Predtým, ako sa budeme baviť o prenose energie kvapalinami, musíme pochopiť niekoľko vlastností kvapalín a spôsob, akým sa cez ne prenáša sila. To nám pomôže pochopiť, prečo hydraulika funguje práve tak, ako funguje.

Kapalinosť

Tekutina je akákoľvek látka, ktorá nemá pevný tvar. Tekutiny zahŕňajú nielen kvapaliny, ale aj plyny.

Kvapalina

Kvapalina, rovnako ako plyn, je zložená z molekúl. Na rozdiel od plynu sú však molekuly v kvapaline navzájom silno priťahované a nachádzajú sa blízko seba – avšak nie tak tesne, aby boli pevne upnuté na pevných pozíciách, ako je to v prípade tuhých látok. Preto sa kvapalina voľne prúdi a nadobúda tvar svojho obalu.

Obrázok 2-1: Molekuly kvapaliny (dole) sú tesne zabalené a nachádzajú sa v neustálej pohybe, zatiaľ čo molekuly plynu (hore) sú od seba vzdialené.

Molekulárna kinetická energia

Molekuly vo vnútri kvapaliny sa neustále pohybujú – dokonca aj vtedy, keď vyzerá kvapalina úplne nehybne. Neustále sa po sebe vzájomne šmýkajú a klzajú. Tento molekulárny pohyb sa nazýva vnútorná energia kvapaliny.

Kvapaliny nadobúdajú tvar svojho obalu

V dôsledku tohto neustáleho molekulárneho šmýkania sa kvapalina prúdi a vyplní akýkoľvek kontajner, v ktorom sa nachádza. Bez ohľadu na to, či je kvapaliny veľa alebo málo, vždy zaujíma tvar kontajnera. Táto schopnosť je úzko spojená s viskozitou, ktorá sa spracováva v neskorších kapitolách.

Kvapaliny sú relatívne nestlačiteľné

Pretože molekuly kvapaliny sú tesne zabalené, kvapaliny sa v jednom dôležitom ohľade správajú ako tuhé látky: sú relatívne nestlačiteľné – nedajú sa stlačiť do výrazne menšieho objemu.

Preto sa potápači ponárajú do vody nohami alebo rukami napred (tzv. „nožový vstup“), a nie pádom na brucho. Voda sa pri náraze veľkou plochou nemôže dostatočne rýchlo presunúť a náraz je podobný nárazu do pevnej látky. Nohy alebo ruky rozdeľujú vodu malou plochou, a tá malá plocha znamená výrazne menšiu nárazovú silu.

Keďže kvapalina je relatívne nestlačiteľná a prijíma tvar akéhokoľvek kontajnera, má pri prenose sily skutočnú výhodu.

Prevod sily

Štyri metódy prenosu energie (mechanický, elektrický, hydraulický, pneumatický) môžu prenášať aj statickú silu (potenciálnu energiu) aj dynamickú silu (kinetickú energiu). Keď sa statická sila prenáša kvapalinou, deje sa niečo špeciálne.

Sila prenášaná kvapalinou

Na rozdiel od sily pôsobiacej na pevné teleso sa sila pôsobiaca na uzavretú kvapalinu prenáša po celej kvapaline ako tlak – a tento tlak je v každom bode kvapaliny rovnaký.

Ak stlačíme pohyblivý piest umiestnený na vrchu nádoby plnej kvapaliny, sila, ktorú aplikujeme, vyvolá tlak, ktorý sa rovnako prenáša všetkými smermi cez kvapalinu.

Bez ohľadu na to, akým spôsobom bol tlak vytvorený – piestom, rukou, gravitáciou, pružinou, stlačeným vzduchom alebo akoukoľvek kombináciou – akonáhle sa sila dostane do uzavretej kvapaliny, premieni sa na tlak a rovnako sa prenáša po celej kvapaline.

Keďže kvapalina nadobúda tvar ľubovoľného obalu, tlak sa môže prenášať bez ohľadu na tvar obalu.

Obrázok 2–4: Sila pôsobiaca na piest sa premení na tlak v kvapaline. Tento tlak sa rovnako šíri vo všetkých smeroch – to je kľúčový princíp hydrauliky.

