Før vi taler om energioverførsel gennem væsker, skal vi forstå nogle få egenskaber ved væsker og hvordan kraft overføres gennem dem. Dette vil hjælpe os med at forstå, hvorfor hydraulik fungerer, som den gør.

Væske

En fluid er ethvert stof, der ikke har en fast form. Fluider omfatter både væsker og gasser.

Væske

En væske består, ligesom en gas, af molekyler. Men i modsætning til en gas er molekylerne i en væske trukket tæt sammen – dog ikke så tæt, at de er låst på faste positioner som i en fast stof. Derfor kan en væske flyde frit og antage beholderens form.

Figur 2-1 Væske-molekyler (nederst) er tæt pakket og befinder sig i konstant bevægelse, mens gasmolekyler (øverst) er langt fra hinanden.

Molekylær kinetisk energi

Molekylerne i en væske er altid i bevægelse – selv når væsken ser fuldstændig stille ud. De glider og skubber konstant forbi hinanden. Denne molekylære bevægelse kaldes væskens indre energi.

Væsker antager formen af deres beholder

På grund af denne konstante molekylære glidning kan en væske strømme og udfylde den beholder, den befinder sig i. Uanset om der er meget eller lidt væske, vil den altid optage beholderens form. Denne egenskab er tæt forbundet med viskositet, som behandles i senere kapitler.

Væsker er relativt ufortrykkelige

Da væske-molekylerne er tæt pakket, opfører væsker sig på én vigtig måde ligesom faste stoffer: de er relativt ufortrykkelige – de kan ikke komprimeres til et betydeligt mindre volumen.

Det er derfor, divers springer i vandet med fødderne eller hænderne først (den såkaldte "knivindgang") i stedet for at falde på maven. Vandet kan ikke flygte hurtigt nok væk, når det rammes af en stor, flad overflade, og stødet føles som om man rammer en fast genstand. Fødder eller hænder deler vandet med en lille overflade, og den lille overflade betyder langt mindre stødkraft.

Fordi en væske er relativt uudtrykkelig og antager beholderens form, har den et reelt fortrin, når det gælder overførsel af kraft.

Kraftoverførsel

De fire metoder til energioverførsel (mekanisk, elektrisk, hydraulisk og pneumatisk) kan alle overføre både statisk kraft (potentiel energi) og dynamisk kraft (kinetisk energi). Når en statisk kraft overføres i en væske, sker der noget særligt.

Kraft overført gennem en væske

I modsætning til kraft, der virker på en fast stof, overføres kraft, der påvirker en indesluttet væske, gennem hele væsken som tryk – og trykket er ens på ethvert punkt i væsken.

Hvis vi presser på en bevægelig kolbe, der sidder ovenpå en beholder fyldt med væske, genererer den kraft, vi påfører, tryk, og dette tryk udbreder sig lige meget i alle retninger gennem væsken.

Uanset hvordan trykket er opstået — ved hjælp af en kolbe, en hånd, tyngdekraften, en fjeder, komprimeret luft eller en kombination af disse — omdannes kraften til tryk, så snart den befinder sig inden i en indesluttet væske, og trykket udbreder sig lige meget i hele væsken.

Da en væske antager beholderens form, kan tryk overføres uanset beholderens form.

Figur 2-4: Kraften på kolben bliver til tryk i væsken. Dette tryk udbreder sig lige meget i alle retninger — dette er nøglen til hydraulik.

Pascals Lov

Egenskaben hos en væske at overføre tryk lige meget i alle retninger kaldes Pascal’s lov, opkaldt efter dens opdager Blaise Pascal.

Den matematiske form af Pascal’s lov er den samme som trykformlen, der blev introduceret i kapitel 1:

Trykmålere

En trykmåler måler det tryk, der virker på en væske i systemet. De to mest almindelige typer i hydrauliske systemer er Bourdon-rør-trykmåleren og stempletypen-trykmåleren.

Bourdon-rør-trykmåler

En Bourdon-rør-trykmåler består af et skiveanlæg og en pegepind. Pegeren er forbundet til et buet, fleksibelt metalrør, der kaldes Bourdon-røret. Systemtrykket trænger ind i røret gennem indgangen. Skalaen er normalt angivet i psi, bar eller Pa.

Sådan fungerer Bourdon-røret

Når systemtrykket stiger, har forskellen i areal mellem indersiden og ydersiden af den buede rør en tendens til at rette det ud. Denne udretning bevæger pegepinnen over skiven for at vise trykket. Bourdon-rørsmanometre er præcisionsinstrumenter med en nøjagtighed på 0,1 % til 3,0 % af fuld skala; de anvendes i laboratorietests eller hvor der kræves høj nøjagtighed ved trykmåling.

