Bago tayo magsalita tungkol sa pagpapasa ng enerhiya sa pamamagitan ng mga likido, kailangan nating unawain ang ilang katangian ng mga likido at kung paano ipinapasa ang puwersa sa loob nila. Makakatulong ito sa atin na maunawaan kung bakit gumagana ang hidrauliko sa paraan kung saan ito gumagana.

Fluid

Ang isang fluid (daloy) ay anumang sustansya na walang tiyak na hugis. Kasama sa mga fluid ang mga likido at gas.

Likido

Ang isang likido, tulad ng gas, ay binubuo ng mga molekula. Ngunit hindi tulad ng gas, ang mga molekula sa isang likido ay hinila nang malapit sa isa't isa — ngunit hindi naman nang sobrang ap tight na nakakabit sila sa tiyak na posisyon tulad ng sa isang solid. Dahil dito, ang isang likido ay tumutulo nang malaya at kumu-kukuha ng hugis ng lalagyan nito.

Figura 2-1 Ang mga molekula ng likido (ibaba) ay nakapiling nang husto at palaging gumagalaw, samantalang ang mga molekula ng gas (itaas) ay malayo sa isa't isa.

Kinetic energy ng molekula

Ang mga molekula sa loob ng isang likido ay palaging gumagalaw — kahit kapag tila ganap na tahimik ang likido. Patuloy silang gumaglap ngayon at lumilipad sa isa't isa. Tinatawag na internal energy ng likido ang ganitong galaw ng molekula.

Ang mga likido ay kumu-kukuha ng hugis ng kanilang lalagyan

Dahil sa patuloy na paggalaw ng mga molekula, ang isang likido ay dumadaloy at puno ng anumang lalagyan na nag-iingat dito. Kung marami man o kaunti ang likido, ito ay palaging umaakma sa hugis ng lalagyan. Ang kakayahan na ito ay malapit na nauugnay sa viskosidad, na tatalakayin sa mga susunod na kabanata.

Ang mga likido ay relatibong hindi maaaring i-compress

Dahil ang mga molekula ng likido ay malapit na nakapiling, ang mga likido ay kumikilos tulad ng mga solid sa isang mahalagang paraan: sila ay relatibong hindi maaaring i-compress — hindi sila maaaring pindutin sa isang makabuluhang mas maliit na dami.

Kaya nga ang mga manlalangoy ay pumapasok sa tubig nang paa-muna o kamay-muna (ang "knife entry") imbes na mag-belly flop. Hindi kayang umalis nang sapat na mabilis ang tubig kapag hinampas ng malawak at patag na ibabaw, kaya ang impact ay parang paghampas sa isang solidong bagay. Ang paa o kamay naman ay binabahagi ang tubig gamit ang maliit na lugar, at ang maliit na lugar ay nangangahulugan ng napakabawas na lakas ng impact.

Dahil ang isang likido ay relatibong hindi maaaring i-compress at umaakma sa hugis ng anumang lalagyan, ito ay may tunay na kalamangan sa pagpapasa ng puwersa.

Pagpapasa ng Puwersa

Ang apat na paraan ng pagpapasa ng enerhiya (mekanikal, elektrikal, hidrauliko, at pneumatiko) ay maaaring magpasa ng parehong istatikong puwersa (potensyal na enerhiya) at dinamikong puwersa (kinetikong enerhiya). Kapag isinasaad ang istatikong puwersa sa isang likido, nangyayari ang isang espesyal na bagay.

Puwersang ipinapasa sa pamamagitan ng likido

Kabila ng puwersang kumikilos sa isang solidong bagay, ang puwersang inilalapat sa isang nakakulong na likido ay ipinapasa sa buong likido bilang presyon — at ang presyon ay pantay sa bawat punto ng likido.

Kung pindutin natin ang isang gumagalaw na piston na nakaupo sa itaas ng isang lalagyan na puno ng likido, ang puwersang ating inilalapat ay lumilikha ng presyon, at ang presyon na iyon ay ipinapasa nang pantay sa lahat ng direksyon sa loob ng likido.

