Innan vi pratar om energiöverföring genom vätskor måste vi förstå några egenskaper hos vätskor och hur kraft överförs genom dem. Detta hjälper oss att förstå varför hydraulik fungerar som den gör.

Vätska

En fluid är ämne utan fast form. Fluider omfattar både vätskor och gaser.

Vätska

En vätska, precis som en gas, består av molekyler. Men till skillnad från en gas dras molekylerna i en vätska åt sig nära varandra – dock inte så hårt att de är låsta i fasta positioner, som i en fast substans. Därför kan en vätska flöda fritt och anta behållarens form.

Figur 2-1: Molekylerna i en vätska (nederst) är packade tätt ihop och befinner sig i ständig rörelse, medan gasmolekylerna (överst) är långt ifrån varandra.

Molekylär kinetisk energi

Molekylerna i en vätska är alltid i rörelse – även när vätskan ser fullständigt stilla ut. De glider hela tiden förbi varandra. Denna molekylära rörelse kallas vätskans inre energi.

Vätskor antar behållarens form

På grund av denna konstanta molekylära glidning flyter en vätska och fyller vilken behållare som helst som innehåller den. Oavsett om det finns mycket eller lite vätska tar den alltid formen av behållaren. Denna egenskap är nära kopplad till viskositet, vilket behandlas i senare kapitel.

Vätskor är relativt oföränderliga i volym

Eftersom vätskemolekylerna är packade tätt tillsammans beter sig vätskor på ett viktigt sätt likt fasta ämnen: de är relativt oföränderliga i volym – de kan inte pressas samman till en betydligt mindre volym.

Detta är anledningen till att dykare stiger ner i vattnet med fötterna eller händerna först (den så kallade "knivinmatningen") istället för att slå sig med buken. Vattnet kan inte röra sig ur vägen tillräckligt snabbt när det träffas av en stor, platt yta, och påverkan liknar då en kollision med ett fast ämne. Fötterna eller händerna delar vattnet med en liten yta, och den lilla ytan innebär mycket mindre påverkanskraft.

Eftersom en vätska är relativt oföränderlig i volym och antar formen av vilken behållare som helst har den ett verkligt fördel när det gäller överföring av kraft.

Kraftöverföring

De fyra energiöverföringsmetoderna (mekanisk, elektrisk, hydraulisk och pneumatisch) kan alla överföra både statisk kraft (potentiell energi) och dynamisk kraft (kinetisk energi). När en statisk kraft överförs genom en vätska sker något speciellt.

Kraftöverföring genom en vätska

Till skillnad från kraft som verkar på en fast kropp överförs kraft som appliceras på en innesluten vätska genom hela vätskan som tryck – och trycket är lika stort i varje punkt i vätskan.

Om vi trycker på en rörlig kolvhuvud som sitter ovanpå en behållare fylld med vätska genererar den kraft vi utövar ett tryck, och detta tryck överförs lika i alla riktningar genom vätskan.

Oavsett hur trycket skapades – av en kolvhuvud, en hand, tyngdkraften, en fjäder, komprimerad luft eller någon kombination av dessa – omvandlas kraften till tryck så snart den befinner sig inom en innesluten vätska, och trycket överförs lika överallt.

Eftersom en vätska antar behållarens form kan tryck överföras oavsett behållarens form.

Figur 2–4 Kraften på kolven omvandlas till tryck i vätskan. Detta tryck sprids lika i alla riktningar – detta är nyckeln till hydraulik.

Pascals lag

Egenskapen hos en vätska att överföra tryck lika i alla riktningar kallas Pascals lag, uppkallad efter dess upptäckare Blaise Pascal.

Den matematiska formen av Pascals lag är densamma som tryckformeln som introducerades i kapitel 1:

Tryckmätare

En tryckmätare mäter det tryck som verkar på vätskan i systemet. De två vanligaste typerna i hydrauliska system är Bourdonrörsmätaren och kolvmätaren.

Bourdonrörsmätare

En Bourdonrörsmätare består av ett urtavla och en pekare. Pekaren är kopplad till ett böjt, flexibelt metallrör som kallas Bourdonröret. Systemtrycket kommer in i röret genom inloppet. Skalan är vanligtvis markerad i psi, bar eller Pa.

Hur Bourdonröret fungerar

När systemtrycket stiger tenderar skillnaden i area mellan insidan och utsidan av det böjda röret att räta ut det. Denna rättningsrörelse driver pekaren över urtavlan för att visa trycket. Bourdonrörsmätare är precisionsinstrument med en noggrannhet på 0,1 % till 3,0 % av full skala; de används vid laboratorietester eller där noggrann tryckmätning är avgörande.

