ก่อนที่เราจะพูดถึงการส่งผ่านพลังงานผ่านของเหลว เราจำเป็นต้องเข้าใจคุณสมบัติบางประการของของเหลวและวิธีที่แรงถูกส่งผ่านของเหลวเหล่านั้น ซึ่งจะช่วยให้เราเข้าใจว่าเหตุใดระบบไฮดรอลิกจึงทำงานตามแบบที่มันทำ

ของเหลว

ของไหลคือสารใดๆ ก็ตามที่ไม่มีรูปร่างคงที่ ของไหลรวมถึงของเหลวและก๊าซทั้งสองชนิด

ของเหลว

ของเหลว เช่นเดียวกับก๊าซ ประกอบด้วยโมเลกุล แต่ต่างจากก๊าซตรงที่โมเลกุลในของเหลวถูกดึงเข้าหากันอย่างแน่นหนา — อย่างไรก็ตาม ไม่แน่นจนถึงขั้นที่โมเลกุลถูกล็อกอยู่ในตำแหน่งคงที่เช่นเดียวกับในของแข็ง นี่คือเหตุผลที่ของเหลวสามารถไหลได้อย่างอิสระและรับรูปร่างของภาชนะที่บรรจุมัน

รูปที่ 2-1 โมเลกุลของของเหลว (ด้านล่าง) จัดเรียงแน่นหนาและเคลื่อนที่อยู่ตลอดเวลา ในขณะที่โมเลกุลของก๊าซ (ด้านบน) ห่างกันมาก

พลังงานจลน์ของโมเลกุล

โมเลกุลภายในของเหลวกำลังเคลื่อนที่อยู่เสมอ — แม้เมื่อของเหลวนั้นดูเหมือนนิ่งสนิท โมเลกุลเหล่านั้นเลื่อนไถลและเคลื่อนผ่านกันไปมาอย่างต่อเนื่อง การเคลื่อนที่ของโมเลกุลในลักษณะนี้เรียกว่า พลังงานภายในของของเหลว

ของเหลวรับรูปร่างของภาชนะที่บรรจุมัน

เนื่องจากมีการเลื่อนตัวของโมเลกุลอย่างต่อเนื่องนี้ ของไหลในสถานะของเหลวจึงสามารถไหลได้และเติมเต็มรูปร่างของภาชนะที่บรรจุมันไว้ไม่ว่าจะมีของเหลวมากหรือน้อยเพียงใด มันก็จะยังคงมีรูปร่างตามรูปร่างของภาชนะเสมอ ความสามารถนี้สัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับความหนืด ซึ่งจะกล่าวถึงในบทต่อๆ ไป

ของเหลวมีคุณสมบัติไม่สามารถอัดให้ลดปริมาตรลงได้ง่าย

เนื่องจากโมเลกุลของของเหลวจัดเรียงตัวแน่นกันมาก ของเหลวจึงมีพฤติกรรมคล้ายกับของแข็งในแง่สำคัญประการหนึ่ง นั่นคือ มีคุณสมบัติไม่สามารถอัดให้ลดปริมาตรลงได้ง่าย — กล่าวคือ ไม่สามารถบีบให้มีปริมาตรลดลงอย่างมีนัยสำคัญได้

นี่คือเหตุผลที่นักดำน้ำเข้าสู่ผิวน้ำด้วยปลายเท้าหรือปลายนิ้วมือก่อน (ที่เรียกว่า "การเข้าแบบมีด") แทนที่จะกระโดดลงมาทั้งตัวด้วยบริเวณหน้าท้อง เพราะน้ำไม่สามารถเคลื่อนตัวออกได้เร็วพอเมื่อถูกกระทบด้วยพื้นผิวที่เรียบและกว้าง ทำให้แรงกระแทกนั้นรู้สึกเหมือนชนกับของแข็ง ส่วนปลายเท้าหรือปลายนิ้วมือจะแยกผิวน้ำออกด้วยพื้นที่ผิวที่เล็ก ซึ่งหมายความว่าแรงกระแทกที่เกิดขึ้นมีค่าน้อยกว่ามาก

เนื่องจากของเหลวมีคุณสมบัติไม่สามารถอัดให้ลดปริมาตรลงได้ง่าย และสามารถรับเอาโครงรูปรูปทรงของภาชนะใดๆ ได้ จึงทำให้ของเหลวมีข้อได้เปรียบอย่างแท้จริงในการส่งผ่านแรง

