Zanim przejdziemy do omówienia przenoszenia energii za pośrednictwem cieczy, musimy zrozumieć kilka właściwości cieczy oraz sposób, w jaki siła jest przez nie przekazywana. Dzięki temu zrozumiemy, dlaczego układy hydrauliczne działają tak, jak działają.

Płynie

Cieczą nazywamy każdą substancję, która nie ma stałego kształtu. Do cieczy zaliczamy zarówno ciecze, jak i gazy.

Płynne

Ciecz, podobnie jak gaz, składa się z cząsteczek. Jednak w przeciwieństwie do gazu cząsteczki w cieczy są silnie przyciągane do siebie — ale nie na tyle mocno, aby były zamocowane w stałych pozycjach, jak to ma miejsce w ciele stałym. Dlatego też ciecz swobodnie płynie i przyjmuje kształt naczynia, w którym się znajduje.

Rysunek 2-1: Cząsteczki cieczy (na dole) są gęsto upakowane i znajdują się w ciągłym ruchu, podczas gdy cząsteczki gazu (na górze) są od siebie oddalone.

Energia kinetyczna cząsteczek

Cząsteczki wewnątrz cieczy są zawsze w ruchu — nawet wtedy, gdy ciecz wydaje się całkowicie nieruchoma. Poruszają się one nieustannie, ślizgając się i przesuwając względem siebie. Taki ruch cząsteczek nazywany jest energią wewnętrzną cieczy.

Ciecze przyjmują kształt swojego pojemnika

Dzięki temu ciągłemu ślizganiu się cząsteczek ciecz może płynąć i wypełniać każdy pojemnik, w którym się znajduje. Niezależnie od tego, czy ilość cieczy jest duża, czy mała, zawsze zajmuje ona kształt pojemnika. Ta zdolność jest ściśle związana z lepkością, której omówienie zawarte jest w kolejnych rozdziałach.

Ciecze są stosunkowo nieściśliwe

Ponieważ cząsteczki cieczy są gęsto upakowane, ciecze zachowują się w jednym ważnym aspekcie podobnie jak ciała stałe: są stosunkowo nieściśliwe — nie można ich znacznie zmniejszyć objętości poprzez ściskanie.

Dlatego nurkowie wchodzą do wody stopami lub rękami najpierw (tzw. „wejście nożem”), a nie uderzają powierzchnią brzucha. Woda nie jest w stanie wystarczająco szybko ustąpić, gdy uderzana jest dużą, płaską powierzchnią, a uderzenie przypomina zderzenie z ciałem stałym. Stopy lub ręce rozcinają wodę małą powierzchnią, a mniejsza powierzchnia oznacza znacznie mniejszą siłę uderzenia.

Ponieważ ciecz jest względnie nieściśliwa i przyjmuje kształt każdego pojemnika, oferuje rzeczywistą przewagę pod względem przekazywania siły.

Przesył siły

Cztery metody przekazywania energii (mechaniczna, elektryczna, hydrauliczna i pneumatyczna) mogą przekazywać zarówno siłę statyczną (energię potencjalną), jak i siłę dynamiczną (energię kinetyczną). Gdy siła statyczna jest przekazywana przez ciecz, zachodzi coś szczególnego.

Siła przekazywana przez ciecz

W przeciwieństwie do siły działającej na ciało stałe, siła przyłożona do zamkniętej cieczy jest przekazywana przez całą ciecz w postaci ciśnienia — a ciśnienie jest jednakowe we wszystkich punktach cieczy.

Jeśli naciskamy na ruchomy tłok umieszczony na szczycie pojemnika wypełnionego cieczą, siła, jaką przykładamy, generuje ciśnienie, które rozprasza się równomiernie we wszystkich kierunkach przez ciecz.

Nie ma znaczenia, w jaki sposób powstaje to ciśnienie — za pomocą tłoka, dłoni, siły grawitacji, sprężyny, sprężonego powietrza lub dowolnej ich kombinacji — gdy tylko znajdzie się ono w zamkniętej cieczy, siła przekształca się w ciśnienie i rozprasza się równomiernie w całej objętości cieczy.

Ponieważ ciecz przyjmuje kształt każdego pojemnika, ciśnienie może być przekazywane niezależnie od kształtu pojemnika.

Rysunek 2-4: Siła działająca na tłok staje się ciśnieniem w cieczy. To ciśnienie rozprasza się równomiernie we wszystkich kierunkach — jest to podstawa działania układów hydraulicznych.