Hindi mahalaga kung paano nilikha ang presyon — sa pamamagitan ng isang piston, ng kamay, ng grabidad, ng isang spring, ng nakakomprimang hangin, o ng anumang kombinasyon — kapag nasa loob na ng isang nakakulong na likido, ang puwersa ay nagiging presyon at ipinapasa nang pantay sa buong likido.

Dahil ang likido ay kumu-kukuha ng hugis ng anumang lalagyan, ang presyon ay maaaring ipasa nang walang pakialam sa hugis ng lalagyan.

Figura 2-4 Ang pwersa sa piston ay nagiging presyon sa likido. Ang presyon na ito ay kumakalat nang pantay sa lahat ng direksyon — ito ang pangunahing prinsipyo ng hidroliko.

Batas ni Pascal

Ang katangian ng isang likido na ipasa ang presyon nang pantay sa lahat ng direksyon ay tinatawag na Batas ni Pascal, na pinangalanan batay sa kanyang tagatuklas na si Blaise Pascal.

Ang pormang matematikal ng Batas ni Pascal ay katulad ng pormula ng presyon na ipinakilala sa Kabanata 1:

Mga presyo ng presyon

Isang gauge ng presyon ang sumusukat sa presyon na kumikilos sa isang likido sa loob ng sistema. Ang dalawang pinakakaraniwang uri nito sa mga sistemang hidroliko ay ang Bourdon tube gauge at ang piston-type gauge.

Bourdon tube gauge

Ang isang Bourdon tube gauge ay binubuo ng isang dial face at isang pointer. Ang pointer ay konektado sa isang kurba, flexible na metal na tubo na tinatawag na Bourdon tube. Ang presyon ng sistema ay pumapasok sa tubo sa pamamagitan ng inlet. Ang scale ay karaniwang naka-marka sa psi, bar, o Pa.

Kung paano gumagana ang Bourdon tube

Habang tumataas ang presyon ng sistema, ang pagkakaiba sa area sa pagitan ng loob at labas ng kurba na tubo ay nagdudulot ng pagpapalawak nito patungo sa kinalaunan nitong pagiging tuwid. Ang galaw na ito ng pagpapalawak ay nagpapagalaw sa pointer sa ibabaw ng dial upang ipakita ang presyon. Ang mga Bourdon tube gauge ay mga instrumentong may mataas na kahusayan, na may katumpakan na 0.1% hanggang 3.0% ng buong scale; ginagamit ang mga ito sa laboratoryo para sa pagsusuri o kahit saan man kung saan mahalaga ang katumpakan ng pagsukat ng presyon.

Piston-type gauge

Ang isang gauge na may piston ay binubuo ng isang piston, isang balanseng spring, isang pointer, at isang scale. Ang presyon ng sistema ay kumikilos sa harap ng piston, na pumipilit dito laban sa spring. Ang paggalaw ng piston ang nagpapagalaw sa pointer sa ibabaw ng dial. Ang scale ay nakakalibrado sa psi (bar). Ang mga gauge na may piston ay matibay at ekonomikal — karaniwang pinipili para sa pang-araw-araw na pagsubaybay sa sistema.

Figure 2-6 Gauge na may piston: ang presyon ng sistema ay pumipilit sa piston laban sa isang spring. Ang paglipat ng piston ang nagpapagalaw sa pointer.

Pagpapalit ng Presyon sa Lakas na Mekanikal

Ang pagpapadala ng presyon sa pamamagitan ng isang selyadong likido ay kapaki-pakinabang lamang kung ang presyon ay maaaring i-convert ulit sa pwersang mekanikal sa ilang lugar. Ito ang tungkulin ng actuator (elemento ng pagpapagana) — tinatanggap nito ang hidraulikong presyon at ina-convert ito sa pwersang mekanikal.

Ang hidraulikong silindro ay isang uri ng actuator.

Silinderong hidrauliko

Ang hidraulikong silindro ay tumatanggap ng hidraulikong presyon at ina-convert ito sa tuwid na (linear) pwersang mekanikal. Sa pamamagitan ng angkop na mekanikal na mga koneksyon, maaari rin itong i-convert sa rotational na galaw.

