Ang mga hydraulic actuator (tinatawag ding hydraulic output devices) ay nagpapalit ng hydraulic energy pabalik sa mechanical energy. Dito nangyayari ang lahat ng nakikitang galaw at gawa — ang unang bagay na dapat isipin ng anumang design engineer. Ang mga hydraulic actuator ay nahahati sa dalawang pangunahing kategorya: linear (cylinders) at rotary (motors).

Silinderong hidrauliko

Ang isang hydraulic cylinder ay nagpapalit ng hydraulic energy sa tuwid na linya o linear na mechanical motion. Kapag konektado sa isang gumagalaw na load, ito ay gumagawa ng gawa.

Konstruksyon ng silindro

Tulad ng ipinakilala sa mga naunang kabanata, ang isang hydraulic cylinder ay binubuo pangunahin ng isang barrel, dalawang saradong end caps, isang piston, isang piston rod, at mga inlet at outlet ports. Ang bawat dulo ay may isang port — isa para sa pagpasok ng langis, ang isa pa para sa paglabas ng langis.

figura 6-1: Pamantayang double-acting hydraulic cylinder. Pumasok ang langis sa kaliwang port, kaya lumalabas ang piston rod; ang langis na pumapasok sa kanang port ay nagpapaikli nito.

Lakas ng Output ng Cylinder

Sa buong paggalaw ng piston sa loob ng silindro, ang enerhiyang hidrauliko ay kumikilos sa gumagalaw na piston. Ang presyon na nabubuo ng enerhiyang hidrauliko na ito ay hindi lalampas sa laban na nililikha ng kargada. Para sa isang silindro na may kilalang mga sukat, kailangan nating malaman kung anong presyong pangtrabaho ang magbubunga ng tiyak na puwersang output. Maaari itong matukoy (kung hindi isasaalang-alang ang panlaban dahil sa pagkakalat) gamit ang sumusunod na pormula:

Kapag ginagamit ang pormulang ito, ibinibigay ang area at presyon upang makuha ang lakas ng output, o ang area at lakas ng output ang kilala upang mahanap ang presyon. Sa praktika, karaniwang alam natin ang diameter ng ulo ng silindro at kailangan nating kwentahin ang area ng piston—ngunit ang pagkuha ng area ng isang bilog ay ganoon din kadali kung ihahambing sa pagkuha ng area ng isang parisukat.

Area ng Bilog

Ang area ng isang bilog ay katumbas ng humigit-kumulang 78.54% ng area ng isang parisukat kung saan ang haba ng bawat gilid ay katumbas ng diameter ng bilog. Mas tiyak na sinasabi:

Isa pang karaniwang ginagamit na pormula:

Figura 6-2 Sukat ng bilog = D² × 0.7854. Ang simpleng pormulang ito ay ginagamit nang palagi sa mga kalkulasyon para sa hydraulic cylinder.

Lakad ng silinder

Ang distansya kung saan kumikilos ang hydraulic energy ang nagtatakda kung gaano kalaki ang ginawa — ang distansyang ito ang tinatawag na cylinder stroke. Tulad ng nabanggit na dati, ang paggamit ng hydraulic pressure upang palakasin ang isang puwersa ay tila walang gastos. Sa ilang tiyak na sitwasyon — kapag ang sistema ay nasa estado ng katiwasayan (static) — maaaring magbigay ng napakalaking puwersa ang isang maliit na puwersa nang walang nakikitang sakripisyo. Ngunit kung ang pinapalakas na puwersang ito ay magdudulot din ng paggalaw, may isang bagay na nasasakripisyo: ang distansya.

Dami ng Cylinder (Displacement)

Bawat hydraulic cylinder ay mayroong dami (displacement) na katumbas ng kanyang stroke (sa pulgada) na pinarami ng kanyang piston area (sa pulgadang parisukat), na nagbibigay ng dami sa pulgadang kubiko (cm³).

(pulgadang kubiko) = (pulgadang parisukat) × (pulgada) o (cm³) = (cm²) × (cm)

Halimbawa: Ang itaas na piston ay kailangang gumalaw ng 2 pulgada (5.08 cm) upang gawin ang mababang cylinder na piston na gumalaw ng 1 pulgada (2.54 cm). Parehong gawa ang ginagawa ng parehong piston. Ang itaas na piston ay nagpapalit ng 20 pulgadang kubiko (327.8 cm³) ng likido — at ang mababang cylinder na piston ay dinadala ng parehong 20 pulgadang kubiko (327.8 cm³) ng likido.

Bilis ng Piston Rod

Ang bilis ng piston rod ng isang hydraulic cylinder ay nakasalalay sa bilis kung paano puno ang likido ang silid sa likuran ng piston. Mga pormula para sa bilis ng piston rod:

Motor ng hidroliko

Ang hydraulic motor ay isang actuator na nagpapalit ng hydraulic na enerhiya sa rotary na mekanikal na enerhiya. Ipinapasa ang rotary na enerhiyang ito sa isang load sa pamamagitan ng drive shaft.

Kabuuang Konstruksyon ng Motor

Ang lahat ng hydraulic motor ay binubuo sa pangkalahatan ng isang housing na may inlet at outlet na ports, at isang rotating assembly na konektado sa drive shaft.

