Pirms mēs runājam par enerģijas pārnesi caur šķidrumiem, mums jāsaprot dažas šķidrumu īpašības un kā spēks tiek pārnests caur tiem. Tas palīdzēs mums saprast, kāpēc hidraulika darbojas tieši tā, kā darbojas.

Sūknis

Šķidrums ir jebkura viela, kurai nav noteiktas formas. Šķidrumi ietver gan šķidrumus, gan gāzes.

Drošs

Šķidrums, līdzīgi kā gāze, sastāv no molekulām. Tomēr, atšķirībā no gāzes, šķidruma molekulas ir cieši savstarpēji piesaistītas — tomēr ne tik cieši, lai tās būtu stingri fiksētas noteiktās pozīcijās, kā tas ir cietā vielā. Tāpēc šķidrums brīvi plūst un pieņem tā trauka formu, kurā tas atrodas.

2.1. attēls — Šķidruma molekulas (apakšā) ir cieši savstarpēji sakārtotas un pastāvīgi kustībā, kamēr gāzes molekulas (augšā) atrodas tālu viena no otras.

Molekulārā kinētiskā enerģija

Šķidruma molekulas pastāvīgi kustas — pat tad, kad šķidrums izskatās pilnīgi nekustīgs. Tās nepārtraukti slīd un pārvietojas viena gar otru. Šo molekulāro kustību sauc par šķidruma iekšējo enerģiju.

Šķidrumi pieņem to trauku formu, kurā tie atrodas

Šīs pastāvīgās molekulārās slīdes dēļ šķidrums plūst un piepilda jebkuru trauku, kurā tas atrodas. Neatkarīgi no tā, vai šķidruma ir daudz vai maz, tas vienmēr ieņem trauka formu. Šī īpašība cieši saistīta ar viskozitāti, par kuru runās vēlākajās nodaļās.

Šķidrumi ir salīdzinoši neizspiežami

Tā kā šķidruma molekulas ir cieši savienotas, šķidrumi vienā svarīgā ziņā uzvedas līdzīgi cietvielām: tie ir salīdzinoši neizspiežami — tos nevar iepiest līdz būtiski mazākam tilpumam.

Tāpēc nirdētāji ienirst ūdenī kājām vai rokām pa priekšu („naziene“), nevis ar vēderu. Ūdens nevar pietiekami ātri izkustēties no ceļa, ja tam tiek uzkritis liels plakans virsmas laukums, un trieciens ir līdzīgs triecienam pret cietu virsmu. Kājas vai rokas ar nelielu virsmas laukumu sadala ūdeni, un nelielais laukums nozīmē daudz mazāku trieciena spēku.

Tā kā šķidrums ir salīdzinoši neizspiežams un pieņem jebkura trauka formu, tam ir reāla priekšrocība spēka pārnesē.

Spēka pārraide

Četri enerģijas pārnesešanas veidi (mehāniskais, elektriskais, hidrauliskais, pneimatiskais) visi var pārnest gan statisko spēku (potenciālo enerģiju), gan dinamisko spēku (kinētisko enerģiju). Kad statisks spēks tiek pārnests šķidrumā, notiek kaut kas īpašs.

Spēks, kas tiek pārnests caur šķidrumu

Atšķirībā no spēka, kas darbojas uz cietu vielu, uz noslēgtu šķidrumu pieliktais spēks tiek pārnests pa visu šķidrumu kā spiediens — un spiediens katrā šķidruma punktā ir vienāds.

Ja mēs spiedam kustīgu pistoni, kas atrodas uz trauka ar pilnu šķidrumu, pieliktais spēks rada spiedienu, un šis spiediens vienmērīgi izplatās visos virzienos caur šķidrumu.

Neatkarīgi no tā, kā spiediens tika radīts — ar pistoni, ar roku, ar gravitāciju, ar spirāli, ar saspiestu gaisu vai jebkuru to kombināciju — reiz iekļuvis noslēgtā šķidrumā, spēks pārvēršas spiedienā un vienmērīgi izplatās pa visu šķidrumu.

Tā kā šķidrums pieņem jebkura trauka formu, spiediens var tikt pārnests neatkarīgi no trauka formas.

2.–4. attēlā redzams, ka spēks, kas iedarbojas uz dzinēja cilindra virzuli, pārvēršas par spiedienu šķidrumā. Šis spiediens izplatās vienmērīgi visos virzienos — tas ir hidraulikas pamatprincips.