การถ่ายทอดแรง

วิธีการส่งผ่านพลังงานทั้งสี่แบบ (กลไก ไฟฟ้า ไฮดรอลิก และนิวเมติก) สามารถส่งผ่านทั้งแรงคงที่ (พลังงานศักย์) และแรงเคลื่อน (พลังงานจลน์) ได้ทั้งหมด เมื่อแรงคงที่ถูกส่งผ่านของเหลว จะเกิดปรากฏการณ์พิเศษบางอย่างขึ้น

แรงที่ส่งผ่านของเหลว

ต่างจากแรงที่กระทำต่อของแข็ง แรงที่กระทำต่อของเหลวที่ถูกกักไว้ในภาชนะจะถูกส่งผ่านไปทั่วทั้งของเหลวในรูปของความดัน — และความดันนั้นมีค่าเท่ากันทุกจุดภายในของเหลวนั้น

หากเราออกแรงกดลงบนลูกสูบแบบเลื่อนได้ซึ่งวางอยู่บนภาชนะที่บรรจุของเหลวเต็ม แรงที่เราออกจะสร้างความดันขึ้น และความดันนั้นจะส่งผ่านไปอย่างสม่ำเสมอในทุกทิศทางภายในของเหลว

ไม่ว่าความดันนั้นจะถูกสร้างขึ้นด้วยวิธีใดก็ตาม — ไม่ว่าจะโดยลูกสูบ มือ แรงโน้มถ่วง สปริง หรืออากาศที่ถูกอัด หรือแม้แต่การรวมกันของวิธีต่าง ๆ เหล่านี้ — เมื่อแรงเข้าสู่ของเหลวที่ถูกกักไว้แล้ว มันจะเปลี่ยนเป็นความดันและส่งผ่านออกไปอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งของเหลว

เนื่องจากของเหลวรับรูปร่างของภาชนะที่บรรจุ ความดันจึงสามารถส่งผ่านได้โดยไม่ขึ้นกับรูปร่างของภาชนะ

รูปที่ 2-4 แรงที่กระทำต่อลูกสูบจะเปลี่ยนเป็นความดันในของเหลว ความดันนี้จะกระจายอย่างสม่ำเสมอไปในทุกทิศทาง — นี่คือหลักการสำคัญของระบบไฮดรอลิก

กฎของปาสกาล

คุณสมบัติของของเหลวที่สามารถถ่ายทอดความดันอย่างสม่ำเสมอไปในทุกทิศทางเรียกว่า กฎของปาสคาล (Pascal's Law) ซึ่งตั้งชื่อตามผู้ค้นพบคือ แบลซ ปาสคาล (Blaise Pascal)

รูปแบบทางคณิตศาสตร์ของกฎของปาสคาลเหมือนกับสูตรความดันที่ได้แนะนำไว้ในบทที่ 1:

เข็มวัดแรงดัน

มาตรวัดความดันใช้วัดความดันที่กระทำต่อของเหลวในระบบ สองชนิดที่พบได้บ่อยที่สุดในระบบไฮดรอลิกคือ มาตรวัดแบบท่อบูร์ดอง (Bourdon tube gauge) และมาตรวัดแบบลูกสูบ (piston-type gauge)

มาตรวัดแบบท่อบูร์ดอง

มาตรวัดแบบท่อเบอร์ดอนประกอบด้วยหน้าปัดและเข็มชี้ โดยเข็มชี้เชื่อมต่อกับท่อโลหะโค้งยืดหยุ่นที่เรียกว่าท่อเบอร์ดอน ความดันของระบบจะไหลเข้าสู่ท่อผ่านทางช่องรับเข้า สเกลโดยทั่วไปจะถูกทำเครื่องหมายเป็นหน่วย psi, bar หรือ Pa