Konstruksyon ng silindro

Ang mga pangunahing bahagi ng isang silindro ay ang barrel (tubo), mga takip sa dulo, piston, piston rod, at mga inlet/outlet port. Ang bawat dulo ay may isang takip. Ang piston ay maaaring gumalaw nang pahalang sa loob ng barrel. Ang rod ay nakakonekta sa piston. Ang mga inlet at outlet port sa bawat dulo ng barrel ay nagpapahintulot sa pagdaloy ng langis na ginagamit papasok at palabas.

Figura 2-8: Cross-section ng hydraulic cylinder. Pumapasok ang langis sa isang port, pinipilit ang piston, at lumalabas ang rod. Ang langis na lumalabas sa ibang port ay bumabalik sa tangke.

Kung paano gumagana ang isang silindro

Kapag ang inlet port ng silindro ay konektado sa sistema, ang silindro ay naging bahagi na ng sistema. Ang presyon mula sa punto A ay dumadaloy sa buong sistema hanggang sa piston sa loob ng silindro. Ang presyon na ito, kapag kumikilos sa lugar ng piston, ay nagbubuo ng mekanikal na puwersa sa punto B — sa dulo ng rod.

Pagpapagana ng presyon

Kapag ipinapasa ang presyon sa pamamagitan ng isang selyadong likido, may isang gumagalaw na bahagi na nagbubuo ng presyon. Sa lahat ng mga halimbawa hanggang ngayon, ang gumagalaw na bahagi ay ang piston. Kapag hinati ang puwersa sa lugar ng piston, makukuha ang presyon sa loob ng sistema (P = F/A).

Pamumuno sa Pagpaparami ng Lakas na Mekanikal

Ang hidrauliko ay maaaring palakasin (paparamihin) ang pwersang mekanikal. Ang paktor ng pagpaparami ay nakasalalay sa lawak ng piston ng hidraulikong silindro (sa in² o cm²). Dahil ang presyon ay naipapasa nang pantay sa loob ng isang selyadong likido, kung ang piston ng output na silindro ay mas malaki kaysa sa input na piston, ang output na pwersa ay mas malaki kaysa sa input na pwersa.

Halimbawa: Isang pwersang 5,000 lbs (22,200 N) ang kumikilos sa isang piston na may lawak na 10 in² (64.52 cm²), na nagbubunga ng presyon na:

Ang parehong presyon na 500 psi ay kumikilos sa isang output na piston na may lawak na 15 in² (96.78 cm²):

Figura 2-9 Pagpaparami ng pwersang mekanikal. Ang parehong presyon ang kumikilos sa parehong piston, ngunit ang mas malaking piston ang nagbibigay ng mas malaking pwersa. F = P × A.

Tagapagpalakas ng Presyon

Ang isang pressure intensifier (tinatawag ding booster) ay maaaring palakasin ang hydraulic pressure. Ginagamit nito ang dalawang piston na konektado sa pamamagitan ng isang rod sa loob ng isang solong housing na may inlet, outlet, at drain ports. Ang malaking piston ay nakikilala sa system pressure; ang lakas na nabubuo nito ay inililipat sa maliit na piston, na nagbubunga ng mas mataas na output pressure dahil mas maliit ang area nito.

Paano gumagana ang isang pressure intensifier

Ang malaking piston ay nakikilala sa system pressure at ipinapasa ang lakas na iyon sa pamamagitan ng rod sa maliit na piston. Dahil mas maliit ang area ng maliit na piston, mas mataas ang output pressure sa dulo ng maliit na piston—ang pressure ay pinapalakas.

Halimbawa: Isang 5,000 lbs (22,200 N) na lakas ang kumikilos sa malaking piston (area: 15 in² / 96.78 cm²). Pressure = 333 psi (22.9 bar). Ipinapasa ang lakas na iyon sa maliit na piston (area: 0.76 cm²). Output pressure = 5,000 lbs / 0.76 cm² × (1/10,000) = 2,000 psi (137.9 bar). Output force = 30,000 lbs (133,200 N).

Isa sa karaniwang gamit ng pressure intensifiers ay sa mga clamping fixture.

