Než si budeme povídat o přenosu energie kapalinami, musíme pochopit několik vlastností kapalin a způsob, jakým se síla v nich přenáší. To nám pomůže pochopit, proč hydraulika funguje právě tak, jak funguje.

Tekutina

Tekutina je jakákoli látka, která nemá pevný tvar. Mezi tekutiny patří jak kapaliny, tak plyny.

Tekutiny

Kapalina, stejně jako plyn, je složena z molekul. Na rozdíl od plynu jsou však molekuly v kapalině vzájemně silněji přitaženy a jsou těsně u sebe – avšak ne natolik, aby byly v pevných pozicích jako v pevné látce. Právě proto kapalina volně proteče a přebere tvar své nádoby.

Obrázek 2-1: Molekuly kapaliny (dole) jsou těsně zabalené a neustále se pohybují, zatímco molekuly plynu (nahoře) jsou od sebe vzdálené.

Molekulární kinetická energie

Molekuly uvnitř kapaliny jsou neustále v pohybu – i tehdy, když kapalina vypadá naprosto klidně. Neustále se po sobě kloužou a kloužou. Tento molekulární pohyb se nazývá vnitřní energie kapaliny.

Kapaliny přebírají tvar své nádoby

Díky tomuto neustálému molekulárnímu klouzání tekutina proteče a vyplní jakýkoli nádobu, ve které se nachází. Ať je tekutiny mnoho nebo málo, vždy zaujme tvar nádoby. Tato vlastnost je úzce spojena s viskozitou, která je popsána v pozdějších kapitolách.

Kapaliny jsou relativně nestlačitelné

Protože molekuly kapalin jsou navzájem velmi blízko u sebe, chovají se kapaliny v jednom důležitém ohledu jako pevné látky: jsou relativně nestlačitelné – nelze je stlačit do výrazně menšího objemu.

Právě proto potápěči vstupují do vody nohama nebo rukama napřed (tzv. „nůžkový vstup“) místo toho, aby dopadli břichem. Voda se při nárazu velké ploché plochy nemůže dostatečně rychle ustoupit a náraz je podobný nárazu do pevné látky. Nohy nebo ruce rozdělí vodu malou plochou, a malá plocha znamená mnohem menší nárazovou sílu.

Protože je kapalina relativně nestlačitelná a přebírá tvar jakékoli nádoby, nabízí skutečnou výhodu při přenosu síly.

Přenos síly

Čtyři metody přenosu energie (mechanická, elektrická, hydraulická a pneumatická) mohou přenášet jak statickou sílu (potenciální energii), tak dynamickou sílu (kinetickou energii). Při přenosu statické síly kapalinou se děje něco zvláštního.

Síla přenášená kapalinou

Na rozdíl od síly působící na pevné těleso je síla působící na uzavřenou kapalinu přenášena celou kapalinou jako tlak – a tento tlak je ve všech bodech kapaliny stejný.

Pokud stlačíme pohyblivý píst umístěný na vrcholu nádoby plné kapaliny, síla, kterou aplikujeme, vyvolá tlak, který se rovnoměrně šíří ve všech směrech skrz kapalinu.

Bez ohledu na to, jak byl tlak vytvořen – pístem, rukou, gravitací, pružinou, stlačeným vzduchem nebo jakoukoli kombinací těchto způsobů – se jednou vzniklá síla uvnitř uzavřené kapaliny přemění na tlak a rovnoměrně se přenese po celém objemu kapaliny.

Protože kapalina nabývá tvaru libovolné nádoby, lze tlak přenášet bez ohledu na tvar nádoby.

Obrázek 2–4: Síla působící na píst se přemění na tlak v kapalině. Tento tlak se šíří stejně ve všech směrech – to je klíčový princip hydrauliky.

Pascalův zákon

Vlastnost kapaliny přenášet tlak stejně ve všech směrech se nazývá Pascalův zákon, pojmenovaný po svém objeviteli Blaise Pascalovi.