Zákon Pascala

Vlastnosť kvapaliny prenášať tlak rovnako vo všetkých smeroch sa nazýva Pascalov zákon, pomenovaný po svojom objaviteľovi Blaise Pascovi.

Matematický tvar Pascalovho zákona je rovnaký ako vzorec pre tlak uvedený v kapitole 1:

Tlakové užitky

Manometer meria tlak pôsobiaci na kvapalinu v systéme. Dva najbežnejšie typy manometrov v hydraulických systémoch sú manometer s Bourdonovou trubicou a piestový manometer.

Manometer s Bourdonovou trubicou

Manometer s Bourdonovou trubicou pozostáva z číselníka a ukazovateľa. Ukazovateľ je spojený s ohnutou, pružnou kovovou trubicou, ktorá sa nazýva Bourdonova trubica. Systémový tlak vstupuje do trubice cez vstupné otvorenie. Mierka je zvyčajne označená v jednotkách psi, bar alebo Pa.

Ako funguje Bourdonova trubica

Keď stúpa systémový tlak, rozdiel plochy medzi vnútornou a vonkajšou stranou ohnutej trubice má tendenciu ju narovnať. Toto narovnávacie pohybové účinkuje na ukazovateľ, ktorý sa pohybuje po číselníku a indikuje tlak. Manometry s Bourdonovou trubicou sú presné prístroje s presnosťou 0,1 % až 3,0 % plného rozsahu; používajú sa pri laboratórnych skúškach alebo všade tam, kde je kritická presnosť merania tlaku.

Manometer s piestom

Manometer s piestom pozostáva z piesta, vyvážovacej pružiny, ukazovateľa a stupnice. Systémový tlak pôsobí na povrch piesta a tlačí ho proti pružine. Pohyb piesta pohybuje ukazovateľom po ciferníku. Stupnica je kalibrovaná v jednotkách psi (bar). Manometry s piestom sú odolné a ekonomické – bežná voľba pre každodenné monitorovanie systémov.

Obrázok 2-6 Manometer s piestom: systémový tlak tlačí piest proti pružine. Posun piesta pohybuje ukazovateľom.

Prevod tlaku na mechanickú silu

Prenos tlaku prostredníctvom uzavretej kvapaliny je užitočný len vtedy, ak sa tlak niekde znovu dá premeniť na mechanickú silu. Táto úloha patrí aktuátoru (vykonávajúcemu prvku) – ten prijíma hydraulický tlak a premieňa ho na mechanickú silu.

Hydraulický valec je jedným z typov aktuátorov.

Hydraulický valec

Hydraulický valec prijíma hydraulický tlak a premieňa ho na priamočiary (lineárny) mechanický pohyb. Prostredníctvom vhodných mechanických spojov sa tento pohyb môže tiež premieniť na rotačný pohyb.

Konštrukcia valca

Základné časti valca sú: valec (rúrka), uzáverové kryty, piest, piestný tyč a vstupné/výstupné prípojky. Každý koniec má jeden uzáverový kryt. Piest sa môže posúvať vo vnútri valca. Tyč je spojená s piestom. Vstupné a výstupné prípojky na každom konci valca umožňujú prúdenie pracovného oleja dovnútra a von.

Obrázok 2-8: Prierez hydraulickým valcom. Olej vstupuje cez jednu prípojku, tlačí piest a tyč sa vysúva. Olej vychádzajúci z druhej prípojky sa vracia do nádrže.

Ako valec funguje

Keď je vstupná prípojka valca pripojená k systému, valec sa stáva súčasťou tohto systému. Tlak z bodu A sa prenáša cez systém na piest vo vnútri valca. Tento tlak pôsobiaci na plochu piesta vyvolá mechanickú silu v bode B – na konci tyče.

Používaním tlaku

Keď sa tlak prenáša cez uzavretú kvapalinu, niektorá pohyblivá súčasť tento tlak generuje. Vo všetkých doteraz uvedených príkladoch je touto pohyblivou súčasťou piest. Delením sily plochou piesta získame tlak v systéme (P = F/A).

