Sebelum kita membincangkan penghantaran tenaga melalui cecair, kita perlu memahami beberapa sifat cecair dan bagaimana daya dihantar melalui cecair tersebut. Ini akan membantu kita memahami mengapa sistem hidraulik berfungsi sebagaimana adanya.

Cecair

Suatu bendalir ialah sebarang bahan yang tidak mempunyai bentuk tetap. Bendalir merangkumi kedua-dua cecair dan gas.

Cecair

Suatu cecair, seperti gas, terdiri daripada molekul. Namun, berbeza dengan gas, molekul dalam cecair ditarik rapat antara satu sama lain — tetapi tidak begitu ketat sehingga terkunci dalam kedudukan tetap seperti dalam pepejal. Oleh sebab itu, cecair mengalir dengan bebas dan mengambil bentuk bekasnya.

Rajah 2-1: Molekul cecair (bawah) tersusun rapat dan bergerak secara berterusan, manakala molekul gas (atas) berjarak jauh antara satu sama lain.

Tenaga kinetik molekul

Molekul-molekul di dalam cecair sentiasa bergerak — walaupun cecair itu kelihatan sepenuhnya pegun. Molekul-molekul ini sentiasa meluncur dan melata antara satu sama lain. Pergerakan molekul ini dipanggil tenaga dalaman cecair.

Cecair mengambil bentuk bekasnya

Oleh sebab gelongsor molekul yang berterusan ini, cecair mengalir dan mengisi bekas apa saja yang menahannya. Sama ada terdapat banyak cecair atau sedikit sahaja, ia sentiasa mengambil bentuk bekas tersebut. Keupayaan ini berkait rapat dengan kelikatan, yang dibincangkan dalam bab-bab seterusnya.

Cecair adalah agak tidak boleh dimampatkan

Oleh sebab molekul cecair tersusun rapat antara satu sama lain, cecair bertindak seperti pepejal dari segi penting: ianya agak tidak boleh dimampatkan — ianya tidak boleh dipadatkan ke dalam isi padu yang jauh lebih kecil.

Oleh sebab inilah penyelam memasuki air dengan kaki dahulu atau tangan dahulu ("masuk pisau") dan bukannya dengan perut terbuka. Air tidak dapat bergerak ke tepi dengan cukup cepat apabila dilanggar oleh permukaan rata yang luas, dan hentaman itu terasa seperti melanggar pepejal. Kaki atau tangan membelah air dengan luas permukaan yang kecil, dan luas permukaan yang kecil bermaksud daya hentaman yang jauh lebih rendah.

Oleh sebab cecair adalah agak tidak boleh dimampatkan dan mengambil bentuk bekas mana-mana, cecair mempunyai kelebihan sebenar dari segi pemindahan daya.

Pemindahan Daya

Empat kaedah penghantaran tenaga (mekanikal, elektrik, hidraulik, dan pneumatik) semuanya boleh menghantar daya statik (tenaga keupayaan) dan daya dinamik (tenaga kinetik). Apabila daya statik dihantar melalui cecair, sesuatu yang istimewa berlaku.

Daya yang dihantar melalui cecair

Berbeza daripada daya yang bertindak pada pepejal, daya yang dikenakan ke atas cecair terkurung dihantar ke seluruh cecair sebagai tekanan — dan tekanan tersebut adalah sama di setiap titik dalam cecair itu.

Jika kita menolak omboh bergerak yang terletak di atas bekas penuh cecair, daya yang kita kenakan akan menghasilkan tekanan, dan tekanan tersebut dihantar secara sama rata ke semua arah melalui cecair itu.

Tidak kira bagaimana tekanan itu dihasilkan — sama ada oleh omboh, tangan, graviti, spring, udara termampat, atau kombinasi mana-mana daripadanya — apabila berada di dalam cecair terkurung, daya akan bertukar menjadi tekanan dan dihantar secara sama rata ke seluruh bahagian cecair itu.

Oleh kerana cecair mengambil bentuk bekas yang menampungnya, tekanan boleh dihantar tanpa mengira bentuk bekas tersebut.

Rajah 2-4: Daya pada omboh menjadi tekanan dalam cecair. Tekanan tersebut tersebar secara sama rata ke semua arah — inilah prinsip utama dalam hidraulik.

