Áður en við tölum um að senda orku í gegnum væskjur þurfum við að skilja nokkrar eiginleika væskjna og hvernig álag er send í gegnum þær. Þetta mun hjálpa okkur að skilja af hverju hydraulík virkar eins og hún gerir.

Vökvi

Væskja er hvaða efni sem er sem hefur enga fastan lögun. Væskjur innihalda bæði væskjur og gas.

Líquid

Væskja, eins og gas, er gerð úr sameindum. En ólíkt gas eru sameindirnar í væskju dregnar nær saman – en ekki svo sterklega að þær séu festar á fastum stöðum eins og í föstu efni. Þess vegna rennur væskjan frjálslega og tekur lögun þess ílats sem hún er í.

Mynd 2-1: Sameindir í væskju (neðst) eru pakkaðar náttúrulega saman og eru í varðvegandi hreyfingu, en sameindir í gas (efst) eru langt frá hverri annarri.

Hreyfiorka sameinda

Sameindirnar inni í væskju eru alltaf í hreyfingu – jafnvel þegar væskjan lítur alveg óhreyfð út. Þær skjúfa stöðugt fram og aftur fram yfir hvort annað. Þessi sameindahreyfing kallast innri orka væskjunnar.

Væskjur taka lögun þess ílats sem þær eru í

Af þessari stöðugri molekulara skriðu rennur væta og fyllir hvaða ílát sem hún er í. Það er sama hvort það er mikil eða lítil magn vætu, hún tekur alltaf lögun ílátsins.

Vætur eru tiltölulega óþjáanlegar

Því að molekylur vætu eru þétt samanpackaðar, hegða vætur sér eins og föst efni á einum mikilvægum hátt: þær eru tiltölulega óþjáanlegar – þær má ekki þjá saman í verulega minna rúmmál.

Þess vegna fara dykkar í vatnið með fótunum eða höndunum fyrst („hnífadýk“) í staðinn fyrir að slá á bakhlutanum. Vatnið getur ekki fært sig út úr leiðinni nógu hratt þegar það er hitt af stóru flötum yfirborði og áreksturinn er eins og að rekast á fast efni. Fætur eða hendur skipta vatninu með litlum flatarmáli og litla flatarmálið þýðir miklu minna áreksturskraft.

Því að væta er tiltölulega óþjáanleg og tekur lögun hvaða íláts sem er, hefur hún raunverulegan kost á því að transmita kraft.

Kraftaframsending

Fjórar aðferðir til að flytja orku (vélræn, rafmagns-, vökva- og loftþrýstiaðferðin) geta allar flutt bæði staðgiltu kraft (potensíalorku) og hreyfikraft (hreyfiorku). Þegar staðgiltur kraftur er fluttur í vökvum gerist eitthvað sérstakt.

Kraftur sem er fluttur í vökvum

Ólíkt krafti sem áhrifar fast efni, er kraftur sem áhrifar þéttuðs vökvans dreifður um alla vökvann sem þrýstingur — og þrýstingurinn er jafn á hverjum stað í vökvnum.

Ef við ýrum á færilegan pistil sem situr ofaná í ílát fullt af vökvum, þá framleiðir krafturinn sem við beitum þrýsting, og þessi þrýstingur dreifist jafnt í öllum áttum í vökvunum.

Óháð því hvernig þrýstingurinn var búinn til — hvort sem með pistli, hönd, þyngdarkerfi, fjöður, þjöppuðu lofti eða einhverri samsetningu — þegar krafturinn er einu sinni inni í þéttuðum vökvum breytist hann í þrýsting og dreifist jafnt um allt.

Þar sem vökvur tekur lögun hvaða íláts sem er, er hægt að dreifa þrýstingi óháð lögun ílátsins.

Mynd 2-4: Krafturinn á pistunum verður að þrýstingi í vætginu. Þessi þrýstingur dreifist jafnt í öll áttir — þetta er lykillinn að hydraulík.

Pascals lög

Eiginleiki vætgi til að transmita þrýstinginn jafnt í öll áttir kallast Pascals lög, nefnt eftir uppgötvandanum Blaise Pascal.