Matematický tvar Pascalova zákona je stejný jako vzorec pro tlak uvedený v kapitole 1:

Tlakové měřiče

Manometr měří tlak působící na kapalinu v systému. Dva nejčastěji používané typy v hydraulických systémech jsou manometr s Bourdonovou trubicí a pístový manometr.

Manometr s Bourdonovou trubicí

Manometr s Bourdonovou trubicí se skládá z číselníku a ručičky. Ručička je spojena s ohnutou, pružnou kovovou trubicí zvanou Bourdonova trubice. Tlak v systému vstupuje do trubice přes vstupní otvor. Měřítko je obvykle označeno v jednotkách psi, bar nebo Pa.

Princip činnosti Bourdonovy trubice

S rostoucím tlakem v systému se rozdíl ploch mezi vnitřním a vnějším povrchem ohnuté trubice snaží trubici vyrovnat. Tento vyrovnávací pohyb posouvá ručičku po číselníku a ukazuje tlak. Manometry s Bourdonovou trubicí jsou přesné přístroje s přesností 0,1 % až 3,0 % plného rozsahu; používají se při laboratorních zkouškách nebo všude tam, kde je kritická přesnost měření tlaku.

Pístový manometr

Manometr s pístem se skládá z pístu, vyvažovací pružiny, ručičky a stupnice. Systémový tlak působí na plochu pístu a tlačí jím proti pružině. Pohyb pístu uvádí ručičku do pohybu po číselníku. Stupnice je kalibrována v jednotkách psi (bar). Manometry s pístem jsou odolné a ekonomické — běžná volba pro každodenní sledování systému.

Obrázek 2-6 Manometr s pístem: systémový tlak tlačí píst proti pružině. Posunutí pístu uvádí ručičku do pohybu.

Převod tlaku na mechanickou sílu

Přenos tlaku prostřednictvím uzavřené kapaliny je užitečný pouze tehdy, lze-li tlak někde znovu převést na mechanickou sílu. Tuto úlohu plní hydraulický akční člen (akční prvek) – přijímá hydraulický tlak a převádí ho na mechanickou sílu.

Hydraulický válec je jedním z typů akčních členů.

Hydraulický válec

Hydraulický válec přijímá hydraulický tlak a převádí ho na přímočarou (lineární) mechanickou sílu. Prostřednictvím vhodných mechanických spojů lze tuto sílu dále převést i na rotační pohyb.

Konstrukce válce

Základní části válce jsou: válec (trubka), uzávěry konců, píst, pístní tyč a přívodní/vývodní přípojky. Každý konec má jeden uzávěr konce. Píst se může posouvat uvnitř válce. Tyč je spojena s pístem. Přívodní a vývodní přípojky na každém konci válce umožňují přítok a odtok pracovního oleje.

Obrázek 2-8: Průřez hydraulickým válcem. Olej vstupuje do jedné přípojky, tlačí píst a tyč se vysune. Olej opouštějící druhou přípojku se vrací do nádrže.

Princip činnosti válce

Když je přívodní přípojka válce připojena k systému, stane se válec součástí tohoto systému. Tlak z bodu A se přenáší systémem na píst uvnitř válce. Tento tlak působící na plochu pístu vyvolá mechanickou sílu v bodu B — na konci pístní tyče.

Použití tlaku

Když je tlak přenášen uzavřenou kapalinou, některá pohyblivá část generuje tento tlak. Ve všech dosavadních příkladech je touto pohyblivou částí píst. Dělením síly plochou pístu získáme tlak v systému (P = F/A).

Zvýšení mechanické síly

Hydraulika může zesílit (zvětšit) mechanickou sílu. Koeficient zvětšení závisí na ploše pístu hydraulického válce (v in² nebo cm²). Protože se tlak rovnoběžně přenáší uzavřenou kapalinou, je výstupní síla větší než vstupní síla, pokud je plocha pístu výstupního válce větší než plocha pístu vstupního válce.