Figura 2-11. Pampalakas ng presyon. Ang malaking piston ay nagpapasa ng kanyang pwersa sa maliit na piston, na may mas maliit na lugar—na nagreresulta sa napakataas na presyon sa output.

Panghahatid ng Enerhiyang Hidrauliko

Ang layunin ng paggamit ng hidrauliko (o anumang iba pang paraan ng panghahatid ng enerhiya) sa isang makina ay upang magawa ang kapaki-pakinabang na gawain. Upang magawa ng isang silindro ang gawain, kailangan nitong ilapat ang pwersa sa kargada at ilipat ito sa pamamagitan ng isang distansya—kaya kailangan ng sistema ng isang bahagi na maaaring gamitin ang enerhiya upang magbigay ng patuloy na daloy ng likido.

Akumulador na Hidrauliko

Lahat ng mga bagay na tiningnan natin hanggang ngayon na lumilikha ng presyon sa isang nakasara na likido ay gumagamit ng mga piston at silindro. Ang piston ay naglalapat ng pwersa; ang silindro naman ay nagsisilbing pananggalang sa likido. Ang ganitong uri ng aparato ay tinatawag na accumulator.

Ang isang accumulator ay maaaring mag-imbak ng potensyal na enerhiya ng isang likido sa ilalim ng presyon. Ang imbes na potensyal na enerhiyang ito ay maaaring i-convert sa gumagana nang enerhiya (daloy at presyon).

Halimbawa: Ang isang accumulator na may presyon na 500 psi (34.5 bar) ay nagbibigay ng presyon upang itulak ang isang karga. Sa 500 psi na nakaimbak, ginagamit ang 400 psi (27.6 bar) upang labanan ang pagtutol ng karga, at ang natitirang presyon ay nababago sa daloy upang ilipat ang karga.

May limitasyon ang mga accumulator: kung ang karga ay napakalaki, maaaring wala nang sapat na presyon upang labanan ito, kaya’t walang gawaing maisasagawa. Bukod dito, kapag naubos na ang nakaimbak na likido, wala nang dagdag na daloy.

Upang mag-aplay ng sapat na presyon upang labanan ang karga at patuloy na magbigay ng daloy, kailangan ng ibang aparato — ang positive-displacement hydraulic pump.

Figura 2-12: Paggana ng accumulator. Ang nakaimbak na presyon ay maaaring itulak ang karga, ngunit kapag naubos na ang likido, tumitigil ang daloy — hindi kayang pangasiwaan ng accumulator ang tuloy-tuloy na gawain nang mag-isa.

Positive-Displacement Hydraulic Pump

Ang isang positibong-displacement na bomba ay gumagawa ng patuloy na daloy ng likido sa pamamagitan ng paulit-ulit na reciprocating o rotary na panloob na galaw. Nagbibigay ito ng parehong kinetic energy (daloy) at pressure energy — ang gumagana nang enerhiya na kailangan upang gawin ang patuloy na hydraulic na trabaho.

Reciprocating piston pump

Ang isang reciprocating piston pump ay may piston na nakakonekta sa isang prime mover (makina o electric motor) sa pamamagitan ng crank o cam. Ang inlet at outlet ay may bawat isa ring ball-type check valve. Kapag inilabas ang piston, lumalawak ang panloob na dami, bukas ang inlet ball, at pumapasok ang likido. Kapag ipinasok ang piston, bumababa ang dami, tumataas ang presyon, sarado ang inlet ball, at bukas ang outlet ball — na nagpapadala ng likido sa sistema. Ang patuloy na pasulong-at-pabalik na galaw ay nagbubuo ng pulsating na daloy; ang presyon ay maaaring anumang kailangan ng sistema.

Figure 2-13 Reciprocating piston pump. Ang piston ay gumagalaw papaalis at papasok, kumuha ng langis sa pamamagitan ng inlet check at inilalabas ito sa pamamagitan ng outlet check.