Hukum Pascal

Sifat cecair untuk menghantar tekanan secara sama rata ke semua arah dikenali sebagai Hukum Pascal, dinamakan sempena penemunya, Blaise Pascal.

Bentuk matematik Hukum Pascal adalah sama dengan rumus tekanan yang diperkenalkan dalam Bab 1:

Gajet tekanan

Tolok tekanan mengukur tekanan yang bertindak ke atas cecair dalam sistem. Dua jenis yang paling biasa digunakan dalam sistem hidraulik ialah tolak tiub Bourdon dan tolak jenis omboh.

Tolok tiub Bourdon

Tolok tiub Bourdon terdiri daripada muka dail dan penunjuk. Penunjuk disambungkan kepada tiub logam melengkung dan fleksibel yang dipanggil tiub Bourdon. Tekanan sistem memasuki tiub melalui saluran masuk. Skala biasanya ditandakan dalam psi, bar, atau Pa.

Cara kerja tiub Bourdon

Apabila tekanan sistem meningkat, perbezaan luas antara bahagian dalam dan luar tiub melengkung cenderung meluruskan tiub tersebut. Gerakan pelurusan ini menggerakkan penunjuk merentasi dail untuk menunjukkan tekanan. Tolok tiub Bourdon merupakan instrumen tepat dengan ketepatan 0.1% hingga 3.0% skala penuh; tolok ini digunakan dalam ujian makmal atau di mana sahaja ketepatan pengukuran tekanan adalah kritikal.

Tolok jenis piston

Tolok jenis piston terdiri daripada satu piston, satu spring keseimbangan, satu penunjuk, dan satu skala. Tekanan sistem bertindak pada permukaan piston, menolaknya ke arah spring. Pergerakan piston menggerakkan penunjuk merentasi muka jam. Skala tersebut dikalibrasi dalam unit psi (bar). Tolok piston adalah tahan lama dan ekonomikal — pilihan biasa untuk pemantauan sistem harian.

Rajah 2-6 Tolok jenis piston: tekanan sistem menolak piston ke arah spring. Anjakan piston menggerakkan penunjuk.

Menukar Tekanan kepada Daya Mekanikal

Menghantar tekanan melalui cecair tertutup hanya berguna jika tekanan tersebut boleh ditukar kembali kepada daya mekanikal di suatu tempat. Itulah fungsi aktuator (unsur pelaksana) — ia menerima tekanan hidraulik dan menukarkannya kepada daya mekanikal.

Silinder hidraulik merupakan salah satu jenis aktuator.

Silinder hidraulik

Silinder hidraulik menerima tekanan hidraulik dan menukarkannya kepada daya mekanikal garis lurus (linear). Melalui sambungan mekanikal yang sesuai, daya ini juga boleh ditukar kepada gerakan berputar.

Pembinaan silinder

Bahagian asas silinder ialah: laras (tiub), penutup hujung, omboh, batang omboh, dan pelabuhan masuk/keluar. Setiap hujung mempunyai satu penutup hujung. Omboh boleh meluncur di dalam laras. Batang menyambung ke omboh. Pelabuhan masuk dan keluar di setiap hujung laras membenarkan minyak kerja mengalir masuk dan keluar.

Rajah 2-8: Keratan rentas silinder hidraulik. Minyak memasuki satu pelabuhan, menolak omboh, dan batang melanjut. Minyak yang keluar dari pelabuhan lain kembali ke tangki.

Cara silinder beroperasi

Apabila pelabuhan masuk silinder disambungkan ke sistem, silinder menjadi sebahagian daripada sistem tersebut. Tekanan dari titik A dihantar melalui sistem ke omboh di dalam silinder. Tekanan ini yang bertindak ke atas luas permukaan omboh menghasilkan daya mekanikal di titik B — iaitu di hujung batang.

Mengenakan Tekanan

Apabila tekanan dihantar melalui cecair tertutup, sebahagian bahagian bergerak menghasilkan tekanan tersebut. Dalam semua contoh yang diberikan sehingga kini, bahagian bergerak itu ialah omboh. Tekanan dalam sistem diperoleh dengan membahagikan daya dengan luas omboh (P = F/A).