Kolvmätare

En kolvmätare består av en kolvm, en balansfjäder, en pekare och en skala. Systemtrycket verkar på kolvens yta och trycker den mot fjädern. Kolvrörelsen driver pekaren över skivan. Skalan är kalibrerad i psi (bar). Kolvmätare är slitstarka och ekonomiska – ett vanligt val för daglig systemövervakning.

Figur 2-6 Kolvmätare: systemtrycket trycker kolven mot en fjäder. Kolvrörelsen driver pekaren.

Omvandling av tryck till mekanisk kraft

Att överföra tryck genom en förseglad vätska är endast användbart om trycket kan omvandlas tillbaka till mekanisk kraft någonstans. Det är aktuatorns (utförandelement) uppgift – den tar emot hydrauliskt tryck och omvandlar det till mekanisk kraft.

En hydraulisk cylinder är en typ av aktuator.

Hydraulcylinder

En hydraulisk cylinder tar emot hydrauliskt tryck och omvandlar det till rätlinjig (linjär) mekanisk kraft. Genom lämpliga mekaniska kopplingar kan den även omvandlas till rotationsrörelse.

Cylinderrättning

En cylinders grunddelar är: cylinderröret (rör), ändlock, kolven, kolvstången och in-/utloppsportar. Varje ände har ett ändlock. Kolven kan glida inuti cylinderröret. Stången är förbunden med kolven. In- och utloppsportarna vid varje ände av cylinderröret låter arbetsolet strömma in och ut.

Figur 2-8 Tvärsnitt av en hydraulcylinder. Olja strömmar in genom en port, trycker på kolven och stången förlängs. Olja som lämnar den andra porten återvänder till tanken.

Hur en cylinder fungerar

När cylinderns inloppsport ansluts till systemet blir cylindern en del av systemet. Trycket från punkt A överförs genom systemet till kolven inuti cylindern. Detta tryck, som verkar på kolvytan, genererar mekanisk kraft i punkt B — vid stångens ände.

Applicera tryck

När tryck överförs genom en förseglad vätska genereras trycket av någon rörlig del. I alla exempel hittills är den rörliga delen en kolv. Genom att dividera kraften med kolvarean erhålls trycket i systemet (P = F/A).

Mekanisk kraftförstärkning

Hydraulik kan förstärka (multiplicera) mekanisk kraft. Multipliceringsfaktorn beror på arean av kolvens i den hydrauliska cylindern (i² eller cm²). Eftersom trycket överförs lika i en försluten vätska är utgående kraften större än ingående kraften om kolven i utgående cylindern är större än kolven i ingående cylindern.

Exempel: En kraft på 5 000 lbs (22 200 N) verkar på en kolv med arean 10 i² (64,52 cm²), vilket ger ett tryck på:

Samma 500 psi verkar på en utgående kolv med arean 15 i² (96,78 cm²):

Figur 2-9 Mekanisk kraftmultiplicering. Samma tryck verkar på båda kolvarna, men den större kolven genererar större kraft. F = P × A.

Tryckförstärkare

En tryckförstärkare (även kallad förstärkare) kan förstärka hydrauliskt tryck. Den använder två kolvar som är kopplade med en gemensam stång inuti ett enda hölje med inlopp, utlopp och avloppsportar. Den stora kolven registrerar systemtrycket; den kraft som den genererar överförs till den lilla kolven, vilket ger ett högre utgående tryck eftersom arean är mindre.

Hur en tryckförstärkare fungerar

Den stora kolven registrerar systemtrycket och överför denna kraft genom stången till den lilla kolven. Eftersom den lilla kolven har en mindre area blir utgående trycket vid den lilla kolvens ände högre – trycket förstärks.

Exempel: En kraft på 5 000 lbs (22 200 N) verkar på den stora kolven (area: 15 in² / 96,78 cm²). Tryck = 333 psi (22,9 bar). Denna kraft överförs till den lilla kolven (area: 0,76 cm²). Utgående tryck = 5 000 lbs / 0,76 cm² × (1/10 000) = 2 000 psi (137,9 bar). Utgående kraft = 30 000 lbs (133 200 N).

Ett vanligt användningsområde för tryckförstärkare är i spännfickor.

Figur 2-11 Tryckförstärkare. Den stora kolven överför sin kraft till den mindre kolven, som har en betydligt mindre area – vilket ger ett mycket högre tryck vid utgången.

