Înainte de a discuta despre transmiterea energiei prin lichide, trebuie să înțelegem câteva proprietăți ale lichidelor și modul în care forța este transmisă prin ele. Aceasta ne va ajuta să înțelegem de ce sistemul hidraulic funcționează în modul în care o face.

Fluid

Un fluid este orice substanță care nu are o formă fixă. Fluidele includ atât lichidele, cât și gazele.

Lichid

Un lichid, la fel ca un gaz, este format din molecule. Dar, spre deosebire de un gaz, moleculele dintr-un lichid sunt atrase una către cealaltă foarte strâns — totuși, nu atât de strâns încât să fie blocate în poziții fixe, așa cum este cazul într-un solid. De aceea, un lichid curge liber și își ia forma vasului în care se află.

Figura 2-1 Moleculele lichidului (jos) sunt strâns împachetate și în mișcare constantă, în timp ce moleculele gazului (sus) sunt răspândite la distanță mare una de alta.

Energie cinetică moleculară

Moleculele din interiorul unui lichid sunt mereu în mișcare — chiar și atunci când lichidul pare perfect staționar. Ele alunecă și se deplasează continuu una pe lângă cealaltă. Această mișcare moleculară este denumită energie internă a lichidului.

Lichidele iau forma vasului care le conține

Datorită acestei alunecări moleculare continue, un lichid curge și umple orice vas care îl conține. Indiferent dacă există o cantitate mare sau mică de lichid, acesta ocupă întotdeauna forma vasului. Această proprietate este strâns legată de vâscozitate, care va fi abordată în capitolele ulterioare.

Lichidele sunt relativ incompresibile

Deoarece moleculele lichidelor sunt strâns împachetate, lichidele se comportă ca solidele într-un aspect important: sunt relativ incompresibile — nu pot fi comprimate într-un volum semnificativ mai mic.

Din acest motiv, scafandrii intră în apă cu picioarele sau cu mâinile mai întâi („intrarea cu cuțitul”), nu cu burtă. Apa nu poate părăsi locul suficient de repede atunci când este lovită de o suprafață plană și mare, iar impactul este asemănător celui produs la lovirea unui corp solid. Picioarele sau mâinile împart apa printr-o suprafață mică, iar această suprafață mică înseamnă o forță de impact mult mai redusă.

Deoarece un lichid este relativ incompresibil și ia forma oricărui recipient în care este așezat, acesta are un avantaj real în ceea ce privește transmiterea forței.

Transmiterea forței

Cele patru metode de transmitere a energiei (mecanică, electrică, hidraulică, pneumatică) pot transmite atât forța statică (energie potențială), cât și forța dinamică (energie cinetică). Când o forță statică este transmisă printr-un lichid, se produce un fenomen special.

Forța transmisă printr-un lichid

Spre deosebire de forța care acționează asupra unui corp solid, forța aplicată unui lichid închis este transmisă în întregul lichid sub formă de presiune — iar presiunea este egală în fiecare punct al lichidului.

Dacă împingem un piston mobil aflat deasupra unui recipient plin cu lichid, forța pe care o aplicăm generează presiune, iar această presiune se transmite în mod egal în toate direcțiile prin lichid.

Indiferent de modul în care a fost creată presiunea — prin intermediul unui piston, al unei mâini, al gravitației, al unui arc, al aerului comprimat sau al oricărei combinații dintre acestea — odată ce forța pătrunde într-un lichid închis, aceasta se transformă în presiune și se transmite în mod egal în întregul volum al lichidului.

Deoarece un lichid ia forma oricărui recipient în care este conținut, presiunea poate fi transmisă indiferent de forma recipientului.

Figura 2-4: Forța exercitată asupra pistonului devine presiune în lichid. Această presiune se răspândește în mod egal în toate direcțiile — acesta este principiul de bază al hidraulicii.

Legea lui Pascal

Proprietatea unui lichid de a transmite presiunea în mod egal în toate direcțiile se numește Legea lui Pascal, denumită astfel în cinstea descoperitorului său, Blaise Pascal.