Stærðfræðilaga form Pascals lags er sama og þrýstingsformúlan sem kynnst var í kafla 1:

Þrýstingamælar

Þrýstingsmælir mælir þrýstinginn sem áhrifar vætgið í kerfinu. Tveir algengustu gerðirnar í hydraulískum kerfum eru Bourdon-rör-mælirinn og pistils-mælirinn.

Bourdon-rör-mælir

Bourdon-rörsmælir samanstendur af vísumynd og vísum. Vísirinn tengist böguðu, fjölbreytilegu metaliðna rörinu sem kallast Bourdon-rör. Kerfisþrýstingurinn fer inn í rörið gegnum inntaksskammtinn. Skalan er venjulega merkt í psi, bar eða Pa.

Hvernig Bourdon-rörið virkar

Þegar kerfisþrýstingurinn hækkar, þá hefur mismunurinn á flatarmáli innan og utan við böguða rörið áhrif á það að það reisist. Þessi reisimunur dregur vísuminn yfir vísumyndina til að sýna þrýstinginn. Bourdon-rörsmælir eru nákvæm tæki með nákvæmni á 0,1% til 3,0% af fullum skalanum; þeir eru notaðir í vísindaprófunum eða þar sem nákvæm mæling á þrýstingi er mikilvæg.

Píslar-gerðar mælir

Píslarstýrður vísir samanstendur af píslari, jafnvægisspjaldi, vísum og skálunni. Kerfisþrýstingur verkar á píslarflötinn og ýtir honum gegn spjaldinu. Hreyfing píslarins dregur vísuminn yfir skáluna. Skálunin er stillt í psi (bar). Píslarvísir eru þéttir og ekonomískir — algengur valkostur fyrir daglega kerfisstjórnun.

Mynd 2-6 Píslarstýrður vísir: kerfisþrýstingur ýtir píslarinn gegn spjaldi.

Umbreyting á þrýstingi í vélfræðilega kraft

Að senda þrýsting gegnum lokaða væska er gagnlegt aðeins ef þrýstingurinn má umbreyta aftur í vélfræðilegan kraft einhversstaðar. Það er verkefni virkilsins (virkilseiningar) — hann tekur við hydraulískum þrýstingi og umbreytir honum í vélfræðilegan kraft.

Hydraulískur sílindur er ein tegund virkils.

Vatnsþrýstingarsílu

Hydraulískur sílindur tekur við hydraulískum þrýstingi og umbreytir honum í beinlína (línulegan) vélfræðilegan kraft. Með viðeigandi vélfræðilegum tengingum er hægt að umbreyta honum líka í snúningshreyfingu.

Bygging á sílindri

Grunnþættir sílindris eru: hlífurinn (rör), endahlutarnir, pistillinn, pistilsstöngin og inn- og útflæðisholum. Hver endi hefur einn endahluta. Pistillinn getur glíðað innan í hlífnum. Stöngin tengist pistlinum. Inn- og útflæðisholurnar við hvorn enda hlífins leyfa vinnuolíu að renna inn og út.

Mynd 2-8: Þversnið af hydraulískum sílindri. Olía rennur inn um eina holu, ýtir á pistilinn og stöngin lengist. Olía sem fer út um hina holuna skilar aftur í olíusafnið.

Hvernig sílindri virka

Þegar innflæðishola sílindris er tengd við kerfið verður sílindri hluti af kerfinu. Tryggð frá punkti A fer í gegnum kerfið til pistilsins innan í sílindrinum. Þessi tryggð, sem verkar á flatarmál pistilsins, framleiðir mekanískan kraft á punkti B — við endann á stönginni.

Með því að ýta

Þegar tryggð er send í gegnum lokaða væska, býr einhver hreyfandi hluti til þeirrar tryggðar. Í öllum dæminu sem komu áðan er hreyfandi hluturinn pistillinn. Með því að deila kraftinum með flatarmáli pistilsins fæst tryggðin í kerfinu (P = F/A).

Margföldun vélfræðilegs krafts

Hydraulík getur stækkað (margfaldað) mekanískan kraft. Margföldunarstuðullinn er háður flatarmáli pistonsins í hydraulíkstöngu (in² eða cm²). Þar sem þrýstingur er dreifður jafnt um lokaða væska, ef pistonsflatarmál útgangsstöngunnar er stærra en inngangsstöngunnar, þá er útgangskrafturinn meiri en inngangskrafturinn.

