Mielőtt a folyadékokon keresztüli energiatovábbításról beszélnénk, meg kell értenünk néhány folyadék tulajdonságát és azt, hogyan terjed át bennük az erő. Ez segít megérteni, miért működik a hidraulika éppen úgy, ahogy működik.

Folyadék

Folyadéknak nevezzük bármely olyan anyagot, amelynek nincs meghatározott alakja. A folyadékok közé tartoznak a folyékony és a gáz halmazállapotú anyagok is.

Folyadék

Egy folyadék, mint egy gáz, molekulákból áll. De ellentétben a gázzal a folyadék molekulái egymáshoz közel vannak vonzódva – ugyanakkor nem olyan szorosan, hogy rögzített helyzetben lennének, mint egy szilárd anyagban. Ezért folyik szabadon egy folyadék, és felveszi edénye alakját.

2–1. ábra: A folyadék molekulái (lent) sűrűn csomózódnak össze, és állandó mozgásban vannak, míg a gáz molekulái (fent) távol vannak egymástól.

Molekuláris kinetikus energia

A folyadék belső molekulái mindig mozgásban vannak – még akkor is, ha a folyadék teljesen mozdulatlannak tűnik. Folyamatosan csúsznak és siklanak egymás mellett. Ezt a molekuláris mozgást a folyadék belső energiájának nevezzük.

A folyadékok felveszik edényük alakját

Ennek a folyamatos molekuláris csúszásnak köszönhetően a folyadék áramlik, és kitölti azt a tárolót, amelyben van. Akár sok, akár kevés a folyadék mennyisége, mindig a tároló alakját veszi fel. Ez a tulajdonság szorosan összefügg a viszkozitással, amelyről a későbbi fejezetekben lesz szó.

A folyadékok viszonylag összenyomhatatlanok

Mivel a folyadékmolekulák sűrűn vannak elrendezve, a folyadékok egy fontos szempontból hasonlóan viselkednek a szilárd testekhez: viszonylag összenyomhatatlanok – nem lehet őket lényegesen kisebb térfogatra összenyomni.

Ezért ugranak a búvárok vízbe lábujjakkal vagy kézzel előre (a „késbeugrás”), és nem hasra zuhannak. Amikor egy nagy, lapos felülettel ütköznek a vízbe, a víz nem tud elég gyorsan félreállni, és az ütközés hatása olyan, mintha egy szilárd felületbe ütköznének. A lábak vagy a kezek kis felületükkel „hasítják” a vizet, és a kis felület sokkal kisebb ütőerőt eredményez.

Mivel a folyadék viszonylag összenyomhatatlan, és felveszi bármely tároló alakját, ezért jelentős előnyt élvez erőátvitel szempontjából.

Erőátvitel

A négy energiaátviteli módszer (mechanikai, villamos, hidraulikus, neumatikus) mindegyike átviheti a statikus erőt (potenciális energiát) és a dinamikus erőt (kinetikus energiát) is. Amikor egy statikus erőt folyadékban továbbítunk, valami különleges történik.

Erő átvitele folyadékon keresztül

Ellentétben a szilárd testre ható erővel, a zárt folyadékra kifejtett erő nyomásként terjed tovább a folyadékban – és a nyomás minden ponton azonos a folyadékban.

Ha egy mozgatható dugattyúra nyomunk, amely egy folyadékkal teljesen megtöltött edény tetején helyezkedik el, akkor a kifejtett erő nyomást hoz létre, és ez a nyomás egyenlő mértékben terjed tovább minden irányban a folyadékban.

Mindegy, hogyan jött létre a nyomás – dugattyú, kéz, gravitáció, rugó, összenyomott levegő vagy bármely kombináció révén – ha egyszer egy zárt folyadékba kerül, az erő nyomássá alakul, és egyenletesen terjed tovább az egész folyadékban.

Mivel a folyadék felveszi a tartály alakját, a nyomás átvihető a tartály alakjától függetlenül.

2–4. ábra: A dugattyúra ható erő nyomássá alakul a folyadékban. Ez a nyomás egyenletesen terjed minden irányba – ez a hidraulika kulcsa.

Pascal törvénye

A folyadékok azon tulajdonsága, hogy egyenletesen továbbítják a nyomást minden irányban, Pascal-törvényként ismert, amelyet felfedezőjéről, Blaise Pascalról neveztek el.