Forma matematică a Legii lui Pascal este aceeași cu formula presiunii prezentată în Capitolul 1:

Manometre

Un manometru măsoară presiunea care acționează asupra unui lichid din sistem. Cele două tipuri cele mai frecvente din sistemele hidraulice sunt manometrul cu tub Bourdon și manometrul cu piston.

Manometru cu tub Bourdon

Un manometru cu tub Bourdon este compus dintr-o față de cadran și un ac indicator. Acul indicator este conectat la un tub metalic curbat și flexibil, numit tub Bourdon. Presiunea din sistem pătrunde în tub prin orificiul de intrare. Scara este de obicei marcată în psi, bar sau Pa.

Modul de funcționare al tubului Bourdon

Pe măsură ce presiunea sistemului crește, diferența de arie dintre interiorul și exteriorul tubului curbat tinde să-l îndrepte. Această mișcare de îndreptare antrenează acul pe cadran pentru a indica presiunea. Manometrele cu tub Bourdon sunt instrumente de precizie, având o exactitate de 0,1 % până la 3,0 % din scara completă; ele sunt utilizate în teste de laborator sau oriunde este esențială exactitatea măsurării presiunii.

Manometru de tip piston

Un manometru de tip piston constă dintr-un piston, un arc de echilibrare, un ac indicator și o scală. Presiunea sistemului acționează asupra feței pistonului, împingându-l împotriva arcului. Mișcarea pistonului antrenează acul pe cadran. Scara este etalonată în psi (bar). Manometrele cu piston sunt durabile și economice — o alegere frecventă pentru monitorizarea zilnică a sistemelor.

Figura 2-6 Manometru de tip piston: presiunea sistemului împinge pistonul împotriva unui arc. Deplasarea pistonului mișcă acul.

Transformarea presiunii în forță mecanică

Transmiterea presiunii printr-un lichid etanșat este utilă doar dacă presiunea poate fi transformată din nou în forță mecanică într-un anumit loc. Aceasta este sarcina actuatorului (element de execuție) — acesta primește presiunea hidraulică și o transformă în forță mecanică.

Un cilindru hidraulic este un tip de actuator.

Cilindru hidraulic

Un cilindru hidraulic primește presiunea hidraulică și o transformă în forță mecanică rectilinie (liniară). Prin intermediul unor legături mecanice adecvate, aceasta poate fi transformată și în mișcare de rotație.

Construcția cilindrului

Părțile componente de bază ale unui cilindru sunt: teaca (tubul), capetele de închidere, pistonul, tija pistonului și orificiile de intrare/ieșire. Fiecare capăt are câte un cap de închidere. Pistonul se poate deplasa în interiorul tecei. Tija este conectată la piston. Orificiile de intrare și ieșire de la fiecare capăt al tecei permit fluidului de lucru să intre și să iasă.

Figura 2-8 Secțiune transversală a unui cilindru hidraulic. Uleiul pătrunde prin unul dintre orificii, împinge pistonul și tija se extinde. Uleiul care părăsește celălalt orificiu se întoarce în rezervor.

Modul de funcționare al unui cilindru

Când orificiul de intrare al cilindrului este conectat la sistem, cilindrul devine parte integrantă a sistemului. Presiunea de la punctul A se transmite prin sistem către pistonul din interiorul cilindrului. Această presiune care acționează asupra suprafeței pistonului generează o forță mecanică în punctul B — la capătul tijei.

Aplicând presiune

Când presiunea se transmite printr-un lichid etanșat, o anumită piesă mobilă generează presiunea. În toate exemplele prezentate până acum, piesa mobilă este un piston. Împărțind forța la suprafața pistonului se obține presiunea din sistem (P = F/A).