Hydraulisk energiöverföring

Syftet med att använda hydraulik (eller någon annan energiöverföringsmetod) i en maskin är att utföra nyttigt arbete. För att en cylinder ska kunna utföra arbete måste den applicera kraft på lasten och förflytta den över en viss sträcka – således behöver systemet en komponent som kan använda energi för att tillhandahålla en kontinuerlig vätskeflöde.

Hydraulisk ackumulator

Allt vi hittills har tittat på som skapar tryck i en försluten vätska använder kolvar och cylindrar. Kolven applicerar kraft; cylindern försegla vätskan. Denna typ av anordning kallas en ackumulator.

En ackumulator kan lagra potentiell energi i en vätska under tryck. Den lagrade potentiella energin kan omvandlas till arbetsenergi (flöde och tryck).

Exempel: En ackumulator med tryck på 500 psi (34,5 bar) tillhandahåller tryck för att förflytta en last. Av det lagrade trycket på 500 psi används 400 psi (27,6 bar) för att övervinna lastens motstånd, medan resterande tryck omvandlas till flöde för att förflytta lasten.

Ackumulatorer har en begränsning: om lasten är mycket stor kan det finnas otillräckligt tryck för att övervinna den, vilket innebär att inget arbete kan utföras. Dessutom upphör flödet så snart den lagrade vätskan är fullständigt frigjord.

För att tillämpa tillräckligt tryck för att övervinna en last och samtidigt säkerställa ett kontinuerligt flöde krävs en annan typ av utrustning – en volymetrisk hydraulpump.

Figur 2-12: Funktionsprincip för en ackumulator. Lagrat tryck kan förflytta en last, men så snart vätskan är uttömd upphör flödet – en ackumulator kan inte ensam utföra kontinuerligt arbete.

Volymetrisk hydraulpump

En volymströmpump genererar en kontinuerlig vätskeflöde genom upprepad back- och framgående eller roterande inre rörelse. Den tillför både kinetisk energi (flöde) och tryckenergi – den arbetsenergi som krävs för att utföra kontinuerligt hydrauliskt arbete.

Membrampump

En back- och framgående kolvpump har en kolvrörelse som är kopplad till en drivmotor (motor eller elmotor) via en vev eller kam. Inloppet och utloppet har vardera en kugghärdad kontrollventil. När kolven dras ut expanderar den inre volymen, inlopps-kugghärdade ventilen öppnas och vätskan strömmar in. När kolven trycks in minskar volymen, trycket stiger, inlopps-kugghärdade ventilen stängs och utlopps-kugghärdade ventilen öppnas – vilket pressar vätskan ut i systemet. En kontinuerlig back- och framgående rörelse ger ett pulserande flöde; trycket kan vara vilket som helst som systemet kräver.

Figur 2-13 Back- och framgående kolvpump. Kolven rör sig in och ut, suger in olja genom inlopps-kontrollventilen och pressar ut den genom utlopps-kontrollventilen.

Rotationsvolymströmpump

Den vanligaste pumpen i industriella hydrauliska system är den roterande positivfördrängningspumpen. Den ger en relativt jämn, tryckbelastad flöde och är lätt att driva med en elmotor eller motor. Varje varv av det roterande elementet fördränger en fast volym vätska.

Konstruktion av roterande pump

En roterande pump har ett housing och en roterande anordning. Housingen har en inmatning och en utmatning. Den roterande anordningen genererar flödet och trycket. Exemplet som visas har en rotor och skovlar som kan glida fritt in och ut ur rotorernas spår.

Hur en roterande pump fungerar

Den roterande monteringen är monterad excentriskt (inte i centrum) inuti höljet och är kopplad till drivmaskinen via drivaxeln – rotorn snurrar. När rotorn vrider sig pressar centrifugalkraften ut vingarna mot höljets vägg, vilket bildar avtätningskammare. På insugssidan ökar kammarens volym och vätska suges in. På utförsidans sida minskar kammaren i volym, trycket stiger och vätskan pressas ut ur systemet. Pumpen genererar endast ett tryck som motsvarar den minsta motstånden i systemet – inget mer.

Figur 2-15 Rotationsvingpump. Vingar som täter mot höljets vägg skapar kammare som expanderar (insug) och kontraherar (utför) när rotorn snurrar.

