Før vi snakker om energioverføring gjennom væsker, må vi forstå noen egenskaper ved væsker og hvordan kraft overføres gjennom dem. Dette vil hjelpe oss å forstå hvorfor hydraulikk fungerer slik den gjør.

Væske

En fluid er enhver substans som ikke har en fast form. Fluider omfatter både væsker og gasser.

Væske

En væske består, akkurat som en gass, av molekyler. Men i motsetning til en gass er molekylene i en væske trukket tett sammen – men ikke så sterkt at de er låst på faste posisjoner som i en fast stoff. Derfor flyter en væske fritt og tar formen til beholderen sin.

Figur 2-1: Molekylene i en væske (nederst) er pakket tett sammen og beveger seg konstant, mens molekylene i en gass (øverst) er langt fra hverandre.

Molekylær kinetisk energi

Molekylene inne i en væske er alltid i bevegelse – selv når væsken ser helt stille ut. De glir og skyver kontinuerlig forbi hverandre. Denne molekylære bevegelsen kalles væskens indre energi.

Væsker tar formen til beholderen sin

På grunn av denne konstante molekylære glidningen flyter en væske og fyller hvilken som helst beholder den befinner seg i. Uansett om det er mye eller lite væske, vil den alltid anta formen til beholderen. Denne egenskapen er nært knyttet til viskositet, som behandles i senere kapitler.

Væsker er relativt uforkompressible

Fordi væskemolekylene er pakket tett sammen, oppfører væsker seg på én viktig måte likt faste stoffer: de er relativt uforkompressible — de kan ikke presses sammen til et betydelig mindre volum.

Derfor dykker dykkere inn i vannet med føttene eller hendene først (den såkalte «kniv-inngangen») i stedet for å slå seg ned på magen. Vannet kan ikke bevege seg unna raskt nok når det treffes av en stor flat overflate, og støtet føles da som å treffe et fast stoff. Føttene eller hendene deler vannet med et lite areal, og det lille arealet betyr mye lavere støtkraft.

Fordi en væske er relativt uforkompressibel og antar formen til enhver beholder, har den en klar fordel når det gjelder kraftoverføring.

Kraftoverføring

De fire metodene for energioverføring (mekanisk, elektrisk, hydraulisk og pneumatiske) kan alle overføre både statisk kraft (potensiell energi) og dynamisk kraft (kinetisk energi). Når en statisk kraft overføres i en væske, skjer noe spesielt.

Kraft overført gjennom en væske

I motsetning til kraft som virker på en fast stoffmasse, overføres kraft som påføres en innkapslet væske gjennom hele væsken som trykk — og trykket er likt i alle punkter i væsken.

Hvis vi presser på en bevegelig stempelet som sitter øverst på en beholder fylt med væske, genererer den kraften vi påfører et trykk, og dette trykket overføres likt i alle retninger gjennom væsken.

Uansett hvordan trykket ble opprettet — av et stempelet, en hånd, tyngdekraften, en fjær, komprimert luft eller en kombinasjon av disse — konverteres kraft til trykk så snart den befinner seg inne i en innkapslet væske, og overføres deretter likt gjennom hele væsken.

Siden en væske tar formen til enhver beholder, kan trykk overføres uavhengig av beholderens form.

Figur 2–4: Kraften på stempelet blir trykk i væsken. Dette trykket spreder seg likt i alle retninger — dette er nøkkelen til hydraulikk.

Pascals lov

Egenskapen til en væske å overføre trykk likt i alle retninger kalles Pascals lov, oppkalt etter dens oppdager Blaise Pascal.

Den matematiske formen for Pascals lov er den samme som trykkformelen introdusert i kapittel 1:

Trykkmåler

En trykkmåler måler trykket som virker på væsken i systemet. De to vanligste typene i hydrauliske systemer er Bourdon-rørtrykkmeter og stempeletype-trykkmeter.

Bourdon-rørtrykkmeter

En Bourdon-rørmanometer består av et skivepanel og en peker. Pekerens aksling er koblet til et buet, fleksibelt metallrør kalt Bourdon-røret. Systemtrykket kommer inn i røret gjennom inngangen. Skalaen er vanligvis merket i psi, bar eller Pa.

Hvordan Bourdon-røret fungerer

Når systemtrykket stiger, fører forskjellen i areal mellom innsiden og utsiden av det buede røret til at røret tenderer mot å rette seg ut. Denne rettende bevegelsen driver pekeren over skivepanelet for å vise trykket. Bourdon-rørmanometre er presisjonsinstrumenter med en nøyaktighet på 0,1 % til 3,0 % av full skala; de brukes i laboratorietester eller hvor som helst trykkmålingens nøyaktighet er avgjørende.

