เมื่อส่งผ่านพลังงานผ่านของไหล ทิศทางของการส่งผ่านต้องถูกกำหนดอย่างชัดเจน และต้องควบคุมอย่างต่อเนื่องและครบถ้วน หากไม่มีการควบคุมอย่างสมบูรณ์ พลังงานนั้นจะใช้งานไม่ได้ หรือแย่กว่านั้นอาจทำให้เครื่องจักรเสียหายได้ หนึ่งในข้อได้เปรียบหลักของเทคโนโลยีไฮดรอลิกคือความสามารถในการควบคุมพลังงานได้อย่างค่อนข้างง่ายด้วยวาล์วควบคุมไฮดรอลิก

วาล์วควบคุมไฮดรอลิก

วาล์วควบคุมไฮดรอลิกคือชิ้นส่วนกลไกชนิดหนึ่งที่ประกอบด้วยตัวเรือนวาล์วซึ่งมีช่องทางภายในที่สามารถเชื่อมต่อหรือปิดกั้นการไหลของของไหล รวมทั้งชิ้นส่วนเคลื่อนที่ภายในตัวเรือน ช่องทางภายในตัวเรือนใช้สำหรับลำเลียงน้ำมัน การเคลื่อนที่ของชิ้นส่วนเคลื่อนที่ภายในจะควบคุมความดันสูงสุด ทิศทางการไหล และอัตราการไหลของระบบ

การควบคุมความดันระบบ

พลังงานไฮดรอลิกสามารถนำไปใช้กับกระบอกสูบไฮดรอลิกได้ เมื่อผลลัพธ์เป็นไปอย่างประสบความสำเร็จ งานจะเสร็จสิ้นเมื่อกระบอกสูบยืดออกเต็มที่ ปั๊มแบบปริมาตรคงที่จะยังคงดูดซับพลังงานเพิ่มเติมจากต้นกำเนิดพลังงาน (prime mover) ต่อไป ส่งผลให้ความดันของน้ำมันเพิ่มสูงขึ้น (หมายเหตุ: ความต้านทานต่ำสุดในระบบกำหนดความดันไฮดรอลิกที่ถูกใช้งาน) เมื่อกระบอกสูบยืดออกมากขึ้น ความแข็งแรงเชิงกายภาพของระบบจะกลายเป็นความต้านทานต่ำสุด

ปั๊มจะเพิ่มความดันเพิ่มเติมเพื่อเอาชนะความต้านทานนี้ ผู้คนใช้วาล์วควบคุมความดันเพื่อรักษาความดันของระบบไว้ภายในช่วงที่ปลอดภัย

ลิ่มควบคุมแรงดัน

ชิ้นส่วนเคลื่อนไหวภายในวาล์วควบคุมความดันทำงานโดยอาศัยความดัน เมื่อความดันของระบบถึงค่าที่ตั้งไว้เฉพาะ ชิ้นส่วนเคลื่อนไหวภายในจะเชื่อมต่อหรือปิดกั้นทางผ่านหนึ่งในตัววาล์ว ทำให้น้ำมันไหลผ่านหรือไม่ไหลเข้าสู่ทางผ่านนั้น

โครงสร้างของวาล์วควบคุมความดัน

วาล์วควบคุมแรงดันประกอบด้วยตัวเรือนวาล์วที่มีช่องทางหลักและช่องทางรอง รวมทั้งชิ้นส่วนภายในที่เคลื่อนที่ได้ (สปูล) การเชื่อมต่อภายนอกเข้ากับช่องทางเหล่านี้เรียกว่า พอร์ตหลัก และ พอร์ตรอง

หลักการทำงานของวาล์วควบคุมแรงดัน

ชิ้นส่วนภายในที่เคลื่อนที่ได้ของวาล์วควบคุมแรงดันมักเป็นอุปกรณ์แบบสปูล เมื่อสปูลอยู่ในตำแหน่งปลายหนึ่ง ช่องทางภายในจะเชื่อมต่อกัน ทำให้ของไหลผ่านได้ เมื่อสปูลอยู่ในตำแหน่งปลายอีกด้าน ช่องทางภายในจะถูกปิดกั้น และการไหลผ่านวาล์วจะหยุดลง

ในวาล์วควบคุมแรงดัน สปูลจะถูกดันด้วยสปริงให้อยู่ในตำแหน่งปลายหนึ่ง ซึ่งเป็นตำแหน่งปกติที่ปิดอยู่ (normal closed position) ที่ตำแหน่งนี้ ช่องทางภายในจะถูกปิดกั้น และเส้นทางการไหลผ่านวาล์วจะถูกปิดสนิท วาล์วชนิดนี้จึงเรียกว่า วาล์วควบคุมแรงดันแบบปกติปิด (normally closed pressure control valve)