Prawo Pascala

Właściwość cieczy polegająca na równomiernym przekazywaniu ciśnienia we wszystkich kierunkach nazywana jest prawem Pascala, od nazwiska jej odkrywcy — Blaise’a Pascala.

Postać matematyczna prawa Pascala jest taka sama jak wzór na ciśnienie przedstawiony w rozdziale 1:

Manometry ciśnienia

Manometr mierzy ciśnienie działające na ciecz w układzie. Dwa najczęściej stosowane typy w układach hydraulicznych to manometr rurowy Bourdona i manometr tłoczkowy.

Manometr rurowy Bourdona

Manometr rurowy Bourdona składa się z tarczy z podziałką i wskazówki. Wskazówka połączona jest z zakrzywioną, elastyczną metalową rurką zwaną rurką Bourdona. Ciśnienie układu wpływa do rurki przez otwór wlotowy. Skala jest zwykle oznaczona w psi, bar lub Pa.

Zasada działania rurki Bourdona

W miarę jak rośnie ciśnienie w układzie, różnica powierzchni między wewnętrzną a zewnętrzną stroną zakrzywionej rurki powoduje jej wyprostowanie. Ruch ten przesuwa wskazówkę po tarczy, wskazując wartość ciśnienia. Manometry z rurką Bourdona są precyzyjnymi przyrządami pomiarowymi o dokładności od 0,1% do 3,0% zakresu pełnej skali; stosuje się je w badaniach laboratoryjnych lub wszędzie tam, gdzie kluczowe jest dokładne pomiar ciśnienia.

Manometr tłoczkowy

Manometr tłoczkowy składa się z tłoczka, sprężyny równoważącej, wskazówki i skali. Ciśnienie w układzie działa na powierzchnię tłoczka, przesuwając go przeciwko sprężynie. Ruch tłoczka przesuwa wskazówkę po tarczy. Skala jest skalibrowana w psi (bar). Manometry tłoczkowe charakteryzują się dużą trwałością i korzystną ceną — są powszechnym wyborem do codziennego monitorowania układów.

Rysunek 2-6. Manometr tłoczkowy: ciśnienie w układzie przesuwa tłoczek przeciwko sprężynie. Przesunięcie tłoczka przesuwa wskazówkę.

Przekształcanie ciśnienia w siłę mechaniczną

Przekazywanie ciśnienia za pośrednictwem zamkniętej cieczy jest użyteczne jedynie wtedy, gdy ciśnienie można ponownie przekształcić gdzieś w siłę mechaniczną. Jest to zadanie siłownika (elementu wykonawczego) — odbiera on ciśnienie hydrauliczne i przekształca je w siłę mechaniczną.

Siłownik hydrauliczny jest jednym z typów siłowników.

Walec hydrauliczny

Siłownik hydrauliczny odbiera ciśnienie hydrauliczne i przekształca je w siłę mechaniczną działającą w linii prostej (liniową). Dzięki odpowiednim połączeniom mechanicznym może ona być również przekształcona w ruch obrotowy.

Konstrukcja siłownika

Podstawowymi częściami siłownika są: korpus (tuleja), pokrywy końcowe, tłok, tłoczysko oraz otwory wlotowe/wylotowe. Każda z końcówek ma jedną pokrywę końcową. Tłok może poruszać się wewnątrz korpusu. Tłoczysko jest połączone z tłokiem. Otwory wlotowe i wylotowe umieszczone na każdej z końcówek korpusu umożliwiają dopływ i odpływ oleju roboczego.

Rysunek 2-8. Przekrój poprzeczny siłownika hydraulicznego. Olej wpływa przez jeden otwór, przesuwa tłok, a tłoczysko wysuwa się. Olej opuszczający drugi otwór powraca do zbiornika.

Zasada działania siłownika

Gdy wlot portu cylindra jest połączony z układem, cylinder staje się częścią tego układu. Ciśnienie z punktu A przekazywane jest przez układ do tłoka znajdującego się wewnątrz cylindra. To ciśnienie działające na powierzchnię tłoka generuje siłę mechaniczną w punkcie B — na końcu tłoczyska.

Nakładanie ciśnienia

Gdy ciśnienie przekazywane jest przez zamkniętą ciecz, część ruchoma generuje to ciśnienie. We wszystkich dotychczasowych przykładach częścią ruchomą jest tłok. Dzielenie siły przez powierzchnię tłoka daje ciśnienie w układzie (P = F/A).

