الم actuators الهيدروليكية (ويُشار إليها أيضًا باسم الأجهزة الهيدروليكية الخرجية) تحوّل الطاقة الهيدروليكية مجددًا إلى طاقة ميكانيكية. وهي المكان الذي تحدث فيه كل الحركة المرئية والعمل — وهي أول ما يجب أن يفكر فيه أي مهندس تصميم. تنقسم المحركات الهيدروليكية إلى فئتين أساسيتين: خطية (الاسطوانات) ودائرية (المحركات).

أسطوانة هيدروليكية

تُحوِّل الاسطوانة الهيدروليكية الطاقة الهيدروليكية إلى حركة ميكانيكية خطية أو مستقيمة. وعند توصيلها بحمل قابل للحركة، تقوم بإنجاز العمل.

بناء الأسطوانة

وكما ورد في الفصول السابقة، تتكون الاسطوانة الهيدروليكية أساسًا من جسم أسطواني (برميل)، وغطاءين مغلقين في الطرفين، وبستون، وقضيب بستون، ومنفذَي دخول وخروج. ويوجد منفذ واحد في كل طرف — أحدهما لدخول الزيت، والآخر لخروجه.

الشكل ٦-١: اسطوانة هيدروليكية مزدوجة التأثير قياسية. يدخل الزيت من المنفذ الأيسر، مما يؤدي إلى إطالة القضيب؛ بينما يؤدي تدفق الزيت عبر المنفذ الأيمن إلى سحبه.

قوة خرج الاسطوانة

طوال حركة الأسطوانة، تؤثر الطاقة الهيدروليكية على المكبس المتحرك. ولا يتجاوز الضغط الناتج عن هذه الطاقة الهيدروليكية مقاومة الحمولة. ولأسطوانة ذات أبعاد معروفة، نحتاج إلى معرفة الضغط التشغيلي الذي يولّد قوة خرج محددة. ويمكن تحديد ذلك (مع إهمال الاحتكاك) باستخدام المعادلة التالية:

عند استخدام هذه المعادلة، إما أن تكون المساحة والضغط معطيين لإيجاد قوة الخرج، أو تكون المساحة وقوة الخرج معروفتين لإيجاد الضغط. وفي الواقع، نعرف عادةً قطر فتحة الأسطوانة ونحتاج إلى حساب مساحة المكبس — لكن حساب مساحة الدائرة سهلٌ تمامًا مثل حساب مساحة المربع.

مساحة الدائرة

تساوي مساحة الدائرة تقريبًا ٧٨,٥٤٪ من مساحة المربع الذي يساوي طول ضلعه قطر الدائرة. وبصورة أكثر دقة:

معادلة أخرى شائعة الاستخدام:

الشكل ٦-٢: مساحة الدائرة = D² × ٠٫٧٨٥٤. وتُستخدم هذه الصيغة البسيطة باستمرار في حسابات الأسطوانات الهيدروليكية.

سكتة الأسطوانة

إن المسافة التي تؤثر خلالها الطاقة الهيدروليكية تحدد كمية الشغل المنجز — وهذه المسافة هي سكتة الأسطوانة (Stroke). وكما ورد سابقًا، فإن استخدام الضغط الهيدروليكي لتضخيم القوة يبدو وكأنه لا يكلّف شيئًا. وفي بعض الحالات المحددة — عندما يكون النظام في حالة سكون — يمكن لقوة صغيرة أن تُنتج قوةً كبيرة جدًّا دون أي تضحية ظاهرة. لكن إذا أدّت هذه القوة المضخَّمة أيضًا إلى حركة، فهناك تضحية ما: وهي المسافة.

حجم الأسطوانة (السعة التحريكية)

لكل أسطوانة هيدروليكية حجم (سعة تحريكية) يساوي سكتتها (بالبوصة) مضروبًا في مساحة مكبسها (بالبوصة المربعة)، مما يعطي الحجم بالبوصة المكعبة (أو بالسنتيمتر المكعب).