Pendaraban Daya Mekanikal

Hidraulik boleh memperbesar (menggandakan) daya mekanikal. Faktor penggandaan bergantung kepada luas omboh silinder hidraulik (dalam inci² atau cm²). Memandangkan tekanan dihantar secara sama rata melalui cecair tertutup, jika luas omboh silinder keluaran lebih besar daripada luas omboh silinder masukan, maka daya keluaran akan lebih besar daripada daya masukan.

Contoh: Daya sebanyak 5,000 paun (22,200 N) bertindak ke atas omboh dengan luas 10 inci² (64.52 cm²), menghasilkan tekanan sebanyak:

Tekanan 500 psi yang sama bertindak ke atas omboh keluaran berluas 15 inci² (96.78 cm²):

Rajah 2-9 Pendaraban daya mekanikal. Tekanan yang sama bertindak ke atas kedua-dua omboh, tetapi omboh yang lebih besar menghasilkan daya yang lebih besar. F = P × A.

Pengintensif Tekanan

Pengintensif tekanan (juga dikenali sebagai penggalak) boleh memperkuat tekanan hidraulik. Ia menggunakan dua omboh yang dihubungkan oleh satu batang di dalam satu rumah tunggal dengan pelabuhan masukan, keluaran, dan saliran. Omboh besar mengesan tekanan sistem; daya yang dihasilkannya dikenakan ke atas omboh kecil, yang seterusnya menghasilkan tekanan keluaran yang lebih tinggi kerana luas permukaannya lebih kecil.

Cara pengintensif tekanan berfungsi

Omboh besar mengesan tekanan sistem dan menghantar daya tersebut melalui batang ke omboh kecil. Oleh kerana omboh kecil mempunyai luas permukaan yang lebih kecil, tekanan keluaran di hujung omboh kecil adalah lebih tinggi — iaitu tekanan diintensifkan.

Contoh: Daya sebanyak 5,000 paun (22,200 N) bertindak ke atas piston besar (luas: 15 inci² / 96.78 cm²). Tekanan = 333 psi (22.9 bar). Daya tersebut dipindahkan ke piston kecil (luas: 0.76 cm²). Tekanan keluaran = 5,000 paun / 0.76 cm² × (1/10,000) = 2,000 psi (137.9 bar). Daya keluaran = 30,000 paun (133,200 N).

Penggunaan biasa bagi penguat tekanan ialah dalam kelengkapan pengapit.

Rajah 2-11: Penguat tekanan. Piston besar memindahkan dayanya ke piston kecil, yang mempunyai luas jauh lebih kecil — menghasilkan tekanan keluaran yang jauh lebih tinggi.

Pemindahan Tenaga Hidraulik

Tujuan penggunaan sistem hidraulik (atau sebarang kaedah pemindahan tenaga lain) dalam suatu jentera ialah untuk melakukan kerja berguna. Bagi suatu silinder melakukan kerja, ia mesti mengenakan daya terhadap beban dan menggerakkannya melalui suatu jarak — maka sistem tersebut memerlukan suatu komponen yang boleh menggunakan tenaga untuk menyediakan aliran cecair secara berterusan.

Pengumpul hidraulik

Segala perkara yang telah kita kaji sehingga kini yang menghasilkan tekanan dalam cecair tertutup menggunakan omboh dan silinder. Omboh mengenakan daya; silinder menghermetikkan cecair tersebut. Peranti sebegini dipanggil akumulator.

Akumulator boleh menyimpan tenaga keupayaan cecair di bawah tekanan. Tenaga keupayaan yang disimpan ini boleh ditukar kepada tenaga kerja (aliran dan tekanan).

Contoh: Akumulator 500 psi (34.5 bar) membekalkan tekanan untuk menolak beban. Daripada 500 psi yang disimpan, 400 psi (27.6 bar) digunakan untuk mengatasi rintangan beban, manakala tekanan baki ditukar kepada aliran untuk menggerakkan beban.

Akumulator mempunyai had tertentu: jika beban terlalu besar, mungkin tidak cukup tekanan untuk mengatasinya, maka tiada kerja yang dapat dilakukan. Selain itu, apabila cecair yang disimpan habis dilepaskan sepenuhnya, tiada lagi aliran yang tersedia.

Untuk mengenakan tekanan yang mencukupi bagi mengatasi beban dan terus membekalkan aliran secara berterusan, satu peranti yang berbeza diperlukan — pam hidraulik berpindahan positif.