Pistonmanometer

Et pistonmanometer består af en piston, en afbalanceringsfjeder, en pegepind og en skala. Systemtrykket virker på pistons overflade og presser den mod fjederen. Pistons bevægelse driver pegepinden over skiven. Skalen er kalibreret i psi (bar). Pistonmanometre er holdbare og økonomiske – et almindeligt valg til daglig overvågning af systemer.

Figur 2-6 Pistonmanometer: Systemtrykket presser pistonen mod en fjeder. Pistons forskydning bevæger pegepinden.

Konvertering af tryk til mekanisk kraft

At overføre tryk gennem en lukket væske er kun nyttigt, hvis trykket kan omformes tilbage til mekanisk kraft et sted. Det er aktuatorens (udførelseskomponenten) opgave – den modtager hydraulisk tryk og omdanner det til mekanisk kraft.

En hydraulisk cylinder er en type aktuator.

Hydraulisk cylinder

En hydraulisk cylinder modtager hydraulisk tryk og omdanner det til lige linje (lineær) mekanisk kraft. Gennem passende mekaniske forbindelser kan den også omdannes til roterende bevægelse.

Cylinderkonstruktion

En cylinders grundlæggende dele er: cylinderkroppen (røret), endekapper, kolben, kolbestangen og ind-/udløbsportene. Hver ende har én endekappe. Kolben kan glide indeni cylinderkroppen. Stangen er forbundet til kolben. Ind- og udløbsportene i hver ende af cylinderkroppen tillader arbejdsolien at strømme ind og ud.

Figur 2-8 Tværsnit af hydraulisk cylinder. Olien trænger ind gennem én port, presser kolben, og stangen udskubbes. Olien, der forlader den anden port, returnerer til tanken.

Sådan fungerer en cylinder

Når cylinderens indløbsport er forbundet til systemet, bliver cylinderen en del af systemet. Tryk fra punkt A overføres gennem systemet til kolben inde i cylinderen. Det tryk, der virker på kolbearealet, frembringer en mekanisk kraft i punkt B — ved stangenden.

Påførelse af tryk

Når tryk overføres gennem en lukket væske, genereres trykket af en bevægelig del. I alle eksemplerne indtil nu er den bevægelige del en kolbe. Ved at dividere kraften med kolbearealet fås trykket i systemet (P = F/A).

Mekanisk kraftformering

Hydraulik kan forstærke (formere) mekanisk kraft. Forstærkningsfaktoren afhænger af arealet af hydraulikcylindrens kolbe (i² eller cm²). Da tryk overføres ensartet gennem en lukket væske, er den resulterende kraft større end den indgående kraft, hvis udgangscylindrens kolbeareal er større end indgangscylindrens kolbeareal.

Eksempel: En kraft på 5.000 lbs (22.200 N) virker på en kolbe med et areal på 10 in² (64,52 cm²) og frembringer et tryk på:

Samme tryk på 500 psi virker på en udgangspiston med areal på 15 in² (96,78 cm²):

Figur 2-9 Mekanisk kraftformering. Samme tryk virker på begge stempel, men det større stemplet frembringer større kraft. F = P × A.

Trykforstærker

En trykforstærker (også kaldet en booster) kan forøge hydraulisk tryk. Den består af to stempel, der er forbundet af én stang inden i et fælles hus med tilslutnings-, afgangs- og afløbsport. Det store stemple registrerer systemtrykket; den kraft, det frembringer, overføres til det lille stemple, som dermed genererer et højere udgangstryk, fordi arealet er mindre.

Sådan fungerer en trykforstærker

Den store kolben registrerer systemtrykket og overfører den påvirkende kraft gennem stangen til den lille kolben. Da den lille kolben har et mindre areal, er uddrækspresset ved den lille kolbens ende højere — trykket forstærkes.

Eksempel: En kraft på 5.000 lbs (22.200 N) virker på den store kolben (areal: 15 in² / 96,78 cm²). Tryk = 333 psi (22,9 bar). Denne kraft overføres til den lille kolben (areal: 0,76 cm²). Uddrækspresset = 5.000 lbs / 0,76 cm² × (1/10.000) = 2.000 psi (137,9 bar). Uddrækskraft = 30.000 lbs (133.200 N).

Et almindeligt anvendelsesområde for trykforstærkere er i spændefiksturer.

