Voordat we praten over het overbrengen van energie via vloeistoffen, moeten we een paar eigenschappen van vloeistoffen begrijpen en hoe kracht via deze stoffen wordt overgebracht. Dit helpt ons te begrijpen waarom hydraulica op de manier werkt waarop het doet.

Water

Een vloeistof is elke stof die geen vaste vorm heeft. Vloeistoffen omvatten zowel vloeistoffen als gassen.

Vloeistof

Een vloeistof bestaat, net als een gas, uit moleculen. Maar in tegenstelling tot een gas zijn de moleculen in een vloeistof dicht bij elkaar getrokken — maar niet zo strak dat ze vastzitten op vaste posities zoals in een vaste stof. Daarom stroomt een vloeistof vrijelijk en neemt de vorm aan van zijn container.

Figuur 2-1: Moleculen van een vloeistof (onderaan) zijn dicht opeen gepakt en voortdurend in beweging, terwijl gasmoleculen (bovenaan) ver uit elkaar liggen.

Moleculaire kinetische energie

De moleculen binnen een vloeistof zijn altijd in beweging — zelfs wanneer de vloeistof volkomen stil lijkt. Ze glijden voortdurend langs elkaar heen. Deze moleculaire beweging wordt de interne energie van de vloeistof genoemd.

Vloeistoffen nemen de vorm aan van hun container

Door deze constante moleculaire glijding stroomt een vloeistof en vult deze elke container die haar bevat. Of er nu veel of weinig vloeistof is, deze neemt altijd de vorm van de container aan. Deze eigenschap hangt nauw samen met viscositeit, wat in latere hoofdstukken wordt behandeld.

Vloeistoffen zijn relatief onsamendrukbaar

Omdat de moleculen van een vloeistof dicht op elkaar gepakt zijn, gedragen vloeistoffen zich op één belangrijk punt als vaste stoffen: ze zijn relatief onsamendrukbaar — ze kunnen niet tot een aanzienlijk kleiner volume worden samengeperst.

Daarom duiken duikers voet- of handeerst (de 'mesduik') in plaats van met de buik (‘belly-flop’). Het water kan zich niet snel genoeg uit de weg bewegen wanneer het wordt geraakt door een groot, vlak oppervlak, waardoor de impact lijkt op het raken van een vaste stof. Voeten of handen splitsen het water met een klein oppervlak, en dit kleine oppervlak betekent een veel kleinere impactkracht.

Doordat een vloeistof relatief onsamendrukbaar is en de vorm van elke container aanneemt, biedt zij een duidelijk voordeel bij het overbrengen van kracht.

Krachtoverdracht

De vier methoden van energieoverdracht (mechanisch, elektrisch, hydraulisch, pneumatisch) kunnen zowel statische kracht (potentiële energie) als dynamische kracht (kinetische energie) overbrengen. Wanneer een statische kracht via een vloeistof wordt overgebracht, gebeurt er iets bijzonders.

Kracht overgebracht via een vloeistof

In tegenstelling tot kracht die op een vast lichaam werkt, wordt kracht die op een afgesloten vloeistof wordt uitgeoefend, in de vorm van druk door de gehele vloeistof overgebracht — en de druk is op elk punt in de vloeistof gelijk.

Als we duwen op een beweegbare zuiger die bovenop een vat vol vloeistof zit, genereert de kracht die we uitoefenen druk, en wordt die druk in alle richtingen evenwijdig door de vloeistof overgebracht.

Ongeacht hoe de druk is ontstaan — door een zuiger, een hand, zwaartekracht, een veer, samengeperste lucht of een combinatie daarvan — wordt kracht zodra deze zich binnen een afgesloten vloeistof bevindt omgezet in druk en overal gelijkmatig door de vloeistof overgebracht.

Omdat een vloeistof de vorm van elke container aanneemt, kan druk ongeacht de vorm van de container worden overgebracht.

Figuur 2-4: De kracht op de zuiger wordt omgezet in druk in de vloeistof. Deze druk verspreidt zich gelijkmatig in alle richtingen — dit is de sleutel tot hydraulica.

