Οι υδραυλικοί ενεργοποιητές (επίσης γνωστοί ως υδραυλικές συσκευές εξόδου) μετατρέπουν την υδραυλική ενέργεια ξανά σε μηχανική ενέργεια. Είναι εκεί που λαμβάνει χώρα όλη η ορατή κίνηση και η εργασία — το πρώτο πράγμα στο οποίο πρέπει να σκεφτεί κάθε μηχανικός σχεδιασμού. Οι υδραυλικοί ενεργοποιητές διακρίνονται σε δύο βασικές κατηγορίες: γραμμικούς (κυλίνδρους) και περιστροφικούς (κινητήρες).

Υδραυλικός κύλινδρος

Ένας υδραυλικός κύλινδρος μετατρέπει την υδραυλική ενέργεια σε ευθύγραμμη ή γραμμική μηχανική κίνηση. Όταν συνδέεται με ένα κινούμενο φορτίο, εκτελεί εργασία.

Κατασκευή κυλίνδρου

Όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενα κεφάλαια, ένας υδραυλικός κύλινδρος αποτελείται κυρίως από ένα κελύφος, δύο κλειστά τερματικά καπάκια, ένα έμβολο, μια ράβδο εμβόλου και εισόδους/εξόδους για το λάδι. Κάθε άκρο διαθέτει μία είσοδο — μία για την εισαγωγή λαδιού και μία για την εξαγωγή λαδιού.

σχήμα 6-1: Τυπικός διπλής δράσης υδραυλικός κύλινδρος. Το λάδι εισέρχεται από την αριστερή είσοδο, προκαλώντας την προέκταση της ράβδου εμβόλου· το λάδι που εισέρχεται από τη δεξιά είσοδο τον συρρικνώνει.

Δύναμη εξόδου κυλίνδρου

Καθ' όλη τη διαδρομή του εμβόλου στον κύλινδρο, η υδραυλική ενέργεια ασκεί δύναμη στο κινούμενο έμβολο. Η πίεση που παράγεται από αυτήν την υδραυλική ενέργεια δεν θα υπερβεί την αντίσταση που προκαλείται από το φορτίο. Για έναν κύλινδρο γνωστών διαστάσεων, πρέπει να γνωρίζουμε ποια εργασιακή πίεση παράγει μια συγκεκριμένη εξωτερική δύναμη. Αυτό μπορεί να καθοριστεί (αγνοώντας την τριβή) με τον ακόλουθο τύπο:

Όταν χρησιμοποιείται αυτός ο τύπος, είτε δίνονται το εμβαδόν και η πίεση για να υπολογιστεί η εξωτερική δύναμη, είτε είναι γνωστά το εμβαδόν και η εξωτερική δύναμη για να υπολογιστεί η πίεση. Στην πράξη, συνήθως γνωρίζουμε τη διάμετρο του κυλίνδρου και πρέπει να υπολογίσουμε το εμβαδόν του εμβόλου — ωστόσο, ο υπολογισμός του εμβαδού ενός κύκλου είναι τόσο απλός όσο και ο υπολογισμός του εμβαδού ενός τετραγώνου.

Εμβαδόν κύκλου

Το εμβαδόν ενός κύκλου ισούται προσεγγιστικά με το 78,54% του εμβαδού ενός τετραγώνου, του οποίου η πλευρά ισούται με τη διάμετρο του κύκλου. Πιο ακριβώς:

Ένας άλλος συχνά χρησιμοποιούμενος τύπος:

Σχήμα 6-2 Εμβαδόν κύκλου = D² × 0,7854. Αυτός ο απλός τύπος χρησιμοποιείται συνεχώς στους υπολογισμούς υδραυλικών κυλίνδρων.