Figur 2-11 Trykforstærker. Den store kolben overfører sin kraft til den lille kolben, som har et langt mindre areal — hvilket resulterer i et langt højere tryk ved uddrækket.

Hydraulisk energioverførsel

Formålet med at bruge hydraulik (eller en anden energioverførselsmetode) i en maskine er at udføre nyttigt arbejde. For at en cylinder skal kunne udføre arbejde, skal den påvirke belastningen med en kraft og bevæge den over en afstand — så systemet kræver en komponent, der kan bruge energi til at sikre en kontinuerlig væskestrøm.

Hydraulisk akkuemulator

Alt, hvad vi hidtil har set på, der skaber tryk i en lukket væske, bruger kolber og cylindre. Kolben påvirker med en kraft; cylinderen holder væsken tæt. Denne type enhed kaldes en akkumulator.

En akkumulator kan lagre den potentielle energi i en væske under tryk. Den lagrede potentielle energi kan omformes til arbejdsenergi (strømning og tryk).

Eksempel: En akkumulator på 500 psi (34,5 bar) leverer tryk til at skubbe en belastning. Af de 500 psi, der er lagret, bruges 400 psi (27,6 bar) til at overvinde belastningens modstand, og det resterende tryk omdannes til strømning for at bevæge belastningen.

Akumulatorer har en begrænsning: Hvis belastningen er meget stor, kan der måske ikke være tilstrækkeligt tryk til at overvinde den, så der kan udføres noget arbejde. Desuden ophører strømmen, så snart den lagrede væske er fuldstændigt frigivet.

For at anvende tilstrækkeligt tryk til at overvinde en belastning og fortsat levere strøm kontinuerligt, er en anden enhed nødvendig – en volumetrisk hydraulisk pumpe.

Figur 2-12: Akumulatorfunktion. Lagret tryk kan drive en belastning, men så snart væsken er udtømt, ophører strømmen – akumulatoren kan ikke alene sikre vedvarende arbejde.

Volumetrisk hydraulisk pumpe

En volumetrisk pumpe frembringer en kontinuerlig væskestrøm ved gentagne reciprokerende eller roterende interne bevægelser. Den leverer både kinetisk energi (strøm) og trykenergi – den arbejdskraft, der kræves til at udføre vedvarende hydraulisk arbejde.

Stemmepumpe

En reciprokerende kolvepumpe har en kolve, der er forbundet til en drivmaskine (motor eller elektrisk motor) via en krumtap eller et kam. Indgangen og udgangen har hver en kugleventil. Når kolven trækkes ud, udvides det indre volumen, indgangskuglen åbner, og væske strømmer ind. Når kolven skubbes ind, formindskes volumenet, trykket stiger, indgangskuglen lukker, og udgangskuglen åbner – hvilket presser væsken ind i systemet. En kontinuerlig frem- og tilbagebevægelse giver en pulserende strøm; trykket kan være det, som systemet kræver.

Figur 2-13 Reciprokerende kolvepumpe. Kolven bevæger sig ind og ud, suger olie ind gennem indgangskugleventilen og presser den ud gennem udgangskugleventilen.

Rotationspumpe med positiv forskydning

Den mest almindelige pumpe i industrielle hydrauliske systemer er rotationspumpen med positiv forskydning. Den frembringer en relativt jævn, trykbelastet strøm og er nem at drive med en elektrisk motor eller en motor. Hver omdrejning af det roterende element forskyder en fast mængde væske.

Rotationspumpekonstruktion

En rotationspumpe har et hus og en roterende enhed. Huset har en indgang og en udgang. Den roterende enhed genererer strømningen og trykket. Eksemplet vist har en rotor og skinner, der kan glide frit ind og ud af rotorens nitter.

Sådan fungerer en roterende pumpe

Den roterende enhed er monteret ekscentrisk (ikke-centreret) inden i huset og forbundet til drivmaskinen via akslen – rotoren drejer. Når rotoren drejer, presser centrifugalkraften skinnerne udad mod husets væg, hvilket danner tætte kamre. På indgangssiden øges kamrenes volumen, og væske suges ind. På udgangssiden formindskes kamrenes volumen, trykket stiger, og væsken presses ud af systemet. Pumpen genererer kun det tryk, der svarer til den mindste modstand i systemet – intet mere.

Figur 2-15: Rotationslamelpumpe. Skinnerne, der tætter mod husets væg, danner kamre, der udvides (indgang) og formindskes (udgang), mens rotoren drejer.

Modstand og tryk

I et hydraulisk system er tryk og modstand direkte relateret. Pumpen presser væske ind i systemet; trykniveauet bestemmes af modstandsniveauet. Høj modstand → højt tryk; lav modstand → lavt tryk. Modstanden mod væskestrømmen bestemmer, hvor stort et tryk der dannes.