Pistongauge

En pistongauge består av en piston, en fjærvekt, en peker og en skala. Systemtrykket virker på pistonsiden og presser den mot fjæren. Pistonens bevegelse driver pekeren over skiven. Skalaen er kalibrert i psi (bar). Pistongauger er slitesterke og økonomiske — et vanlig valg for daglig systemovervåking.

Figur 2-6 Pistongauge: systemtrykket presser pistonen mot en fjær. Pistonsforflytning driver pekeren.

Omgjøring av trykk til mekanisk kraft

Å overføre trykk gjennom en lukket væske er bare nyttig hvis trykket kan omformes tilbake til mekanisk kraft et sted. Det er oppgaven til aktuatoren (utførelseselementet) — den mottar hydraulisk trykk og omformer det til mekanisk kraft.

En hydraulisk sylinder er én type aktuator.

Hydraulisk sylinder

En hydraulisk sylinder mottar hydraulisk trykk og omformer det til rettlinjet (lineær) mekanisk kraft. Gjennom passende mekaniske koblinger kan den også omforme kraften til rotasjonsbevegelse.

Sylinderkonstruksjon

En sylinders grunnleggende deler er: røret (barrel), endekapsler, stempel, stemplestang og inn-/utløpsporter. Hver ende har én endekapsel. Stemplet kan gli inni røret. Stangen er festet til stempelet. Inn- og utløpsportene ved hver ende av røret lar arbeidsolje strømme inn og ut.

Figur 2-8: Tverrsnitt av hydraulisk sylinder. Olje strømmer inn gjennom én port, presser stempelet, og stemplestangen trekkes ut. Olje som forlater den andre porten returnerer til tanken.

Hvordan en sylinder fungerer

Når innløpsporten til sylinderen er koblet til systemet, blir sylinderen en del av systemet. Trykk fra punkt A overføres gjennom systemet til stempelet inne i sylinderen. Dette trykket, som virker på stempelets areal, genererer mekanisk kraft i punkt B — ved enden av stemplestangen.

Påføring av trykk

Når trykk overføres gjennom en lukket væske, genererer en bevegelig del trykket. I alle eksemplene hittil er den bevegelige delen en stempelet. Ved å dele kraften på stempelets areal får vi trykket i systemet (P = F/A).

Multiplikasjon av mekanisk kraft

Hydraulikk kan forsterke (multiplisere) mekanisk kraft. Forsterkningsfaktoren avhenger av stempelets areal i den hydrauliske sylindern (i² eller cm²). Siden trykk overføres likt gjennom en lukket væske, blir utgangskraften større enn inngangskraften hvis stempelet i utgangssylinderen er større enn stempelet i inngangssylinderen.

Eksempel: En kraft på 5 000 lbs (22 200 N) virker på et stempel med areal på 10 in² (64,52 cm²), og produserer et trykk på:

Samme trykk på 500 psi virker på et utgangsstempel med areal på 15 in² (96,78 cm²):

Figur 2-9 Mekanisk kraftformering. Samme trykk virker på begge stemplene, men det større stempelen produserer mer kraft. F = P × A.

Trykkforsterker

En trykkforsterker (også kalt en booster) kan forsterke hydraulisk trykk. Den bruker to stempler som er koblet sammen med én stang inni et enkelt hus med inngangs-, utgangs- og avløpsporter. Det store stempelen registrerer systemtrykket; kraften det genererer overføres til det lille stempelen, som produserer et høyere utgangstrykk fordi arealet er mindre.

Hvordan en trykkforsterker fungerer

Det store stempelen registrerer systemtrykket og overfører denne kraften gjennom stangen til det lille stempelen. Fordi det lille stempelen har et mindre areal, er utgangstrykket ved det lille stempelen enden høyere – trykket blir forsterket.

Eksempel: En kraft på 5 000 lbs (22 200 N) virker på den store stempelet (areal: 15 in² / 96,78 cm²). Trykk = 333 psi (22,9 bar). Denne kraften overføres til det lille stempelet (areal: 0,76 cm²). Utgangstrykk = 5 000 lbs / 0,76 cm² × (1/10 000) = 2 000 psi (137,9 bar). Utgangskraft = 30 000 lbs (133 200 N).

Et vanlig bruksområde for trykkforsterkere er i spennfester.