Δρομός κυλίνδρου

Η απόσταση στην οποία δρα η υδραυλική ενέργεια καθορίζει το ποσό του παραγόμενου έργου — αυτή η απόσταση είναι το διάστημα κίνησης (stroke) του κυλίνδρου. Όπως αναφέρθηκε νωρίτερα, η χρήση υδραυλικής πίεσης για την ενίσχυση μιας δύναμης φαίνεται να μην έχει κανένα κόστος. Σε ορισμένες συγκεκριμένες περιπτώσεις — όταν το σύστημα βρίσκεται σε στατική κατάσταση — μια μικρή δύναμη μπορεί να παράγει μια πολύ μεγάλη δύναμη χωρίς φαινόμενη θυσία. Ωστόσο, εάν αυτή η ενισχυμένη δύναμη προκαλεί επίσης κίνηση, κάτι θυσιάζεται: η απόσταση.

Όγκος κυλίνδρου (εκτόπιση)

Κάθε υδραυλικός κύλινδρος έχει έναν όγκο (εκτόπιση) ίσο με το διάστημα κίνησής του (σε ίντσες) επί το εμβαδόν του εμβόλου του (σε τετραγωνικές ίντσες), προκύπτοντας έτσι όγκος σε κυβικές ίντσες (cm³).

(in³) = (in²) × (in) ή (cm³) = (cm²) × (cm)

Παράδειγμα: Το άνω έμβολο πρέπει να μετακινηθεί 2 ίντσες (5,08 εκ.) για να κινηθεί το κάτω έμβολο του κυλίνδρου κατά 1 ίντσα (2,54 εκ.). Και τα δύο έμβολα παράγουν το ίδιο έργο. Το άνω έμβολο εκτοπίζει 20 in³ (327,8 cm³) υγρού — και το κάτω έμβολο του κυλίνδρου εκτοπίζεται από το ίδιο ποσό υγρού, δηλαδή 20 in³ (327,8 cm³).

Ταχύτητα ράβδου εμβόλου

Η ταχύτητα της ράβδου εμβόλου υδραυλικού κυλίνδρου εξαρτάται από το πόσο γρήγορα το υγρό γεμίζει τη θάλαμο πίσω από το έμβολο. Τύποι υπολογισμού της ταχύτητας της ράβδου εμβόλου:

Υδραυλικός κινητήρας

Ένας υδραυλικός κινητήρας είναι ένας ενεργοποιητής που μετατρέπει την υδραυλική ενέργεια σε περιστροφική μηχανική ενέργεια. Αυτή η περιστροφική ενέργεια μεταφέρεται στο φορτίο μέσω του άξονα κίνησης.

Κατασκευή κινητήρα

Όλοι οι υδραυλικοί κινητήρες αποτελούνται ουσιαστικά από ένα περίβλημα με εισαγωγικές και εξαγωγικές υδραυλικές θύρες, καθώς και από μια περιστρεφόμενη διάταξη που συνδέεται με τον άξονα κίνησης.

Πώς λειτουργεί ένας υδραυλικός κινητήρας

Το παράδειγμα που παρουσιάζεται είναι ένας υδραυλικός κινητήρας τύπου πτερυγίου. Το περιστρεφόμενο σύνολο αποτελείται από έναν δρομέα και πτερύγια που μπορούν να ολισθαίνουν ελεύθερα εισερχόμενα και εξερχόμενα από τις υποδοχές του δρομέα. Το περιστρεφόμενο σύνολο είναι τοποθετημένο εκκεντρικά εντός του περιβλήματος· ο άξονας κίνησης συνδέεται με το φορτίο. Όταν το πιεστικό λάδι εισέρχεται στην εισαγωγική θάλαμο, η υδραυλική ενέργεια ασκείται στην εκτεθειμένη επιφάνεια του πτερυγίου στον εισαγωγικό θάλαμο. Επειδή η επιφάνεια του άνω πτερυγίου που εκτίθεται στο πιεστικό λάδι είναι μεγαλύτερη, η δύναμη που ασκείται στον δρομέα είναι ανισορροπημένη — ο δρομέας περιστρέφεται.

Καθώς το λάδι φτάνει στον εξαγωγικό θάλαμο με μειούμενο όγκο, αποβάλλεται.

Σχήμα 6-6: Λειτουργία κινητήρα με πτερύγια. Το λάδι υπό πίεση ενεργεί στις επιφάνειες των πτερυγίων. Επειδή η επιφάνεια του ανώτερου πτερυγίου που εκτίθεται στην πίεση είναι μεγαλύτερη από την επιφάνεια του κατώτερου πτερυγίου, η συνολική δύναμη προκαλεί την περιστροφή του δρομέα.