หลักการทำงานของท่อเบอร์ดอน

เมื่อความดันของระบบเพิ่มขึ้น ความต่างของพื้นที่ระหว่างด้านในกับด้านนอกของท่อโค้งจะทำให้ท่อมีแนวโน้มเหยียดตรงขึ้น การเคลื่อนที่แบบเหยียดตรงนี้จะขับเคลื่อนเข็มชี้ให้เคลื่อนที่ไปตามหน้าปัดเพื่อบ่งชี้ค่าความดัน มาตรวัดแบบท่อเบอร์ดอนเป็นเครื่องมือที่มีความแม่นยำสูง โดยมีค่าความคลาดเคลื่อนอยู่ที่ 0.1% ถึง 3.0% ของช่วงการวัดเต็ม (full scale) ซึ่งใช้งานได้ทั้งในการทดสอบในห้องปฏิบัติการ หรือในสถานการณ์ใดๆ ที่ต้องการความแม่นยำสูงในการวัดความดัน

มาตรวัดแบบลูกสูบ

มาตรวัดแบบลูกสูบประกอบด้วยลูกสูบ สปริงสมดุล เข็มชี้ และมาตราส่วน ความดันของระบบจะกระทำต่อด้านหน้าของลูกสูบ ผลักลูกสูบให้กดลงบนสปริง การเคลื่อนที่ของลูกสูบจะขับเคลื่อนเข็มชี้ไปตามหน้าปัด มาตราส่วนถูกสอบเทียบเป็นหน่วย psi (บาร์) มาตรวัดแบบลูกสูบมีความทนทานและประหยัดค่าใช้จ่าย — จึงเป็นตัวเลือกทั่วไปสำหรับการตรวจสอบระบบในชีวิตประจำวัน

รูปที่ 2-6 มาตรวัดแบบลูกสูบ: ความดันของระบบผลักลูกสูบให้กดลงบนสปริง การเคลื่อนที่ของลูกสูบจะขับเคลื่อนเข็มชี้

การแปลงความดันเป็นแรงกล

การส่งผ่านความดันโดยใช้ของเหลวที่บรรจุอยู่ในระบบปิดจะมีประโยชน์ก็ต่อเมื่อสามารถแปลงความดันนั้นกลับเป็นแรงกลได้ที่จุดใดจุดหนึ่ง ซึ่งเป็นหน้าที่ของแอคทูเอเตอร์ (องค์ประกอบขับเคลื่อน) — ซึ่งทำหน้าที่รับความดันไฮดรอลิกและแปลงเป็นแรงกล

กระบอกสูบไฮดรอลิกเป็นหนึ่งในประเภทของแอคทูเอเตอร์

กระบอกไฮดรอลิก

กระบอกสูบไฮดรอลิกทำหน้าที่รับความดันไฮดรอลิกและแปลงเป็นแรงกลเชิงเส้น (แรงตรง) ผ่านการต่อกลไกทางกลที่เหมาะสม แรงนี้ยังสามารถแปลงให้เป็นการเคลื่อนที่แบบหมุนได้อีกด้วย

โครงสร้างของกระบอกสูบ

ส่วนประกอบพื้นฐานของกระบอกสูบ ได้แก่ ตัวถัง (ท่อ), ฝาปิดปลายทั้งสองด้าน, ลูกสูบ, แท่งลูกสูบ และช่องรับ-จ่ายน้ำมัน แต่ละปลายมีฝาปิดปลายหนึ่งชิ้น ลูกสูบสามารถเลื่อนไสลด์อยู่ภายในตัวถังได้ แท่งลูกสูบเชื่อมต่อกับลูกสูบ ช่องรับและช่องจ่ายน้ำมันที่แต่ละปลายของตัวถังจะทำให้น้ำมันทำงานไหลเข้าและออกได้

รูปที่ 2-8 ภาพตัดขวางของกระบอกสูบไฮดรอลิก น้ำมันไหลเข้าทางช่องหนึ่ง ดันลูกสูบให้เคลื่อนที่ และแท่งลูกสูบยื่นออกมา น้ำมันที่ไหลออกจากอีกช่องหนึ่งจะกลับคืนสู่ถังเก็บ

หลักการทำงานของกระบอกสูบ

เมื่อช่องรับของกระบอกสูบเชื่อมต่อกับระบบ กระบอกสูบจะกลายเป็นส่วนหนึ่งของระบบนั้น ความดันจากจุด A จะส่งผ่านระบบไปยังลูกสูบภายในกระบอกสูบ ความดันนี้ที่กระทำต่อพื้นที่ผิวของลูกสูบจะสร้างแรงกลที่จุด B — ซึ่งอยู่ที่ปลายแท่งลูกสูบ