Paskāla likums

Šķidruma īpašība pārnest spiedienu vienmērīgi visos virzienos sauc par Paskāla likumu, kas nosaukts par godu savam atklātājam Bleizam Paskālam.

Paskāla likuma matemātiskā forma ir tāda pati kā spiediena formula, kas ieviesta 1. nodaļā:

Spiediena mērītāji

Spiediena mērinstruments mēra spiedienu, kas iedarbojas uz šķidrumu sistēmā. Divi visbiežāk lietotie spiediena mērinstrumenti hidrauliskajās sistēmās ir Burdona caurules mērinstruments un virzulveida mērinstruments.

Burdona caurules mērinstruments

Bordona caurules manometrs sastāv no ciparnīcas un rādītāja. Rādītājs ir savienots ar līkumu veidojošu, elastīgu metāla cauruli, ko sauc par Bordona cauruli. Sistēmas spiediens iekļūst caurulē caur ieeju. Mērogs parasti ir atzīmēts psi, bar vai Pa vienībās.

Kā darbojas Bordona caurule

Kad sistēmas spiediens palielinās, starpība starp izliektās caurules iekšējo un ārējo virsmas laukumu tendē to iztaisnot. Šis iztaisnošanās kustības pārnes rādītāju pa ciparnīcu, lai norādītu spiedienu. Bordona caurules manometri ir precīzi instrumenti ar precizitāti no 0,1 % līdz 3,0 % no pilnas mēroga vērtības; tos izmanto laboratorijas testos vai citur, kur spiediena mērīšanas precizitāte ir būtiska.

Pistona tipa manometrs

Pistona tipa manometrs sastāv no pistona, līdzsvara spirāles, rādītāja un skalas. Sistēmas spiediens darbojas uz pistona virsmas, turot to pret spirāli. Pistona kustība pārvieto rādītāju pa ciparnīcu. Skala ir kalibrēta psi (bar) vienībās. Pistona manometri ir izturīgi un ekonomiski — tie ir bieži izvēlētais risinājums ikdienas sistēmu uzraudzībai.

Attēls 2-6. Pistona tipa manometrs: sistēmas spiediens pavelk pistonu pret spirāli. Pistona nobīde pārvieto rādītāju.

Spiediena pārvēršana par mehānisku spēku

Spiediena pārraidīšana caur noslēgtu šķidrumu ir noderīga tikai tad, ja spiedienu kaut kur var atkal pārveidot mehāniskā spēkā. Šo funkciju veic izpildmehānisms (izpildierīce) — tas saņem hidraulisko spiedienu un pārveido to mehāniskā spēkā.

Hidrauliskais cilindrs ir viena no izpildmehānismu veidu.

Hidrāvlikas cilindrs

Hidrauliskais cilindrs saņem hidraulisko spiedienu un pārveido to taisnlīnijas (lineārā) mehāniskā spēkā. Ar piemērotiem mehāniskajiem savienojumiem to var pārveidot arī rotācijas kustībā.

Cilindra konstrukcija

Cilindra pamatdaļas ir: korpusa caurule, galvgalviņas, tvertnis, tvertna stienis un ieejas/izejas atveres. Katrā galā ir viena galvgalviņa. Tvertnis var slīdēt iekšpusē korpusa caurulē. Stienis ir savienots ar tvertni. Ieejas un izejas atveres katrā korpusa caurules galā ļauj darba eļļai plūst iekšā un ārā.

2.8. attēls — Hidrauliskā cilindra šķērsgriezums. Eļļa ienāk vienā atverē, pavelk tvertni un stienis izvirzās. Eļļa, kas izplūst no otras atveres, atgriežas rezervuārā.

Kā darbojas cilindrs

Kad cilindra ieejas atvere ir savienota ar sistēmu, cilindrs kļūst par sistēmas daļu. Spiediens no punkta A pārnesas caur sistēmu uz tvertni cilindrā. Šis spiediens, kas darbojas uz tvertnes virsmas laukumu, rada mehānisko spēku punktā B — stieņa galā.

Spiediena pielietošana

Kad spiediens tiek pārnests caur noslēgtu šķidrumu, daži kustīgi elementi rada spiedienu. Līdz šim visos piemēros kustīgais elements ir tvertnes virzulis. Spiediena aprēķināšanai sistēmā spēku dala ar virzuļa laukumu (P = F/A).