Στροφή

Η ροπή είναι μια περιστρεφόμενη ή στρεπτική δύναμη. Η ροπή είναι μια δύναμη που ενεργεί σε απόσταση από την κεντρική γραμμή του άξονα. Η μονάδα μέτρησης της ροπής είναι lb·in. (ή N·m).

Τύπος ροπής

Η ροπή μας δείχνει τη θέση της δύναμης σε σχέση με την κεντρική γραμμή του άξονα του υδραυλικού κινητήρα. Ο τύπος της ροπής είναι:

(lb·in.) = (lb) × (in.) ή (N·m) = (N) × (m)

Παράδειγμα από το σχήμα: Δύναμη 50 λίβρες (222 Ν) ασκείται σε μια μοχλοβραχίονα που είναι συνδεδεμένη με τον άξονα του κινητήρα. Η απόσταση μεταξύ του κέντρου του άξονα και της δύναμης είναι 10 ίντσες (0,254 μ). Η προκύπτουσα ροπή στον άξονα είναι 500 in.lbs (56,5 Nm). Εάν η ίδια δύναμη των 50 λιβρών (222 Ν) ασκηθεί κατά μήκος μοχλοβραχίονα 15 ιντσών (0,38 μ), η ροπή στον άξονα είναι 750 in.lbs (84,6 Nm). Όσο πιο μακριά από το κέντρο του άξονα ασκείται η δύναμη, τόσο μεγαλύτερη είναι η ροπή. Σημειώστε ότι η ροπή δεν συνεπάγεται καμία κίνηση.

Ένα φορτίο που είναι συνδεδεμένο με τον κινητήριο άξονα του κινητήρα παράγει ροπή όπως περιγράφεται παραπάνω. Για τον υδραυλικό κινητήρα, αυτό αντιπροσωπεύει μια αντίσταση — η οποία πρέπει να ξεπεραστεί από την υδραυλική πίεση που ασκείται στο περιστρεφόμενο σύνολο του κινητήρα.

Τύπος ροπής υδραυλικού κινητήρα

Ταχύτητα άξονα κινητήρα

Η ταχύτητα του άξονα υδραυλικού κινητήρα καθορίζεται από την ταχύτητα με την οποία εισάγεται το υγρό. Ο τύπος είναι:

Δύναμη

Σε προηγούμενα κεφάλαια μάθαμε ότι η ισχύς είναι ο ρυθμός με τον οποίο εκτελείται εργασία, δηλαδή hp = ft·lb/χρόνος ή W = J/χρόνος.

Μηχανική Ισχύς

Γνωρίζουμε επίσης ότι η ισχύς μετράται σε ίππους (hp) ή βατ (W). Εάν ένα υδραυλικό κύλινδρο ή ένας υδραυλικός κινητήρας κινεί φορτίο με μηχανική δύναμη 550 lb (2.442 N) και το μετακινεί κατά 1 ft (0,30 m) σε 1 δευτερόλεπτο, έχει χρησιμοποιήσει 1 hp (746 W) ισχύος. Εάν η ίδια εργασία (550 ft·lb / 746 J) εκτελεστεί σε μισό δευτερόλεπτο, η ταχύτητα εκτέλεσης διπλασιάζεται και η ισχύς ανέρχεται σε 2 hp (1.490 W).

Υδραυλική Δύναμη

Η μηχανική ισχύς που μεταδίδεται από έναν κύλινδρο ή έναν κινητήρα σε ένα φορτίο ισούται με την υδραυλική ισχύ που απαιτείται από τον κύλινδρο ή τον κινητήρα. Για ένα υδραυλικό σύστημα που εκτελεί έργο με ρυθμό 550 ft·lb/s (746 J), η υδραυλική του ισχύς είναι 1 hp (746 W). Ωστόσο, στον τύπο της μηχανικής ισχύος οι όροι «ft (m)» και «lb (N)» αντικαθίστανται από τους υδραυλικούς όρους «psi (bar)» και «gpm (L/min)». Ένας συντελεστής μετατροπής χρησιμοποιείται στους υπολογισμούς υδραυλικής ισχύος για να εκφράσει τη σχέση μεταξύ gpm, psi, ft και lb (ή L/min, bar, m και N).

