واساس علم هيدروليك ميباشند. با داشتن درك صحيحي از اين قوانين به راحتي ميتوان حركت سيال در خطوط انتقال را دنبال و عملكرد سيستم را تحليل نمود

 

فشار :
فشار نتيجه مقاومت در مقابل حركت سيال ميباشد. براي محاسبه رياضي فشار، نيرو را بر سطح تقسيم مينمايند. واحد فشار “بار” ميباشد. در هيدروليك عملي معمولا كيلوگرم بر سانتي متر مربع برابر يك بار است. براي مثال اگر نيروي مقاوم در يك سيلندر هيدروليك با قطر پيستون ۲۰cm برابر ۵۰۰۰kgf باشد، فشار ايجاد شده در پشت سيلندر از رابطه زير حساب ميشود:

Pressure (bar)=Force( kgf)/Area (cm2)
diameter=10cm >> Area=314cm2 >> pressure= 5000/314=15.9 bar
تعيين فشار كاري سيستم

براي تعيين سطح فشار در يك سيستم هيدروليك بايد در نظر داشت كه با بالا بردن فشار ميتوان از المانهاي هيدروليكي كوچكتري براي رسيدن به تناژ مورد نظر، استفاده نمود. همچنين قطر لوله ها را ميتوان كوچكتر انتخاب نمود. در نتيجه، هزينه ساخت سیستم كاهش مي يابد. از طرف ديگر با افزايش فشار، دماي روغن در سيستم زودتر افزايش ميابد، نشتي ها بيشتر و اصطكاك و سايش نيز افزايش ميابد. در نتيجه فاصله انجام سرويس ها بايد كوتاهتر شود. همچنين نويز و پيكهاي فشاري نيز افزايش يافته و خواص مطلوب ديناميكي سيستم كاهش مي يابد.

فشارهاي نامي در هيدروليك (bar )
1 10 100 1000
1.6 16 160 1600
2.5 25 250 2500
4 40 400 4000
6 63 630 6300

فشار كاري سيستمهاي هيدروليك متداول(bar)
20-75 ماشينهاي ابزار
۱۰۰-۵۰۰ پرسها
۲۰۰-۴۰۰ ماشينهاي تزريق پلاستيك
۵۰-۳۵۰ كشتي سازي
۵۰-۲۵۰ هواپيما سازي
۱۰۰-۱۵۰ ماشين آلات كشاورزي
۱۰۰-۲۵۰ ماشينهاي راهسازي
۱۰۰-۳۰۰ وسايل نقليه تجاري
۱۰۰-۴۰۰ نورد كاري

واحد PSI
از واحدهاي متداول فشارPSI ميباشد. يك PSI معادل يك پوند نيرو بر اينچ مربع ميباشد.
• براي تبديل PSI به bar ، مقدار فشار مورد نظر را در ۰٫۰۶۸ ( تقريبا ۰٫۰۷ )ضرب نمائيد. براي مثال ۱۰۰۰PSI معادل ۶۸bar ميباشد.
• براي تبديل bar به PSI ، مقدار فشار را در ۱۴٫۷ ضرب نمائيد. براي مثال ۱۰۰bar معادل ۱۴۷۰PSI ميباشد.

احتياج روز افزون صنايع به تكنيك مهندسي كنترل و پيدايش و توسعه وسائل و ابزاريكه مورد كاربرد اين چنين سيستمهاي كنترلي قرار ميگيرد، ايجاب ميكند آن وسايل و قطعات از نقطه نظر نحوه كار و وظيفه شان در سيستم داراي علائم واحد و يا استاندارد شده اي باشند، كه هم طراحان بتوانند سريعتر و راحت تر طرح خود را پياده كنند و هم پرسنل مرتبط با چنين سيستمهايي بتوانند طرح مزبور را سريع تر و راحت تر بخوانند و با دستگاه كار كنند.