(بوصة³) = (بوصة²) × (بوصة) أو (سم³) = (سم²) × (سم)

مثال: يجب أن يتحرك المكبس العلوي مسافة 2 بوصة (5.08 سم) لكي يتحرك مكبس الأسطوانة السفلي مسافة 1 بوصة (2.54 سم). ويؤدي كلا المكبسين نفس الشغل. ويزيح المكبس العلوي 20 بوصة مكعبة (327.8 سم³) من السائل — ويُزيح مكبس الأسطوانة السفلي نفس الكمية من السائل، أي 20 بوصة مكعبة (327.8 سم³).

سرعة قضيب المكبس

تعتمد سرعة قضيب مكبس الأسطوانة الهيدروليكية على مدى سرعة ملء السائل لغرفة ما وراء المكبس. وصيغ حساب سرعة قضيب المكبس هي:

محرك هيدروليكي

المحرك الهيدروليكي هو جهاز منفذ يحوّل الطاقة الهيدروليكية إلى طاقة ميكانيكية دوّارة. وتُطبَّق هذه الطاقة الدوّارة على الحمولة عبر عمود الدوران.

تركيب المحرك

يتكون جميع المحركات الهيدروليكية أساسًا من غلافٍ مزوَّدٍ بمنفذَي دخول وخروج، وتجميع دوّار متصلٍ بعمود الدوران.

كيف يعمل المحرك الهيدروليكي

المثال الموضح هو محرك هيدروليكي من النوع ذي الزعانف. وتتكون المجموعة الدوارة من دوار وزعانف يمكنها الانزلاق بحرية داخل فتحات الدوار وخارجها. وتُركَّب المجموعة الدوارة بشكل غير متمركز داخل الغلاف؛ بينما يتصل عمود التحريك بالحمل. وعندما يدخل زيت الضغط إلى غرفة المدخل، تؤثر الطاقة الهيدروليكية على الوجه المكشوف للزعانف في غرفة المدخل. وبما أن مساحة الزعنفة العلوية المعرضة لزيت الضغط أكبر، فإن القوة المؤثرة على الدوار تكون غير متوازنة — فيدور الدوار.

وعندما يصل الزيت إلى غرفة الخرج حيث يتناقص الحجم، يُطرَد منها.

الشكل ٦-٦: تشغيل المحرك ذي الألواح. يعمل زيت الضغط على أوجه الألواح. وبما أن مساحة اللوح العلوي المعرَّضة للضغط أكبر من مساحة اللوح السفلي، فإن القوة الناتجة تُدوِّر الدوار.

عزم الدوران

عزم الدوران هو قوة دورانية أو لَوَّاءة. ويعني عزم الدوران قوةً تؤثِّر على بعدٍ ما عن خط مركز العمود. ووحدة عزم الدوران هي الرطل-إنش (أو نيوتن-متر).

معادلة عزم الدوران

يُبيِّن عزم الدوران موقع القوة بالنسبة إلى خط مركز عمود المحرك الهيدروليكي. ومعادلة عزم الدوران هي:

(رطل-إنس) = (أرطال) × (إنشات) أو (نيوتن-متر) = (نيوتن) × (أمتار)

مثال من الشكل: تؤثر قوة مقدارها ٥٠ رطلاً (٢٢٢ نيوتن) على ذراع دوران متصلة بمحور المحرك. والمسافة بين مركز المحور والقوة هي ١٠ بوصة (٠٫٢٥٤ متر). وبالتالي فإن العزم الناتج على المحور هو ٥٠٠ بوصة-رطل (٥٦٫٥ نيوتن·متر). وإذا أثرت نفس القوة البالغة ٥٠ رطلاً (٢٢٢ نيوتن) على ذراع دوران طولها ١٥ بوصة (٠٫٣٨ متر)، فإن العزم المؤثر على المحور يصبح ٧٥٠ بوصة-رطل (٨٤٫٦ نيوتن·متر). وكلما زادت المسافة بين نقطة تأثير القوة ومركز المحور، زاد العزم الناتج. علماً أن العزم لا يتطلب أي حركة.

إن الحمولة المتصلة بمحور محرك الدفع تُنتج عزماً كما ورد في الوصف أعلاه. أما في حالة المحرك الهيدروليكي، فهي تمثّل مقاومةً يجب التغلب عليها بواسطة الضغط الهيدروليكي المؤثر على التجميع الدوار للمحرك.