Multiplicarea forței mecanice

Hidraulica poate amplifica (multiplica) forța mecanică. Factorul de multiplicare depinde de aria pistonului cilindrului hidraulic (în² sau cm²). Deoarece presiunea se transmite uniform printr-un lichid etanșat, dacă pistonul cilindrului de ieșire este mai mare decât cel al cilindrului de intrare, forța de ieșire este mai mare decât forța de intrare.

Exemplu: O forță de 5.000 lbs (22.200 N) acționează asupra unui piston cu aria de 10 in² (64,52 cm²), generând o presiune de:

Aceeași presiune de 500 psi acționează asupra unui piston de ieșire cu suprafața de 15 in² (96,78 cm²):

Figura 2-9 Multiplicarea mecanică a forței. Aceeași presiune acționează asupra ambelor pistoane, dar pistonul mai mare generează o forță mai mare. F = P × A.

Amplificator de presiune

Un amplificator de presiune (numit și „booster”) poate amplifica presiunea hidraulică. El utilizează două pistoane conectate printr-o tijă comună, amplasate într-o singură carcasă dotată cu racorduri de intrare, ieșire și scurgere. Pistonul mare percepe presiunea din sistem; forța pe care o generează este transmisă pistonului mic, care produce o presiune de ieșire superioară, datorită suprafeței mai mici.

Modul de funcționare al unui amplificator de presiune

Pistonul mare detectează presiunea sistemului și transmite această forță prin tijă către pistonul mic. Deoarece pistonul mic are o suprafață mai mică, presiunea de ieșire la capătul pistonului mic este mai mare — presiunea este intensificată.

Exemplu: O forță de 5.000 lbs (22.200 N) acționează asupra pistonului mare (suprafață: 15 in² / 96,78 cm²). Presiunea = 333 psi (22,9 bar). Această forță este transmisă pistonului mic (suprafață: 0,76 cm²). Presiunea de ieșire = 5.000 lbs / 0,76 cm² × (1/10.000) = 2.000 psi (137,9 bar). Forța de ieșire = 30.000 lbs (133.200 N).

O utilizare frecventă a intensificatoarelor de presiune este în dispozitivele de fixare prin strângere.

Figura 2-11 Intensificator de presiune. Pistonul mare transmite forța sa către pistonul mic, care are o suprafață mult mai mică — generând o presiune mult mai mare la ieșire.

Transmiterea energiei hidraulice

Scopul utilizării hidraulicii (sau al oricărei alte metode de transmitere a energiei) într-o mașină este efectuarea unui lucru util. Pentru ca un cilindru să efectueze lucru, acesta trebuie să aplice o forță asupra sarcinii și să o deplaseze pe o anumită distanță — astfel, sistemul are nevoie de un component care să poată utiliza energia pentru a asigura un flux continuu de lichid.

Acumulator hidraulic

Tot ceea ce am analizat până acum și care creează presiune într-un lichid închis folosește pistoane și cilindri. Pistonul aplică forța, iar cilindrul etanchează lichidul. Acest tip de dispozitiv se numește acumulator.

Un acumulator poate stoca energia potențială a unui lichid aflat sub presiune. Această energie potențială stocată poate fi transformată în energie de lucru (flux și presiune).

Exemplu: Un acumulator de 500 psi (34,5 bar) furnizează presiunea necesară pentru a împinge o sarcină. Din cei 500 psi stocați, 400 psi (27,6 bar) sunt utilizați pentru a depăși rezistența sarcinii, iar presiunea rămasă se transformă în flux pentru a deplasa sarcina.

Acumulatorii au o limitare: dacă sarcina este foarte mare, poate să nu existe suficientă presiune pentru a o depăși, astfel încât să nu se poată efectua niciun lucru. De asemenea, odată ce lichidul stocat este complet eliberat, nu mai există flux.

Pentru a aplica o presiune suficientă pentru a depăși o sarcină și pentru a asigura în mod continuu fluxul, este necesar un alt dispozitiv — pompa hidraulică cu deplasare pozitivă.