مجموعه يك صفحه اي از نمادهاي المانهاي پركاربرد هيدروليك

سيلندرهاي هيدروليك جريان سيال تحت فشار را به حركت خطي ميله پيستون تبديل ميكنند و داراي انواع يككاره و دو كاره ميباشند. در نوع يككاره برگشت به موضع اوليه توسط فنر يا نيروي ثقلي بار صورت ميپذيرد ولي در نوع دو كاره عمل رفت و برگشت تحت كنترل سيال هيدروليكي انجام ميشود.
در انتخاب سيلندرهاي هيدروليك موارد ذيل بايد در نظر گرفته شود:

• حداكثر فشار كاري سيستم
• قطر پيستون و ميله پيستون
• نیروی سیلندر

• حداكثر نيروي سيلندر
• طول كورس سيلندر
• حداكثر سرعت سيلندر
• نحوه نصب سيلندر

• وجود ضربه گير
• نوع و كاربرد سيلندر
مشکلات اساسی در ارتباط با سیلندرهای هیدرولیک
• بارگذاری غیر محوری
• نصب نامناسب

• کمانش در میل پیستون
• محاسبات نادرست در شتابگیری و کاهش سرعت بار
• بارهای ضربه ای سنگین
• نشتی های داخلی و خارجی

• تقویت فشار ناخواسته
• سرعت و ترتیب حرکت نادرست

محاسبات نيرو و سرعت سيلندر
براي دستيابي به تناژ مورد نظر ابتدا سطح فشار كاري بايد تعيين گردد. براي مثال فشار ۱۲۰bar در صنعت متداول ميباشد. با توجه به فشار كاري و نيروي مورد نياز، سطح مقطع سيلندر از رابطه ذيل تعيين ميگردد.
F (kgf)=P(bar)XA(cm2)

براي مثال براي دستيابي به ۵ تن نيرو در فشار ۱۲۰bar داريم:
۵۰۰۰= ۱۲۰xA >> A= 41.7 cm2 >> D= 7.3 cm >> D=8 cm (سايز موجود سيلندر)
سرعت حركت سيلندر متناسب با دبي ورودي به آن تعيين ميگردد. با توجه به نياز سيستم ، سرعت حركت را طراح مشخص مينمايد. معمولا تامين سرعتهاي بيش از ۰٫۱m/sec و كمتر از ۰٫۰۱m/sec نياز به تمهيدات خاص در سيستم دارد. سرعت سيلندر از رابطه ذيل حساب ميشود:
V(m/sec)=Q(lit/sec)/6XA(cm2)

براي مثال براي سرعت سيلندر با قطر ۸cm و دبي ورودي ۲۰lit/sec داريم:
A=50.24 >> V= 20/6X50.24 = 0.066 m/sec= 6.6 cm/sec
در صورتيكه سرعت محاسبه شده مطلوب طراح نباشد لازم است مقدار دبي كاهش يابد. براي مثال با ورود ۱۰lit/sec روغن به اين سيلندر، سرعت نيز نصف ميشود و تا ۳٫۳cm/sec كاهش ميابد.

مدار كنترل سرعت سيلندرهاي هيدروليك

Meter In and Meterout circuit
Bleed-off circuit

Variable-volume pump
Variable feed
مدار حركت سنكرون سيلندر

Replenishing

Rack and pinion

پمپ ها :

پمپ به عنوان قلب سیستم هیدرولیک، توان مکانیکی را که بوسیله موتورهای الکتریکی یا احتراق داخلی تامین می گردد به توان هیدرولیکی تبدیل می کند. پمپ فقط مولد جریان سیال بوده و سطح فشار ایجاد شده به میزان بار مقاومی که توسط عملگر سیستم هیدرولیک بر آن غلبه ميشود، بستگی دارد.
پمپ جابجايي مثبت به ازاء هر دو ر چرخش محور پمپ ،مقدار مشخصي از سيال را به سيستم هيدروليك ارسال مينمايد. پمپ جابجائی مثبت (دبی ثابت و متغییر ) شامل انواع پمپ دنده ای ، پره ای و پیستونی محوری و شعاعی ميباشد.