วาล์วควบคุมแรงดันตรวจจับแรงดันที่ส่วนล่างของสปูล โดยช่องทางด้านล่างนี้เชื่อมต่อกับพอร์ตหลัก เมื่อแรงดันของระบบเพิ่มขึ้นสูงกว่าแรงสปริง สปูลจะเคลื่อนที่เพื่อเชื่อมต่อช่องทางภายใน ทำให้เกิดการไหลผ่านวาล์ว

(แรงดันไฮดรอลิกที่ใช้ควบคุมการเคลื่อนที่ของสปูลเรียกว่าแรงดันไกด์ (pilot pressure) การใช้แรงดันไกด์ในการควบคุมวาล์วเรียกว่าการควบคุมแบบไกด์ (pilot control) ซึ่งเป็นวิธีที่พบได้บ่อยที่สุดในการควบคุมวาล์วไฮดรอลิกทุกชนิด)

หากพอร์ตหลักของวาล์วควบคุมแรงดันชนิดนี้เชื่อมต่อกับด้านแรงดันของระบบ และเมื่อแรงดันที่ปั๊มสร้างขึ้นมีค่าสูงเกินไป กระแสไหลจากปั๊มสามารถเบี่ยงเบนผ่านวาล์วนี้ไปยังถังน้ำมันได้ — วาล์วควบคุมแรงดันแบบปกติปิด (normally closed) ชนิดนี้เรียกว่า วาล์วปล่อยแรงดัน (relief valve)

รูปที่ 7-2 วาล์วควบคุมแรงดันแบบปกติปิด (การทำงานของวาล์วปล่อยแรงดัน) สปริงจะยึดสปูลไว้ในตำแหน่งปิดจนกระทั่งแรงดันของระบบสูงกว่าค่าที่ตั้งไว้ของสปริง จากนั้นสปูลจะเลื่อนตัวและเปิดทางให้ของไหลไปยังถังน้ำมัน

รูปที่ 7-3 วงจรไฮดรอลิกแบบง่ายที่มีการควบคุมแรงดัน (วาล์วปล่อยแรงดัน) เมื่อกระบอกสูบเคลื่อนที่ไปถึงจุดสิ้นสุดของการเคลื่อนที่ วาล์วปล่อยแรงดันจะเปิดขึ้น และเปลี่ยนทิศทางการไหลของปั๊มกลับเข้าสู่ถังน้ำมัน ซึ่งจะจำกัดแรงดันสูงสุดของระบบ

การควบคุมทิศทางของแอคทูเอเตอร์

เมื่อกระบอกสูบไฮดรอลิกขยายตัวออกจนสุดแล้ว จะต้องดึงกลับเข้ามาเพื่อให้สามารถทำงานซ้ำได้อีกครั้ง ด้วยเหตุนี้ กระบอกสูบที่จำเป็นต้องเคลื่อนที่ในสองทิศทางมักใช้กระบอกสูบไฮดรอลิกแบบสองทิศทาง (double-acting cylinders) ซึ่งมีสองพอร์ต โดยในขณะเดียวกันก็ต้องเปลี่ยนทิศทางการไหลของน้ำมันกลับด้วย

กระบอกไฮดรอลิกแบบสองทิศทาง

กระบอกสูบไฮดรอลิกแบบสองทิศทางมีพอร์ตหนึ่งอยู่ที่แต่ละปลายของตัวกระบอกสูบ ทำให้น้ำมันสามารถไหลเข้าและไหลออกได้ จึงทำให้ลูกสูบสามารถเคลื่อนที่ได้ทั้งสองทิศทาง (double-acting) เพื่อแยกแยะพอร์ตทั้งสองของกระบอกสูบแบบสองทิศทาง เราจะระบุชื่อพอร์ตหนึ่งว่า "A" และอีกพอร์ตหนึ่งว่า "B"

วาล์วควบคุมทิศทาง

ชิ้นส่วนภายในที่เคลื่อนที่ของวาล์วควบคุมทิศทางมีหน้าที่เชื่อมต่อหรือปิดกั้นช่องทางภายในของตัววาล์ว จึงสามารถควบคุมทิศทางการไหลของน้ำมันได้

โครงสร้างของวาล์วควบคุมทิศทาง

วาล์วควบคุมทิศทางแบบทั่วไปมีช่องทางภายในสี่ช่องในตัวเรือนวาล์ว และสปูลแบบเลื่อนได้ซึ่งสามารถเชื่อมต่อหรือปิดกั้นช่องทางเหล่านี้ได้