Mehāniskā spēka pastiprināšana

Hidraulika var pastiprināt (palielināt) mehānisko spēku. Pastiprināšanas koeficients ir atkarīgs no hidrauliskā cilindra virzuļa laukuma (in² vai cm²). Tā kā spiediens vienmērīgi tiek pārnests caur noslēgtu šķidrumu, ja izvades cilindra virzulis ir lielāks par ievades virzuli, tad izvades spēks ir lielāks par ievades spēku.

Piemērs: Spēks 5000 lbs (22 200 N) darbojas uz virzuli ar laukumu 10 in² (64,52 cm²), radot spiedienu:

Tas pats 500 psi darbojas uz 15 in² (96,78 cm²) izvades virzuli:

2.9. attēls — Mekāniskā spēka pastiprināšana. Uz abiem pistoniem darbojas vienāds spiediens, taču lielākais pistons rada lielāku spēku. F = P × A.

Spiediena pastiprinātājs

Spiediena pastiprinātājs (arī saukts par pastiprinātāju) var pastiprināt hidraulisko spiedienu. Tas izmanto divus vienā korpusā novietotus pistonus, kas savienoti ar vienu stieni, kā arī ieejas, izejas un noplūdes atveres. Liels pistons uztver sistēmas spiedienu; radīto spēku tas pārnes uz mazo pistoni, kurš rada augstāku izvades spiedienu, jo tā platība ir mazāka.

Kā darbojas spiediena pastiprinātājs

Liels pistons uztver sistēmas spiedienu un pārnes to pa stieni uz mazo pistoni. Tā kā mazā pistona platība ir mazāka, izvades spiediens pie mazā pistona gala ir augstāks — spiediens tiek pastiprināts.

Piemērs: Uz lielo pistoni (platība: 15 in² / 96,78 cm²) iedarbojas 5000 lbs (22 200 N) spēks. Spiediens = 333 psi (22,9 bar). Šis spēks tiek pārnests uz mazo pistoni (platība: 0,76 cm²). Izejas spiediens = 5000 lbs / 0,76 cm² × (1/10 000) = 2000 psi (137,9 bar). Izejas spēks = 30 000 lbs (133 200 N).

Spiediena pastiprinātāju bieži izmanto pieķeršanas stiprinājumos.

2.11. attēls — Spiediena pastiprinātājs. Liels pistons pārnes savu spēku uz mazo pistoni, kura platība ir daudz mazāka — tādējādi iegūstot daudz augstāku spiedienu izejā.

Hidrauliskā enerģijas pārnese

Hidraulikas (vai jebkuras citas enerģijas pārnese metodes) izmantošanas mērķis mašīnā ir veikt noderīgu darbu. Lai cilindrs veiktu darbu, tam jāpieliek spēks slodzei un jāpārvieto tā noteiktā attālumā — tāpēc sistēmai nepieciešams komponents, kas spēj izmantot enerģiju, lai nodrošinātu šķidruma nepārtrauktu plūsmu.

Hidrauliskais akumulators

Viss, ko līdz šim esam aplūkojuši un kas rada spiedienu noslēgtā šķidrumā, izmanto virzuļus un cilindrus. Virzulis pieliek spēku; cilindrs noslēdz šķidrumu. Šādu ierīci sauc par akumulatoru.

Akumulators var uzglabāt potenciālo enerģiju spiedienā esošā šķidrumā. Šo uzglabāto potenciālo enerģiju var pārvērst darba enerģijā (plūsma un spiediens).

Piemērs: 500 psi (34,5 bar) akumulators nodrošina spiedienu, lai nobīdītu slodzi. No uzglabātajiem 500 psi 400 psi (27,6 bar) tiek izmantoti, lai pārvarētu slodzes pretestību, un atlikušais spiediens pārvēršas plūsmā, lai pārvietotu slodzi.

Akumulatoriem tomēr ir ierobežojums: ja slodze ir ļoti liela, iespējams, ka nav pietiekami daudz spiediena, lai to pārvarētu, tāpēc nevar veikt nekādu darbu. Turklāt, kad uzglabātais šķidrums ir pilnībā izlaists, vairs nav plūsmas.

Lai pieliktu pietiekamu spiedienu, lai pārvarētu slodzi un nepārtraukti nodrošinātu plūsmu, nepieciešama cita ierīce — pozitīvās izmaiņas hidrauliskais sūknis.

2.12. attēls — Akumulatora darbība. Uzkrātā spiediena palīdzībā var pārvietot slodzi, taču, kad šķidrums ir izsmelts, plūsma apstājas — akumulators viens pats nevar nodrošināt nepārtrauktu darbu.