Υπολογισμός ισχύος συστήματος και κυλίνδρου

Για να υπολογιστεί η ισχύς ενός υδραυλικού κυλίνδρου ή ολόκληρου του υδραυλικού συστήματος:

Για να υπολογιστεί η έξοδος ισχύος ενός υδραυλικού κινητήρα:

Ολισθαίνοντες ενεργοποιητές

Μέχρι στιγμής έχουμε συζητήσει υδραυλικούς κινητήρες με περιστροφική έξοδο και υδραυλικούς κυλίνδρους με γραμμική έξοδο. Τώρα θα συζητήσουμε έναν άλλο τύπο ενεργοποιητή που παράγει περιστροφή περιορισμένης γωνίας. Αυτός ο τύπος ονομάζεται εναλλασσόμενος κύλινδρος ή εναλλασσόμενος κινητήρας. Η δομή του είναι συμπαγής, απλή και αποδοτική — παράγει υψηλή ροπή και απαιτεί μόνο μικρό χώρο εγκατάστασης, με εύκολη εγκατάσταση.

Οι εναλλασσόμενοι ενεργοποιητές χρησιμοποιούνται για την ευθυγράμμιση εργαλειομηχανών, εργασίες κάμψης, ανύψωση ή περιστροφή βαρέων αντικειμένων, αναποδογύρισμα, τοποθέτηση, συγκρατητικά μηχανημάτων κατεργασίας, ναυτικούς ελέγχους, λειτουργία βαλβίδων, κ.λπ.

Τύποι εναλλασσόμενων ενεργοποιητών

Υπάρχουν πολλοί τύποι εναλλασσόμενων κυλίνδρων. Ο απλούστερος είναι ένας εναλλασσόμενος μηχανισμός που κινείται από γραμμικό υδραυλικό κύλινδρο, όπου το άκρο του κυλίνδρου είναι στερεωμένο με άξονα (πείρο), και η ράβδος του εμβόλου συνδέεται με μοχλό κρανκ που κινεί έναν άξονα για να προκαλέσει περιστροφή. Αυτός ο εναλλασσόμενος κύλινδρος μπορεί να ελέγχεται με τετράδρομη κατευθυντική βαλβίδα, με διακόπτες ορίου σε κάθε άκρο της διαδρομής.

Όπως όλες οι μηχανικές συσκευές, αυτός ο γραμμικός εναλλασσόμενος ενεργοποιητής βασισμένος σε κύλινδρο έχει ορισμένα βασικά χαρακτηριστικά, συμπεριλαμβανομένου του γεγονότος ότι μπορεί να συναρμολογηθεί από τυποποιημένα εμπορικά διαθέσιμα εξαρτήματα, προσφέροντας μεγάλη ευελιξία στους σχεδιαστές και διατηρώντας χαμηλό κόστος με εύκολα διαθέσιμα ανταλλακτικά.

Ωστόσο, αυτός ο τύπος εναλλασσόμενου ενεργοποιητή παρουσιάζει επίσης ανεπιθύμητα χαρακτηριστικά: η ράβδος του εμβόλου παραμένει απροστάτευτη και έρχεται σε άμεση επαφή με το περιβάλλον, ιδιαίτερα επειδή ο μοχλισμός κρουνού συνήθως δεν είναι ερμητικά κλειστός, δημιουργώντας κινδύνους ασφαλείας. Επιπλέον, ο κινητήριος άξονας δέχεται συνήθως μεγάλα πλευρικά φορτία, προκαλώντας πρόωρη αστοχία, υπερβολική φθορά και κόλλημα.

Για αυτόν τον συγκεκριμένο τύπο εναλλασσόμενου ενεργοποιητή, ο υδραυλικός κύλινδρος πρέπει να είναι ελεύθερος να κινείται ελικοειδώς, επομένως πρέπει να χρησιμοποιεί εύκαμπτες σωληνώσεις σύνδεσης, ενώ κατά τη διάρκεια της διαδρομής του κυλίνδρου η ροπή εξόδου δεν είναι σταθερή.