Dæmi: Kraftur 5.000 lbs (22.200 N) verkar á pistonsflatarmál 10 in² (64,52 cm²), sem gefur þrýstinginn:

Sami 500 psi verkar á 15 in² (96,78 cm²) útgangspiston:

Mynd 2-9: Mekanísk kraftsmargföldun. Sami þrýstingur verkar á báða pistona, en stærri pistonninn framleiðir meiri kraft. F = P × A.

Þrýstingsskarpnari

Þrýstisjóður (einnig kölluður aukabúnaður) getur margfaldað þrýsting í vökvakerfi. Hann notar tvo pistla sem eru tengdir með einum stöng inni í einu hús, með inntaks-, úttaks- og losunargöngum. Stóri pistillinn uppflettir kerfisþrýstinginn; krafturinn sem hann framleiðir er beindur á litla pistilinn, sem framleiðir hærra úttaksþrýsting vegna minni flatarmálsins.

Hvernig þrýstisjóður virkar

Stóri pistillinn uppflettir kerfisþrýstinginn og sendir þann kraft á litla pistilinn gegnum stöngina. Vegna þess að litli pistillinn hefur minna flatarmál er úttaksþrýstingurinn við endann á litla pistlinum hærri — þrýstingurinn er margfaldaður.

Dæmi: Kraftur af 5.000 lbs (22.200 N) verkar á stóra pistilinn (flatarmál: 15 in² / 96,78 cm²). Þrýstingur = 333 psi (22,9 bar). Sá kraftur er færður yfir á litla pistilinn (flatarmál: 0,76 cm²). Úttaksþrýstingur = 5.000 lbs / 0,76 cm² × (1/10.000) = 2.000 psi (137,9 bar). Úttakskraftur = 30.000 lbs (133.200 N).

Algengt notkunarsvæði fyrir þrýstisjóða er í festiforritum.

Mynd 2-11: Þrýstisjóður. Stóra pistilinn ferðar kraft sinn á litla pistilinn, sem hefur miklu minni flatarmál — þar með verður mikið hærra þrýsti á útganginum.

Vökvaorðuð orkuflutningur

Tilgangur notkunar vökvaorðuðrar kerfis (eða einhvers annars orkuflutningskerfis) í vélinni er að framkvæma gagnlega vinna. Til að sílindri geti framkvæmt vinnu þarf hann að beita krafti á hleðsluna og færa hana um ákveðna fjarlægð — svo kerfið þarf hlut sem getur notað orku til að veita samfellda vægi vökvans.

Vatnsstýrður samlendur

Allt sem við höfum litið á þessu ávallt sem býr til þrýsti í lokaðum vökvum notar pistla og sílindra. Pistillinn beitir krafti; sílindurinn læsir vökvann. Slíkt tæki kallast þrýstisjóður.

Þrýstisjóður getur geymt mögulega orku vökvans undir þrýsti. Þessi geymda mögulega orka getur verið breytt í virkandi orku (vægi og þrýsti).

Dæmi: Þrýstiflæðisgeymi með 500 psi (34,5 bar) veitir þrýsting til að skjóta á hleðslu. Af þeim 500 psi sem eru geymdir eru 400 psi (27,6 bar) notað til að vinna á móti viðmótshleðslunni, og restinn þrýstingur breytist í flæði til að færa hleðsluna.

Þrýstiflæðisgeymi hafa takmarkanir: ef hleðslan er mjög mikil gæti ekki verið nægur þrýstingur til að vinna á móti henni, svo engin vinna getur verið framkvæmd. Ásamt því, þegar geymda væskjan er fullkomlega losuð, er ekkert fleira flæði til staðar.

Til að beita nægum þrýstingi til að vinna á móti hleðslu og halda áfram að veita flæði áframhaldandi er nauðsynlegt að nota annað tæki — rúmmálsþrýstiflæðisvél.

Mynd 2-12: Virkni þrýstiflæðisgeymis. Geymdur þrýstingur getur skjótað á hleðslu, en þegar væskjan er losuð er flæðið stöðvað — þrýstiflæðisgeymir getur ekki einn um sjálfan sig tryggða áframhaldandi vinnu.