Figur 2-11 Trykkforsterker. Det store stempelet overfører sin kraft til det lille stempelet, som har et mye mindre areal – noe som gir mye høyere trykk ved utgangen.

Hydraulisk energioverføring

Formålet med å bruke hydraulikk (eller en annen energioverføringsmetode) i en maskin er å utføre nyttig arbeid. For at en sylinder skal kunne utføre arbeid, må den påvirke lasten med en kraft og bevege den over en avstand – så systemet trenger en komponent som kan bruke energi til å gi en kontinuerlig væskestrøm.

Hydraulisk akkumulator

Alt vi har sett på så langt som skaper trykk i en lukket væske, bruker stempler og sylindre. Stempelet utøver kraft; sylinderen tetter inn væsken. En slik enhet kalles en akkumulator.

En akkumulator kan lagre potensiell energi i en væske under trykk. Denne lagrede potensielle energien kan omformes til arbeidsenergi (strømning og trykk).

Eksempel: En akkumulator på 500 psi (34,5 bar) leverer trykk for å skyve en last. Av de lagrede 500 psi brukes 400 psi (27,6 bar) til å overvinne lastmotstanden, mens det gjenværende trykket omformes til strømning for å bevege lasten.

Akkumulatorer har imidlertid en begrensning: hvis lasten er svært stor, kan det ikke være nok trykk til å overvinne den, og da kan ingen arbeid utføres. I tillegg er det ingen strømning igjen når den lagrede væsken er helt frigitt.

For å kunne utøve tilstrekkelig trykk for å overvinne en last og samtidig levere strømning kontinuerlig, kreves en annen type enhet – en volumetrisk hydraulisk pumpe.

Figur 2-12: Akkumulatorens virkemåte. Lagret trykk kan drive en last, men når væsken er oppbrukt, stopper strømmen — akkumulatoren kan ikke utføre kontinuerlig arbeid alene.

Volumetrisk hydraulisk pumpe

En volumetrisk pumpe produserer en kontinuerlig væskestrøm ved gjentatt svingende eller roterende intern bevegelse. Den leverer både kinetisk energi (strøm) og trykkenergi — den arbeidsenergien som kreves for å utføre kontinuerlig hydraulisk arbeid.

Stemselelspumpe

En svingepistonspumpe har en piston som er koblet til en drivmaskin (motor eller elektrisk motor) via en krummeaksel eller kam. Innløpet og utløpet har hver sin kuleformete kontrollventil. Når pistonen trekkes ut, øker det indre volumet, innløpskulen åpner seg og væsken strømmer inn. Når pistonen skyves inn, minker volumet, trykket stiger, innløpskulen lukkes og utløpskulen åpner seg — og presser væsken inn i systemet. En kontinuerlig frem-og-tilbake-bevegelse gir en pulserende strøm; trykket kan være like stort som systemet krever.

Figur 2-13: Svingepistonspumpe. Pistonen beveger seg inn og ut, suger olje inn gjennom inntakssjekkventilen og presser den ut gjennom uttakssjekkventilen.

Roterende volumpumpe

Den mest brukte pumpen i industrielle hydrauliske systemer er roterende volumpumpe. Den produserer en relativt jevn, trykkbelastet strømning og er lett å drive med en elektrisk motor eller motor. Hver omdreining av det roterende elementet forskyver et fast volum væske.

Konstruksjon av roterende pumpe

En roterende pumpe har et hus og en roterende sammenstilling. Huset har et inntak og et uttak. Den roterende sammenstillingen genererer strømningen og trykket. Eksemplet som vises har en rotor og skiver som kan gli fritt inn og ut av sporene i rotoren.

Hvordan en roterende pumpe fungerer

Rotasjonsmonteringen er montert eksentrisk (ikke i sentrum) inne i huset og er forbundet med drivmaskinen via drivakselen — rotoren snurrer. Når rotoren dreier, presser sentrifugalkraften vingene utover mot husveggen, og danner hermetisk forseglede kamre. På innsiden øker kamervolumet, og væske suges inn. På utløpsiden minker kamervolumet, trykket stiger, og væsken presses ut av systemet. Pumpen genererer kun trykk som tilsvarer den minste motstanden i systemet — ikke mer.

Figur 2-15: Rotationsvingepumpe. Vinger som tetner mot husveggen danner kamre som utvides (inntak) og trekkes sammen (utløp) når rotoren snurrer.

Motstand og trykk

I et hydraulisk system er trykk og motstand direkte relatert. Pumpen presser væske inn i systemet; nivået av trykk bestemmes av nivået av motstand. Høy motstand → høyt trykk; lav motstand → lavt trykk. Motstanden mot væskestrømmen avgjør hvor mye trykk som genereres.