Násobenie mechanickou silou

Hydraulika môže zosilniť (násobiť) mechanickú silu. Faktor násobenia závisí od plochy piesta hydraulického valca (v in² alebo cm²). Keďže tlak sa v uzavretej kvapaline prenáša rovnako, ak je piest výstupného valca väčší ako piest vstupného valca, výstupná sila je väčšia ako vstupná sila.

Príklad: Sila 5 000 libier (22 200 N) pôsobí na piest s plochou 10 in² (64,52 cm²) a vytvára tlak:

Rovnaký tlak 500 psi pôsobí na výstupný piest s plochou 15 in² (96,78 cm²):

Obrázok 2-9 Mechanické násobenie sily. Rovnaký tlak pôsobí na oba piesty, avšak väčší piest vyvoláva väčšiu silu. F = P × A.

Zosilňovač tlaku

Zosilňovač tlaku (nazývaný tiež zosilňovač) môže zosilniť hydraulický tlak. Využíva dva piesty spojené jednou tyčou v rámci jedného kľúčového telesa s prívodným, vývodným a odvodným prípojom. Veľký piest sníma tlak v systéme; sila, ktorú vyvíja, sa prenáša na malý piest, ktorý vytvára vyšší výstupný tlak, pretože jeho plocha je menšia.

Ako funguje zosilňovač tlaku

Veľký piest sníma tlak v systéme a prenáša túto silu cez tyč na malý piest. Keďže plocha malého piesta je menšia, výstupný tlak na strane malého piesta je vyšší – tlak sa teda zosilňuje.

Príklad: Síla 5 000 libier (22 200 N) pôsobí na veľký piest (plocha: 15 in² / 96,78 cm²). Tlak = 333 psi (22,9 baru). Táto sila sa prenáša na malý piest (plocha: 0,76 cm²). Výstupný tlak = 5 000 libier / 0,76 cm² × (1/10 000) = 2 000 psi (137,9 baru). Výstupná sila = 30 000 libier (133 200 N).

Bežným použitím zosilňovačov tlaku je v upínačoch.

Obrázok 2-11 Zosilňovač tlaku. Veľký piest prenáša svoju silu na malý piest, ktorý má oveľa menšiu plochu – čím vytvára výrazne vyšší tlak na výstupe.

Hydraulické prenos energie

Účelom použitia hydrauliky (alebo akejkoľvek inej metódy prenosu energie) v stroji je vykonanie užitočnej práce. Aby valec mohol vykonať prácu, musí pôsobiť silou na zaťaženie a posunúť ho o určitú vzdialenosť – systém teda potrebuje komponent, ktorý dokáže využiť energiu na zabezpečenie nepretržitého toku kvapaliny.

Hydraulický akumulátor

Všetko, čo sme doteraz skúmali a čo v uzavretej kvapaline vytvára tlak, využíva piesty a valce. Piest pôsobí silou; valec uzatvára kvapalinu. Takýto zariadenie sa nazýva akumulátor.

Akumulátor dokáže ukladať potenciálnu energiu kvapaliny pod tlakom. Táto uložená potenciálna energia sa môže premeniť na pracovnú energiu (tok a tlak).

Príklad: Akumulátor s tlakom 500 psi (34,5 bar) poskytuje tlak na posunutie záťaže. Z uloženého tlaku 500 psi sa 400 psi (27,6 bar) využije na prekonanie odporu záťaže a zvyšný tlak sa premieni na prietok, ktorý záťaž posúva.

Akumulátory majú určité obmedzenia: ak je záťaž veľmi veľká, nemusí byť k dispozícii dostatok tlaku na jej prekonanie, a preto sa nevykoná žiadna práca. Okrem toho, akonáhle sa uložená kvapalina úplne vypustí, prestane aj prietok.

Aby sa dosiahol dostatočný tlak na prekonanie záťaže a zároveň sa nepretržite zabezpečoval prietok, je potrebné použiť iné zariadenie – hydraulické čerpadlo s objemovým výtlakom.

Obrázok 2-12: Prevádzka akumulátora. Uložený tlak môže posúvať záťaž, avšak po vyčerpaní kvapaliny sa prietok zastaví – akumulátor sám o sebe nedokáže udržiavať nepretržitú prácu.