Rúmmálsþrýstiflæðisvél

Pumpa með jákvæðri rúmmálsflæði framleiðir samfellda væskjuflokk með endurtekinum fram- og tilbaka-hreyfingum eða snúningum innra hluta. Hún veitir bæði hreyfiorku (flokk) og ýtryrki — vinnuorkuna sem nauðsynleg er til að framkvæma samfellda hydraulísk verk.

Pumpa með fram- og tilbaka-hreyfingum

Pumpa með fram- og tilbaka-hreyfingum hefur pistil sem er tengdur við ávöxtunaraftur (vél eða rafmagnsmotor) gegnum krummu eða kamm. Inntak og úttak hafa hvort sitt kúluloka-valva. Þegar pistillinn er dreginn út, eykst innri rúmmál, inntaks-kúlulokan opnast og væskjan rennur inn. Þegar pistillinn er ýttur inn, minnkar rúmmálið, ýtrin byggist upp, inntaks-kúlulokan lokað og úttaks-kúlulokan opnast — og væskjan er ýtt í kerfið. Samfelld fram- og tilbaka-hreyfing framleiðir pulserandi flokk; ýtrin getur verið hvaða sem kerfið krefst.

Mynd 2-13: Pumpa með fram- og tilbaka-hreyfingum. Pistillinn hreyfist inn og út, dregur olíu inn gegnum inntaks-lókuna og ýtir henni út gegnum úttaks-lókuna.

Snúðupumpa með jákvæðri rúmmálsflæði

Algengasti pípinn í iðnaðarhydraulíkkerfum er snúðupípinn með jákvæðri rýmd. Hann framleiðir tiltölulega jafna, yfirþrýstta streymi og er auðvelt að keyra með rafmagnshvörfu eða vél.

Bygging snúðupípils

Snúðupípill hefur hús og snúðusamsetningu. Húsið hefur innflæði og útflæði. Snúðusamsetningin framleiðir streymið og þrýstinginn. Dæmið sem sýnt er hefur snúð og blöður sem geta fært sig frjálslega inn og út úr rásunum í snúðnum.

Hvernig snúðupumpa virkar

Snúðurinn er festur ósamhæfis (ekki í miðjunni) inni í hýsingu og tengdur við aðalvélina með snúðásnum — rótarinn snýr. Þegar rótarinn snýr, ýtir þyngdaraflinu út á vingarnar gegn veggjum hýsingarinnar og mynda lokaðar rými. Á inntaksins hlið veldur rúmmálsaukningu í rýminu að væta er dregin inn. Á útgangsins hlið minnkar rúmmálið, þrýstingurinn vex og vætan er ýtt út úr kerfinu. Pumpan framleiðir aðeins þann þrýsting sem jafngildir lægsta mótstöðunni í kerfinu — ekki meira.

Mynd 2-15: Snúðupumpa með vingum. Vingarnar þéttar gegn veggjum hýsingarinnar og mynda rými sem stækka (inntak) og minnka (útgangur) þegar rótarinn snýr.

Mótstöða og þrýstingur

Í vökvasýstému eru þrýstingur og mótstaða beint tengdir. Pumpan ýtir vægi í kerfið; þrýstingurinn ákvarðast af stigi mótstaðunnar. Há mótstaða → háur þrýstingur; lág mótstaða → lágur þrýstingur. Mótstaðan við vægistróma ákvarðar hversu mikill þrýstingur myndast.

Mótstaða á pumpu

Pumpa er sett fram fyrir tvo gerða mótstaðu: hleðslumótstaðu og straumhöldumótstaðu. Ef við hunsa straumhöldumótstaðu er einungis hleðslumótstaðan til staðar. Ef 200 psi (13,8 bar) eru nauðsynleg til að vinna yfir hleðslumótstaðuna, framleiðir pumpan 200 psi og sendir hydraulíska vinnuorku í virkjalinn, sem síðan færir hleðsluna.

Straumhöldumótstaða er alltaf til staðar. Hún ákvarðar að pumpan þurfi að draga meiri orku úr aðalvinnuvélunni og framleiða hærra þrýsting til að vinna yfir hana.