معادلة عزم المحرك الهيدروليكي

سرعة محور المحرك

تتحدد سرعة محور المحرك الهيدروليكي وفقاً لمعدل حقن السائل. والمعادلة هي:

الطاقة

في الفصول السابقة، تعلّمنا أن القدرة هي معدل إنجاز الشغل، أي: الحصان الميكانيكي = القدم-رطل ÷ الزمن، أو الواط = الجول ÷ الزمن.

القوة الميكانيكية

كما نعلم أن الحصان الميكانيكي (hp) أو الواط (W) هو وحدة القدرة. فإذا دفع أسطوانة هيدروليكية أو محرك هيدروليكي حملاً بقوة ميكانيكية مقدارها ٥٥٠ رطلًا (٢٤٤٢ نيوتن) وحرّكه مسافة قدرها قدم واحد (٠٫٣٠ متر) خلال ثانية واحدة، فإن القدرة المستهلكة تساوي حصانًا ميكانيكيًّا واحدًا (٧٤٦ واط). أما إذا أُنجز نفس الشغل (٥٥٠ قدم-رطل ÷ ٧٤٦ جول) خلال نصف ثانية، فإن سرعة الأداء تتضاعف والقدرة تصبح حصانين ميكانيكيين (١٤٩٠ واط).

الطاقة الهيدروليكية

القدرة الميكانيكية التي ينقلها الأسطوانة أو المحرك إلى الحمولة تساوي القدرة الهيدروليكية المطلوبة من الأسطوانة أو المحرك. ولنظام هيدروليكي يؤدي عملاً بمعدل ٥٥٠ قدم-رطل في الثانية (٧٤٦ جول)، تكون قدرته الهيدروليكية تساوي ١ حصان (٧٤٦ واط). ومع ذلك، في صيغة القدرة الميكانيكية، تُستعاض عن وحدات «القدم (متر)» و«الرطل (نيوتن)» بمصطلحات هيدروليكية هي «الرطل لكل بوصة مربعة (بار)» و«الغالون في الدقيقة (لتر/دقيقة)». ويُستخدم عامل تحويل في حسابات القدرة الهيدروليكية للتعبير عن العلاقة بين «الغالون في الدقيقة» و«الرطل لكل بوصة مربعة» و«القدم» و«الرطل» (أو «اللتر في الدقيقة» و«البار» و«المتر» و«النيوتن»).

حساب القدرة للنظام والأسطوانة

لحساب قدرة الأسطوانة الهيدروليكية أو النظام الهيدروليكي بالكامل:

لحساب القدرة الخارجة للمحرك الهيدروليكي:

مشغِّلات تذبذبية

حتى الآن، ناقشنا المحركات الهيدروليكية ذات المخرج الدوراني والأسطوانات الهيدروليكية ذات المخرج الخطي. والآن سنناقش نوعًا آخر من المحركات التي تُنتج دورانًا محدود الزاوية. ويُسمى هذا النوع بالأسطوانة التذبذبية أو المحرك التذبذبي. وهي تتميّز بهيكلٍ مدمج وبسيط وفعال، وتُنتج عزم دوران عاليًا وتتطلب مساحة تركيب صغيرة جدًّا، كما أن تركيبها سهل.

تُستخدم المحركات التذبذبية في تحديد المواضع (التنصيف) في أدوات الآلات، وعمليات الثني، ورفع أو تدوير الأجسام الثقيلة، وقلب الأجسام، والتثبيت الموضعي، وأجهزة التثبيت أثناء التشغيل، والتحكم البحري، وتشغيل الصمامات، وغيرها.

أنواع المحركات التذبذبية

توجد أنواع عديدة من الأسطوانات التذبذبية. وأبسطها هو آلية تذبذبية يُدارها أسطوانة هيدروليكية خطية، حيث يُثبَّت طرف جسم الأسطوانة بواسطة دبوس، بينما يتصل عمود المكبس بذراع كرنك يُدير عمودًا للدوران. ويمكن التحكم في هذه الأسطوانة التذبذبية بواسطة صمام اتجاهي رباعي المسارات، مع وجود مفتاحَي نهاية مسار عند طرفي الحركة.