Hydraulické čerpadlo s objemovým výtlakom

Objemové čerpadlo vytvára nepretržitý prietok kvapaliny opakovaným vratným alebo rotačným vnútorným pohybom. Zabezpečuje tak kinetickú energiu (prietok), ako aj tlakovú energiu – pracovnú energiu potrebnú na vykonávanie nepretržitej hydraulickej práce.

Vratné piestové čerpadlo

Vratné piestové čerpadlo má piest spojený s pohonným zariadením (motorom alebo elektrickým motorom) prostredníctvom kliky alebo kamienka. Na vstupe aj výstupe sa nachádza jednosmerné guľové uzavretie. Keď sa piest vytiahne, vnútorný objem sa zväčší, vstupná guľa sa otvorí a kvapalina do čerpadla priteká. Keď sa piest zatlačí, objem sa zmenší, tlak stúpne, vstupná guľa sa uzavrie a výstupná guľa sa otvorí – čím sa kvapalina tlačí do systému. Nepretržitý vratný pohyb vytvára pulzujúci prietok; tlak môže dosahovať akúkoľvek hodnotu vyžadovanú systémom.

Obrázok 2-13: Vratné piestové čerpadlo. Piest sa pohybuje dopredu a dozadu, pričom nasáva olej cez vstupné jednosmerné uzavretie a vytlačuje ho cez výstupné jednosmerné uzavretie.

Rotačné objemové čerpadlo

Najčastejším čerpadlom v priemyselných hydraulických systémoch je rotačné objemové čerpadlo. Toto čerpadlo vytvára relatívne hladký, tlakový tok kvapaliny a je jednoduché poháňať elektrickým motorom alebo spaľovacím motorom. Každá otáčka rotujúceho prvku vytlačí pevný objem kvapaliny.

Konštrukcia rotačného čerpadla

Rotačné čerpadlo pozostáva z krytu a rotujúcej súpravy. Kryt má vstup a výstup. Rotujúca súprava generuje tok a tlak. Na uvedenom príklade je znázornený rotor a lopatky, ktoré sa môžu voľne posúvať dovnútra a von z drážok rotora.

Ako funguje rotačné čerpadlo

Rotačná súprava je namontovaná excentricky (mimo stredu) vo vnútri krytu a je spojená s pohonom cez hriadeľ – rotor sa otáča. Pri otáčaní rotora odstredivá sila tlačí lopatky von ku stene krytu, čím vznikajú tesné komory. Na strane vstupu sa objem komory zväčšuje a kvapalina sa nasáva. Na strane výstupu sa objem komory zmenšuje, tlak stúpa a kvapalina je zo systému vytlačovaná. Čerpadlo vytvára tlak len rovný minimálnemu odporu v systéme – nič viac.

Obrázok 2-15: Rotačné lopatkové čerpadlo. Lopatky tesniace proti stene krytu vytvárajú komory, ktoré sa pri otáčaní rotora rozširujú (vstup) a zužujú (výstup).

Odpor a tlak

V hydraulickom systéme sú tlak a odpor priamo prepojené. Čerpadlo tlačí kvapalinu do systému; úroveň tlaku je určená úrovňou odporu. Vysoký odpor → vysoký tlak; nízky odpor → nízky tlak. Odpor proti toku kvapaliny určuje, aký veľký tlak sa vytvorí.

Odpor pôsobiaci na čerpadlo

Čerpadlo sa stretáva s dvoma typmi odporu: odporom zaťaženia a odporom toku. Ak odpor toku ignorujeme, jediným odporom je zaťaženie. Ak je potrebných 200 psi (13,8 baru) na prekonanie odporu zaťaženia, čerpadlo vyvinie tlak 200 psi a dodá hydraulickú pracovnú energiu do hydraulického aktuátora, ktorý potom posunie zaťaženie.

Odpor toku je vždy prítomný. Spôsobuje, že čerpadlo musí z hlavného pohonneho zariadenia odobrať viac energie a vyvinúť vyšší tlak na jeho prekonanie.

Obrázok 2-16: Odpor a tlak. Tlak čerpadla stúpa, aby prekonal celkový odpor, s ktorým sa stretáva – odpor zaťaženia plus odpor toku (trenia).