A Pascal-törvény matematikai alakja megegyezik a 1. fejezetben bemutatott nyomás-képlettel:

Nyomás-mérő eszközök

Egy nyomásmérő méri a rendszerben lévő folyadékra ható nyomást. A hidraulikus rendszerekben a leggyakoribb típusok a Bourdon-csöves és a dugattyús nyomásmérők.

Bourdon-csöves nyomásmérő

Egy Bourdon-csöves manométer egy skálalemezből és egy mutatóból áll. A mutató egy ívelt, rugalmas fémcsőhöz – a Bourdon-csőhöz – kapcsolódik. A rendszer nyomása a csatlakozón keresztül jut be a csőbe. A skála általában psi, bar vagy Pa egységekben van felosztva.

A Bourdon-cső működése

Ahogy a rendszer nyomása nő, a görbült cső belső és külső felülete közötti területkülönbség hatására a cső egyre inkább kiegyenesedik. Ez az egyenesedési mozgás hajtja a mutatót a skálán, így jelezve a nyomást. A Bourdon-csöves manométerek pontossági műszerek, pontosságuk a teljes skála 0,1–3,0%-a; laboratóriumi vizsgálatokhoz vagy bármely olyan alkalmazáshoz használják őket, ahol a nyomásmérés pontossága kritikus fontosságú.

Piszton típusú manométer

Egy dugattyús manométer egy dugattyúból, egy kiegyensúlyozó rugóból, egy mutatóból és egy skálából áll. A rendszer nyomása a dugattyú felületére hat, és a rugó ellen nyomja azt. A dugattyú elmozdulása mozgatja a mutatót a skálán. A skála psi (bar) egységekben van kalibrálva. A dugattyús manométerek tartósak és gazdaságosak – gyakori választás mindennapi rendszerfigyelésre.

2–6. ábra: Dugattyús manométer – a rendszer nyomása a dugattyút a rugó ellen nyomja. A dugattyú elmozdulása mozgatja a mutatót.

Nyomás mechanikai erővé alakítása

A nyomás továbbítása zárt folyadékon keresztül csak akkor hasznos, ha a nyomást valahol vissza lehet alakítani mechanikai erővé. Ezt végzi az aktuátor (végrehajtó elem) – hidraulikus nyomást kap, és mechanikai erővé alakítja át.

Egy hidraulikus henger egyfajta aktuátor.

Hidraulikus henger

Egy hidraulikus henger hidraulikus nyomást kap, és egyenes vonalú (lineáris) mechanikai erővé alakítja át. Megfelelő mechanikai kapcsolódások segítségével forgó mozgássá is átalakítható.

Henger szerkezete

Egy henger alapvető részei: a hengerpalást (cső), a végkupakok, a dugattyú, a dugattyúrúd és a bemeneti/kimeneti portok. Minden végén egy-egy végkupak található. A dugattyú a hengerpaláston belül csúszhat. A rúd a dugattyúhoz kapcsolódik. A hengerpalást mindkét végén elhelyezett bemeneti és kimeneti portokon keresztül áramlik be és ki a munkaolaj.

2–8. ábra: Hidraulikus henger keresztmetszete. Az olaj az egyik porton lép be, nyomja a dugattyút, és a rúd kinyúlik. A másik porton kilépő olaj visszatér a tartályba.

Hogyan működik egy henger

Amikor a henger bemeneti portját a rendszerhez csatlakoztatják, a henger részévé válik a rendszernek. Az A pontból származó nyomás átterjed a rendszeren keresztül a hengeren belüli dugattyúra. Ez a nyomás a dugattyú felületére hatva mechanikai erőt fejt ki a B pontban – a rúdvégen.

Nyomás alkalmazását

Amikor a nyomás egy zárt folyadékon keresztül terjed, valamely mozgó rész állítja elő a nyomást. Eddigi példáink mindegyikében a mozgó rész egy dugattyú. Az erő és a dugattyú felületének hányadosa adja meg a rendszer nyomását (P = F/A).

Mechanikai erő fokozása

A hidraulika mechanikai erőt tud erősíteni (szorozni). Az erősítési tényező a hidraulikahenger dugattyújának felületétől függ (in² vagy cm²). Mivel a nyomás egy zárt folyadékban egyenletesen terjed, ha a kimeneti henger dugattyúja nagyobb, mint a bemeneti dugattyú, akkor a kimeneti erő nagyobb, mint a bemeneti erő.

