לפני שנדון בהעברת אנרגיה דרך נוזלים, עלינו להבין כמה תכונות של נוזלים ואיך כוח עובר דרכם. זה יעזור לנו להבין למה הידראוליקה פועלת כפי שהיא פועלת.

מצע זורם

נוזל הוא כל חומר שאין לו צורה קבועה. נוזלים כוללים גם נוזלים וגם גזים.

נוזלים

נוזל, כמו גז, מורכב ממולקולות. אך בניגוד לגז, המולקולות שבנוזל מושכות זו את זו בקרבה רבה — אך לא מספיק חזק כדי להיקבע במקומות קבועים, כפי שמתרחש בחומרים קשיחים. לכן נוזל זורם בחופשיות ומקבל את צורת הכלי שבו הוא נמצא.

איור 2-1: מולקולות נוזל (למטה) צפופות זו בזו ו находятся בתנועה מתמדת, בעוד שמולקולות הגז (למעלה) מרוחקות זו מזו.

אנרגיה קינטית מולקולרית

המולקולות בתוך נוזל תמיד בתנועה — גם כשנראה שהנוזל עומד בשקט מוחלט. הן מחליקות ומגלשות ללא הרף זו על גבי זו. תנועה מולקולרית זו נקראת האנרגיה הפנימית של הנוזל.

נוזלים מקבלים את צורת הכלי שבו הם נמצאים

בגלל החלקה המולקולרית הקבועה הזו, נוזל זורם וממלא כל מיכל שמכיל אותו. בין אם יש כמות גדולה של נוזל ובין אם יש כמות קטנה, הוא תמיד תופס את צורת המיכל. יכולת זו קשורה באופן הדוק לוויסקוזיות, שנידון בה בפרקים הבאים.

נוזלים הם בלתי ניתנים לדחיסה יחסית

בגלל שהמולקולות הנוזליות צפופות זו בזו, נוזלים מתנהגים כמו גופים קשיחים באחד היחסים החשובים: הם בלתי ניתנים לדחיסה יחסית — לא ניתן לדחוס אותם לנפח קטן יותר באופן משמעותי.

לכן צוללים נכנסים למים על הרגליים או על הידיים (הכניסה בצורת סכין) ולא על הבטן. המים אינם יכולים להתרחק מהדרך מספיק מהר כאשר פוגעים בהם משטח רחב ושטוח, וההשפעה דומה לפגיעה בגוף קשיח. הרגליים או הידיים חותכות את המים בשטח קטן, והשטח הקטן גורם לכוח השפעה קטן בהרבה.

בגלל שהנוזל בלתי ניתן לדחיסה יחסית ומקבל את צורת כל מיכל שמכיל אותו, יש לו יתרון ממשי בהעברת כוח.

העברת כוח

ארבע שיטות העברת האנרגיה (מכנית, חשמלית, הידראולית, פנאומטית) יכולות להעביר הן כוח סטטי (אנרגיה פוטנציאלית) והן כוח דינמי (אנרגיה קינטית). כאשר כוח סטטי מועבר דרך נוזל, מתרחשת תופעה מיוחדת.

כוח המועבר דרך נוזל

בניגוד לכוח הפועל על גוף מוצק, הכוח שמופעל על נוזל עתוד (כלומר, הכלוא בתוך מיכל סגור) עובר בכל הנוזל כלחץ — והלחץ זהה בכל נקודה בנוזל.

אם נלחץ על מכסה נייד הנמצא מעל מיכל מלא בנוזל, הכוח שאנו מפעילים יוצר לחץ, והלחץ זה מופץ באופן שווה בכל הכיוונים דרך הנוזל.

לא משנה כיצד נוצר הלחץ — על ידי piston, יד, כבידה, קפיץ, אוויר דחוס או כל שילוב thereof — ברגע שנמצא בתוך נוזל סגור, הכוח הופך ללחץ ועובר באופן שווה בכל רחבי הנוזל.

מכיוון שנוזל מקבל את צורת המיכל שבו הוא נמצא, ניתן להעביר לחץ ללא תלות בצורת המיכל.

איור 2-4: הכוח הפועל על המבנה הופך ללחץ בנוזל. הלחץ הזה מתפשט באופן שווה בכל הכיוונים — זהו העיקרון המרכזי של ההידראוליקה.

חוק פסקל

התכונה של נוזל להעביר לחץ באופן שווה בכל הכיוונים נקראת חוק פסקל, על שם מגלם, בלז פסקל.