Motstånd och tryck

I ett hydrauliskt system är tryck och motstånd direkt relaterade. Pumpen pressar vätska in i systemet; tryknivån bestäms av motståndsnivån. Högt motstånd → högt tryck; lågt motstånd → lågt tryck. Motståndet mot vätskeflöde avgör hur mycket tryck som genereras.

Motstånd på en pump

En pump står inför två typer av motstånd: lastmotstånd och flödesmotstånd. Om vi bortser från flödesmotstånd är det enda motståndet lasten. Om 200 psi (13,8 bar) krävs för att övervinna lastmotståndet producerar pumpen 200 psi och driver hydraulisk arbetsenergi till aktuatorn, som sedan rör lasten.

Flödesmotstånd finns alltid närvarande. Det tvingar pumpen att dra mer energi från drivmaskinen och generera högre tryck för att övervinna det.

Figur 2-16 Motstånd och tryck. Pumptrycket stiger för att övervinna det totala motstånd som den står inför — lastmotstånd plus flödes- (friktions-)motstånd.

Ytterligare energiomvandling

Den extra energin som pumpen tillför vätskan för att övervinna flödesmotståndet omvandlas inte till användbar hydraulisk arbetsenergi vid aktuatorn — den förbrukas av flödesfriktionen. Denna "förbrukade" energi går inte förlorad i den fysikaliska meningen; den omvandlas till värme, vilket höjer vätskans temperatur. Denna värme utgör systemets ineffektivitet.

Hastighet och flöde

I ett dynamiskt (flödande) hydrauliskt system rör vätskan sig genom rör med en viss hastighet (fart). Hastighet mäts i ft/s (fot per sekund) eller m/s.

Volymen vätska som passerar en punkt per tidsenhet kallas flödeshastigheten. I hydrauliska system är enheten vanligtvis gpm (amerikanska gallon per minut) eller Lpm (liter per minut).

Hastighet och flöde är sammankopplade: för att fylla en 5-gal (18,95 L) behållare på en minut genom ett stort rör rör sig vätskan med 10 ft/s (3,04 m/s). Genom ett rör som är hälften så stort måste vätskan röra sig med 20 ft/s (6,10 m/s) för att leverera samma 5 gpm. Flödeshastigheten är densamma; hastigheten är olika.

Figur 2-17 Samma flöde, olika hastighet. I ett mindre rör måste vätskan röra sig snabbare för att transportera samma volym per minut.

Friktion genererar värme

Vätska som strömmar genom hydrauliska rör genererar värme på grund av friktion – ju snabbare den strömmar, desto mer värme produceras. I industriella tillämpningar är den rekommenderade vätskehastigheten i ledningarna mellan pumpen och aktuatorn 15 ft/s (4,572 m/s).

Kurvor genererar värme

När vätska som strömmar i ett rakt rör når en kurva måste den plötsligt ändra riktning. Vätskemolekyler kolliderar med varandra och med rörväggen – detta genererar också värme. Beroende på rörets storlek kan en enda 90°-arm generera lika mycket värme som flera fot rakt rör.

Tryckdifferens

Ett tryckdifferens är skillnaden i tryck mellan två godtyckliga punkter i ett system. Ett tryckdifferens visar dig två saker:

1. Det visar att hydraulisk arbetsenergi (tryckbelastad, strömmande vätska) finns mellan dessa två punkter.
2. Det mäter hur mycket hydraulisk energi som omvandlats till värme mellan dessa två punkter.

Exempel: Tryckmätare 1 visar 200 psi (13,79 bar); tryckmätare 2 visar 180 psi (12,41 bar). Skillnaden = 20 psi (1,38 bar). Detta betyder:

3. Vätska strömmar från tryckmätare 1 mot tryckmätare 2.
4. 20 psi hydraulisk energi omvandlades till värme genom strömningsfriktion mellan de två tryckmätarna.

Figur 2-19 Tryckdifferens. Den 20 psi stora tryckminskningen över detta röravsnitt visar att strömning förekommer och kvantifierar den hydrauliska energiförlusten på grund av friktionsvärme.

Utformning för att minska värme i hydrauliska system

Att omvandla hydraulisk energi till värme innebär att systemet slösar bort energi. För att förbättra verkningsgraden måste konstruktörer välja rätt oljeviskositet, dimensionera rören korrekt och minimera antalet böjningar och kopplingar. Alla dessa åtgärder minskar strömningsmotståndet och därmed även den energi som förloras som värme.

Figur 2-20 Värmeproduktion i en verklig krets. Varje rör, koppling, böjning och ventil bidrar till tryckfall och energiförlust.