Příklad: Síla 5 000 liber (22 200 N) působí na píst o ploše 10 in² (64,52 cm²) a vyvolává tlak:

Stejný tlak 500 psi působí na výstupní píst o ploše 15 in² (96,78 cm²):

Obrázek 2–9 Násobení mechanické síly. Stejný tlak působí na oba písty, avšak větší píst vyvolá větší sílu. F = P × A.

Zesilovač tlaku

Zesilovač tlaku (též označovaný jako zvyšovač tlaku) může zesílit hydraulický tlak. Využívá dvou pístů spojených jednou tyčí uvnitř jediného tělesa se vstupním, výstupním a odvodním přípojem. Velký píst snímá tlak v systému; síla, kterou vyvine, je přenášena na malý píst, který díky menší ploše vytváří vyšší výstupní tlak.

Princip činnosti zesilovače tlaku

Velký píst snímá tlak v systému a přenáší tuto sílu prostřednictvím tyče na malý píst. Protože má malý píst menší plochu, je výstupní tlak na straně malého pístu vyšší – tlak je zesílen.

Příklad: Síla 5 000 liber (22 200 N) působí na velký píst (plocha: 15 in² / 96,78 cm²). Tlak = 333 psi (22,9 baru). Tato síla se přenáší na malý píst (plocha: 0,76 cm²). Výstupní tlak = 5 000 liber / 0,76 cm² × (1/10 000) = 2 000 psi (137,9 baru). Výstupní síla = 30 000 liber (133 200 N).

Běžným použitím tlakových zesilovačů je upevnění dílů ve svěrných zařízeních.

Obrázek 2-11: Tlakový zesilovač. Velký píst přenáší svou sílu na malý píst, jehož plocha je mnohem menší – čímž vzniká na výstupu mnohem vyšší tlak.

Přenos hydraulické energie

Účelem použití hydrauliky (nebo jakékoli jiné metody přenosu energie) v stroji je vykonání užitečné práce. Aby válec mohl vykonat práci, musí působit silou na zátěž a posunout ji o určitou vzdálenost – systém tedy potřebuje komponentu, která dokáže využít energii k poskytnutí nepřetržitého toku kapaliny.

Hydraulický akumulátor

Všechno, co jsme doposud prozkoumali a co v uzavřené kapalině vytváří tlak, využívá pístů a válců. Píst působí silou; válec uzavírá kapalinu. Tento typ zařízení se nazývá akumulátor.

Akumulátor může uchovávat potenciální energii kapaliny pod tlakem. Tato uložená potenciální energie se dá převést na pracovní energii (průtok a tlak).

Příklad: Akumulátor s tlakem 500 psi (34,5 baru) poskytuje tlak k posunutí zátěže. Z uložených 500 psi se 400 psi (27,6 baru) použije k překonání odporu zátěže a zbývající tlak se převede na průtok, který zátěž posune.

Akumulátory mají však omezení: pokud je zátěž velmi velká, nemusí být k jejímu překonání dostatečný tlak, takže nelze vykonat žádnou práci. Navíc jakmile se uložená kapalina úplně uvolní, není již k dispozici žádný průtok.

Aby bylo možné vyvinout dostatečný tlak k překonání zátěže a současně neustále zajišťovat průtok, je zapotřebí jiného zařízení – hydraulického čerpadla s objemovým výtlakem.

Obrázek 2-12: Funkce akumulátoru. Uchovaný tlak může zatěžovat zátěž, avšak jakmile je kapalina vyčerpána, proudění se zastaví — akumulátor sám o sobě nedokáže udržet trvalou práci.