پمپ پيستوني پمپ پره اي

در انتخاب پمپهاي با جابجايي ثابت موارد ذيل بايد در نظر گرفته شود:

• قطر دهانه هاي پمپ
• فشار كاري در خروجي پمپ
• فشار كاري در ورودي پمپ
• سرعت دوران پمپ
• حجم جابجايي روغن

• دبي موثر
• توان موتور محرك پمپ
• دماي كاري روغن
• درجه ويسكوزيته
• فيلتراسيون

نحوه انتخاب پمپهاي هيدروليك
اولين مرحله در انتخاب مدار تغذيه و تعيين پمپ مناسب براي يك كاربرد معين در سيستمهاي هيدروليك، بررسي ميزان فشار و جريان مورد نياز در مدار است. ابتدا منحني هاي جريان و فشار در يك سيكل زماني بايد بررسي شود. سپس همزماني مصرف درالمانهاي مختلف تعيين گردد. بدين نحو حداكثر جريان مورد نياز مشخص ميگردد. براي تعيين يك مدار تغذيه مناسب به موارد ذيل بايد توجه نمود:

۱) در سايزينگ پمپ ها در عمل حدود ده درصد به دبي تعيين شده از طريق محاسبات تئوريك اضافه مينمايند.
۲) در انتخاب شير اطمينان (فشار شكن)، فشار تنظيمي بايد ده درصد بيشتر از فشار كاري سيستم باشد.
هر دو مورد (۱) و (۲) باعث ميشود توان بيشتري در سيستم هيدروليك تزريق شود.
با تعیین فشار کاری و دبی مصرفی روغن، توان مورد نیاز براي الكتروموتور گرداننده پمپ در سیستم با استفاده از فرمول زیر محاسبه میشود :
P(KW) = [Q(lit/min) X p(bar)]/600

در اين رابطه P توان ، Q دبي و p فشار ميباشد. رابطه فوق بدون در نظر گرفتن راندمانهاي مكانيكي و حجمي ارائه شده است.
براي مثال توان الكترو موتور در سيستم هيدروليكي با فشار كاري ۱۲۰bar و دبي ۳۰lit/min به صورت زير محاسبه ميشود:
P= 30X120/600 =6 kW
رنج توانهاي استاندارد الكتروموتورها(kW)
22 18.5 15 11 7.5 5.5 4 3 2.2 1.5
با توجه به رنج استاندارد توان الكترو موتورها ، مقدار ۷٫۵kW مناسب ميباشد.

مدار Unloading پمپ

Pressure-compensated pump
Hi-lo circuit

)شيرهاي راه دهنده
اين شيرها وسيله اي جهت باز كردن و يا بستن مسير جريان بوده كه در اثر اين عمل حركت سيستم شروع يا متوقف ميشود.

تعاريف اوليه شير:
• موضع شير: بيانگر حالت يا وضعيت شير ميباشد ، براي مثال موضع باز يا موضع بسته
• موضع سوئيچي: هر شير توسط قسمت متحركي مانند فنر ميتواند موضع معینی به خود بگيرد، بطور مثال باز يا بسته. هر موضع سوئيچ شده توسط يك مربع نمايش داده ميشود.. مربعهايي كه در كنار هم قرار دارند، نشانگر تعداد موضعهاي سوئيچي شير مذكور ميباشد. به طور مثال دو مربع يعني دو موضع سوئيچي. مسير و جهت جريان در داخل مربعها مشخص ميگزدد.
• موضع سكون يا نرمال: به موضعي گفته ميشود كه شير قبل از تحریک به خود ميگيرد.