Rajah 2-12: Operasi akumulator. Tekanan yang disimpan boleh menolak beban, tetapi apabila bendalir habis, aliran berhenti — akumulator tidak mampu mengekalkan kerja berterusan secara sendirian.

Pam Hidraulik Berpindahan Positif

Pam berpindahan positif menghasilkan aliran cecair yang berterusan melalui gerakan dalaman berulang secara torak atau putar. Ia menyediakan kedua-dua tenaga kinetik (aliran) dan tenaga tekanan — iaitu tenaga kerja yang diperlukan untuk menjalankan kerja hidraulik secara berterusan.

Pompa piston beraksi

Pam torak berulang mempunyai torak yang disambungkan kepada penggerak utama (enjin atau motor elektrik) melalui engkol atau cam. Inlet dan outlet masing-masing dilengkapi injap pemeriksa jenis bola. Apabila torak ditarik keluar, isipadu dalaman bertambah, injap bola inlet terbuka dan cecair mengalir masuk. Apabila torak ditolak masuk, isipadu berkurangan, tekanan meningkat, injap bola inlet menutup dan injap bola outlet terbuka — menolak cecair ke dalam sistem. Gerakan bolak-balik yang berterusan menghasilkan aliran berdenyut; tekanan boleh mencapai nilai yang diperlukan oleh sistem.

Rajah 2-13: Pam piston berayun. Piston bergerak masuk dan keluar, menarik minyak melalui injap semakan masukan dan menolaknya keluar melalui injap semakan keluar.

Pam pemindahan positif putar

Pam yang paling biasa digunakan dalam sistem hidraulik industri ialah pam pemindahan positif putar. Pam ini menghasilkan aliran bertekanan yang relatif lancar dan mudah dipacu dengan motor elektrik atau enjin. Setiap putaran elemen berputar memindahkan isi padu cecair yang tetap.

Binaan pam putar

Pam putar mempunyai sebuah rumah dan satu susunan berputar. Rumah tersebut mempunyai saluran masukan dan saluran keluaran. Susunan berputar menghasilkan aliran dan tekanan. Contoh yang ditunjukkan mempunyai satu rotor dan bilah yang boleh meluncur secara bebas masuk dan keluar dari slot-slot rotor.

Cara Pam Putar Beroperasi

Pemasangan berputar dipasang secara eksentrik (tidak berpusat) di dalam rumah dan disambungkan ke penggerak utama melalui aci pemacu — rotor berputar. Apabila rotor berputar, daya sentrifugal menolak bilah-bilah ke luar menentang dinding rumah, membentuk ruang-ruang tertutup. Di bahagian masukan, isipadu ruang bertambah, cecair disedut masuk. Di bahagian keluaran, ruang mengecut, tekanan meningkat, dan cecair ditolak keluar daripada sistem. Pam ini hanya menghasilkan tekanan yang setara dengan rintangan minimum dalam sistem — tidak lebih daripada itu.

Rajah 2-15: Pam bilah berputar. Bilah-bilah yang kedap terhadap dinding rumah mencipta ruang-ruang yang mengembang (masukan) dan mengecut (keluaran) apabila rotor berputar.

Rintangan dan Tekanan

Dalam sistem hidraulik, tekanan dan rintangan berkaitan secara langsung. Pam menolak cecair ke dalam sistem; aras tekanan ditentukan oleh aras rintangan. Rintangan tinggi → tekanan tinggi; rintangan rendah → tekanan rendah. Rintangan terhadap aliran bendalir menentukan jumlah tekanan yang dihasilkan.

Rintangan pada pam

Sebuah pam menghadapi dua jenis rintangan: rintangan beban dan rintangan aliran. Jika rintangan aliran diabaikan, satu-satunya rintangan ialah beban. Jika diperlukan 200 psi (13.8 bar) untuk mengatasi rintangan beban, pam akan menghasilkan tekanan 200 psi dan memasukkan tenaga kerja hidraulik ke dalam penggerak, yang seterusnya menggerakkan beban.

Rintangan aliran sentiasa wujud. Ia memaksa pam untuk menarik lebih banyak tenaga daripada penggerak utama dan menghasilkan tekanan yang lebih tinggi untuk mengatasinya.

Rajah 2-16: Rintangan dan tekanan. Tekanan pam meningkat untuk mengatasi jumlah rintangan keseluruhan yang dihadapinya — iaitu rintangan beban ditambah rintangan aliran (geseran).