Hydraulické čerpadlo s kladným výtlakem

Čerpadlo s kladným výtlakem vytváří nepřetržitý tok kapaliny opakovaným vratným nebo rotačním vnitřním pohybem. Zajišťuje jak kinetickou energii (tok), tak tlakovou energii — pracovní energii potřebnou k provádění nepřetržité hydraulické práce.

Čerpadlo s přímočarým pístem

Pístové čerpadlo s vratným pohybem má píst spojený s hnacím zařízením (motorem nebo elektrickým motorem) prostřednictvím kliky nebo vačky. Vstup i výstup jsou vybaveny kulovými zpětnými ventily. Při vysunutí pístu se vnitřní objem zvětší, vstupní kulový ventil se otevře a kapalina do čerpadla vtekne. Při zasunutí pístu se objem zmenší, tlak stoupne, vstupní kulový ventil se uzavře a výstupní kulový ventil se otevře — čímž se kapalina tlačí do systému. Nepřetržitý zpětný a dopředný pohyb vytváří pulzující tok; tlak může dosahovat jakéhokoli požadovaného hodnoty systémem.

Obrázek 2-13: Pístové čerpadlo s vratným pohybem. Píst se pohybuje dopředu a dozadu, čímž nasává olej přes sací zpětný ventil a vytláčí ho přes výtlačný zpětný ventil.

Rotační objemové čerpadlo

Nejčastěji používaným čerpadlem v průmyslových hydraulických systémech je rotační objemové čerpadlo. Vytváří poměrně hladký, tlakový tok kapaliny a je snadné jej pohánět elektrickým motorem nebo spalovacím motorem. Každá otáčka rotačního prvku přemístí pevný objem kapaliny.

Konstrukce rotačního čerpadla

Rotační čerpadlo má těleso a rotační sestavu. Těleso má sací a výtlačný otvor. Rotační sestava generuje tok a tlak. Uvedený příklad obsahuje rotor a lopatky, které se mohou volně posouvat dovnitř a ven z drážek rotoru.

Jak funguje rotační čerpadlo

Rotační sestava je namontována excentricky (mimo střed) uvnitř pouzdra a spojena s pohonným zařízením hřídelí – rotor se otáčí. Při otáčení rotoru odstředivá síla tlačí lopatky směrem ven proti stěně pouzdra, čímž vznikají uzavřené komory. Na straně sacího otvoru se objem komory zvětšuje a kapalina je nasávána. Na straně výtlačného otvoru se objem komory zmenšuje, tlak stoupá a kapalina je z systému vytlačována. Čerpadlo vytváří tlak pouze rovný minimálnímu odporu v systému – žádný vyšší.

Obrázek 2-15: Rotační lopatkové čerpadlo. Lopatky, které těsní proti stěně pouzdra, vytvářejí komory, které se při otáčení rotoru rozšiřují (sání) a zužují (výtlačná strana).

Odpor a tlak

V hydraulickém systému jsou tlak a odpor přímo úměrné veličiny. Čerpadlo tlačí kapalinu do systému; úroveň tlaku je určena úrovní odporu. Vysoký odpor → vysoký tlak; nízký odpor → nízký tlak. Odpor proti proudění kapaliny určuje, jaký tlak se vytvoří.

Odpor působící na čerpadlo

Čerpadlo čelí dvěma typům odporu: odporu zátěže a odporu proudění. Pokud odpor proudění zanedbáme, jediným odporem je odpor zátěže. Pokud je k překonání odporu zátěže potřeba 200 psi (13,8 baru), čerpadlo vyvine tlak 200 psi a předá hydraulickou pracovní energii do hydraulického aktuátoru, který následně pohne zátěží.

Odpor proudění je vždy přítomen. Nutí čerpadlo odebírat více energie od pohonné jednotky a vyvíjet vyšší tlak, aby jej překonalo.

Obrázek 2-16: Odpor a tlak. Tlak čerpadla stoupá, aby překonal celkový odpor, kterýmu čelí – tj. odpor zátěže plus odpor proudění (třecí odpor).