مثل جميع الأجهزة الميكانيكية، يمتلك هذا المحرك التذبذبي القائم على الأسطوانة الخطية بعض الخصائص الأساسية، ومنها إمكانية تجميعه من أجزاء قياسية جاهزة للشراء، ما يمنح المصمِّمين مرونةً كبيرةً ويُبقي التكاليف منخفضةً بفضل سهولة توفر قطع الغيار.

ومع ذلك، فإن هذا النوع من المحركات التذبذبية يحتوي أيضًا على خصائص غير مرغوبٍ فيها: حيث يبقى عمود المكبس غير محميٍّ ويتماس مباشرةً مع البيئة المحيطة، لا سيما وأن آلية الكرنك عادةً ما تكون غير محكمة الإغلاق، مما يشكِّل مخاطر أمنية. كما أن عمود الدوران يحمل عادةً أحمالًا جانبية كبيرةً، ما يؤدي إلى الفشل المبكر، والتآكل المفرط، والارتباط أو الالتصاق.

وبالنسبة لهذا النوع المحدد من المحركات التذبذبية، يجب أن تكون الأسطوانة الهيدروليكية حرة في التأرجح، وبالتالي لا بد من استخدام وصلات أنابيب مرنة، كما أن عزم الدوران الناتج لا يكون ثابتًا طوال مسار الأسطوانة.

أسطوانة تذبذبية مغلقة

الأسطوانة التذبذبية المغلقة المُرفقة تشبه جدًا آلية التذبذب القائمة على الأسطوانة الخطية المذكورة أعلاه. وتتميّز هذه الأسطوانة المغلقة بغطاء واقٍ يغلف قضيب المكبس والذراع المنحني. وعادةً ما يحتوي عمود الدوران على دعائم إضافية لمحامل لمنع حدوث أحمال جانبية شديدة. ويمكن تركيب هذا النوع من الأسطوانات بصمامات كهرومغناطيسية أو مفاتيح نهاية مسار أو مفاتيح تحديد طول المسار. كما يمكن عادةً ضبط مدى حركة المسار بين حوالي ٨٥° و١٠٠°.

أسطوانة تذبذبية ذات رجوع بواسطة زنبرك

نوع آخر هو الأسطوانة التذبذبية ذات الرجوع بواسطة الزنبرك، والتي تستخدم أسطوانة هيدروليكية مزوَّدة بزنبرك رجوع لإعادة عمود الدوران إلى موضعه الأصلي. ويمكن لهذه الأسطوانات التذبذبية ذات الرجوع بالزنبرك أن تُخرِج عزومًا دورانية تصل إلى ٥٠٠٠ رطل-إنش (٥٦٥ نيوتن-متر).

أسطوانة تذبذبية ذات ترس وسناد

أكثر أنواع الأسطوانات التذبذبية شيوعًا هو النوع ذو الترس والسناد. ويمكن لهذا النوع الحفاظ على عزم دوران خرج ثابت في كلا الاتجاهين طوال الدورة الكاملة للدوران. وفي هذه التكوينة، يؤثر الضغط الهيدروليكي على المكبس، مما يدفع السناد المتصل بالمكبس، والذي بدوره يُدير ترس الترس ليُدوّر العمود. وتبلغ زوايا الدوران القياسية للأسطوانات ذات الترس والسناد ٩٠° أو ١٨٠° أو ٣٦٠° أو حتى أكبر من ذلك. ويمكن أن تصل عزوم الخرج للأسطوانات ذات الترس والسناد إلى ٥٢٬٠٠٠٬٠٠٠ رطل-إنش (٥٬٨٧٦٬٠٠٠ نيوتن-متر).

محرّك تذبذبي ذي شفرة

ويتوفر أيضًا محرّك تذبذبي ذي شفرة. ويمكن أن يكون هذا النوع ذا شفرة واحدة أو متعدد الشفرات. ويستطيع المحرّك ذي الشفرة الواحدة الدوران بمقدار ٢٨٠°، بينما يستطيع المحرّك ذا الشفرتين الدوران بمقدار ٢٠٠°. وعزم الخرج للمحرّك ذي الشفرتين يساوي ضعف عزم الخرج للمحرّك ذي الشفرة الواحدة. ويمكن لهذا النوع من المحركات التذبذبية تحقيق عزوم خرج تصل إلى ٥٠٠٬٠٠٠ رطل-إنش (نيوتن-متر).