ออกแรงกด

เมื่อความดันส่งผ่านของเหลวที่บรรจุอยู่ในภาชนะปิดสนิท ส่วนที่เคลื่อนที่บางส่วนจะเป็นตัวสร้างความดันนั้น ในการตัวอย่างทั้งหมดที่กล่าวมาจนถึงขณะนี้ ส่วนที่เคลื่อนที่คือลูกสูบ การหารแรงด้วยพื้นที่ผิวของลูกสูบจะได้ค่าความดันในระบบ (P = F/A)

การคูณแรงกล

ไฮดรอลิกสามารถเพิ่ม (คูณ) แรงเชิงกลได้ ปัจจัยการคูณขึ้นอยู่กับพื้นที่หน้าตัดของลูกสูบกระบอกสูบไฮดรอลิก (หน่วยเป็นตารางนิ้ว หรือ ตารางเซนติเมตร) เนื่องจากความดันถูกส่งผ่านของเหลวที่บรรจุอยู่ในระบบปิดอย่างสม่ำเสมอ ดังนั้นหากพื้นที่หน้าตัดของลูกสูบกระบอกสูบขาออกมีขนาดใหญ่กว่าลูกสูบกระบอกสูบขาเข้า แรงที่เกิดขึ้นที่ขาออกจะมากกว่าแรงที่ป้อนเข้า

ตัวอย่าง: แรง 5,000 ปอนด์ (22,200 นิวตัน) กระทำต่อลูกสูบซึ่งมีพื้นที่หน้าตัด 10 ตารางนิ้ว (64.52 ตารางเซนติเมตร) ทำให้เกิดความดันเท่ากับ:

ความดัน 500 psi เดียวกันนี้กระทำต่อลูกสูบขาออกที่มีพื้นที่หน้าตัด 15 ตารางนิ้ว (96.78 ตารางเซนติเมตร):

รูปที่ 2-9 การคูณแรงเชิงกล ความดันเดียวกันกระทำต่อลูกสูบทั้งสองตัว แต่ลูกสูบที่มีขนาดใหญ่กว่าจะสร้างแรงได้มากกว่า F = P × A

ตัวเพิ่มความดัน

ตัวเพิ่มแรงดัน (เรียกอีกอย่างว่าตัวบูสต์) สามารถเพิ่มแรงดันไฮดรอลิกได้ โดยใช้ลูกสูบสองตัวที่เชื่อมต่อกันด้วยก้านลูกสูบเดียวภายในปลอกหุ้มเดียวกัน ซึ่งมีช่องรับเข้า ช่องจ่ายออก และช่องระบายน้ำ ลูกสูบขนาดใหญ่ทำหน้าที่ตรวจจับแรงดันของระบบ แรงที่เกิดขึ้นจะถูกส่งผ่านไปยังลูกสูบขนาดเล็ก ซึ่งให้แรงดันขาออกสูงกว่า เนื่องจากพื้นที่หน้าตัดของลูกสูบขนาดเล็กมีค่าน้อยกว่า

หลักการทำงานของตัวเพิ่มแรงดัน

ลูกสูบขนาดใหญ่ตรวจจับแรงดันของระบบและส่งแรงนั้นผ่านก้านลูกสูบไปยังลูกสูบขนาดเล็ก เนื่องจากลูกสูบขนาดเล็กมีพื้นที่หน้าตัดน้อยกว่า แรงดันขาออกที่ปลายลูกสูบขนาดเล็กจึงสูงขึ้น — กล่าวคือ แรงดันถูกเพิ่มขึ้น

ตัวอย่าง: แรง 5,000 ปอนด์ (22,200 นิวตัน) กระทำต่อลูกสูบขนาดใหญ่ (พื้นที่หน้าตัด: 15 ตารางนิ้ว / 96.78 ตารางเซนติเมตร) แรงดัน = 333 psi (22.9 บาร์) แรงนี้ถูกส่งผ่านไปยังลูกสูบขนาดเล็ก (พื้นที่หน้าตัด: 0.76 ตารางเซนติเมตร) แรงดันขาออก = 5,000 ปอนด์ ÷ 0.76 ตารางเซนติเมตร × (1⁄10,000) = 2,000 psi (137.9 บาร์) แรงขาออก = 30,000 ปอนด์ (133,200 นิวตัน)