Další přeměna energie

Dodatečná energie, kterou čerpadlo dodává kapalině k překonání odporu proti průtoku, se na aktuátoru nepřemění na užitečnou hydraulickou pracovní energii – spotřebuje se na tření proudění. Tato „spotřebovaná“ energie není z hlediska zákona zachování energie ztracena; přemění se na teplo, které zvyšuje teplotu kapaliny. Toto teplo představuje neúčinnost systému.

Rychlost a průtok

V dynamickém (proudícím) hydraulickém systému se kapalina pohybuje potrubím určitou rychlostí (rychlostí pohybu). Rychlost se měří v ft/s (stopách za sekundu) nebo m/s.

Objem kapaliny, který projde daným místem za jednotku času, se nazývá průtok. V hydraulických systémech se obvykle používá jednotka gpm (americké galony za minutu) nebo Lpm (litry za minutu).

Rychlost a průtok jsou vzájemně spojeny: aby se naplnil 5-galónový (18,95 l) kontejner za jednu minutu velkým potrubím, musí se kapalina pohybovat rychlostí 10 ft/s (3,04 m/s). Pro potrubí polovičního průměru musí být rychlost kapaliny 20 ft/s (6,10 m/s), aby byl dodán stejný průtok 5 gpm. Průtok je stejný; rychlost je jiná.

Obrázek 2-17 Stejný průtok, různá rychlost. V menší trubce se kapalina musí pohybovat rychleji, aby prošel stejný objem za minutu.

Tření vyvolává teplo

Kapalina protékající hydraulickými potrubími vyvolává teplo způsobené třením – čím rychleji teče, tím více tepla se vytváří. V průmyslových aplikacích je doporučená rychlost kapaliny v potrubí mezi čerpadlem a hydraulickým zařízením 15 ft/s (4,572 m/s).

Ohyby vyvolávají teplo

Kapalina tekoucí rovným potrubím, která dosáhne ohybu, musí náhle změnit směr. Molekuly kapaliny se srážejí navzájem i se stěnou potrubí – to také vyvolává teplo. V závislosti na průměru potrubí může jeden 90° oblouk vyvolat tolik tepla jako několik stop rovného potrubí.

Rozdíl tlaků

Rozdíl tlaků je rozdíl mezi tlaky v libovolných dvou bodech systému. Rozdíl tlaků vám říká dvě věci:

1. Ukazuje, že mezi těmito dvěma body je přítomna hydraulická pracovní energie (tlaková, tekoucí kapalina).
2. Měří, kolik hydraulické energie se mezi těmito dvěma body přemění na teplo.

Příklad: Manometr 1 ukazuje 200 psi (13,79 baru); manometr 2 ukazuje 180 psi (12,41 baru). Rozdíl činí 20 psi (1,38 baru). To znamená:

3. Kapalina proudí z manometru 1 směrem k manometru 2.
4. hydraulická energie o hodnotě 20 psi se mezi oběma manometry přeměnila na teplo způsobené třením proudění.

Obrázek 2-19: Rozdíl tlaků. Pokles tlaku o 20 psi na tomto úseku potrubí ukazuje, že proudění je přítomno, a kvantifikuje hydraulickou energii ztracenou na teplo způsobené třením.

Návrh za účelem snížení tepla v hydraulických systémech

Přeměna hydraulické energie na teplo znamená, že systém plýtvá energií. Aby se zvýšila účinnost, musí konstruktéři zvolit vhodnou viskozitu oleje, správně dimenzovat potrubí a minimalizovat počet ohybů a spojek. Všechny tyto opatření snižují odpor proudění a tím i množství energie ztracené ve formě tepla.

Obrázek 2-20: Vznik tepla v reálném obvodu. Každý úsek potrubí, každá spojka, každý ohyb a každé ventil přispívají ke ztrátě tlaku a ztrátě energie.