הצורה המתמטית של חוק פסקל זהה לנוסחת הלחץ שהוצגה בפרק 1:

מדידות לחץ

מד לחץ מודד את הלחץ הפועלים על הנוזל במערכת. שני סוגי מדדי הלחצים הנפוצים ביותר במערכות הידראוליות הם מד הלחצים מסוג צינור בורדון ומד הלחצים מסוג piston.

מד לחץ מסוג צינור בורדון

מד צינור בורדון מורכב מפאה מעגלית וממחט. המחט מחוברת לצינור מתכתי עקום וגמיש הנקרא צינור בורדון. הלחץ של המערכת נכנס לצינור דרך הכניסה. הסולם מסומן בדרך כלל ב-psi, בар או Pa.

איך פועל צינור בורדון

כשלחץ המערכת עולה, ההבדל בשטח בין הפנים לחוץ של הצינור העקום גורם לו למתוח ולהתעקל פחות. תנועת ההתמשקות הזו מפעילה את המחט על פני הפאה המעגלית כדי להצביע על הלחץ. מדדי צינור בורדון הם מכשירי דיוק שדיוקם הוא 0.1% עד 3.0% מהסולם המלא; הם משמשים בבדיקות מעבדה או בכל מקום שבו דיוק במדידת הלחץ קריטי.

מד סוג פיסטון

מדד מסוג פיסטון מורכב מפיסטון, קפיץ מאזן, מחט וסרגל. הלחץ במערכת פועל על פני הפיסטון ודוחף אותו נגד הקפיץ. תנועת הפיסטון מפעילה את המחט לאורך הסרגל. הסרגל קליבר ביחידות psi (בר). מדדי פיסטון הם עמידים וזולים – ברירה נפוצה לפקחת מערכות יומיומית.

איור 2-6: מדד מסוג פיסטון – לחץ המערכת דוחף את הפיסטון נגד קפיץ. התזוזה של הפיסטון מזיזה את המחט.

המרת לחץ לכוח מכני

העברת לחץ דרך נוזל אטום היא מועילה רק אם ניתן להמיר את הלחץ חזרה לכוח מכני במקום כלשהו. זו המשימה של המניע (רכיב מבצע) – הוא מקבל לחץ הידראולי וממיר אותו לכוח מכני.

צילינדר הידראולי הוא סוג אחד של מנוע.

צינור הידראולי

צילינדר הידראולי מקבל לחץ הידראולי וממיר אותו לכוח מכני ישר-קו (ליניארי). באמצעות חיבורים מכניים מתאימים ניתן גם להמיר אותו לתנועה סיבובית.

מבנה 실ינדר

החלקים הבסיסיים של 실ינדר הם: הצינור (הברל), כיסויי הקצוות, הפיסטון, מוט הפיסטון, ופתחי הכניסה/יציאה. בכל קצה יש כיסוי קצה אחד. הפיסטון יכול לגלוש בתוך הברל. המוט מחובר לפיסטון. פתחי הכניסה והיציאה בקצות הברל מאפשרים לשמן העבודה להיכנס ולצאת.

איור 2-8: חתך רוחב של 실ינדר הידראולי. שמן נכנס דרך פתח אחד, דוחף את הפיסטון, ומוט הפיסטון נמשך החוצה. השמן היוצא מהפתח השני חוזר למיכל.

איך פועל 실ינדר

כאשר פתח הכניסה של ה실ינדר מחובר למערכת, הילדה הופכת חלק מהמערכת. הלחץ מנקודה A עובר דרך המערכת אל הפיסטון שבתוך הילדה. הלחץ הזה, הפועל על שטח הפיסטון, יוצר כוח מכני בנקודה B — בקצה המוט.

יישור לחץ

כאשר לחץ עובר דרך נוזל אטום, חלק נע כלשהו יוצר את הלחץ. בכל הדוגמאות עד כה, החלק הנע הוא הפיסטון. חלוקת הכוח בשטח הפיסטון נותנת את הלחץ במערכת (P = F/A).

הכפלת כוח מכני

הידראוליקה יכולה להגביר (לכפול) כוח מכני. גורם ההכפלה תלוי בשטח הפיסטון של הצילינדר ההידראולי (בש"ר או בסמ"ר). מכיוון שהלחץ עובר באופן שווה דרך נוזל סגור, אם שטח הפיסטון היצואי גדול משטח הפיסטון הקלט, הכוח היצואי יהיה גדול מהכוח הקלט.