محرّك تذبذبي حلزوني ذي أسنان مسننة

يوجد نوع آخر من المحركات التذبذبية التي تولِّد العزم باستخدام آلية مسننة حلزونية. وتسمح التغيرات في طول المسنن والخطوة بتعديل سكتة الدوران على نطاق واسع. ويتكوَّن هذا النوع من المحركات التذبذبية من عمود مسنن حلزوني واحد، مع غلاف أسطواني داخلي مسنن يحيط بالعمود — ويتم تقييد دوران الغلاف الأسطواني بواسطة قضبان توجيه. وعندما يتحرك الغلاف الأسطواني داخل الأسطوانة، فإنه يُحرِّك العمود المسنن ليقوم بالدوران. وتشمل سكتات الدوران القياسية: ٩٠°، و١٨٠°، و٢٧٠°، و٣٦٠°، مع عزوم خرج تصل إلى ١٬٠٠٠٬٠٠٠ رطل-بوصة (١٣٬٠٠٠ نيوتن-متر).

محرك تذبذبي يعمل بالسلسلة والترس المسنن

تستخدم المحركات التذبذبية العاملة بالسلسلة والترس المسنن المكابس والسلسلة والترسين المسننين لتدوير العمود. ويتضمَّن هذا المشغِّل عادةً مكبسًا كبيرًا واحدًا (كجهاز محرك) لسحب السلسلة، ومكبسًا صغيرًا لمنع تسرب الزيت عبر مسار السلسلة العائد. ويمكن أن تصل عزوم الخرج إلى نحو ٢٣٬٠٠٠ رطل-بوصة (٢٬٥٩٩ نيوتن-متر)، كما يمكن أن تصل درجة دوران عمود القيادة إلى خمس دورات كاملة أو ١٬٨٠٠°.

لتحديد الأسطوانة التذبذبية الأنسب لتطبيق معين، يجب أخذ عوامل متعددة في الاعتبار، مثل العزم والسرعة وطريقة التشغيل. وسنشرح عملية اختيار المحرك التذبذبي الفعلي في فصل آخر، ونناقش بالتفصيل كيفية تحديد ما إذا كان المحرك أحادي أو ثنائي التأثير، وما إذا كان من الضروري استخدام نظام تحديد الموضع الحلقي المغلق، وما إذا كانت الحاجة إلى وظيفة التخفيف موجودة أم لا، إلخ. كما سيتم تحليل تردد التشغيل أو فترة الدورة.

ملخص سرعة المشغِّل

تعتمد السرعة الخطية لقضيب مكبس الأسطوانة الهيدروليكية على السرعة التي يضخ بها المضخة السائل إلى غرفة المكبس داخل الأسطوانة (غالون/دقيقة أو لتر/دقيقة). أما السرعة الدورانية لمُحور محرك هيدروليكي فتعتمد على معدل التدفق (غالون/دقيقة أو لتر/دقيقة) الذي يُحقن في المحرك الهيدروليكي.

ملخص القوة الخارجة من المشغِّل

يُعبَّر عن قوة الخرج للأسطوانة بوحدة الرطل لكل بوصة مربعة (psi) أو البار (bar) — أما قوة الخرج على عمود دوران المحرك فهي تتحدد وفقًا للضغط المؤثر على المساحة المكشوفة من التجميع الدوار للمحرك. أما القدرة الناتجة عن المشغِّل فهي دالةٌ على سرعة المشغِّل مضروبةً في قوة خرجه.

أما بالنسبة للأسطوانات، فتُعبَّر قوة الخرج بوحدة الرطل لكل بوصة مربعة (psi)، وسرعة قضيب المكبس بوحدة الجالونات لكل دقيقة (gpm). والثابت 0.000583 يصف العلاقة بين وحدتي psi وgpm والقدرة. أما بالنسبة للمحركات، فتُعبَّر قوة الخرج فيها بوحدة العزم (torque)، وسرعة تشغيل المحرك بوحدة الدورات لكل دقيقة (rpm). والثابت 63025 يصف العلاقة بين وحدتي rpm والعزم والقدرة.