Κλειστός εναλλασσόμενος κύλινδρος

Ο κλειστός οδοντωτός κύλινδρος είναι πολύ παρόμοιος με τον παραπάνω οδοντωτό μηχανισμό βασισμένο σε γραμμικό κύλινδρο. Ο κλειστός κύλινδρος διαθέτει προστατευτικό κάλυμμα που περιβάλλει τη ράβδο του εμβόλου και τον μοχλό. Ο κινητήριος άξονας διαθέτει συνήθως επιπλέον στήριξη με υποστηρίγματα για να αποφευχθούν σοβαρά πλευρικά φορτία. Αυτός ο τύπος μπορεί να εξοπλιστεί με ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες, διακόπτες ορίου ή διακόπτες διαδρομής. Το εύρος διαδρομής μπορεί συνήθως να ρυθμιστεί μεταξύ περίπου 85° και 100°.

Οδοντωτός κύλινδρος με επαναφορά με ελατήριο

Ένας άλλος τύπος είναι ο οδοντωτός κύλινδρος με επαναφορά με ελατήριο, ο οποίος χρησιμοποιεί υδραυλικό κύλινδρο με ελατήριο επαναφοράς για να επαναφέρει τον κινητήριο άξονα στην αρχική του θέση. Οι οδοντωτοί κύλινδροι με επαναφορά με ελατήριο μπορούν να παράγουν ροπές μέχρι 5.000 in.lbs (565 Nm).

Οδοντωτός κύλινδρος με οδοντωτή ράβδο και τροχό

Ο πιο συνηθισμένος κυλινδρικός οδοντωτός τροχός με εναλλασσόμενη κίνηση είναι του τύπου οδοντωτής ράβδου-πινιόν. Αυτός ο τύπος μπορεί να διατηρεί σταθερή ροπή εξόδου και στις δύο κατευθύνσεις καθ’ όλη τη διάρκεια της πλήρους περιστροφής. Σε αυτήν τη διάταξη, η υδραυλική πίεση ενεργεί στο έμβολο, ωθώντας την οδοντωτή ράβδο που είναι συνδεδεμένη με το έμβολο, η οποία με τη σειρά της κινεί το πινιόν για να περιστρέψει τον άξονα. Οι τυποποιημένοι κυλινδρικοί οδοντωτοί τροχοί τύπου οδοντωτής ράβδου-πινιόν έχουν γωνίες περιστροφής 90°, 180°, 360° ή ακόμη και μεγαλύτερες. Η ροπή εξόδου των κυλινδρικών οδοντωτών τροχών τύπου οδοντωτής ράβδου-πινιόν μπορεί να φτάσει τα 52.000.000 in·lb (5.876.000 Nm).

Κινητήρας εναλλασσόμενης κίνησης με πτερύγιο

Υπάρχει επίσης διαθέσιμος κινητήρας εναλλασσόμενης κίνησης με πτερύγιο. Αυτός ο τύπος μπορεί να είναι μονοπτερύγιος ή πολυπτερύγιος. Ένας μονοπτερύγιος κινητήρας μπορεί να περιστραφεί κατά 280°, ενώ ένας διπλοπτερύγιος κινητήρας μπορεί να περιστραφεί κατά 200°. Η ροπή εξόδου του διπλοπτερύγιου κινητήρα είναι διπλάσια της ροπής εξόδου του μονοπτερύγιου. Αυτός ο τύπος κινητήρα εναλλασσόμενης κίνησης μπορεί να επιτύχει ροπές εξόδου μέχρι 500.000 in·lb (Nm).