דוגמה: כוח של 5,000 ליברה (22,200 ניוטון) פועל על פיסטון ששטחו 10 ש"ר (64.52 סמ"ר), ויוצר לחץ של:

אותו לחץ של 500 psi פועל על פיסטון יצואי ששטחו 15 ש"ר (96.78 סמ"ר):

איור 2-9: הכפלת כוח מכני. אותו לחץ פועל על שני הפיסטונים, אך הפיסטון הגדול יוצר כוח גדול יותר. F = P × A.

מגבר לחץ

מגביר לחץ (הנקרא גם בוסטר) יכול להגביר לחץ הידראולי. הוא משתמש בשני פיסטונים המחוברים באמצעות מוט אחד בתוך גוף יחיד עם פתחי קליטה, פליטה וניקוז. הפיסטון הגדול מזהה את לחץ המערכת; הכוח שהוא מייצר מועבר לפיסטון הקטן, אשר מייצר לחץ פליטה גבוה יותר בשל שטחו הקטן.

איך מגביר לחץ עובד

הפיסטון הגדול מזהה את לחץ המערכת ומעביר את הכוח הזה דרך המוט לפיסטון הקטן. מכיוון ששטח הפיסטון הקטן קטן יותר, לחץ הפליטה בקצה הפיסטון הקטן גבוה יותר — כלומר, הלחץ מוגבר.

דוגמה: כוח של 5,000 ליברה (22,200 ניוטון) פועל על הפיסטון הגדול (שטח: 15 אינץ' רבוע / 96.78 סמ"ר). הלחץ = 333 PSI (22.9 בר). הכוח הזה עובר לפיסטון הקטן (שטח: 0.76 סמ"ר). לחץ הפליטה = 5,000 ליברה ÷ 0.76 סמ"ר × (1/10,000) = 2,000 PSI (137.9 בר). כוח הפליטה = 30,000 ליברה (133,200 ניוטון).

שימוש נפוץ במגבירי לחץ הוא ב dispositifs לקישור (כלי אחיזה).

איור 2-11: מגביר לחץ. הפיסטון הגדול מעביר את כוחו לפיסטון הקטן, ששטחו קטן בהרבה — מה שיוצר לחץ גבוה בהרבה ביציאה.

העברת אנרגיה הידראולית

המטרה בשימוש בהידראוליקה (או בכל שיטת העברת אנרגיה אחרת) במכונה היא לבצע עבודה מועילה. כדי שצילינדר יבצע עבודה, עליו להפעיל כוח על המטען ולניעו לאורך מרחק — ולכן למערכת יש צורך ברכיב המסוגל לנצל אנרגיה כדי לספק זרימה מתמדת של נוזל.

אספקי הידראוליק

כל מה שבחנו עד כה ויוצר לחץ בנוזל סגור משתמש בפיסטונים ובצילינדרים. הפיסטון מפעיל כוח; הצילינדר אוטם את הנוזל. סוג זה של מכשיר נקרא מאגר (אקומולטור).

מאגר (אקומולטור) יכול לאגור את האנרגיה הפוטנציאלית של נוזל תחת לחץ. האנרגיה הפוטנציאלית האגורה הזו יכולה להומר לאנרגיה פעילה (זרימה ולחץ).

לדוגמה: מאגר בלחץ של 500 psi (34.5 בר) מספק לחץ לדחיפת מטען. מתוך ה-500 psi האוחסנים, משמשים 400 psi (27.6 בר) כדי להתגבר על התנגדות המטען, והלחץ הנותר מתממש כזרימה כדי להזיז את המטען.

למאגרים יש הגבלה מסוימת: אם המטען גדול מאוד, עשויה שלא להיות דחיסה מספיקה להתגבר עליו, ולכן לא יתבצע שום עבודה. כמו כן, לאחר שהנוזל האוחסן נפלט לחלוטין, אין יותר זרימה.

כדי להפעיל לחץ מספיק כדי להתגבר על עומס ולספק זרימה רציפה, יש צורך במכשיר שונה — מזין נפח חיובי משאבה הידראולית .

איור 2-12: פעולת מאגר. הלחץ האוחסן יכול לדחוף מטען, אך לאחר שאוזל הנוזל, הזרימה נעצרת — המאגר אינו מסוגל לתמוך בעבודה רציפה באופן עצמאי.