Modstand på en pumpe

En pumpe står over for to typer modstand: lastmodstand og strømningsmodstand. Hvis vi ser bort fra strømningsmodstand, er den eneste modstand lasten. Hvis der kræves 200 psi (13,8 bar) for at overvinde lastmodstanden, producerer pumpen 200 psi og leverer hydraulisk arbejdsenergi til aktuatoren, som derefter bevæger lasten.

Strømningsmodstand er altid til stede. Den tvinger pumpen til at trække mere energi fra drivmaskinen og producere højere tryk for at overvinde den.

Figur 2-16: Modstand og tryk. Pumptrykket stiger for at overvinde den samlede modstand, den står over for – dvs. lastmodstand plus strømnings- (friktions-)modstand.

Yderligere energiomdannelse

Den ekstra energi, som pumpen tilfører væsken for at overvinde strømningsmodstanden, bliver ikke omdannet til nyttig hydraulisk arbejdsenergi ved aktuatoren — den forbruges af strømningsgnidningen. Denne "forbrugte" energi går ikke tabt i forstand af energibevarelse; den omdannes til varme, hvilket øger væskens temperatur. Denne varme udgør systemets ineffektivitet.

Hastighed og strømningshastighed

I et dynamisk (strømmende) hydraulisk system bevæger væsken sig gennem rør med en bestemt hastighed (fart). Hastighed måles i ft/s (fod pr. sekund) eller m/s.

Volumen af væske, der passerer et punkt pr. tidsenhed, kaldes strømningshastigheden. I hydrauliske systemer er enheden normalt gpm (US-gallons pr. minut) eller Lpm (liter pr. minut).

Hastighed og strømningshastighed er relaterede: For at fylde en 5-gal (18,95 L) beholder på ét minut gennem et stort rør bevæger væsken sig med 10 ft/s (3,04 m/s). Gennem et rør, der er halvt så stort, skal væsken bevæge sig med 20 ft/s (6,10 m/s) for at levere samme 5 gpm. Strømningshastigheden er den samme; hastigheden er forskellig.

Figur 2-17 Samme strømningshastighed, forskellig hastighed. I et mindre rør skal væsken bevæge sig hurtigere for at transportere samme volumen pr. minut.

Friktion genererer varme

Væske, der strømmer gennem hydraulikrør, genererer varme på grund af friktion — jo hurtigere den strømmer, jo mere varme dannes. I industrielle anvendelser er den anbefalede væskehastighed i ledningerne mellem pumpe og aktuator 15 ft/s (4,572 m/s).

Krumninger genererer varme

Væske, der strømmer i et lige rør og når en krumning, skal pludselig ændre retning. Væskemolekyler kolliderer med hinanden og med rørvæggen — hvilket også genererer varme. Afhængigt af rørets størrelse kan en enkelt 90°-bøjning generere lige så meget varme som flere fod lige rør.

Trykdifferens

Et trykfald er forskellen i tryk mellem to vilkårlige punkter i et system. Et trykfald fortæller dig to ting:

1. Det viser, at hydraulisk arbejdsenergi (trykbevæget, strømmende væske) er til stede mellem disse to punkter.
2. Det måler, hvor meget hydraulisk energi der omdannes til varme mellem disse to punkter.

Eksempel: Trykmåler 1 viser 200 psi (13,79 bar); trykmåler 2 viser 180 psi (12,41 bar). Differencen er 20 psi (1,38 bar). Dette betyder:

3. Væsken strømmer fra trykmåler 1 mod trykmåler 2.
4. 20 psi hydraulisk energi blev omdannet til varme pga. strømningsmodstand mellem de to målere.

Figur 2-19 Trykfald. Det 20 psi fald over dette rørstykke viser, at der er strømning, og kvantificerer den hydrauliske energi, der går tabt som friktionsvarme.

Udvikling med henblik på at reducere varme i hydrauliske systemer

At omdanne hydraulisk energi til varme betyder, at systemet spilder energi. For at forbedre effektiviteten skal konstruktører vælge den rigtige olieviskositet, dimensionere rør korrekt og minimere antallet af bøjninger og forbindelsesdele. Alle disse tiltag reducerer strømningsmodstanden og dermed også den energi, der går tabt som varme.

Figur 2-20 Varmeproduktion i en reel kreds. Hvert rør, hver forbindelsesdel, hver bøjning og hvert ventil bidrager til trykfald og energitab.