Figura 2-12: Funcționarea acumulatorului. Presiunea stocată poate împinge o sarcină, dar odată ce fluidul este epuizat, fluxul încetează — acumulatorul nu poate susține singur un lucru continuu.

Pompă hidraulică cu deplasare pozitivă

O pompă cu deplasare pozitivă produce un flux continuu de lichid prin mișcare internă repetată alternativă sau rotativă. Aceasta furnizează atât energie cinetică (flux), cât și energie de presiune — energia de lucru necesară pentru efectuarea unui lucru hidraulic continuu.

Pompa cu piston reciprocant

O pompă cu piston alternativ are un piston conectat la un motor primar (motor cu ardere internă sau motor electric) prin intermediul unei manivele sau al unui came. Intrarea și ieșirea sunt echipate fiecare cu o supapă de reținere de tip bilă. Când pistonul este tras în afară, volumul interior se mărește, bila de la intrare se deschide și lichidul pătrunde în pompă. Când pistonul este împins în interior, volumul scade, presiunea crește, bila de la intrare se închide, iar bila de la ieșire se deschide — expulzând lichidul în sistem. Mișcarea continuă alternativă produce un debit pulsatoriu; presiunea poate atinge orice valoare necesară sistemului.

Figura 2-13 — Pompa cu piston alternativ. Pistonul se mișcă alternativ înainte și înapoi, aspirând uleiul prin supapa de reținere de la intrare și expulzându-l prin supapa de reținere de la ieșire.

Pompă rotativă cu deplasare pozitivă

Pompa cea mai utilizată în sistemele hidraulice industriale este pompa rotativă cu deplasare pozitivă. Aceasta generează un debit relativ uniform și sub presiune și este ușor de antrenat cu un motor electric sau cu un motor cu ardere internă. Fiecare rotație a elementului rotitor deplasează un volum fix de lichid.

Construcție cu pompă rotativă

O pompă rotativă are o carcasă și un ansamblu rotitor. Carcasa are o intrare și o ieșire. Ansamblul rotitor generează debitul și presiunea. Exemplul prezentat are un rotor și palete care pot aluneca liber în interiorul și în afara crestăturilor rotorului.

Modul de funcționare al unei pompe rotative

Ansamblul rotitor este montat excentric (în afara centrului) în interiorul carcasei și este conectat la motorul de antrenare prin arborele de antrenare — rotorul se rotește. Pe măsură ce rotorul se învârte, forța centrifugă împinge paletele spre exterior, contra peretelui carcasei, formând camere etanșe. Pe partea de intrare volumul camerei crește și lichidul este aspirat. Pe partea de ieșire volumul camerei se micșorează, presiunea crește și lichidul este evacuat din sistem. Pompa generează o presiune egală doar cu rezistența minimă din sistem — nimic mai mult.

Figura 2-15: Pompa cu palete rotative. Paletele, care etanșează contra peretelui carcasei, creează camere care se extind (la intrare) și se contractă (la ieșire) pe măsură ce rotorul se învârte.

Rezistență și presiune

Într-un sistem hidraulic, presiunea și rezistența sunt direct corelate. Pompa împinge lichidul în sistem; nivelul presiunii este determinat de nivelul rezistenței. Rezistență mare → presiune mare; rezistență mică → presiune mică. Rezistența la curgerea fluidului determină câtă presiune este generată.

Rezistență pe pompă

O pompă întâlnește două tipuri de rezistență: rezistența la sarcină și rezistența la curgere. Dacă ignorăm rezistența la curgere, singura rezistență existentă este cea la sarcină. Dacă sunt necesari 200 psi (13,8 bar) pentru a depăși rezistența la sarcină, pompa generează 200 psi și transmite energie hidraulică de lucru către actuator, care apoi deplasează sarcina.

Rezistența la curgere este întotdeauna prezentă. Aceasta obligă pompa să extragă mai multă energie din motorul principal și să genereze o presiune mai mare pentru a o depăși.

Figura 2-16 Rezistență și presiune. Presiunea pompei crește pentru a depăși întreaga rezistență cu care se confruntă — rezistența la sarcină plus rezistența la curgere (frecțională).