Rotary positive-displacement pump

Ang pinakakaraniwang bomba sa mga pang-industriyang hidraulikong sistema ay ang bombang rotary na may positibong pagpapalawak. Ito ay gumagawa ng isang kahalos makinis at presurisadong daloy at madaling patakbo gamit ang isang electric motor o makina. Ang bawat rebolusyon ng umiikot na bahagi ay nagpapalawak ng isang tiyak na dami ng likido.

Konstruksyon ng rotary pump

Ang isang rotary pump ay may housing at isang umiikot na assembly. Ang housing ay may inlet at outlet. Ang umiikot na assembly ang gumagawa ng daloy at presyon. Ang halimbawa na ipinapakita ay may rotor at mga vane na maaaring mag-slide nang malaya pasok at palabas sa mga slot ng rotor.

Kung Paano Gumagana ang Isang Rotary Pump

Ang naka-ikot na pagsasaayos ay nakakabit nang eksentrik (hindi sentro) sa loob ng kahon at konektado sa pangunahing makina sa pamamagitan ng drive shaft — ang rotor ay umiikot. Habang umiikot ang rotor, ang sentripugal na puwersa ay nagpupush sa mga vane palabas patungo sa pader ng kahon, na bumubuo ng mga selyadong silid. Sa gilid ng inlet, tumataas ang dami ng silid, kaya't dinadala ang likido. Sa gilid ng outlet, sumusukat ang silid, tumataas ang presyon, at inuusig ang likido palabas ng sistema. Ang bomba ay gumagawa lamang ng presyon na katumbas ng pinakamababang pagtutol sa sistema — walang higit pa.

Figura 2-15: Rotary vane pump. Ang mga vane na nagseselyo laban sa pader ng kahon ay lumilikha ng mga silid na lumalawak (inlet) at sumusukat (outlet) habang umiikot ang rotor.

Pagtutol at Presyon

Sa isang hydraulic system, ang presyon at ang pagtutol ay direktang may kaugnayan sa isa't isa. Ang bomba ay nagpupush ng likido papasok sa sistema; ang antas ng presyon ay tinutukoy ng antas ng pagtutol. Mataas na pagtutol → mataas na presyon; mababang pagtutol → mababang presyon. Ang pagtutol sa daloy ng likido ang nagdedetermina kung gaano kalaki ang presyon na nililikha.

Pagtutol sa isang bomba

Ang isang bomba ay humaharap sa dalawang uri ng pagtutol: pagtutol dahil sa beban at pagtutol sa daloy. Kung hindi natin titingnan ang pagtutol sa daloy, ang tanging pagtutol lamang ay ang beban. Kung kailangan ng 200 psi (13.8 bar) upang labanan ang pagtutol dahil sa beban, ang bomba ay lilikha ng 200 psi at ipapadala ang hydraulic na enerhiyang pangtrabaho sa actuator, na kung saan ay lilipat sa beban.

Ang pagtutol sa daloy ay palaging naroroon. Ito ang nagpapakumbinsi sa bomba na kumuha ng higit pang enerhiya mula sa prime mover at lumikha ng mas mataas na presyon upang malampasan ito.

Figure 2-16 Pagtutol at presyon. Ang presyon ng bomba ay tumataas upang lampasan ang kabuuang pagtutol na kanyang hinaharap — ang pagtutol dahil sa beban kasama ang pagtutol sa daloy (panlaban na pagtutol).

Karagdagang pagbabago ng enerhiya

Ang dagdag na enerhiya na inilalagay ng bomba sa likido upang labanan ang paglaban sa daloy ay hindi nababago sa kapaki-pakinabang na hidraulikong enerhiyang pangtrabaho sa aktuator — ito ay ginagamit ng panlabas na panunugpo sa daloy. Ang enerhiyang ito na "ginagamit" ay hindi nawawala sa kahulugan ng pag-iingat ng enerhiya; ito ay nababago sa init, na nagpataas ng temperatura ng likido. Ang init na ito ang nagpapakita ng kawalan ng kahusayan ng sistema.

Bilis at Daloy na Rate

Sa isang dinamikong (nagdadagoy) na hidraulikong sistema, gumagalaw ang likido sa loob ng mga tubo sa isang tiyak na bilis (speed). Sinusukat ang bilis sa ft/s (talampakan kada segundo) o m/s.