Pascal's Wet

De eigenschap van een vloeistof om druk gelijkmatig in alle richtingen over te brengen, wordt de wet van Pascal genoemd, naar haar ontdekker Blaise Pascal.

De wiskundige vorm van de wet van Pascal is dezelfde als de drukformule die in Hoofdstuk 1 is geïntroduceerd:

Drukmeters

Een manometer meet de druk die op de vloeistof in het systeem werkt. De twee meest gebruikte typen in hydraulische systemen zijn de Bourdon-buismanometer en de zuigermanometer.

Bourdon-buismanometer

Een Bourdon-buismanometer bestaat uit een wijzerplaat en een wijzer. De wijzer is verbonden met een gebogen, flexibele metalen buis, de zogenaamde Bourdon-buis. De systeemdruk komt via de ingang in de buis. De schaal is meestal aangegeven in psi, bar of Pa.

Hoe de Bourdon-buis werkt

Naarmate de systeemdruk stijgt, veroorzaakt het oppervlakteverschil tussen de binnen- en buitenzijde van de gebogen buis een neiging tot rechttrekken. Deze beweging van rechttrekken drijft de wijzer over de wijzerplaat om de druk aan te geven. Bourdon-buismanometers zijn precisie-instrumenten met een nauwkeurigheid van 0,1% tot 3,0% van de volledige schaal; ze worden gebruikt bij laboratoriumtests of waar steeds nauwkeurige drukmeting essentieel is.

Pistooltype-manometer

Een zuigertype manometer bestaat uit een zuiger, een balansveer, een wijzer en een schaalverdeling. De systeemdruk werkt op het zuigeroppervlak en duwt de zuiger tegen de veer in. De beweging van de zuiger drijft de wijzer over de wijzerplaat. De schaalverdeling is gekalibreerd in psi (bar). Zuigermanometers zijn duurzaam en economisch — een veelgebruikte keuze voor dagelijks systeemtoezicht.

Figuur 2-6 Zuigertype manometer: de systeemdruk duwt de zuiger tegen een veer in. De verplaatsing van de zuiger beweegt de wijzer.

Omzetten van druk in mechanische kracht

Druk overbrengen via een afgesloten vloeistof is alleen nuttig als de druk ergens weer kan worden omgezet in mechanische kracht. Dat is de taak van de actuator (uitvoerelement) — deze ontvangt hydraulische druk en zet deze om in mechanische kracht.

Een hydraulische cilinder is een type actuator.

Hydraulische cilinder

Een hydraulische cilinder ontvangt hydraulische druk en zet deze om in rechte (lineaire) mechanische kracht. Via geschikte mechanische koppelingen kan deze kracht ook worden omgezet in rotatiebeweging.

Cilinderconstructie

De basisdelen van een cilinder zijn: de buis (cilinderbuis), de einddoppen, de zuiger, de zuigerstang en de inlaat-/uitlaatpoorten. Aan elk uiteinde bevindt zich één einddop. De zuiger kan binnen de buis heen en weer glijden. De stang is verbonden met de zuiger. De inlaat- en uitlaatpoorten aan elk uiteinde van de buis laten de werkolie naar binnen en naar buiten stromen.

Figuur 2-8 Dwarsdoorsnede van een hydraulische cilinder. Olie stroomt via één poort binnen, duwt de zuiger en de stang steekt uit. Olie die via de andere poort verlaat, keert terug naar de oliebak.

Hoe een cilinder werkt

Wanneer de inlaatpoort van de cilinder met het systeem wordt verbonden, wordt de cilinder onderdeel van dat systeem. De druk vanaf punt A wordt via het systeem overgebracht naar de zuiger binnen de cilinder. Deze druk, die op het oppervlak van de zuiger werkt, levert een mechanische kracht op bij punt B — aan het uiteinde van de stang.

Toepassing van druk

Wanneer druk wordt overgedragen via een afgesloten vloeistof, wordt die druk opgewekt door een bewegende onderdelen. In alle voorbeelden tot nu toe is dat bewegende onderdeel een zuiger. Door de kracht te delen door het oppervlak van de zuiger verkrijgt men de druk in het systeem (P = F/A).