نحوه نام گذاری شير:
نام شير بستگي به تعداد مواضع سوئيچي و تعداد دهانه هاي آن شير دارد. به طور مثال شير راه دهنده ۲/۳ (خوانده ميشود سه-دو) يعني شيري كه داراي ۳ دهانه و دو موضع سوئيچي ميباشد. البته در موقع بيان نام شير، حالت موضع سكون شير نيز بيان ميشود. براي مثال شير ۴/۳ با موضع نرمال بسته. انواع متداول شيرهاي راه دهنده به صورت ۵/۳ , ۵/۲ , ۴/۳ , ۴/۲ , ۳/۲ , ۲/۲ ميباشد.

تحريك شير:
شيرها توسط انواع مكانيزمهاي دستي، برقي، مكانيكي، هيدروليكي و پنوماتيكي قابل تحريك ميباشند.

شير ۳/۴ موضع نرمال بسته با تحريك برقي
در صورتي كه دبي عبوري از شير بيش از حد معيني باشد، تحريك مستقيم شير از طريق سولنوئيد امكانپذير نميباشد.

در اينصورت از شيرهاي با تحريك پيلوتي استفاده ميشود. اين شيرها در اصل تركيب دو شير هيدروليك ميباشند كه به صورت دو طبقه روي هم قرار ميگيرند. تحريك شير كوچكتر باعث انتقال روغن تحت فشار به دو طرف اسپول شير اصلي ميشود. به اين ترتيب اسپول اصلي جابجا شده و روغن به سمت مصرف كننده منتقل ميشود.

۲) شيرهاي قطع و وصل

اين شيرها به منظور قطع و وصل جريان استفاده ميشوند. مكانيزم كار اين شيرها ميتواند به صورت نشستني يا كشويي باشد. شير قطع و وصل ميتواند عبور جريان را به صورت غير پله أي كم و زياد نمايد.
۳) شيرهاي يكسو كننده

شيرهاي يكسو كننده وسيله اي هستند كه اجازه عبور جريان را فقط در يك جهت ميدهند و از جهت مقابل مانع عبور جريان ميگردند و بدين جهت آنها را شير با مانع برگشت نيز مينامند.

شيرهاي كنترل فشار :

شيرهاي كنترل فشار وسيله أي در سيستم هاي هيدروليك ميباشند كه توسط آنها ميتوان فشار سيستم را تعيين، محدود و يا كاهش داد و بطور كل فشار سيستم تحت تاثير آنها قرار ميگيرد

۱) شير محدود كننده فشار : اين شير براي محدود كردن فشار سيستم هاي هيدروليكي بكار گرفته ميشود و ميتواند سيستم را از افزایش فشارهايي كه در اثر ازدياد بار در سيستم پديد ميايد، حفظ نمايد. حداكثر فشار تنظيم شده در اين شير معمولا بيش از حداكثر فشار كاري مصرف كننده ميباشد.

شير محدود كننده فشار يا Relief Valve از پر كاربردترين انواع شيرهاي كنترل فشار ميباشد. از اين شير جهت محافظت از پمپ و اجزائ سيستم در مقابل افزايش فشار استفاده ميشود. همچنين حداكثر قدرت سيلندر و هيدروموتور توسط اين شير محدود ميگردد.
شير محدود كننده فشار يك شير با موضع نرمال بسته است كه در هنگام رسيدن فشار به مقدار معين ، جريان اضافي را از پمپ به مخزن باز گردانده و سطح فشار را در حد تنظيمي نگه ميدارد.

شيرهاي محدود كننده فشار باتوجه به ميزان دبي عبوري به دو نوع ساده و پيلوتي تقسيم ميشوند. نوع پيلوتي به صورت تركيب دو شير عمل نموده و امكان عبور حجم روغن خيلي زياد را دارا ميباشد.