Wielokrotność siły mechanicznej

Hydraulika może wzmocnić (pomnożyć) siłę mechaniczną. Współczynnik wzmocnienia zależy od powierzchni tłoka cylindra hydraulicznego (w calach kwadratowych lub centymetrach kwadratowych). Ponieważ ciśnienie przekazywane jest równomiernie przez zamkniętą ciecz, jeśli powierzchnia tłoka cylindra wyjściowego jest większa niż powierzchnia tłoka cylindra wejściowego, to siła wyjściowa jest większa niż siła wejściowa.

Przykład: Siła 5000 lbs (22 200 N) działa na tłok o powierzchni 10 cali² (64,52 cm²), generując ciśnienie wynoszące:

To samo ciśnienie 500 psi działa na tłoczysko wyjściowe o powierzchni 15 cal² (96,78 cm²):

Rysunek 2-9. Mechaniczne zwiększanie siły. To samo ciśnienie działa na oba tłoczyska, ale większe tłoczysko generuje większą siłę. F = P × A.

Wzmacniacz ciśnienia

Wzmacniacz ciśnienia (nazywany również wzmacniaczem) może zwiększać ciśnienie hydrauliczne. Składa się z dwóch tłoczysk połączonych wspólnym wałem umieszczonym w jednej obudowie z portami dopływowym, odpływowym i odpływowym do odprowadzania oleju. Duże tłoczysko rejestruje ciśnienie układu; siła przez nie wytworzona jest przekazywana na małe tłoczysko, które generuje wyższe ciśnienie wyjściowe ze względu na mniejszą powierzchnię.

Zasada działania wzmacniacza ciśnienia

Duży tłok wykrywa ciśnienie w układzie i przekazuje tę siłę przez wałek do małego tłoka. Ponieważ powierzchnia małego tłoka jest mniejsza, ciśnienie wyjściowe po stronie małego tłoka jest wyższe — ciśnienie ulega wzmocnieniu.

Przykład: Siła 5000 lbs (22 200 N) działa na duży tłok (powierzchnia: 15 cal² / 96,78 cm²). Ciśnienie = 333 psi (22,9 bar). Ta siła jest przenoszona na mały tłok (powierzchnia: 0,76 cm²). Ciśnienie wyjściowe = 5000 lbs / 0,76 cm² × (1/10 000) = 2000 psi (137,9 bar). Siła wyjściowa = 30 000 lbs (133 200 N).

Typowym zastosowaniem wzmacniaczy ciśnienia są uchwyty dociskowe.

Rysunek 2-11. Wzmacniacz ciśnienia. Duży tłok przekazuje swoją siłę małemu tłokowi, którego powierzchnia jest znacznie mniejsza — co powoduje uzyskanie znacznie wyższego ciśnienia na wyjściu.

Przesył energii hydraulicznej

Zastosowanie układów hydraulicznych (lub dowolnej innej metody przekazywania energii) w maszynie ma na celu wykonanie użytecznej pracy. Aby cylinder mógł wykonać pracę, musi zadziałać siłą na obciążenie i przesunąć je na określoną odległość — dlatego system wymaga komponentu, który potrafi wykorzystać energię do zapewnienia ciągłego przepływu cieczy.

Akumulator hydrauliczny

Wszystkie dotychczas omawiane przez nas urządzenia generujące ciśnienie w zamkniętej objętości cieczy wykorzystują tłoki i cylindry. Tłok wywiera siłę, a cylinder uszczelnia ciecz. Urządzenia tego typu nazywane są akumulatorami.

Akumulator może magazynować energię potencjalną cieczy pod ciśnieniem. Zmagazynowana energia potencjalna może zostać przekształcona w energię roboczą (przepływ i ciśnienie).

Przykład: Akumulator o ciśnieniu 500 psi (34,5 bar) dostarcza ciśnienia potrzebnego do przesunięcia obciążenia. Z przechowywanych 500 psi, 400 psi (27,6 bar) jest wykorzystywane do pokonania oporu obciążenia, a pozostałe ciśnienie przekształca się w przepływ umożliwiający przesunięcie obciążenia.

Akumulatory mają ograniczenie: jeśli obciążenie jest bardzo duże, ciśnienie może być zbyt niskie, aby je pokonać, w związku z czym nie można wykonać żadnej pracy. Ponadto po całkowitym wypuszczeniu zmagazynowanej cieczy przepływ ustaje.

Aby wytworzyć wystarczające ciśnienie do pokonania obciążenia i zapewnić ciągły przepływ, potrzebne jest inne urządzenie — pompa hydrauliczna przesuwowa.