Példa: Egy 5000 font (22 200 N) erő hat egy 10 in² (64,52 cm²) felületű dugattyúra, amely nyomást eredményez:

Ugyanez a 500 psi hat egy 15 in² (96,78 cm²) kimeneti dugattyúra:

2–9. ábra Mechanikai erőszorzás. Ugyanaz a nyomás hat mindkét dugattyúra, de a nagyobb dugattyú nagyobb erőt eredményez. F = P × A.

Nyomáserősítő

Egy nyomásfokozó (más néven erősítő) képes növelni a hidraulikus nyomást. Két dugattyút használ, amelyeket egy rúd köt össze egyetlen házban, amely bemeneti, kimeneti és lefolyó portokkal rendelkezik. A nagy dugattyú érzékeli a rendszer nyomását; az általa kifejtett erőt a kis dugattyúra továbbítja, amely nagyobb kimeneti nyomást állít elő, mivel felülete kisebb.

Hogyan működik egy nyomásfokozó

A nagy dugattyú érzékeli a rendszer nyomását, és az általa kifejtett erőt a rúdon keresztül a kis dugattyúra továbbítja. Mivel a kis dugattyú felülete kisebb, a kis dugattyú végén a kimeneti nyomás magasabb – a nyomás fokozódik.

Példa: Egy 5000 lbs (22 200 N) erő hat a nagy dugattyúra (felület: 15 in² / 96,78 cm²). Nyomás = 333 psi (22,9 bar). Az erőt átviszik a kis dugattyúra (felület: 0,76 cm²). Kimeneti nyomás = 5000 lbs / 0,76 cm² × (1/10 000) = 2000 psi (137,9 bar). Kimeneti erő = 30 000 lbs (133 200 N).

A nyomásfokozók gyakori alkalmazási területe a befogó berendezések.

2–11. ábra Nyomásfokozó. A nagy dugattyú erőjét átviszi a kisebb felületű kis dugattyúra – így a kimeneten lényegesen magasabb nyomás keletkezik.

Hidraulikus energiaátvitel

A hidraulikus rendszerek (vagy bármely más energiaátviteli módszer) gépekben való alkalmazásának célja a hasznos munkavégzés. Ahhoz, hogy egy henger munkát végezhessen, erőt kell kifejtenie a terhelésre, és el kell mozgatnia azt egy távolságon – ezért a rendszernek olyan alkatrészre van szüksége, amely képes az energiát felhasználni egy folyadék folyamatos áramoltatására.

Hidraulikus akumulátor

Eddig minden olyan eszközt megvizsgáltunk, amely nyomást hoz létre egy zárt folyadékban, és mindegyik dugattyút és hengert használ. A dugattyú fejti ki az erőt; a henger zárja le a folyadékot. Ezt a típusú eszközt akkumulátornak nevezzük.

Az akkumulátor tárolni tudja a nyomás alatt álló folyadék potenciális energiáját. Ezt a tárolt potenciális energiát munkavégző energiává (áramlás és nyomás) lehet átalakítani.

Példa: Egy 500 psi (34,5 bar) nyomástartó akkumulátor nyomást biztosít egy terhelés elmozdításához. A tárolt 500 psi-ből 400 psi (27,6 bar) szolgál a terhelés ellenállásának leküzdésére, a fennmaradó nyomás pedig áramlássá alakul, hogy mozgassa a terhelést.

Az akkumulátoroknak van egy korlátozása: ha a terhelés nagyon nagy, akkor esetleg nem áll rendelkezésre elegendő nyomás a leküzdéséhez, így nem végezhető munka. Továbbá, amint a tárolt folyadék teljesen kifolyik, az áramlás megszűnik.

Ahhoz, hogy elegendő nyomást alkalmazzunk a terhelés leküzdésére és folyamatosan biztosítsunk áramlást, egy másik eszközre van szükség – a pozitív elmozdulású hidraulikus szivattyúra.

2–12. ábra: Az akkumulátor működése. A tárolt nyomás képes elmozdítani egy terhelést, de amint a folyadék elfogy, az áramlás megszűnik – az akkumulátor önmagában nem képes folyamatos munkavégzésre.