การใช้งานทั่วไปของตัวเพิ่มแรงดันคือในอุปกรณ์ยึดชิ้นงาน

รูปที่ 2-11 เครื่องเพิ่มแรงดัน (Pressure intensifier) ลูกสูบขนาดใหญ่ถ่ายโอนแรงไปยังลูกสูบขนาดเล็ก ซึ่งมีพื้นที่หน้าตัดน้อยกว่ามาก — ส่งผลให้เกิดแรงดันสูงขึ้นอย่างมากที่ทางออก

การส่งผ่านพลังงานไฮดรอลิก

วัตถุประสงค์ของการใช้ระบบไฮดรอลิก (หรือวิธีการส่งผ่านพลังงานอื่นใด) ในเครื่องจักร คือ การทำงานที่เป็นประโยชน์ สำหรับกระบอกสูบในการทำงาน มันจะต้องออกแรงต่อภาระและเคลื่อนย้ายภาระนั้นผ่านระยะทางหนึ่ง — ดังนั้น ระบบจึงจำเป็นต้องมีองค์ประกอบที่สามารถใช้พลังงานเพื่อจ่ายของไหลอย่างต่อเนื่อง

อุปกรณ์สะสมพลังงานไฮดรอลิก

ทุกสิ่งที่เราได้พิจารณามาจนถึงขณะนี้ ซึ่งสร้างแรงดันในของไหลที่บรรจุอยู่ในภาชนะปิด จะใช้ลูกสูบและกระบอกสูบเป็นหลัก ลูกสูบทำหน้าที่ออกแรง ส่วนกระบอกสูบทำหน้าที่ปิดผนึกของไหล องค์ประกอบประเภทนี้เรียกว่า อุปกรณ์เก็บพลังงาน (accumulator)

อุปกรณ์เก็บพลังงาน (accumulator) สามารถเก็บพลังงานศักย์ของของไหลภายใต้แรงดันไว้ได้ พลังงานศักย์ที่เก็บไว้นี้สามารถแปลงเป็นพลังงานใช้งานได้ (คือ การไหลและแรงดัน)

ตัวอย่าง: แอคคิวมูเลเตอร์ที่ให้ความดัน 500 psi (34.5 บาร์) จะจ่ายความดันเพื่อดันโหลด ซึ่งจากความดันที่เก็บไว้ทั้งหมด 500 psi นั้น จะใช้ 400 psi (27.6 บาร์) เพื่อเอาชนะแรงต้านของโหลด ส่วนความดันที่เหลือจะเปลี่ยนเป็นอัตราการไหลเพื่อเคลื่อนย้ายโหลด

แอคคิวมูเลเตอร์มีข้อจำกัดอยู่ประการหนึ่ง คือ หากโหลดมีขนาดใหญ่มาก อาจไม่มีความดันเพียงพอที่จะเอาชนะแรงต้านได้ จึงไม่สามารถทำงานใดๆ ได้ นอกจากนี้ เมื่อของเหลวที่เก็บไว้ถูกปล่อยออกมาจนหมดแล้ว ก็จะไม่มีอัตราการไหลเพิ่มเติมอีก

เพื่อสร้างความดันที่เพียงพอในการเอาชนะโหลดและจ่ายอัตราการไหลอย่างต่อเนื่อง จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ชนิดอื่น นั่นคือ ปั๊มไฮดรอลิกแบบปริมาตรคงที่

รูปที่ 2-12 การทำงานของแอคคิวมูเลเตอร์ ความดันที่เก็บไว้สามารถดันโหลดได้ แต่เมื่อของเหลวหมดลง อัตราการไหลก็จะหยุดทันที — แอคคิวมูเลเตอร์ไม่สามารถรองรับการทำงานอย่างต่อเนื่องได้ด้วยตนเอง

ปั๊มไฮดรอลิกแบบปริมาตรคงที่

ปั๊มแบบปริมาตรคงที่ (positive-displacement pump) สร้างการไหลของของเหลวอย่างต่อเนื่องโดยอาศัยการเคลื่อนที่ภายในแบบลูกสูบกลับไปกลับมาหรือแบบหมุนซ้ำๆ กัน ซึ่งให้ทั้งพลังงานจลน์ (การไหล) และพลังงานความดัน — คือ พลังงานในการทำงานที่จำเป็นสำหรับการทำงานไฮดรอลิกอย่างต่อเนื่อง