Motstand på en pumpe

En pumpe står ovenfor to typer motstand: lastmotstand og strømningsmotstand. Hvis vi ser bort fra strømningsmotstand, er den eneste motstanden lasten. Hvis 200 psi (13,8 bar) kreves for å overvinne lastmotstanden, produserer pumpen 200 psi og leverer hydraulisk arbeidsenergi til aktuatoren, som deretter beveger lasten.

Strømningsmotstand er alltid tilstede. Den tvinger pumpen til å trekke mer energi fra drivmaskinen og produsere høyere trykk for å overvinne den.

Figur 2-16: Motstand og trykk. Pumptrykket stiger for å overvinne den totale motstanden som pumpen står ovenfor — lastmotstand pluss strømningsmotstand (friksjonsmotstand).

Tilleggsenergikonvertering

Den ekstra energien som pumpen tilfører væsken for å overvinne strømningsmotstanden, konverteres ikke til nyttig hydraulisk arbeidsenergi ved aktuatoren — den forbrukes av strømningsfriksjonen. Denne «forbrukte» energien går ikke tapt i forstand av energibevaring; den konverteres til varme, som øker væskens temperatur. Denne varmen utgjør systemets ineffektivitet.

Hastighet og strømningshastighet

I et dynamisk (strømmende) hydraulisk system beveger væsken seg gjennom rør med en viss hastighet (fart). Hastighet måles i ft/s (fot per sekund) eller m/s.

Volumet av væske som passerer et punkt per tidsenhet kalles strømningshastigheten. I hydrauliske systemer er enheten vanligvis gpm (amerikanske gallon per minutt) eller Lpm (liter per minutt).

Hastighet og strømningshastighet er relatert: For å fylle en 5-gallonbeholder (18,95 L) på ett minutt gjennom et stort rør, beveger væsken seg med 10 ft/s (3,04 m/s). Gjennom et rør som er halvparten så stort, må væsken bevege seg med 20 ft/s (6,10 m/s) for å levere samme strømningshastighet på 5 gpm. Strømningshastigheten er den samme; hastigheten er forskjellig.

Figur 2-17 Samme strømningshastighet, forskjellig hastighet. I et mindre rør må væsken bevege seg raskere for å transportere samme volum per minutt.

Friksjon genererer varme

Væske som strømmer gjennom hydrauliske rør genererer varme på grunn av friksjon — jo raskere den strømmer, jo mer varme produseres. I industrielle applikasjoner er den anbefalte væskehastigheten i ledningene mellom pumpe og aktuator 15 ft/s (4,572 m/s).

Krumninger genererer varme

Væske som strømmer i et rett rør og når en krumning, må plutselig endre retning. Væskemolekyler kolliderer med hverandre og med rørvæggen — dette genererer også varme. Avhengig av rørdiameter kan en enkelt 90°-albue generere like mye varme som flere fot rett rør.

Trykkdifferensial

Et trykkfall er forskjellen i trykk mellom to vilkårlige punkter i et system. Et trykkfall forteller deg to ting:

1. Det viser at hydraulisk arbeidsenergi (trykkbelastet, strømmende væske) er til stede mellom disse to punktene.
2. Den måler hvor mye hydraulisk energi som omformes til varme mellom disse to punktene.

Eksempel: Trykkmåler 1 viser 200 psi (13,79 bar); trykkmåler 2 viser 180 psi (12,41 bar). Differansen er 20 psi (1,38 bar). Dette betyr:

3. Væske strømmer fra måler 1 mot måler 2.
4. 20 psi hydraulisk energi ble omgjort til varme gjennom strømningsfriksjon mellom de to målerne.

Figur 2-19 Trykkdifferanse. Denne 20 psi-fallskjemaet over rørstykket viser at det foregår strømning og kvantifiserer den hydrauliske energien som går tapt som friksjonsvarme.

Utforming for å redusere varme i hydrauliske systemer

Å omforme hydraulisk energi til varme betyr at systemet spiller bort energi. For å forbedre virkningsgraden må konstruktører velge riktig oljeviskositet, dimensjonere rør korrekt og minimere antallet svinger og forbindelsesdeler. Alle disse tiltakene reduserer strømningsmotstanden og dermed også den energien som går tapt som varme.

Figur 2-20 Varmeproduksjon i en virkelig krets. Hvert rør, hver forbindelsesdel, hver sving og hvert ventilt bidrar til trykkfall og energitap.