Pozitív elmozdulású hidraulikus szivattyú

Egy térfogatáramos szivattyú folyamatos folyadékáramot állít elő a belső mozgás ismétlődő, alternáló vagy forgó mozgásával. Egyaránt biztosítja a kinetikus energiát (áramlást) és a nyomási energiát – azaz a folyamatos hidraulikus munkavégzéshez szükséges munkaenergiát.

Lengődugattyús szivattyú

Egy alternáló dugattyús szivattyúban a dugattyút egy hajtómotor (motor vagy villanymotor) mozgatja egy forgattyús vagy kamás mechanizmuson keresztül. A bemeneti és a kimeneti csatlakozón egyaránt golyós szelepek találhatók. Amikor a dugattyút kihúzzák, a belső térfogat nő, a bemeneti golyós szelep kinyílik, és a folyadék beáramlik. Amikor a dugattyút befelé nyomják, a térfogat csökken, a nyomás növekszik, a bemeneti golyós szelep bezáródik, és a kimeneti golyós szelep kinyílik – így a folyadékot a rendszerbe juttatja. A folyamatos oda-vissza mozgás pulzáló áramlást eredményez; a nyomás akkora lehet, amekkorát a rendszer igényel.

2-13. ábra: Alternáló dugattyús szivattyú. A dugattyú be- és kifelé mozog, a bemeneti visszacsapó szelepen keresztül szívja be az olajat, és a kimeneti visszacsapó szelepen keresztül juttatja ki.

Forgó térfogatáramos szivattyú

Az ipari hidraulikus rendszerekben leggyakrabban használt szivattyú a forgó, pozitív elmozdítású szivattyú. Ez viszonylag sima, nyomás alatti folyadékáramot állít elő, és könnyen meghajtható villanymotorral vagy motorral. A forgó elem minden egyes fordulata meghatározott térfogatú folyadékot mozgat.

Forgó szivattyú felépítése

Egy forgó szivattyú házból és egy forgó szerelvényből áll. A házban van egy bemenet és egy kimenet. A forgó szerelvény állítja elő az áramlást és a nyomást. A bemutatott példában egy rotor és szabadon befelé és kifelé csúszó lapátok vannak, amelyek a rotor horpadásaiban helyezkednek el.

Egy forgószivattyú működése

A forgó szerelvény excentrikusan (a középponttól eltérően) van felszerelve a ház belsejében, és a hajtóműtengelyen keresztül kapcsolódik a meghajtóhoz – a rotor forog. Amint a rotor forog, a centrifugális erő kifelé nyomja a lapátokat a ház falához, így tömített kamrákat alkotnak. A szívóoldalon a kamra térfogata nő, és folyadék szívódik be. A nyomóoldalon a kamra összehúzódik, a nyomás növekszik, és a folyadék kilökődik a rendszerből. A szivattyú csak annyi nyomást tud létrehozni, amennyi a rendszerben fellépő legkisebb ellenállásnak felel meg – semmi többet.

2–15. ábra: Forgólapátos szivattyú. A lapátok a ház falához simulva olyan kamrákat alkotnak, amelyek a rotor forgása során tágulnak (szívóoldal) és összehúzódnak (nyomóoldal).

Ellenállás és nyomás

Egy hidraulikus rendszerben a nyomás és az ellenállás közvetlenül összefügg egymással. A szivattyú folyadékot juttat a rendszerbe; a nyomás szintjét az ellenállás mértéke határozza meg. Magas ellenállás → magas nyomás; alacsony ellenállás → alacsony nyomás. A folyadékáramlás ellenállása határozza meg, mekkora nyomás keletkezik.

Ellenállás a szivattyúnál

Egy szivattyú két típusú ellenállással szembesül: terhelési ellenállással és áramlási ellenállással. Ha elhanyagoljuk az áramlási ellenállást, akkor az egyetlen ellenállás a terhelés. Ha a terhelési ellenállás leküzdéséhez 200 psi (13,8 bar) nyomás szükséges, akkor a szivattyú 200 psi nyomást állít elő, és hidraulikus munkaenergiát juttat a munkahengerbe, amely ezután mozgatja a terhet.

Az áramlási ellenállás mindig jelen van. Ez arra kényszeríti a szivattyút, hogy több energiát vonjon el a hajtómotorból, és magasabb nyomást állítson elő a leküzdéséhez.

2–16. ábra: Ellenállás és nyomás. A szivattyú nyomása emelkedik, hogy leküzdje a teljes ellenállást – a terhelési ellenállást és az áramlási (súrlódási) ellenállást.