Conversie suplimentară de energie

Energia suplimentară pe care pompa o transmite lichidului pentru a depăși rezistența la curgere nu este transformată în energie hidraulică utilă la executor — este consumată de frecarea datorată curgerii. Această energie „consumată” nu este pierdută în sensul conservării energiei; ea este transformată în căldură, ceea ce determină creșterea temperaturii fluidului. Această căldură reprezintă ineficiența sistemului.

Viteză și debit

Într-un sistem hidraulic dinamic (în curgere), lichidul se deplasează prin conducte cu o anumită viteză (rapiditate). Viteza se măsoară în ft/s (picioare pe secundă) sau în m/s.

Volumul de lichid care trece printr-un punct dat într-o unitate de timp se numește debit. În sistemele hidraulice, unitatea utilizată este, de obicei, gpm (galoane americane pe minut) sau Lpm (litri pe minut).

Viteza și debitul sunt mărimi legate între ele: pentru a umple un recipient de 5 gal (18,95 L) într-un minut prin intermediul unei conducte mari, lichidul se deplasează cu o viteză de 10 ft/s (3,04 m/s). Printr-o conductă de jumătate din diametrul celei mari, lichidul trebuie să se deplaseze cu o viteză de 20 ft/s (6,10 m/s) pentru a asigura același debit de 5 gpm. Debitul este același; viteza este diferită.

Figura 2-17 Aceeași debit, viteză diferită. Într-o conductă mai mică, fluidul trebuie să se deplaseze mai rapid pentru a transporta același volum pe minut.

Frecarea generează căldură

Lichidul care curge prin conductele hidraulice generează căldură datorită frecării — cu cât curge mai repede, cu atât mai multă căldură este produsă. În aplicațiile industriale, viteza recomandată a fluidului în interiorul conductelor dintre pompă și actuator este de 15 ft/s (4,572 m/s).

Curburile generează căldură

Lichidul care curge printr-o conductă dreaptă și ajunge la o cotitură trebuie să își schimbe brusc direcția. Moleculele de fluid se ciocnesc una de alta și de peretele conductei — ceea ce generează, de asemenea, căldură. În funcție de diametrul conductei, o singură cotă de 90° poate genera atâta căldură cât mai mulți metri de conductă dreaptă.

Diferența de presiune

Diferența de presiune reprezintă diferența de presiune între oricare două puncte dintr-un sistem. O diferență de presiune vă indică două lucruri:

1. Arată că energia de lucru hidraulică (lichid sub presiune, în mișcare) este prezentă între acele două puncte.
2. Măsoară câtă energie hidraulică este transformată în căldură între acele două puncte.

Exemplu: Manometrul 1 indică 200 psi (13,79 bar); manometrul 2 indică 180 psi (12,41 bar). Diferențialul = 20 psi (1,38 bar). Aceasta înseamnă:

3. Lichidul curge de la manometrul 1 spre manometrul 2.
4. o cantitate de 20 psi de energie hidraulică a fost transformată în căldură datorită frecării în timpul curgerii dintre cele două manometre.

Figura 2-19. Diferențial de presiune. Căderea de 20 psi pe această porțiune de conductă arată că există curgere și cuantifică energia hidraulică pierdută sub formă de căldură prin frecare.

Proiectarea pentru reducerea căldurii în sistemele hidraulice

Transformarea energiei hidraulice în căldură înseamnă că sistemul risipește energie. Pentru a îmbunătăți eficiența, proiectanții trebuie să aleagă vâscozitatea corectă a uleiului, să dimensioneze corect conductele și să minimizeze numărul de coturi și racorduri. Toate aceste măsuri reduc rezistența la curgere și, astfel, reduc energia pierdută sub formă de căldură.

Figura 2-20. Generarea căldurii într-un circuit real. Fiecare conductă, racord, cot și supapă contribuie la căderea de presiune și la pierderea de energie.