משאבה הידראולית נפחית חיובית

משאבה בעלת נפח קבוע מייצרת זרימה רציפה של נוזל באמצעות תנועה פנימית חוזרת של חזרה והתקדמות או סיבובית. היא מספקת גם אנרגיה קינטית (זרימה) וגם אנרגיית לחץ — האנרגיה הפעילה הנדרשת לביצוע עבודה הידראולית רציפה.

משאבת tłב שוחק

משאבת tłב שוחק מורכבת מ-tłב המחובר למקור כוח (מנוע או מנוע חשמלי) דרך מוט מחוג או קמָה. בכניסה וביציאה יש לכל אחת שסתום בדיקה מסוג כדור. כאשר tłב נמשך החוצה, הנפח הפנימי מתרחב, כדור הכניסה נפתח ונוזל זורם פנימה. כאשר tłב דוחף פנימה, הנפח קטן, הלחץ עולה, כדור הכניסה נסגר וכדור היציאה נפתח — ודוחף את הנוזל למערכת. התנועה החוזרת והנשנית ללא הרף יוצרת זרימה פולסציה; הלחץ יכול להיות כל ערך שהמערכת דורשת.

איור 2-13: משאבת tłב שוחק. tłב נע פנימה וחוצה, מושך שמן דרך שסתום הבדיקה בכניסה ודוחף אותו החוצה דרך שסתום הבדיקה ביציאה.

משאבה סיבובית בעלת נפח קבוע

המשאבה הנפוצה ביותר במערכות הידראוליות תעשייתיות היא משאבת דחיסה חיובית סיבובית. היא מייצרת זרימה לוחצת יחסית חלקה וקלה להנעה באמצעות מנוע חשמלי או מנוע קצב.

מבנה משאבת סיבוב

משאבת סיבוב מורכבת מגוף ומערכת סיבוב. לגוף יש פתח כניסה ופתח יציאה. מערכת הסיבוב יוצרת את הזרימה והלחץ. הדוגמה המוצגת כוללת רוטור וגריזים שיכולים לגלוש בחופשיות פנימה ובחוץ מהחריצים ברוטור.

איך פועלת משאבת סיבובית

המכלול הסיבובי מותקן באופן אקסצנטרי (לא במרכז) בתוך הגוף ומחובר למקור הכוח על ידי ציר הפעלה — הרוטור מסתובב. כאשר הרוטור מסתובב, כוח הצנטריפוגה דוחף את הכנפיים החוצה כלפי דופן הגוף, ויוצר תאים אטומים. בצד הכניסה נפח התא גדל, והנוזל נמשך פנימה. בצד היציאה נפח התא קטן, הלחץ עולה, והנוזל דוחף החוצה מהמערכת. המשאבה מייצרת לחץ השווה רק להתנגדות המינימלית במערכת — ולא יותר מזה.

איור 2-15: משאבת להבים סיבובית. הלהבים שמתאמצים לדופן הגוף יוצרים תאים שמתפשטים (כניסה) ומתכווצים (יציאה) כאשר הרוטור מסתובב.

התנגדות ולחץ

במערכת הידראולית, הלחץ והתנגדות קשורים זה לזה באופן ישיר. המשאבה דוחפת נוזל למערכת; רמת הלחץ נקבעת על-פי רמת ההתנגדות. התנגדות גבוהה → לחץ גבוה; התנגדות נמוכה → לחץ נמוך. ההתנגדות לזרימת הנוזל קובעת כמה לחץ ייווצר.

התנגדות על המשאבה

המשאבה ניצבת בפני שני סוגי התנגדות: התנגדות עומס והתנגדות זרימה. אם נזניח את התנגדות הזרימה, ההתנגדות היחידה היא עומס. אם נדרשים 200 psi (13.8 בר) כדי להתגבר על התנגדות העומס, המשאבה מייצרת 200 psi ומעבירה אנרגיה הידראולית עובדת למפעיל, אשר לאחר מכן מזיז את העומס.

התנגדות הזרימה קיימת תמיד. היא מאלצת את המשאבה למשוך יותר אנרגיה מהמונע הראשי וליצור לחץ גבוה יותר כדי להתגבר עליה.

איור 2-16: התנגדות ולחץ. לחץ המשאבה עולה כדי להתגבר על כל ההתנגדות הכוללת אליה היא ניצבת — התנגדות העומס בתוספת התנגדות הזרימה (חיכוך).