Ang dami ng likido na dumadaan sa isang punto bawat yunit ng oras ay tinatawag na daloy na rate. Sa mga hidraulikong sistema, karaniwang ginagamit ang yunit na gpm (US gallons per minute) o Lpm (litro kada minuto).

Kaugnay ang bilis at ang daloy na rate: upang punuan ang isang lalagyan na may kapasidad na 5 gal (18.95 L) sa loob ng isang minuto gamit ang isang malaking tubo, gumagalaw ang likido sa bilis na 10 ft/s (3.04 m/s). Gamit naman ang isang tubo na kalahati lamang ng laki, kailangan gumalaw ang likido sa bilis na 20 ft/s (6.10 m/s) upang ipadala ang parehong 5 gpm. Pareho ang daloy na rate; iba ang bilis.

Figura 2-17 Parehong daloy, iba’t ibang bilis. Sa isang mas maliit na tubo, kailangan lumipat nang mas mabilis ang likido upang maipasa ang parehong dami bawat minuto.

Ang panlaban ay nagpapagawa ng init

Ang likido na dumadaloy sa pamamagitan ng mga hidraulikong tubo ay nagpapagawa ng init dahil sa panlaban — mas mabilis ang daloy, mas maraming init ang nabubuo. Sa mga industriyal na aplikasyon, ang inirerekomendang bilis ng likido sa loob ng mga tubo sa pagitan ng bomba at aktuator ay 15 ft/s (4.572 m/s).

Ang mga baluktot ay nagpapagawa ng init

Ang likido na dumadaloy sa isang tuwid na tubo na umaabot sa isang baluktot ay kailangang biglang baguhin ang direksyon. Ang mga molekula ng likido ay bumubuga sa isa’t isa at sa pader ng tubo — ito rin ay nagpapagawa ng init. Depende sa sukat ng tubo, isang 90° na siko ay maaaring magpapagawa ng init na katumbas ng ilang talampakan ng tuwid na tubo.

Pagkakaiba sa Presyon

Ang pagkakaiba ng presyon ay ang pagkakaiba sa presyon sa pagitan ng anumang dalawang punto sa isang sistema. Ang pagkakaiba ng presyon ay nagpapakita ng dalawang bagay:

1. Ipinapakita nito na ang enerhiyang hidrauliko (likido na may presyon at dumadaloy) ay naroroon sa pagitan ng mga puntong iyon.
2. Ito ay sumusukat kung gaano karaming enerhiyang hidrauliko ang nabago sa init sa pagitan ng dalawang puntong iyon.

Halimbawa: Ang pressure gauge 1 ay nagbabasa ng 200 psi (13.79 bar); ang pressure gauge 2 ay nagbabasa ng 180 psi (12.41 bar). Ang differential = 20 psi (1.38 bar). Ibig sabihin nito:

3. Ang likido ay dumadaloy mula sa gauge 1 patungo sa gauge 2.
4. ang 20 psi na halaga ng haydroliko na enerhiya ay na-convert sa init sa pamamagitan ng alitan ng daloy sa pagitan ng dalawang gauge.

Pigura 2-19 Pagkakaiba ng presyon. Ang pagbaba ng 20 psi sa seksyong ito ng tubo ay nagpapakita ng daloy at tinatantya ang enerhiyang haydroliko na nawawala sa init ng friction.

Pagdidisenyo upang Bawasan ang Init sa mga Sistema ng Hidrauliko

Ang pagbabago ng enerhiyang hidrauliko sa init ay nangangahulugan na ang sistema ay nag-aaksaya ng enerhiya. Upang mapabuti ang kahusayan, kailangan ng mga tagadisenyo na pumili ng tamang viscosity ng langis, tama ang sukat ng mga tubo, at bawasan ang bilang ng mga baluktot at fitting. Lahat ng mga ito ay nababawasan ang resistensya sa daloy at kaya’y nababawasan din ang enerhiyang nawawala bilang init.

Figure 2-20 Heat generation in a real circuit. Ang bawat tubo, fitting, baluktot, at valve ay nakaaambag sa pressure drop at sa pagkawala ng enerhiya.