Pozitīvās pārvietošanas hidrauliskais sūknis

Pozitīvās pārvietošanas sūknis šķidruma nepārtrauktu plūsmu rada, atkārtoti izmantojot iekšēju svārstošo vai rotējošo kustību. Tas nodrošina gan kinētisko enerģiju (plūsmu), gan spiediena enerģiju — darba enerģiju, kas nepieciešama nepārtrauktai hidrauliskai darbībai.

Svārstošās pistoles sūknis

Svārstošās pistoles sūknī pistole ir savienota ar dzinēju (degvielas dzinēju vai elektromotoru) caur svārstību vai kameras mehānismu. Ieejai un izejai katrā ir bumbiņveida vārsts. Kad pistole tiek izvilktā, iekšējais tilpums paplašinās, ieejas bumbiņveida vārsts atveras un šķidrums ietek. Kad pistole tiek iespiesta iekšā, tilpums samazinās, spiediens pieaug, ieejas bumbiņveida vārsts aizveras un izejas bumbiņveida vārsts atveras — šķidrums tiek iedzīts sistēmā. Nepārtraukta svārstošā kustība rada pulsējošu plūsmu; spiediens var būt jebkurš, ko prasa sistēma.

2.13. attēls – Atgriezeniskās kustības pistona sūknis. Pistons pārvietojas iekšā un ārā, ievilkdams eļļu caur ieplūdes vārstu un izspiežot to caur izplūdes vārstu.

Rotējošais pozitīvās pārvietošanas sūknis

Rūpnieciskajos hidrauliskajos sistēmās visbiežāk lietotais sūknis ir rotējošais pozitīvās pārvietošanas sūknis. Tas rada salīdzinoši gludu, spiediena nodrošinātu šķidruma plūsmu un to viegli var darbināt ar elektrodzinēju vai dzinēju. Katra rotējošā elementa apgrieziens pārvieto noteiktu šķidruma tilpumu.

Rotējošā sūkņa konstrukcija

Rotējošam sūknim ir korpusa daļa un rotējošā montāža. Korpusā ir ieplūde un izplūde. Rotējošā montāža rada plūsmu un spiedienu. Attēlā redzamajā piemērā ir rotors un lāpstiņas, kas brīvi var pārvietoties iekšā un ārā rotorā esošajos slotos.

Kā darbojas rotācijas sūknis

Rotējošā montāža ir uzstādīta ekscentriski (ne centrā) korpusā un savienota ar dzinēju ar piedziņas vārpstu — rotors griežas. Kad rotors pagriežas, centrbēdzes spēks virza lāpstiņas ārējā virzienā pret korpusa sienu, veidojot noslēgtas kameru telpas. Ieejas pusē kameru tilpums palielinās, šķidrums tiek ievilkts iekšā. Izplūdes pusē kameru tilpums samazinās, spiediens pieaug un šķidrums tiek izspiests ārā no sistēmas. Sūknis rada tikai tādu spiedienu, kas vienāds ar minimālo pretestību sistēmā — neko vairāk.

2.15. attēls. Rotācijas lāpstiņu sūknis. Lāpstiņas, kas noslēdzas pret korpusa sienu, veido kameru telpas, kuras paplašinās (ieeja) un sašaurinās (izplūde), kad rotors griežas.

Pretestība un spiediens

Hidrauliskā sistēmā spiediens un pretestība ir tieši saistīti. Sūknis iepumpē šķidrumu sistēmā; spiediena līmeni nosaka pretestības līmenis. Augsta pretestība → augsts spiediens; zema pretestība → zems spiediens. Šķidruma plūsmas pretestība nosaka, cik liels spiediens tiek radīts.

Pretestība sūknim

Sūknis saskaras ar divām pretestības veidiem: slodzes pretestību un plūsmas pretestību. Ja ignorē plūsmas pretestību, vienīgā pretestība ir slodze. Ja, lai pārvarētu slodzes pretestību, nepieciešami 200 psi (13,8 bar), sūknis rada 200 psi un nodrošina hidraulisko darba enerģiju izpildmehānismā, kas pēc tam pārvieto slodzi.

Plūsmas pretestība pastāv vienmēr. Tā liek sūknim no primārā dzinēja iegūt vairāk enerģijas un radīt augstāku spiedienu, lai to pārvarētu.

Attēls 2-16. Pretestība un spiediens. Sūkņa spiediens paaugstinās, lai pārvarētu kopējo pretestību, ar kuru tas saskaras — slodzes pretestību un plūsmas (berzes) pretestību.