További energiaváltás

A szivattyú által a folyadékba betáplált extra energia, amelyet a folyási ellenállás leküzdésére fordítanak, nem alakul át hasznos hidraulikus munkaenergiává a munkahengerben – hanem a folyási súrlódás fogyasztja el. Ez az „elhasznált” energia nem veszik el a megmaradási törvény értelmében; inkább hővé alakul, ami emeli a folyadék hőmérsékletét. Ez a hő jelenti a rendszer hatástalanságát.

Sebesség és térfogatáram

Egy dinamikus (áramló) hidraulikus rendszerben a folyadék bizonyos sebességgel (gyorsasággal) mozog a csövekben. A sebességet ft/s (lábfokozat másodpercenként) vagy m/s egységben mérik.

Az időegység alatt egy adott ponton áthaladó folyadék térfogata a térfogatáram. A hidraulikus rendszerekben általában gpm (amerikai gallon per perc) vagy Lpm (liter per perc) egységet használnak.

A sebesség és a térfogatáram összefüggnek: egy 5 gallonos (18,95 literes) edény egy perces megtöltéséhez egy nagy átmérőjű csövön keresztül a folyadék 10 ft/s (3,04 m/s) sebességgel áramlik. Egy félszer akkora átmérőjű csövön ugyanazt a 5 gpm-es térfogatáramot elérni csak 20 ft/s (6,10 m/s) sebességgel lehet. A térfogatáram ugyanaz; a sebesség viszont eltérő.

2–17. ábra Ugyanazon átfolyási sebesség, eltérő sebesség. Kisebb átmérőjű csőben a folyadéknak gyorsabban kell mozognia, hogy ugyanannyi térfogatot juttasson át percenként.

A súrlódás hőt termel

A hidraulikus csöveken átáramló folyadék súrlódás miatt hőt termel — minél gyorsabban áramlik, annál több hő keletkezik. Ipari alkalmazásokban a szivattyú és a munkahenger közötti vezetékekben ajánlott folyadéksebesség 15 láb/másodperc (4,572 m/s).

A kanyarok hőt termelnek

Egy egyenes csőben áramló folyadék, amely eléri egy kanyart, hirtelen meg kell változtassa az irányát. A folyadékrészecskék egymással és a csőfalakkal ütköznek — ez is hőt termel. A cső átmérőjétől függően egyetlen 90°-os könyök akkora hőmennyiséget termelhet, mint több lábnyi egyenes cső.

Nyomáskülönbség

A nyomáskülönbség a rendszer bármely két pontja közötti nyomásbeli különbség. A nyomáskülönbség két dolgot mutat:

1. Azt jelzi, hogy hidraulikus munkaenergia (nyomás alatt álló, áramló folyadék) jelen van e két pont között.
2. Ez azt méri, hogy mennyi hidraulikus energia alakult át hővé az adott két pont között.

Példa: A nyomásmérő 1 értéke 200 psi (13,79 bar); a nyomásmérő 2 értéke 180 psi (12,41 bar). A nyomáskülönbség = 20 psi (1,38 bar). Ez azt jelenti:

3. A folyadék a nyomásmérő 1-től a nyomásmérő 2 felé áramlik.
4. a két nyomásmérő közötti áramlási súrlódás miatt 20 psi hidraulikus energia alakult át hővé.

2–19. ábra: Nyomáskülönbség. Ennek a csőszakasznak a 20 psi-os nyomáscsökkenése azt mutatja, hogy áramlás van, és meghatározza a súrlódási hőként elveszített hidraulikus energiamennyiséget.

Hőtermelés csökkentése hidraulikus rendszerek tervezésekor

A hidraulikus energia hővé alakítása azt jelenti, hogy a rendszer energiát pazarol. Az üzemhatékonyság javítása érdekében a tervezőknek megfelelő olajviszkozitást kell választaniuk, helyesen kell méretezniük a csöveket, és minimalizálniuk kell a kanyarok és csatlakozók számát. Mindezek csökkentik az áramlási ellenállást, és így csökkentik a hő formájában elveszített energiamennyiséget.

2–20. ábra: Hőtermelés egy valós áramkörben. Minden cső, csatlakozó, kanyar és szelep hozzájárul a nyomáscsökkenéshez és az energiaveszteséghez.