Vermenigvuldiging van mechanische kracht

Hydraulica kan mechanische kracht versterken (vermenigvuldigen). De versterkingsfactor hangt af van het oppervlak van de zuiger van de hydraulische cilinder (in² of cm²). Omdat druk gelijkmatig wordt overgedragen via een afgesloten vloeistof, is de uitvoerkracht groter dan de invoerkracht wanneer de zuiger van de uitvoercilinder groter is dan die van de invoercilinder.

Voorbeeld: Een kracht van 5.000 lbs (22.200 N) werkt op een zuiger met een oppervlak van 10 in² (64,52 cm²), waardoor een druk ontstaat van:

Dezelfde druk van 500 psi werkt op een uitvoerzuiger met een oppervlak van 15 in² (96,78 cm²):

Figuur 2-9 Mechanische krachtsvergroting. Dezelfde druk werkt op beide zuigers, maar de grotere zuiger levert meer kracht. F = P × A.

Drukversterker

Een drukversterker (ook wel booster genoemd) kan hydraulische druk versterken. Hij bestaat uit twee zuigers die via één stang met elkaar zijn verbonden en zich in één behuizing bevinden met aansluitingen voor inlaat, uitlaat en afvoer. De grote zuiger voelt de systeemdruk; de door hem opgewekte kracht wordt via de stang op de kleine zuiger overgebracht, waardoor een hogere uitgangsdruk wordt geproduceerd, omdat het oppervlak kleiner is.

Hoe een drukversterker werkt

De grote zuiger voelt de systeemdruk en draagt die kracht via de stang over naar de kleine zuiger. Omdat de kleine zuiger een kleiner oppervlak heeft, is de uitgangsdruk aan de kant van de kleine zuiger hoger — de druk wordt versterkt.

Voorbeeld: Een kracht van 5.000 lbs (22.200 N) werkt op de grote zuiger (oppervlakte: 15 in² / 96,78 cm²). Druk = 333 psi (22,9 bar). Deze kracht wordt overgebracht naar de kleine zuiger (oppervlakte: 0,76 cm²). Uitvoerdruk = 5.000 lbs / 0,76 cm² × (1/10.000) = 2.000 psi (137,9 bar). Uitvoerkracht = 30.000 lbs (133.200 N).

Een veelvoorkomend gebruik voor drukversterkers is in klemvorzieningen.

Figuur 2-11 Drukversterker. De grote zuiger overbrengt zijn kracht naar de kleine zuiger, die een veel kleinere oppervlakte heeft — waardoor een veel hogere druk aan de uitgang wordt verkregen.

Hydraulische energietransmissie

Het doel van het gebruik van hydraulica (of een andere energietransmissiemethode) in een machine is om nuttig werk te verrichten. Om werk te kunnen verrichten, moet een cilinder een kracht uitoefenen op de belasting en deze over een afstand verplaatsen — het systeem heeft daarom een component nodig die energie kan gebruiken om een continue vloeistofstroom te leveren.

Hydraulische opslagkan

Alles wat we tot nu toe hebben bekeken dat druk opwekt in een afgesloten vloeistof, maakt gebruik van zuigers en cilinders. De zuiger levert kracht; de cilinder sluit de vloeistof af. Dit soort apparaat wordt een accumulator genoemd.

Een accumulator kan de potentiële energie van een onder druk staande vloeistof opslaan. Deze opgeslagen potentiële energie kan worden omgezet in werkenergie (stroom en druk).

Voorbeeld: Een accumulator met een druk van 500 psi (34,5 bar) levert druk om een last te verplaatsen. Van de opgeslagen 500 psi wordt 400 psi (27,6 bar) gebruikt om de weerstand van de last te overwinnen, en de resterende druk wordt omgezet in stroming om de last te verplaatsen.

Accumulators hebben wel een beperking: als de last zeer groot is, kan er onvoldoende druk zijn om deze te overwinnen, waardoor geen arbeid kan worden verricht. Ook is er, zodra de opgeslagen vloeistof volledig is vrijgekomen, geen stroming meer beschikbaar.

Om voldoende druk te genereren om een last te overwinnen én continu stroming te leveren, is een ander apparaat nodig — de volumetrische hydraulische pomp.