Papildu enerģijas pārveidošana

Papildu enerģija, ko sūknis ievada šķidrumā, lai pārvarētu plūsmas pretestību, netiek pārvērsta par noderīgu hidraulisko darba enerģiju izpildmehānismā — tā tiek patērēta plūsmas berzes dēļ. Šī "patērētā" enerģija nav zudusi enerģijas saglabāšanas nozīmē; tā tiek pārvērsta par siltumu, kas paaugstina šķidruma temperatūru. Šis siltums ir sistēmas neefektivitāte.

Ātrums un plūsmas ātrums

Dinamiskā (plūstošā) hidrauliskā sistēmā šķidrums pārvietojas caur caurulēm ar noteiktu ātrumu (vienības laikā veikto attālumu). Ātrumu mēra pēc ft/s (pēdas sekundē) vai m/s.

Šķidruma tilpums, kas vienības laikā izplūst caur noteiktu punktu, sauc par plūsmas ātrumu. Hidrauliskajās sistēmās parasti izmanto vienības gpm (ASV galoni minūtē) vai Lpm (litri minūtē).

Ātrums un plūsmas ātrums ir savstarpēji saistīti: lai vienā minūtē piepildītu 5 galonu (18,95 l) konteineru caur lielu cauruli, šķidrumam jāpārvietojas ar ātrumu 10 ft/s (3,04 m/s). Caurlai, kuras diametrs ir divreiz mazāks, šķidrumam jāpārvietojas ar ātrumu 20 ft/s (6,10 m/s), lai nodrošinātu to pašu plūsmas ātrumu — 5 gpm. Plūsmas ātrums ir vienāds; ātrums ir atšķirīgs.

2.17. attēls — Viens un tas pats plūsmas ātrums, bet dažāds ātrums. Mazākā caurulē šķidrumam jāpārvietojas ātrāk, lai katru minūti izplūstu vienāds tilpums.

Berze rada siltumu

Šķidrums, kas plūst caur hidrauliskajām caurulēm, rada siltumu berzes dēļ — jo ātrāk tas plūst, jo vairāk siltuma rodas. Rūpnieciskajās lietojumprogrammās ieteicamais šķidruma ātrums līnijās starp sūkni un izpildmehānismu ir 15 ft/s (4,572 m/s).

Liekumi rada siltumu

Šķidrums, kas plūst taisnā caurulē un nonāk līkumā, pēkšņi maina virzienu. Šķidruma molekulas saduras viena ar otru un ar caurules sienu — tas arī rada siltumu. Atkarībā no caurules izmēra viens vienīgs 90° līkums var radīt tikpat daudz siltuma kā vairāki pēdas garš taisns caurules posms.

Spiediena starpība

Spiediena starpība ir spiediena atšķirība starp jebkurām divām sistēmas punktiem. Spiediena starpība norāda divus faktus:

1. Tā norāda, ka starp šiem diviem punktiem ir klāt hidrauliskā darba enerģija (spiedienā esošs, plūstošs šķidrums).
2. Tas mēra, cik daudz hidrauliskās enerģijas ir pārvērsta siltumā starp šiem diviem punktiem.

Piemērs: Spiediena mērītājs 1 rāda 200 psi (13,79 bar); spiediena mērītājs 2 rāda 180 psi (12,41 bar). Starpība = 20 psi (1,38 bar). Tas nozīmē:

3. Šķidrums plūst no mērītāja 1 uz mērītāju 2.
4. 20 psi vērtības hidrauliskā enerģija ir pārvērsta siltumā plūsmas berzes dēļ starp abiem mērītājiem.

Attēls 2-19. Spiediena starpība. Šajā cauruļvada posmā redzamais 20 psi kritums norāda uz esošo plūsmu un kvantificē hidraulisko enerģiju, kas zaudēta berzes siltumā.

Projektēšana, lai samazinātu siltumu hidrauliskajos sistēmās

Hidrauliskās enerģijas pārvēršana siltumā nozīmē, ka sistēma izšķiež enerģiju. Lai uzlabotu efektivitāti, projektētājiem jāizvēlas piemērota eļļas viskozitāte, jāizvēlas pareizā izmēra caurules un jāsamazina līkumu un savienojumu skaits. Visi šie pasākumi samazina plūsmas pretestību un tādējādi samazina kā siltumu zaudēto enerģiju.

Attēls 2-20. Siltuma rašanās reālā ķēdē. Katra caurule, savienojums, līkums un vārsts veicina spiediena kritumu un enerģijas zudumu.