۲)شير كاهش دهنده فشار (رگولاتور فشار) : براي آنكه فشار ورودي به مصرف کننده را تقليل داده و به حد پايين تر برسانيم و همچنين براي اينكه فشار خروجي هميشه حتي در مقابل نوسانات فشار ورودي در حد معيني ثابت بماند، از شير كاهش دهنده فشار استفاده ميگردد.

نكته مهم : به منظور تشخيص علامت مداري بين شير محدود كننده فشار و شير كاهش دهنده فشار بايستي به دو نكته توجه نمود.
• شير محدود كننده فشار در موضع سكون بسته است و سيگنال كنترلي از قسمت ورودي ميايد.
• شير كاهش دهنده فشار در موضع سكون باز است و سيگنال كنترلي از قسمت خروجي ميايد.

۳) شير تابع فشار : وقتيكه در يك سيستم هيدروليك فشار بحد معيني برسد، شير تابع فشار موجود در مسير در اثر تابعيت از فشار باز شده و اجازه عبور جريان را به قسمتهاي ديگر سيستم ميدهد.

۴) شير كانتربالانس : اين شير مقاومت كافي در مقابل عبور جريان در يك جهت را ايجاد نموده اما در جهت ديگر اجازه عبور آزاد را ميدهد.

۵) شير بي باركننده : اين شير جريان ارسالي از پمپهاي جابجايي مثبت را در مواقعيكه سيستم هيدروليك زير بار نيست، در فشار صفر به مخزن تخليه نموده و از مصرف توان و اتلاف حرارتي ناشي از تخليه سيال از طريق شير اطمينان در فشار بالا، كاسته ميشود

شيرهاي كنترل جريان :

از شيرهاي كنترل جريان جهت تنظيم سرعت سيلندرها و موتورهاي هيدروليكي بوسيله تغيير ميزان دبي ورودي يا خروجي آنها استفاده ميشود.
شير كنترل جريان با باز و بسته كردن يك گلويي مسير عبور روغن را تنگ يا گشاد مينمايد. تنگ شدن مسير باعث افزايش فشار روغن عبوري ميشود. فشار مورد نظر باعث باز شدن شير فشار شكن در ابتداي مسير ميگردد. در نتيجه روغن اضافي از طريق اين شير به مخزن باز ميگردد. از آنجا كه اين روغن با فشار تخليه ميشود، توان موجود در آن تبديل به گرما شده و باعث افزايش دماي روغن ميگردد.

سرعت تنظيم شده توسط شيرهاي گلويي ساده تابع بار و تغييرات فشار ميباشد. و در صورت كاهش مقدار بار متحرك، سرعت افزايش ميابد و در نتيجه نميتوان سرعت ثابتي بدست آورد.

براي ايجاد سرعت ثابت از شيرهاي كنترل جريان با مكانيزم جبران كننده فشار استفاده ميشود. سرعت توسط اين شيرها تابع تغييرات بار نبوده و نسبتا ثابت خواهد بود.
كنترل سرعت سيلندر توسط روش Meter In و Meter Out
در روش Meter In توسط ايجاد گلوگاه در پورت ورودي سيلندر، مقدار روغن ورودي به آن را كاهش داده و بدين ترتيب سرعت سيلندر را در حد مطلوب تنظيم مينمايند.

Meter Out در روش Meter Out ايجاد گلوگاه در مسير پورت خروجي روغن از سيلندر انجام ميشود.
هر دو روش مذكور براي كنترل سرعت سيستمهاي هيدروليك متداول ميباشد. در استفاده از روش Meter Out در سيلندرها بايد به فشار سازي مضاعف در سمت ميل پيستون توجه نمود. در عوض اين روش در هيدرو موتورها باعث تخليه روغن اضافي از پورت Drain موتور ميگردد.