Figuur 2-12 Werking van de accumulator. De opgeslagen druk kan een belasting verplaatsen, maar zodra de vloeistof is uitgeput, stopt de stroming — de accumulator kan geen continue arbeid alleen onderhouden.

Volumetrische hydraulische pomp

Een volumetrische pomp genereert een continue vloeistofstroom door herhaalde heen-en-weer- of roterende interne beweging. Zij levert zowel kinetische energie (stroom) als drukenergie — de werkenergie die nodig is voor continue hydraulische arbeid.

Heen- en weergaande zuigerpomp

Een heen-en-weerpomp met zuiger heeft een zuiger die via een drijfas of nokschijf is verbonden met een aandrijfmotor (motor of elektrische motor). De inlaat en uitlaat zijn elk uitgerust met een kogelvormige terugslagklep. Wanneer de zuiger naar buiten wordt getrokken, neemt het interne volume toe, opent de inlaatkogel en stroomt vloeistof naar binnen. Wanneer de zuiger naar binnen wordt geduwd, neemt het volume af, stijgt de druk, sluit de inlaatkogel en opent de uitlaatkogel — waardoor vloeistof in het systeem wordt geperst. Een continue heen-en-weerbeweging produceert een pulserende stroming; de druk kan worden aangepast aan de vereisten van het systeem.

Figuur 2-13: Zuigerpomp met heen-en-weergaande beweging. De zuiger beweegt heen en weer, waardoor olie via de inlaatklep wordt aangezogen en via de uitlaatklep wordt uitgestoten.

Roterende verdringingspomp

De meest gebruikte pomp in industriële hydraulische systemen is de roterende verdringingspomp. Deze pomp levert een relatief gelijkmatige, onder druk staande stroming en kan eenvoudig worden aangedreven door een elektromotor of motor. Elke omwenteling van het roterende element verplaatst een vast volume vloeistof.

Opbouw van een roterende pomp

Een roterende pomp bestaat uit een behuizing en een roterende assemblage. De behuizing heeft een inlaat en een uitlaat. De roterende assemblage genereert de stroming en de druk. Het getoonde voorbeeld heeft een rotor en schoepen die vrij kunnen schuiven in en uit de gleuven van de rotor.

Hoe een roterende pomp werkt

De roterende assemblage is excentrisch (niet in het midden) gemonteerd binnen het behuizing en verbonden met de aandrijfmotor via de aandrijfas — de rotor draait. Naarmate de rotor draait, duwt de centrifugale kracht de schoepen naar buiten tegen de wand van de behuizing, waardoor afgesloten kamers worden gevormd. Aan de zuigzijde neemt het volume van de kamer toe, waardoor vloeistof wordt aangezogen. Aan de perszijde neemt het volume van de kamer af, waardoor de druk stijgt en de vloeistof uit het systeem wordt geperst. De pomp genereert alleen een druk die gelijk is aan de minimale weerstand in het systeem — niet meer.

Figuur 2-15: Roterende-vleugelpomp. De vleugels, die afdichten tegen de wand van de behuizing, vormen kamers die zich uitbreiden (zuigzijde) en inkrimpen (perszijde) naarmate de rotor draait.

Weerstand en druk

In een hydraulisch systeem zijn druk en weerstand direct met elkaar verbonden. De pomp duwt vloeistof in het systeem; het drukniveau wordt bepaald door het weerstandsniveau. Hoge weerstand → hoge druk; lage weerstand → lage druk. De weerstand tegen de stroming van de vloeistof bepaalt hoeveel druk wordt opgewekt.

Weerstand op een pomp

Een pomp ondervindt twee soorten weerstand: belastingsweerstand en stromingsweerstand. Als we de stromingsweerstand negeren, is de enige weerstand de belasting. Als 200 psi (13,8 bar) nodig is om de belastingsweerstand te overwinnen, levert de pomp 200 psi en voert deze hydraulische werkenergie naar de actuator, die vervolgens de belasting verplaatst.

Stromingsweerstand is altijd aanwezig. Deze dwingt de pomp om meer energie uit de aandrijfmotor te halen en een hogere druk op te wekken om deze te overwinnen.