Reciprocating piston pump

ปั๊มลูกสูบแบบกลับไปกลับมา (reciprocating piston pump) มีลูกสูบที่เชื่อมต่อกับแหล่งขับเคลื่อนหลัก (เครื่องยนต์หรือมอเตอร์ไฟฟ้า) ผ่านข้อเหวี่ยงหรือล้อเลื่อนแบบแคม ทั้งทางเข้าและทางออกแต่ละช่องมีวาล์วควบคุมแบบลูกบอล (ball-type check valve) เมื่อดึงลูกสูบออก ปริมาตรภายในจะขยายตัว ทำให้ลูกบอลที่ทางเข้าเปิดขึ้นและของเหลวไหลเข้ามา เมื่อผลักลูกสูบเข้าไป ปริมาตรภายในจะลดลง ความดันจะเพิ่มขึ้น ลูกบอลที่ทางเข้าจะปิดลง และลูกบอลที่ทางออกจะเปิดขึ้น — ส่งผลให้ของเหลวถูกดันเข้าสู่ระบบ การเคลื่อนที่กลับไปกลับมาอย่างต่อเนื่องนี้จะก่อให้เกิดการไหลแบบเป็นจังหวะ (pulsating flow) โดยความดันสามารถปรับให้สอดคล้องกับความต้องการของระบบได้

รูปที่ 2-13 ปั๊มลูกสูบแบบกลับไปกลับมา ลูกสูบเคลื่อนที่เข้าและออก ส่งผลให้น้ำมันไหลเข้าผ่านวาล์วควบคุมทางเข้า และถูกดันออกผ่านวาล์วควบคุมทางออก

ปั๊มแบบปริมาตรคงที่แบบหมุน (rotary positive-displacement pump)

ปั๊มที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในระบบไฮดรอลิกอุตสาหกรรมคือปั๊มแบบหมุนแบบปริมาตรคงที่ (rotary positive-displacement pump) ซึ่งสามารถสร้างกระแสของเหลวที่มีความเรียบและแรงดันค่อนข้างสม่ำเสมอ และขับเคลื่อนได้ง่ายด้วยมอเตอร์ไฟฟ้าหรือเครื่องยนต์ ทุกการหมุนหนึ่งรอบขององค์ประกอบที่หมุนจะขจัดของเหลวออกเป็นปริมาตรคงที่

โครงสร้างของปั๊มแบบหมุน

ปั๊มแบบหมุนมีโครงสร้างประกอบด้วยตัวเรือนและชุดหมุน ตัวเรือนมีทางเข้าและทางออก ส่วนชุดหมุนทำหน้าที่สร้างกระแสไหลและแรงดัน ตัวอย่างที่แสดงไว้มีโรเตอร์และใบพัดที่สามารถเลื่อนเข้า-ออกได้อย่างอิสระตามร่องบนโรเตอร์

หลักการทำงานของปั๊มแบบหมุน

ชุดหมุนติดตั้งแบบเยื้องศูนย์ (ไม่อยู่กึ่งกลาง) ภายในปลอกหุ้ม และเชื่อมต่อกับแหล่งขับเคลื่อนด้วยเพลาขับ — โรเตอร์จะหมุน ขณะที่โรเตอร์หมุน แรงเหวี่ยงจะดันใบพัดให้เลื่อนออกสู่ผนังของปลอกหุ้ม ทำให้เกิดช่องว่างที่ปิดสนิท ด้านทางเข้า ปริมาตรของช่องว่างจะเพิ่มขึ้น จึงดูดของเหลวเข้ามา ด้านทางออก ปริมาตรของช่องว่างจะลดลง ความดันจึงเพิ่มขึ้น และของเหลวจะถูกผลักออกจากระบบ ปั๊มชนิดนี้สร้างความดันได้เท่ากับความต้านทานต่ำสุดในระบบเท่านั้น — ไม่มากกว่านั้น