موتورهاي هيدروليك :

موتورهاي هيدروليك عملگرهايي با دوران مداوم هستند كه جهت ايجاد گشتاور لازم براي دوران بار چرخشي مورد استفاده قرار ميگيرند. اين عملگرها در انواع دنده اي، پره اي و پيستوني طبقه بندي ميشوند.
برای انتخاب یک هیدروموتور حداقل موارد ذیل باید مشخص گردد:

 

• حجم جابجایی روغن بر حسب cm3
• حداکثر دبی مجاز عبوری از موتور و حداکثر سرعت
• ثابت گشتاور برحسب Nm/bar . توسط این ثابت میتوان مقدار گشتاور موتور را در فشار های کاری مختلف محاسبه نمود.
• حداکثر گشتاور موتور در اختلاف فشار ماکزیمم بر حسب Nm
كاربرد شيرهاي كنترل فشار در مدار هيدروموتور جهت حفاظت از Overload

 

محاسبات گشتاور، سرعت و توان :
تعيين گشتاور و سايز هيدروموتور :
T(N.m) = 0.016 X ∆P (bar) X Vg(cm3)

در اين رابطه T گشتاور هيدروموتور ، ∆P اختلاف فشار ورودي و خروجي و Vg حجم جابجايي هيدروموتور ميباشد. اين رابطه كاملا مشابه رابطه F = P X A براي محاسبه نيروي سيلندر ميباشد. از آنجا كه حركت ها در سيلندر خطي و در هيدروموتور دوراني ميباشد، به جاي نيروي F گشتاور T و به جاي سطح پيستون A حجم جابجايي Vg جايگزين ميشود.
براي مثال گشتاور هيدروموتوري با جابجايي حجمي ۳۰۰cm3 و اختلاف فشار ۲۰۰bar از رابطه ذيل حساب ميشود:
T= 0.016 X 200 X 300 = 960 N.m

۹۶۰N.m معادل ۹۶kgf.m ميباشد. اين بدان معناست كه هيدروموتور فوق براي چرخاندن يك بار به وزن ۹۶kg با بازوي دوران ۱m مناسب ميباشد. در صورتي كه بار مورد نظر بيش از اين مقدار باشد و نتوان فشار بيشتري در سيستم ايجاد نمود ، لازم است از هيدروموتوري با حجم جابجايي بزرگتر استفاده نمود. البته بايد به خاطر داشت بزرگ شدن حجم موتور نياز سيستم به مقدار روغن را براي ثبات سرعت، افزايش ميدهد.

تعيين سرعت دوران و دبي هيدروموتور:
N(rpm) = 1000 X Q(lit/min) / Vg(cm3)
در اين رابطه N سرعت دوران هيدرو موتور، Q دبي مورد نياز و Vg حجم جابجايي هيدروموتور ميباشد.
تعيين توان هيدروموتور :

P (Kw) = T(N.m) X N (rpm) / (9550)
در اين رابطه P توان هيدروموتور ، T گشتاور و N سرعت دوران هيدرو موتور ميباشد.
لازم به ذكر است روابط فوق بدون در نظر گرفتن بازده مكانيكي و حجمي ارائه شده است. در عمل مقادير بازده در گشتاور واقعي و توان مصرفي تاثير ميگذارد.

مدارهاي كنترل هيدروموتورها

سيستم ترمز

ارتباط سري و موازي

پمپ اصلي و پمپ جبران كننده

عملگرهاي دوراني
محور اين عملگرها، با استفاده از قدرت سيال تحت فشار در زواياي محدود و ثابت دوران ميكند. زاويه چرخش اين عملگرها توسط سيستمهاي متوقف كننده مكانيكي بصورت داخلي يا خارجي محدود ميگردد.

فيلترها :
بسیاری از عملکردهای نا مناسب در سیستم هیدرولیک ناشی از روغنهای بسیار کثیف می باشد.

انواع فيلتر در سيستمهاي هيدروليك:
• فيلتر خط مكش
• فيلتر خط فشار
• فيلتر خط برگشت
• فيلتر باي پس