Penukaran tenaga tambahan

Tenaga tambahan yang dipam masukkan ke dalam cecair untuk mengatasi rintangan aliran tidak ditukar kepada tenaga kerja hidraulik yang berguna di penggerak — ia digunakan oleh geseran aliran. Tenaga yang "digunakan" ini tidak hilang dari segi pemeliharaan tenaga; ia ditukar kepada haba, yang meningkatkan suhu cecair. Haba ini merupakan ketidakcekapan sistem.

Halaju dan Kadar Aliran

Dalam sistem hidraulik dinamik (mengalir), cecair bergerak melalui paip pada halaju (kelajuan) tertentu. Halaju diukur dalam ft/s (kaki sesaat) atau m/s.

Isipadu cecair yang melalui satu titik dalam satu unit masa dipanggil kadar aliran. Dalam sistem hidraulik, unit yang biasa digunakan ialah gpm (gallon AS sesaat) atau Lpm (liter sesaat).

Halaju dan kadar aliran berkaitan: untuk mengisi bekas 5-gal (18.95 L) dalam masa satu minit melalui paip besar, cecair bergerak pada 10 ft/s (3.04 m/s). Melalui paip yang saiznya separuh daripada paip besar tersebut, cecair perlu bergerak pada 20 ft/s (6.10 m/s) untuk menghantar kadar aliran yang sama iaitu 5 gpm. Kadar aliran adalah sama; halaju berbeza.

Rajah 2-17 Kadar aliran yang sama, halaju yang berbeza. Dalam paip yang lebih kecil, bendalir mesti bergerak lebih laju untuk mengalirkan isi padu yang sama setiap minit.

Geseran menghasilkan haba

Cecair yang mengalir melalui paip hidraulik menghasilkan haba akibat geseran — semakin laju alirannya, semakin banyak haba yang dihasilkan. Dalam aplikasi industri, halaju cecair yang disyorkan di dalam saluran antara pam dan penggerak ialah 15 kaki/s (4.572 m/s).

Lengkungan menghasilkan haba

Cecair yang mengalir dalam paip lurus dan mencapai suatu lengkungan perlu menukar arah secara tiba-tiba. Molekul cecair berlanggar antara satu sama lain dan dengan dinding paip — ini juga menghasilkan haba. Bergantung kepada saiz paip, satu siku 90° sahaja boleh menghasilkan haba sebanyak beberapa kaki paip lurus.

Perbezaan tekanan

Perbezaan tekanan ialah perbezaan tekanan antara dua titik mana pun dalam suatu sistem. Perbezaan tekanan memberitahu anda dua perkara:

1. Ia menunjukkan bahawa tenaga kerja hidraulik (cecair bertekanan yang mengalir) wujud di antara dua titik tersebut.
2. Ia mengukur jumlah tenaga hidraulik yang ditukar kepada haba di antara dua titik tersebut.

Contoh: Tolok tekanan 1 menunjukkan 200 psi (13.79 bar); tolak tekanan 2 menunjukkan 180 psi (12.41 bar). Beza tekanan = 20 psi (1.38 bar). Ini bermaksud:

3. Cecair mengalir dari tolak 1 ke arah tolak 2.
4. tenaga hidraulik sebanyak 20 psi telah ditukar kepada haba akibat geseran aliran di antara kedua-dua tolak tersebut.

Rajah 2-19: Beza tekanan. Penurunan tekanan sebanyak 20 psi merentasi bahagian paip ini menunjukkan bahawa aliran wujud dan mengukur jumlah tenaga hidraulik yang hilang akibat geseran menjadi haba.

Rekabentuk untuk Mengurangkan Haba dalam Sistem Hidraulik

Penukaran tenaga hidraulik kepada haba bermaksud sistem tersebut membuang tenaga. Untuk meningkatkan kecekapan, pereka mesti memilih kelikatan minyak yang sesuai, menentukan saiz paip secara tepat, dan meminimumkan bilangan lengkungan serta sambungan. Semua langkah ini mengurangkan rintangan aliran dan seterusnya mengurangkan tenaga yang hilang dalam bentuk haba.

Rajah 2-20: Penjanaan haba dalam litar sebenar. Setiap paip, sambungan, lengkungan, dan injap menyumbang kepada penurunan tekanan dan kehilangan tenaga.