รูปที่ 2-15 ปั๊มใบพัดหมุน ใบพัดที่แนบสนิทกับผนังของปลอกหุ้มจะสร้างช่องว่างที่ขยายตัว (ด้านทางเข้า) และหดตัว (ด้านทางออก) ขณะที่โรเตอร์หมุน

ความต้านทานและความดัน

ในระบบไฮดรอลิก ความดันและแรงต้านมีความสัมพันธ์โดยตรงกัน ปั๊มจะดันของเหลวเข้าสู่ระบบ ระดับความดันจะถูกกำหนดโดยระดับของแรงต้าน แรงต้านสูง → ความดันสูง; แรงต้านต่ำ → ความดันต่ำ แรงต้านต่อการไหลของของเหลวเป็นตัวกำหนดว่าจะเกิดความดันมากน้อยเพียงใด

แรงต้านที่กระทำต่อปั๊ม

ปั๊มต้องเผชิญกับแรงต้านสองประเภท ได้แก่ แรงต้านจากภาระ (load resistance) และแรงต้านจากการไหล (flow resistance) หากเราละเลยแรงต้านจากการไหล แรงต้านที่เหลืออยู่เพียงอย่างเดียวคือแรงต้านจากภาระ ตัวอย่างเช่น หากต้องการความดัน 200 psi (13.8 บาร์) เพื่อเอาชนะแรงต้านจากภาระ ปั๊มจะสร้างความดัน 200 psi และส่งพลังงานไฮดรอลิกไปยังแอคทูเอเตอร์ ซึ่งจะขับเคลื่อนภาระให้เคลื่อนที่

แรงต้านจากการไหลมีอยู่เสมอ ซึ่งบังคับให้ปั๊มดึงพลังงานเพิ่มเติมจากเครื่องขับเคลื่อนหลัก (prime mover) และสร้างความดันที่สูงขึ้นเพื่อเอาชนะแรงต้านนั้น

รูปที่ 2-16 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างแรงต้านและความดัน ความดันของปั๊มจะเพิ่มขึ้นเพื่อเอาชนะแรงต้านรวมทั้งหมดที่มันต้องเผชิญ ซึ่งประกอบด้วยแรงต้านจากภาระบวกกับแรงต้านจากการไหล (แรงเสียดทาน)

การแปลงพลังงานเพิ่มเติม

พลังงานส่วนเกินที่ปั๊มส่งเข้าไปยังของเหลวเพื่อเอาชนะแรงต้านการไหลนั้นไม่ได้ถูกแปลงเป็นพลังงานไฮดรอลิกเชิงกลที่มีประโยชน์ที่ตัวขับเคลื่อน (actuator) — แต่ถูกใช้ไปโดยแรงเสียดทานจากการไหล พลังงานที่ถูก "ใช้ไป" นี้ไม่สูญหายในความหมายตามหลักการอนุรักษ์พลังงาน แต่ถูกแปลงเป็นความร้อน ซึ่งทำให้อุณหภูมิของของเหลวสูงขึ้น ความร้อนนี้คือสาเหตุของประสิทธิภาพต่ำของระบบ

ความเร็วและอัตราการไหล

ในระบบไฮดรอลิกแบบไดนามิก (ที่ของเหลวไหลอยู่) ของเหลวจะเคลื่อนที่ผ่านท่อด้วยความเร็วหนึ่งๆ ซึ่งวัดเป็นฟุตต่อวินาที (ft/s) หรือเมตรต่อวินาที (m/s)

ปริมาตรของของเหลวที่ผ่านจุดหนึ่งๆ ต่อหนึ่งหน่วยเวลา เรียกว่า อัตราการไหล ในระบบไฮดรอลิกหน่วยวัดมักใช้เป็นแกลลอนต่อนาที (gpm) แบบสหรัฐฯ หรือลิตรต่อนาที (Lpm)

ความเร็วและอัตราการไหลมีความสัมพันธ์กัน: เพื่อเติมภาชนะขนาด 5 แกลลอน (18.95 ลิตร) ให้เต็มภายในหนึ่งนาทีผ่านท่อขนาดใหญ่ ของเหลวจะต้องเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 10 ฟุตต่อวินาที (3.04 เมตรต่อวินาที) แต่หากใช้ท่อที่มีขนาดเล็กเพียงครึ่งหนึ่ง ของเหลวจะต้องเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 20 ฟุตต่อวินาที (6.10 เมตรต่อวินาที) เพื่อให้ส่งของเหลวได้เท่ากับ 5 gpm เหมือนเดิม อัตราการไหลจึงเท่ากัน แต่ความเร็วต่างกัน