Rysunek 2-12: Działanie akumulatora. Zmagazynowane ciśnienie może przesunąć obciążenie, jednak po wyczerpaniu cieczy przepływ ustaje — akumulator nie jest w stanie samodzielnie zapewnić ciągłej pracy.

Pompa hydrauliczna przesuwowa

Pompa przesuwowa generuje ciągły przepływ cieczy poprzez powtarzające się ruchy posuwisto-zwrotne lub obrotowe wewnętrzne elementy robocze. Zapewnia ona zarówno energię kinetyczną (przepływ), jak i energię ciśnieniową — czyli energię roboczą niezbędną do wykonywania ciągłej pracy hydraulicznej.

Pompa tłokowa o ruchu posuwisto-zwrotnym

Pompę tłokową przekładniową stanowi tłok połączony z napędem pierwotnym (silnikiem lub silnikiem elektrycznym) za pośrednictwem korby lub wałka kulistego. Na wlocie i wylocie znajdują się zawory zwrotne kulkowe. Gdy tłok jest wysuwany, objętość wewnętrzna zwiększa się, otwiera się zawór kulkowy na wlocie i ciecz wpływa do pompy. Gdy tłok jest wsuwany, objętość zmniejsza się, rośnie ciśnienie, zawór kulkowy na wlocie zamyka się, a zawór kulkowy na wylocie otwiera się — wypychając ciecz do układu. Ciągły ruch posuwisto-zwrotny generuje przepływ pulsacyjny; ciśnienie może osiągać wartość wymaganą przez układ.

Rysunek 2-13. Pompa tłokowa przekładniowa. Tłok porusza się w przód i w tył, ssąc olej przez zawór zwrotny na wlocie i wypychając go przez zawór zwrotny na wylocie.

Obrotowa pompa objętościowa

Najczęściej stosowaną pompą w przemysłowych układach hydraulicznych jest obrotowa pompa objętościowa. Generuje ona stosunkowo gładki, podciśnieniowy przepływ i łatwo nadaje się do napędu silnikiem elektrycznym lub silnikiem spalinowym. Każde pełne obrócenie elementu wirującego wypiera stałą objętość cieczy.

Konstrukcja pompy obrotowej

Pompa obrotowa składa się z obudowy oraz zespołu wirującego. Obudowa posiada wlot i wylot. Zespół wirujący generuje przepływ i ciśnienie. Na przedstawionym przykładzie znajduje się wirnik oraz łopatki, które mogą swobodnie wysuwać się i wciskać w rowki wirnika.

Jak działa pompa obrotowa

Zespół wirujący jest zamontowany ekscentrycznie (poza środkiem) wewnątrz obudowy i połączony z napędem głównym za pomocą wału napędowego — wirnik obraca się. Podczas obrotu wirnika siła odśrodkowa przesuwa łopatki na zewnątrz, przycinając je do ściany obudowy i tworząc szczelne komory. Po stronie wlotu objętość komór rośnie, co powoduje ssanie cieczy. Po stronie wylotu objętość komór maleje, co prowadzi do wzrostu ciśnienia i wypychania cieczy z układu. Pompa generuje wyłącznie takie ciśnienie, jakie odpowiada minimalnemu oporowi w układzie — nie więcej.

Rysunek 2-15: Pompa łopatkowa obrotowa. Łopatki przylegające szczelnie do ściany obudowy tworzą komory, których objętość rośnie (strona wlotu) i maleje (strona wylotu) podczas obrotu wirnika.

Opór i ciśnienie

W układzie hydraulicznym ciśnienie i opór są bezpośrednio ze sobą powiązane. Pompa wprowadza ciecz do układu; wartość ciśnienia zależy od wielkości oporu. Duży opór → wysokie ciśnienie; mały opór → niskie ciśnienie. Opór przepływu cieczy określa, jakie ciśnienie zostanie wytworzone.

Opór działający na pompę

Pompa napotyka dwa rodzaje oporu: opór obciążenia i opór przepływu. Jeśli pominiemy opór przepływu, jedynym występującym oporem jest opór obciążenia. Jeśli do pokonania oporu obciążenia wymagane jest ciśnienie 200 psi (13,8 bar), pompa generuje ciśnienie 200 psi i dostarcza energii hydraulicznej do siłownika, który następnie przesuwa obciążenie.

Opór przepływu występuje zawsze. Zmusza on pompę do pobierania większej ilości energii od silnika napędowego oraz wytworzenia wyższego ciśnienia w celu jego pokonania.