หลักการทำงานของวาล์วควบคุมทิศทาง

เมื่อสปูลอยู่ที่ตำแหน่งปลายหนึ่ง ส่วนนำความดันจะเชื่อมต่อกับช่องทางทำงาน A และส่วนนำน้ำมันกลับจะเชื่อมต่อกับช่องทางทำงาน B เมื่อสปูลเปลี่ยนไปยังตำแหน่งปลายอีกด้าน ช่องทางนำความดันจะเชื่อมต่อกับช่องทางทำงาน A และช่องทางนำน้ำมันกลับจะเชื่อมต่อกับช่องทางทำงาน B การสลับทิศทางของสปูลจะทำให้ทิศทางการไหลของน้ำมันเข้าสู่กระบอกสูบไฮดรอลิกเปลี่ยนไป

เมื่อแท่งลูกสูบของกระบอกสูบยืดออกและหดกลับครบตามที่กำหนด งานก็จะเสร็จสมบูรณ์ เมื่อสปูลเปลี่ยนไปยังตำแหน่งปลายอีกด้าน น้ำมันจะไหลเข้าสู่อีกด้านหนึ่งของกระบอกสูบ — ทำให้แท่งลูกสูบหดกลับ

รูปที่ 7-4 วาล์วควบคุมทิศทางในวงจรกระบอกสูบแบบสองทิศทาง การเลื่อนสปูลจะกลับทิศทางการไหลของน้ำมัน ซึ่งส่งผลให้การเคลื่อนที่ของกระบอกสูบกลับทิศทางด้วย

การควบคุมความเร็วของแอคทูเอเตอร์

ในหลายแอปพลิเคชัน ความเร็วในการทำงานของแอคทูเอเตอร์จะต้องควบคุม และบางครั้งจำเป็นต้องควบคุมอย่างแม่นยำมาก ดังที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้ ความเร็วของแอคทูเอเตอร์ (กระบอกสูบและมอเตอร์ไฮดรอลิก) มีความสัมพันธ์โดยตรงกับอัตราการฉีดน้ำมัน — ความเร็วของแอคทูเอเตอร์จึงขึ้นอยู่กับอัตราการไหลเข้า

เนื่องจากปริมาตรการจ่ายของปั๊มสามารถคงที่ได้ จึงเป็นไปได้ที่จะเลือกอัตราการไหลของปั๊มตามความเร็วที่ต้องการของแอคทูเอเตอร์ วิธีนี้ใช้ได้ผลเฉพาะในระบบที่มีแอคทูเอเตอร์เพียงตัวเดียวเท่านั้น

โดยทั่วไปในระบบไฮดรอลิก จะมีแอคทูเอเตอร์มากกว่าหนึ่งตัว หากระบบต้องการให้กระบอกสูบไฮดรอลิกแต่ละตัวทำงานอย่างอิสระ อัตราการไหลของปั๊มควรเลือกตามขนาดของกระบอกสูบไฮดรอลิกที่ใหญ่ที่สุดซึ่งต้องการความเร็วสูงสุด สิ่งนี้หมายความว่าแอคทูเอเตอร์ที่มีขนาดเล็กกว่าจะเคลื่อนที่เร็วกว่า ซึ่งอาจไม่เป็นที่ต้องการ การลดอัตราการไหลที่เข้าสู่แอคทูเอเตอร์เหล่านี้หรือแอคทูเอเตอร์อื่นใด จำเป็นต้องใช้วาล์วควบคุมอัตราการไหล

วาล์วควบคุมการไหล

เมื่อใช้วาล์วควบคุมอัตราการไหล จะสามารถลดอัตราการไหลจากปั๊มไปยังแอคทูเอเตอร์ได้เสมอ

โครงสร้างของวาล์วควบคุมการไหล

วาล์วควบคุมการไหลแบบทั่วไปประกอบด้วยตัววาล์วและส่วนที่สามารถปรับได้ ในตัวอย่างของเรา ส่วนที่สามารถปรับได้คือเข็มปรับปลายเรียว เนื่องจากเข็มนี้ไม่เคลื่อนที่จริงๆ ระหว่างการใช้งาน (ถูกตั้งค่าล่วงหน้าให้อยู่ในตำแหน่งหนึ่ง) จึงเหมาะสมกว่าที่จะเรียกส่วนที่สามารถปรับได้ของวาล์วควบคุมการไหลว่า "สามารถปรับได้" มากกว่า "เคลื่อนที่ได้"

หลักการทำงานของวาล์วควบคุมการไหล

ในระบบไฮดรอลิก วาล์วควบคุมการไหลจะทำงานร่วมกับวาล์วควบคุมแรงดัน (วาล์วปล่อยแรงดันเสมอ) วาล์วควบคุมการไหลทำหน้าที่เป็นความต้านทาน ซึ่งทำให้ปั๊มไฮดรอลิกสร้างแรงดันสูงขึ้น แรงดันนี้อาจทำให้บางส่วนของกระแสไหลจากปั๊มเปิดวาล์วปล่อยแรงดัน จึงลดปริมาณการไหลผ่านวาล์วควบคุมการไหลและไปยังแอคทูเอเตอร์