Κινητήρας εναλλασσόμενης κίνησης με ελικοειδή εγκοπή

Υπάρχει ένας άλλος τύπος παλινδρομικού κινητήρα που δημιουργεί ροπή χρησιμοποιώντας μηχανισμό ελικοειδούς σφηνοδοχείου. Οι αλλαγές στο μήκος και το βήμα του σφηνοδοχείου επιτρέπουν τη μεταβολή της γωνίας περιστροφής σε ευρύ φάσμα. Αυτός ο τύπος παλινδρομικού κινητήρα αποτελείται από έναν ελικοειδή άξονα σφηνοδοχείου με εσωτερικό σφηνοδοχείο στο μανίκι του εμβόλου που τοποθετείται στον άξονα — η περιστροφή του μανικιού του εμβόλου περιορίζεται από οδηγούς ράβδους. Όταν το μανίκι του εμβόλου κινείται εντός του κυλίνδρου, κινεί τον άξονα σφηνοδοχείου προς περιστροφή. Οι τυποποιημένες γωνίες περιστροφής είναι 90°, 180°, 270° και 360°, με ροπές εξόδου μέχρι 1.000.000 in.lbs (13.000 Nm).

Παλινδρομικός κινητήρας με αλυσίδα και τροχό οδήγησης

Οι παλινδρομικοί κινητήρες με αλυσίδα και τροχό οδήγησης χρησιμοποιούν εμβόλους, αλυσίδες και τροχούς οδήγησης για να κινούν τον άξονα. Αυτός ο ενεργοποιητής διαθέτει συνήθως έναν μεγάλο έμβολο (ως κινητήρια διάταξη) που τραβά την αλυσίδα και έναν μικρό έμβολο που αποτρέπει τη διαρροή λαδιού μέσω της διαδρομής επιστροφής της αλυσίδας. Οι ροπές εξόδου μπορούν να φτάσουν περίπου τα 23.000 in.lbs (2.599 Nm), ενώ η περιστροφή του κινητήριου άξονα μπορεί να φτάσει τις πέντε πλήρεις περιστροφές ή 1.800°.

Για την επιλογή του καταλληλότερου εναλλασσόμενου κυλίνδρου για μια συγκεκριμένη εφαρμογή, λαμβάνονται υπόψη η ροπή, η ταχύτητα και η μέθοδος λειτουργίας. Η πρακτική επιλογή εναλλασσόμενων κινητήρων περιγράφεται σε άλλο κεφάλαιο, όπου συζητείται επίσης η απόφαση για μονο- ή διπλής ενέργειας λειτουργία, η ανάγκη χρήσης θέσης με κλειστό βρόχο, η ανάγκη αμορτισέρ, κ.λπ. Θα εξεταστεί επίσης η συχνότητα λειτουργίας ή η περίοδος κύκλου.

Περίληψη Ταχύτητας Ενεργοποιητή

Η γραμμική ταχύτητα της ράβδου εμβόλου υδραυλικού κυλίνδρου εξαρτάται από την ταχύτητα με την οποία η αντλία εισάγει υγρό στη θάλαμο του εμβόλου του κυλίνδρου (gpm – L/min). Η περιστροφική ταχύτητα του άξονα κίνησης υδραυλικού κινητήρα εξαρτάται από την παροχή (gpm – L/min) που εισάγεται στον υδραυλικό κινητήρα.

Περίληψη Εξόδου Δύναμης Ενεργοποιητή

Η εξερχόμενη δύναμη ενός κυλίνδρου εκφράζεται σε psi (bar) — η εξερχόμενη δύναμη στον άξονα κίνησης ενός κινητήρα καθορίζεται από την πίεση που ασκείται στην εκτεθειμένη επιφάνεια της περιστρεφόμενης συναρμολόγησης του κινητήρα. Η ισχύς που παράγει ένας ενεργοποιητής είναι συνάρτηση της ταχύτητας του ενεργοποιητή επί την εξερχόμενη δύναμή του.

Για τους κυλίνδρους, η εξερχόμενη δύναμη εκφράζεται σε psi και η ταχύτητα της ράβδου του εμβόλου σε gpm. Η σταθερά 0,000583 περιγράφει τη σχέση μεταξύ psi, gpm και ισχύος. Για τους κινητήρες, η εξερχόμενη δύναμη εκφράζεται ως ροπή και η λειτουργική ταχύτητα του κινητήρα ως στροφές ανά λεπτό (rpm). Η σταθερά 63.025 περιγράφει τη σχέση μεταξύ rpm, ροπής και ισχύος.