Rysunek 2-16: Opór i ciśnienie. Ciśnienie pompy wzrasta, aby pokonać całkowity opór, z jakim się spotyka — czyli opór obciążenia oraz opór przepływu (tarcia).

Dodatkowa konwersja energii

Dodatkowa energia dostarczana przez pompę do cieczy w celu pokonania oporu przepływu nie jest przekształcana w użyteczną energię hydrauliczną na siłowniku — zużywana jest na tarcie przepływu. Ta „zużyta” energia nie ulega utracie w sensie zasady zachowania energii; przekształca się w ciepło, które podnosi temperaturę cieczy. To ciepło stanowi nieefektywność układu.

Prędkość i natężenie przepływu

W dynamicznym (przepływowym) układzie hydraulicznym ciecz porusza się przez rury z określoną prędkością (szybkością). Prędkość mierzy się w ft/s (stopach na sekundę) lub m/s.

Objętość cieczy przepływającej przez dany punkt w jednostce czasu nazywana jest natężeniem przepływu. W układach hydraulicznych jednostką jest zwykle gpm (galony amerykańskie na minutę) lub Lpm (litry na minutę).

Prędkość i natężenie przepływu są ze sobą powiązane: aby napełnić pojemnik o pojemności 5 gal (18,95 l) w ciągu jednej minuty przez dużą rurę, ciecz musi poruszać się z prędkością 10 ft/s (3,04 m/s). Przez rurę o średnicy dwukrotnie mniejszej ciecz musi poruszać się z prędkością 20 ft/s (6,10 m/s), aby dostarczyć to samo natężenie przepływu wynoszące 5 gpm. Natężenie przepływu pozostaje takie samo; prędkość jest inna.

Rysunek 2-17: Ten sam przepływ, różna prędkość. W mniejszym przewodzie ciecz musi poruszać się szybciej, aby przepłynąć tę samą objętość w ciągu minuty.

Tarcie generuje ciepło

Ciecz przepływająca przez przewody hydrauliczne generuje ciepło na skutek tarcia — im szybciej przepływa, tym więcej ciepła jest wytwarzane. W zastosowaniach przemysłowych zalecana prędkość cieczy w przewodach między pompą a siłownikiem wynosi 15 ft/s (4,572 m/s).

Zakręty generują ciepło

Ciecz przepływająca prostym przewodem, która napotyka zakręt, musi nagle zmienić kierunek ruchu. Cząsteczki cieczy uderzają w siebie nawzajem oraz w ściany przewodu — co również powoduje wydzielanie ciepła. W zależności od średnicy przewodu pojedynczy łuk o kącie 90° może generować tyle ciepła, ile kilka stóp przewodu prostego.

Różnica ciśnienia

Różnica ciśnień to różnica wartości ciśnienia pomiędzy dowolnymi dwoma punktami w układzie. Różnica ciśnień wskazuje dwa fakty:

1. Wskazuje obecność energii roboczej układu hydraulicznego (podciśnieniowej, przepływającej cieczy) pomiędzy tymi dwoma punktami.
2. Mierzy ilość energii hydraulicznej przekształconej w ciepło pomiędzy tymi dwoma punktami.

Przykład: Manometr 1 wskazuje 200 psi (13,79 bar); manometr 2 wskazuje 180 psi (12,41 bar). Różnica wynosi 20 psi (1,38 bar). Oznacza to:

3. Ciecz przepływa od manometru 1 w kierunku manometru 2.
4. energia hydrauliczna o wartości 20 psi została przekształcona w ciepło przez tarcie przepływu pomiędzy tymi dwoma manometrami.

Rysunek 2-19. Różnica ciśnień. Spadek ciśnienia o 20 psi na tym odcinku rurociągu wskazuje na obecność przepływu oraz ilościowo określa straty energii hydraulicznej na ciepło tarcia.

Projektowanie w celu ograniczenia powstawania ciepła w układach hydraulicznych

Przekształcanie energii hydraulicznej w ciepło oznacza marnowanie energii przez układ. Aby poprawić sprawność, projektanci muszą dobrać odpowiednią lepkość oleju, prawidłowo dobrać średnice rur oraz zminimalizować liczbę zakrętów i połączeń. Wszystkie te działania zmniejszają opór przepływu i tym samym ograniczają straty energii w postaci ciepła.

Rysunek 2-20. Powstawanie ciepła w rzeczywistym obwodzie. Każda rura, połączenie, zakręt i zawór przyczynia się do spadku ciśnienia i strat energii.