รูปที่ 2-17 อัตราการไหลเท่ากัน แต่ความเร็วต่างกัน ในท่อที่มีขนาดเล็กกว่า ของไหลจะต้องเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงขึ้นเพื่อให้ผ่านปริมาตรเท่ากันต่อนาที

แรงเสียดทานก่อให้เกิดความร้อน

ของเหลวที่ไหลผ่านท่อไฮดรอลิกก่อให้เกิดความร้อนเนื่องจากแรงเสียดทาน — ยิ่งไหลเร็วเท่าไร ก็ยิ่งผลิตความร้อนได้มากขึ้นเท่านั้น ในงานอุตสาหกรรม ความเร็วของของไหลที่แนะนำภายในท่อระหว่างปั๊มกับแอคทูเอเตอร์คือ 15 ฟุต/วินาที (4.572 เมตร/วินาที)

ข้อศอกหรือจุดโค้งก่อให้เกิดความร้อน

ของเหลวที่ไหลในท่อตรงแล้วมาถึงจุดโค้ง จะต้องเปลี่ยนทิศทางอย่างฉับพลัน โมเลกุลของของไหลชนกันและชนกับผนังท่อ — ซึ่งก็เป็นอีกสาเหตุหนึ่งที่ก่อให้เกิดความร้อน ขึ้นอยู่กับขนาดของท่อ ข้อศอกแบบ 90° เพียงชิ้นเดียวอาจก่อให้เกิดความร้อนได้มากเท่ากับท่อตรงหลายฟุต

ความแตกต่างของแรงดัน

ความต่างของความดัน คือ ความแตกต่างของความดันระหว่างสองจุดใดๆ ในระบบ ความต่างของความดันบ่งบอกข้อมูลสองประการ ดังนี้:

1. แสดงว่ามีพลังงานทำงานไฮดรอลิก (ของเหลวภายใต้ความดันที่กำลังไหล) อยู่ระหว่างสองจุดนั้น
2. มันวัดปริมาณพลังงานไฮดรอลิกที่ถูกแปลงเป็นความร้อนระหว่างสองจุดนั้น

ตัวอย่าง: มาตรวัดแรงดัน 1 แสดงค่า 200 psi (13.79 บาร์); มาตรวัดแรงดัน 2 แสดงค่า 180 psi (12.41 บาร์) ความต่างของแรงดัน = 20 psi (1.38 บาร์) ซึ่งหมายความว่า:

3. ของเหลวไหลจากมาตรวัดแรงดัน 1 ไปยังมาตรวัดแรงดัน 2
4. พลังงานไฮดรอลิกจำนวน 20 psi ถูกแปลงเป็นความร้อนเนื่องจากแรงเสียดทานขณะไหลระหว่างมาตรวัดทั้งสองตัว

รูปที่ 2-19 ความต่างของแรงดัน ค่าลดลง 20 psi บนส่วนท่อนี้แสดงว่ามีการไหลเกิดขึ้น และระบุปริมาณพลังงานไฮดรอลิกที่สูญเสียไปในรูปของความร้อนจากแรงเสียดทาน

การออกแบบเพื่อลดความร้อนในระบบไฮดรอลิก

การแปลงพลังงานไฮดรอลิกเป็นความร้อนหมายความว่าระบบกำลังสูญเสียพลังงานโดยเปล่าประโยชน์ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ ผู้ออกแบบจำเป็นต้องเลือกความหนืดของน้ำมันให้เหมาะสม กำหนดขนาดท่อให้ถูกต้อง และลดจำนวนโค้งและข้อต่อให้น้อยที่สุด ทั้งหมดนี้ช่วยลดความต้านทานการไหล จึงลดพลังงานที่สูญเสียไปในรูปของความร้อน

รูปที่ 2-20 การเกิดความร้อนในวงจรจริง ท่อ ข้อต่อ จุดโค้ง และวาล์วแต่ละชิ้นล้วนมีส่วนทำให้เกิดการลดลงของแรงดันและการสูญเสียพลังงาน