Figuur 2-16 Weerstand en druk. De pompdruk stijgt om de totale weerstand waarmee deze geconfronteerd wordt te overwinnen — dat wil zeggen de belastingsweerstand plus de stromings- (wrijvings)weerstand.

Aanvullende energieomzetting

De extra energie die de pomp aan de vloeistof toevoegt om de stromingsweerstand te overwinnen, wordt niet omgezet in nuttige hydraulische arbeidsenergie bij de actuator — deze wordt verbruikt door de stromingswrijving. Deze "verbruikte" energie gaat niet verloren in de zin van behoud van energie; ze wordt omgezet in warmte, waardoor de temperatuur van de vloeistof stijgt. Deze warmte vertegenwoordigt de inefficiëntie van het systeem.

Snelheid en debiet

In een dynamisch (stromend) hydraulisch systeem beweegt de vloeistof met een bepaalde snelheid (snelheid) door de leidingen. Snelheid wordt gemeten in ft/s (voet per seconde) of m/s.

Het volume vloeistof dat per tijdseenheid een bepaald punt passeert, wordt het debiet genoemd. In hydraulische systemen is de eenheid meestal gpm (Amerikaanse gallons per minuut) of Lpm (liter per minuut).

Snelheid en debiet staan met elkaar in verband: om een container van 5 gallon (18,95 L) in één minuut via een grote buis te vullen, beweegt de vloeistof met 10 ft/s (3,04 m/s). Via een buis die half zo groot is, moet de vloeistof zich met 20 ft/s (6,10 m/s) bewegen om hetzelfde debiet van 5 gpm te leveren. Het debiet is hetzelfde; de snelheid is anders.

Figuur 2-17 Dezelfde stroomsnelheid, verschillende snelheid. In een kleinere buis moet de vloeistof sneller stromen om hetzelfde volume per minuut te transporteren.

Wrijving genereert warmte

Een vloeistof die door hydraulische leidingen stroomt, genereert warmte door wrijving — hoe sneller de stroming, hoe meer warmte wordt geproduceerd. In industriële toepassingen bedraagt de aanbevolen vloeistofsnelheid in de leidingen tussen pomp en werkelement 15 ft/s (4,572 m/s).

Bochten genereren warmte

Een vloeistof die in een rechte buis stroomt en een bocht bereikt, moet plotseling van richting veranderen. Vloeistofmoleculen botsen met elkaar en tegen de buiswand — ook dit genereert warmte. Afhankelijk van de buisdiameter kan één 90°-elleboog evenveel warmte genereren als meerdere voet rechte buis.

Drukverschil

Een drukverschil is het verschil in druk tussen twee willekeurige punten in een systeem. Een drukverschil geeft u twee dingen aan:

1. Het laat zien dat hydraulische werkenergie (onder druk staande, stromende vloeistof) aanwezig is tussen die twee punten.
2. Het geeft aan hoeveel hydraulische energie tussen die twee punten wordt omgezet in warmte.

Voorbeeld: De drukmeter 1 wijst 200 psi (13,79 bar) aan; de drukmeter 2 wijst 180 psi (12,41 bar) aan. Het drukverschil bedraagt 20 psi (1,38 bar). Dit betekent:

3. Vloeistof stroomt vanaf drukmeter 1 richting drukmeter 2.
4. er is 20 psi aan hydraulische energie omgezet in warmte door stromingswrijving tussen de twee meters.

Figuur 2-19 Drukverschil. De daling van 20 psi over dit pijpsegment laat zien dat er stroming aanwezig is en kwantificeert de hydraulische energie die verloren gaat als wrijmingswarmte.

Ontwerpen om warmtevorming in hydraulische systemen te verminderen

Het omzetten van hydraulische energie in warmte betekent dat het systeem energie verspilt. Om het rendement te verbeteren, moeten ontwerpers de juiste olieviscositeit kiezen, leidingen correct dimensioneren en het aantal bochten en fittingen minimaliseren. Al deze maatregelen verminderen de stromingsweerstand en daarmee ook de als warmte verloren gaande energie.

Figuur 2-20 Warmteopwekking in een werkelijk circuit. Elke buis, fitting, bocht en klep draagt bij aan de drukdaling en energieverliezen.