המרת אנרגיה נוספת

האנרגיה הנוספת שהמשאבה מכניסה לנוזל כדי להתגבר על התנגדות הזרימה אינה מומרת לאנרגיה הידראולית מועילה במנוע — היא נצרכת על ידי חיכוך הזרימה. האנרגיה הזו "הנצרכת" איננה אבודה במובן של שימור האנרגיה; היא מומרת לחום, אשר מעלה את טמפרטורת הנוזל. החום הזה הוא הסיבה לאי-יעילות המערכת.

מהירות וקצב זרימה

במערכת הידראולית דינמית (זורמת), הנוזל זורם בצינורות במהירות מסוימת. המהירות נמדדת ב־ft/s (רגל לשנייה) או ב־m/s.

הנפח של הנוזל העובר דרך נקודה מסוימת ביחידת זמן נקרא קצב הזרימה. במערכות הידראוליות היחידות הנפוצות הן gpm (גאלון אמריקאי לדקה) או Lpm (ליטר לדקה).

המהירות וקצב הזרימה קשורים זה לזה: כדי למלא מיכל של 5 גאלון (18.95 ליטר) בתוך דקה אחת דרך צינור גדול, הנוזל זורם במהירות של 10 ft/s (3.04 m/s). דרך צינור שגודלו חצי מזה, הנוזל חייב לזרום במהירות של 20 ft/s (6.10 m/s) כדי לספק את אותו קצב זרימה של 5 gpm. קצב הזרימה זהה; המהירות שונה.

איור 2-17: שיעור זרימה זהה, מהירות שונה. בצינור קטן יותר, הנוזל חייב לנוע מהר יותר כדי להעביר את אותו נפח לדקה.

חיכוך יוצר חום

נוזל הזורם דרך צינורות הידראוליים יוצר חום עקב חיכוך — ככל שהוא זורם מהר יותר, כך נוצר יותר חום. ביישומים תעשייתיים, המהירות המומלצת של הנוזל בתוך הצינורות בין המשאבה למפעיל היא 15 רגל לשנייה (4.572 מטר לשנייה).

מפרשים יוצרים חום

נוזל הזורם בצינור ישר שמגיע למפרש חייב לשנות כיוון באופן פתאומי. מולקולות הנוזל מתנגשות זו בזו ובקיר הצינור — גם זה יוצר חום. בהתאם לגודל הצינור, מפרש יחיד של 90° יכול לייצר כמות חום השווה לכמה אמות של צינור ישר.

הפרש לחץ

הפרש לחצים הוא ההבדל בלחץ בין שתי נקודות כלשהן במערכת. הפרש לחצים מספק שתי Informationen:

1. הוא מראה שקיימת אנרגיה הידראולית פועלת (נוזל מוחץ וזורם) בין שתי נקודות אלו.
2. זה מודד את כמות האנרגיה ההידראולית שהומרה לחום בין שתי הנקודות הללו.

לדוגמה: מד הלחץ 1 מראה 200 psi (13.79 בר); מד הלחץ 2 מראה 180 psi (12.41 בר). ההפרש הוא 20 psi (1.38 בר). כלומר:

3. הנוזל זורם ממד הלחץ 1 לכיוון מד הלחץ 2.
4. אנרגיה הידראולית בגובה 20 psi הומרה לחום עקב חיכוך הזרימה בין שני מדדי הלחץ.

איור 2-19: הפרש לחץ. הנפילה של 20 psi בקטע הצינור הזה מעידה על קיומו של זרם, ומייצגת את כמות האנרגיה ההידראולית שאבדה עקב חום החיכוך.

עיצוב שמפחית ייצור חום במערכות הידראוליות

המרת אנרגיה הידראולית לחום פירושה שהמערכת מבזבזת אנרגיה. כדי לשפר את היעילות, על המעצבים לבחור צמיגות שמן מתאימה, לקבוע את קוטרי הצינורות בצורה נכונה ולמזער את מספר הקופסאות והחיבורים. כל אלה מפחיתים את התנגדות הזרימה, ובכך מפחיתים את האנרגיה שאובדת בצורת חום.

איור 2-20: ייצור חום במעגל ממשי. כל צינור, חיבור, עקומה ושסתום תורמים לנפילת הלחץ לאבדן האנרגיה.