Mynd 2-16: Mótstaða og þrýstingur. Þrýstingurinn í pumpunni hækkar til að vinna yfir allan heildarmótstaðann sem hún á við — hleðslumótstaðann og straumhöldumótstaðann (rúffróunarmótstaðann).

Viðbótaskonvertering á orku

Aukaorðan sem pípupaninn setur í væskjuna til að vinna á móti straumhöggvi er ekki breytt í gagnlega hydraulíska vinnuorku við virkjalann — hún er notuð upp af straumfriðju. Þessi „notuð“ orka er ekki tapuð í samræmisstefnunni; hún er breytt í hita, sem hækkar hitastig væskjunnar. Þessi hiti er óþættleiki kerfisins.

Hraði og rásarflokkur

Í dýnamísku (straumandi) hydraulískum kerfi fer væskjan um rör með ákveðnum hraða (hraða). Hraði er mældur í ft/s (fótum á sekúndu) eða m/s.

Rúmmál væskjunnar sem fer framhjá ákveðnu punkti á einingartíma er kallaður rásarflokkur. Í hydraulískum kerfum er einingin venjulega gpm (bandaríkjametra gallon á mínútu) eða Lpm (lítrar á mínútu).

Hraði og rásarflokkur eru tengdir: til að fylla 5-gal (18,95 L) ílát á einni mínútu gegnum stórt rör fer væskjan með hraðanum 10 ft/s (3,04 m/s). Gegnum rör sem er helmingur svo stórt verður væskjan að fara með hraðanum 20 ft/s (6,10 m/s) til að veita sama rásarflokkinn 5 gpm. Rásarflokkurinn er sá sami; hraðinn er annar.

Mynd 2-17 Sama flowhraði, mismunandi hraði. Í minni röri verður vængja að hreyfa sig hraðar til að fara sama rúmmálið á mínútu.

Rökkun framkallar hita

Vökvi sem rennur í hydraulískum rörum framkallar hita vegna rökkunar — því hraðar hann rennur, því meiri hiti er framleiddur. Í iðnaðarsjónum er mælt með vængjahraða innan línanna milli pumpu og virkils á 15 ft/s (4,572 m/s).

Beygjur framkalla hita

Vökvi sem rennur í beinu rör sem mætir beygju verður að breyta áttinni skyndilega. Vökvaþættir rekast saman og á rörvegg — þetta framkallar líka hita. Eftir stærð rórsins getur ein 90° beygja framkallað jafn mikinn hita og nokkrar fet af beinu rör.

Þrýstingunumunur

Þrýstismunur er munurinn á þrýstingi á milli tveggja punkta í kerfi. Þrýstismunur segir þér tvær hluti:

1. Hann sýnir að hydraulísk vinnuorka (þrýstur, rennandi vængi) er til staðar á milli þessara tveggja punkta.
2. Það mælir hversu mikil hydraulísk orka er breytt í hita á milli þessara tveggja punkta.

Dæmi: Þrýstimalari 1 sýnir 200 psi (13,79 bar); þrýstimalari 2 sýnir 180 psi (12,41 bar). Mismunurinn er 20 psi (1,38 bar). Þetta þýðir:

3. Vökvi rennur frá þrýstimalara 1 á áttina að þrýstimalara 2.
4. 20 psi af hydraulískri orku voru breytt í hita vegna rennufriðju á milli tveggja þrýstimalara.

Mynd 2-19: Þrýstismismunur. Þessi 20 psi fall á þessum hluta rörsins sýnir að rennslu er til staðar og skilgreinir hydraulísku orkuna sem er misnotuð sem friðjuhitinn.

Hannað til að minnka hita í hydraulískum kerfum

Að breyta hydraulískri orku í hita þýðir að kerfið missir orku. Til að bæta árangri þurfa hönnuðar að velja rétta olíusjóðleika, stækka rörin á réttan hátt og lágmarka fjölda beygja og tengila. Allt þetta minnkar rennustöðu og því orkuföllin sem verða að hita.

Mynd 2-20: Hitamyndun í raunverulegu rásarkerfi. Hvert rör, hver tengill, hver beygja og hver kláppa framlengja þrýstifall og orkuföll.