รูปที่ 7-5 วงจรควบคุมการไหล วาล์วเข็มจำกัดการไหลไปยังกระบอกสูบ การไหลส่วนเกินจากปั๊มจะผ่านวาล์วปล่อยแรงดันกลับสู่ถังน้ำมัน ขนาดการเปิดของวาล์วเข็มกำหนดความเร็วของกระบอกสูบ

ระบบไฮดรอลิกอย่างง่าย

ส่วนประกอบทั้งหมดที่กล่าวมาข้างต้นสามารถประกอบกันเป็นระบบไฮดรอลิกแบบง่ายได้ เนื่องจากพลังงานไฮดรอลิกในระบบนี้สามารถควบคุมได้ ระบบจึงสามารถทำงานที่มีประโยชน์ได้

ระบบไฮดรอลิกถูกใช้งานอย่างแพร่หลายในหลายสาขา ตั้งแต่การบินและอวกาศ เครื่องบิน และอุปกรณ์ทางทหาร ไปจนถึงอุตสาหกรรม เครื่องจักรเคลื่อนที่ และอุปกรณ์ผลิตเหล็ก หลักการทำงานของระบบไฮดรอลิกในแอปพลิเคชันทั้งหมดเหล่านี้เหมือนกับที่อธิบายไว้ข้างต้น ความแตกต่างเพียงอย่างเดียวระหว่างระบบไฮดรอลิกแต่ละประเภท คือ ส่วนประกอบที่ใช้

ในบทต่อๆ ไป เราจะพิจารณาส่วนประกอบต่างๆ อย่างละเอียด — ซึ่งใช้ในระบบไฮดรอลิกอุตสาหกรรม เพื่ออธิบายวิธีการใช้งานส่วนประกอบเหล่านี้ เราจะออกแบบวงจรไฮดรอลิกพื้นฐานบางแบบด้วย

สัญลักษณ์กราฟิกของระบบไฮดรอลิก

ในการอภิปรายก่อนหน้านี้เกี่ยวกับชิ้นส่วนไฮดรอลิกและระบบพื้นฐาน ทุกอย่างได้อธิบายด้วยวิธีการแบบภาพ — โดยใช้มุมมองตัดขวางเพื่อแสดงการเคลื่อนไหวภายในของชิ้นส่วนอย่างเป็นรูปธรรม วิธีนี้มีประโยชน์ในการอธิบายปัญหา แต่ไม่สามารถนำไปใช้ได้จริงในบริบทการทำงานประจำวัน

เช่นเดียวกับสาขาวิชาเทคนิคอื่นๆ สาขาไฮดรอลิกก็ใช้สัญลักษณ์กราฟิกในการแทนชิ้นส่วนและระบบที่เกี่ยวข้องด้วย ชิ้นส่วนไฮดรอลิกและระบบง่ายๆ ที่กล่าวถึงมาก่อนหน้านี้ทั้งหมดสามารถแสดงด้วยสัญลักษณ์กราฟิกสำหรับระบบไฮดรอลิกและนิวเมติกตามมาตรฐาน ANSI Y32.10 หรือ ISO 1219 ได้

นอกเหนือจากชิ้นส่วนที่ได้กล่าวถึงไปแล้ว ชิ้นส่วนอื่นๆ ที่ประกอบขึ้นเป็นระบบไฮดรอลิกยังรวมถึงมอเตอร์ไฟฟ้า ตัวกรองไฮดรอลิก เป็นต้น โดยปกติแล้วระบบไฮดรอลิกจะขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้า นอกจากนี้ เพื่อรักษาความสะอาดในระดับที่เหมาะสม ระบบไฮดรอลิกควรใช้ตัวกรองไฮดรอลิกเพื่อป้องกันไม่ให้น้ำมันเกิดการปนเปื้อน

รูปที่ 7-7 สัญลักษณ์กราฟิกมาตรฐานสำหรับระบบไฮดรอลิก (ANSI Y32.10 / ISO 1219) สัญลักษณ์เหล่านี้ใช้ในแผนผังวงจรไฮดรอลิกทั้งหมด แทนการวาดภาพตัดขวาง

รูปที่ 7-8 วงจรไฮดรอลิกแบบง่ายสมบูรณ์ทั้งวงจรที่แสดงด้วยสัญลักษณ์กราฟิกมาตรฐาน นี่คือวิธีที่วงจรไฮดรอลิกถูกวาดขึ้นในการปฏิบัติงานทางวิศวกรรม