Dodatočná premena energie

Dodatočná energia, ktorú čerpadlo dodáva kvapaline na prekonanie odporu pri toku, sa neprevedie na užitočnú hydraulickú pracovnú energiu v akčnom člene – spotrebuje sa na trenie pri prúdení. Táto „spotrebovaná“ energia sa v zmysle zákona zachovania energie nestráca; premieňa sa na teplo, ktoré zvyšuje teplotu kvapaliny. Toto teplo predstavuje neefektívnosť systému.

Rýchlosť a prietokový množstvo

V dynamickom (prúdiacom) hydraulickom systéme sa kvapalina pohybuje cez potrubia určitou rýchlosťou (rýchlosťou pohybu). Rýchlosť sa meria v ft/s (stopách za sekundu) alebo m/s.

Objem kvapaliny, ktorý prejde daným miestom za jednotku času, sa nazýva prietokové množstvo. V hydraulických systémoch sa zvyčajne používa jednotka gpm (americké galóny za minútu) alebo Lpm (litre za minútu).

Rýchlosť a prietokové množstvo sú navzájom prepojené: aby sa naplnil 5-galónový (18,95 l) kontajner za jednu minútu cez veľké potrubie, musí sa kvapalina pohybovať rýchlosťou 10 ft/s (3,04 m/s). Ceze potrubie s polovičným priemerom sa kvapalina musí pohybovať rýchlosťou 20 ft/s (6,10 m/s), aby dodala rovnaké prietokové množstvo 5 gpm. Prietokové množstvo je rovnaké; rýchlosť je iná.

Obrázok 2-17 Rovnaký prietok, rôzna rýchlosť. V menšej rúrke sa kvapalina musí pohybovať rýchlejšie, aby prešiel rovnaký objem za minútu.

Trenie vyvoláva teplo

Kvapalina prúdiaca hydraulickými rúrami vyvoláva teplo v dôsledku trenia – čím rýchlejšie prúdi, tým viac tepla sa vytvorí. V priemyselných aplikáciách sa odporúča rýchlosť kvapaliny v rúrach medzi čerpadlom a hydraulickým zariadením (aktuatorom) 15 ft/s (4,572 m/s).

Ohyby vyvolávajú teplo

Kvapalina prúdiaca priamou rúrou, ktorá dosiahne ohyb, musí náhle zmeniť smer. Molekuly kvapaliny sa navzájom zrazia a tiež sa zrazia so stenou rúry – to tiež vyvoláva teplo. V závislosti od priemeru rúry môže jeden 90° lakťový koleno vyvolať toľko tepla, koľko niekoľko stôp priamej rúry.

Rozdiel tlaku

Rozdiel tlakov je rozdiel tlaku medzi ľubovoľnými dvoma bodmi v systéme. Rozdiel tlakov vám hovorí dve veci:

1. Ukazuje, že medzi týmito dvoma bodmi je prítomná hydraulická pracovná energia (stlačená, prúdiaca kvapalina).
2. Meria, koľko hydraulického energie sa premenilo na teplo medzi týmito dvoma bodmi.

Príklad: Manometer 1 ukazuje 200 psi (13,79 bar); manometer 2 ukazuje 180 psi (12,41 bar). Rozdiel je 20 psi (1,38 bar). To znamená:

3. Kvapalina prúdi z manometra 1 smerom k manometru 2.
4. 20 psi hydraulického energie sa premenilo na teplo v dôsledku trenia prúdenia medzi dvoma manometrami.

Obrázok 2-19: Rozdiel tlakov. Pokles tlaku o 20 psi v tomto úseku potrubia ukazuje, že prúdenie je prítomné, a kvantifikuje hydraulickú energiu stratenu na teplo v dôsledku trenia.

Návrh na zníženie tepla v hydraulických systémoch

Premena hydraulického energie na teplo znamená, že systém plýtvá energiou. Na zvýšenie účinnosti musia navrhovatelia zvoliť vhodnú viskozitu oleja, správne dimenzovať potrubia a minimalizovať počet ohybov a spojok. Všetky tieto opatrenia znižujú odpor prúdeniu a tým aj množstvo energie stratenej vo forme tepla.

Obrázok 2-20: Vznik tepla v reálnom obvode. Každé potrubie, spojka, ohyb a ventil prispievajú k poklesu tlaku a strate energie.