Paano gumagana ang isang hydraulic motor

Ang halimbawa na ipinapakita ay isang hydraulic motor na may uri ng vane. Ang umiikot na bahagi ay binubuo ng isang rotor at mga vane na maaaring gumalaw nang malaya pasok at palabas sa mga slot ng rotor. Ang umiikot na bahagi ay nakainstal nang eccentrically sa loob ng housing; ang drive shaft ay konektado sa load. Kapag pumasok ang pressurized na langis sa inlet chamber, ang hydraulic energy ay kumikilos sa exposed na ibabaw ng vane sa inlet chamber. Dahil mas malaki ang area ng upper vane na nakakaranas ng presyon ng langis, hindi balansado ang puwersa sa rotor — kaya't umiikot ang rotor.

Habang dumadating ang langis sa outlet chamber na may pababang volume, ito ay inilalabas.

Figura 6-6 Pagpapatakbo ng vane motor. Ang langis na may presyon ay kumikilos sa mga mukha ng vane. Dahil ang nasa itaas na lugar ng vane na nakakaranas ng presyon ay mas malaki kaysa sa nasa ibaba na lugar ng vane, ang netong puwersa ay nagpapalitaw sa rotor.

Torque

Ang torque ay isang pangingilid o pangingirot na puwersa. Ang torque ay isang puwersa na kumikilos sa isang distansya mula sa sentro ng shaft. Ang yunit ng torque ay lb.in. (o Nm).

Pormula ng torque

Ang torque ay nagpapakita ng posisyon ng puwersa na nauugnay sa sentro ng shaft ng hydraulic motor. Ang pormula ng torque ay:

(lb.in.) = (lbs) × (in.) o (Nm) = (N) × (m)

Halimbawa mula sa larawan: Isang puwersa na 50 lbs (222 N) ang kumikilos sa isang crank na nakakonekta sa motor shaft. Ang distansya sa pagitan ng sentro ng shaft at ng puwersa ay 10 pulgada (0.254 m). Ang resulting torque sa shaft ay 500 in.lbs (56.5 Nm). Kung ang parehong 50 lbs (222 N) ang kumikilos sa loob ng 15-pulgadang (0.38 m) crank arm, ang torque sa shaft ay 750 in.lbs (84.6 Nm). Mas malaki ang torque kapag mas malayo ang puwersa mula sa sentro ng shaft. Tandaan na ang torque ay hindi kasama ang anumang paggalaw.

Ang isang load na nakakonekta sa motor drive shaft ay nagbubuo ng torque tulad ng inilalarawan sa itaas. Para sa hydraulic motor, ito ay resistensya — kailangang labanan ng hydraulic pressure na kumikilos sa rotating assembly ng motor.

Pormula ng Torque ng Hydraulic Motor

Bilis ng Motor Shaft

Ang bilis ng hydraulic motor shaft ay determinado sa pamamagitan ng bilis kung saan inii-inject ang fluid. Ang pormula ay:

Kuryente

Sa mga naunang kabanata, natutunan natin na ang kapangyarihan ay ang bilis ng paggawa ng gawa, i.e., hp = ft·lbs/oras, o W = J/oras.

Mekanikal na lakas

Alam din natin na ang horsepower (hp) o watt (W) ang yunit ng kapangyarihan. Kung isang hydraulic cylinder o hydraulic motor ang nagpapagalaw ng isang kargada gamit ang 550 lbs (2,442 N) na pwersa at inilipat ito ng 1 ft (0.30 m) sa loob ng 1 segundo, ginamit nito ang 1 hp (746 W) na kapangyarihan. Kung ang parehong gawa (550 ft·lbs / 746 J) ay ginawa sa loob ng kalahating segundo, ang bilis ng paggawa ay nadoble at ang kapangyarihan ay naging 2 hp (1,490 W).

Hydraulic Power

Ang mekanikal na kapangyarihan na ipinapasa ng isang silindro o motor sa isang karga ay katumbas ng hidraulikong kapangyarihan na kinakailangan ng silindro o motor. Para sa isang hidraulikong sistema na gumagawa ng gawa sa bilis na 550 ft·lbs bawat segundo (746 J), ang kanyang hidraulikong kapangyarihan ay 1 hp (746 W). Gayunpaman, sa pormula ng mekanikal na kapangyarihan, ang "ft (m)" at "lbs (N)" ay napalitan ng mga hidraulikong termino na "psi (bar)" at "gpm (Lpm)". Ginagamit ang isang factor ng pagbabago sa mga kalkulasyon ng hidraulikong kapangyarihan upang ipahayag ang ugnayan sa pagitan ng gpm, psi, ft, at lbs (o Lpm, bar, m, at N).

Kalkulasyon ng kapangyarihan ng sistema at ng silindro

Upang kalkulahin ang kapangyarihan ng isang hidraulikong silindro o ng buong hidraulikong sistema:

Upang kalkulahin ang output na kapangyarihan ng hidraulikong motor:

Oscillating Actuators

Hanggang ngayon, tinalakay na natin ang mga hydraulic motor na may rotary output at ang mga hydraulic cylinder na may linear output. Ngayon, tatalakayin natin ang isa pang uri ng actuator na nagbibigay ng limitadong-angle na pag-ikot. Ang uri na ito ay tinatawag na oscillating cylinder o oscillating motor. Ang kanyang istruktura ay kompakto, simple, at epektibo — nagbibigay ito ng mataas na torque at nangangailangan lamang ng maliit na espasyo para sa instalasyon, kasama ang madaling proseso ng pag-install.

Ginagamit ang mga oscillating actuator sa indexing ng machine tool, mga operasyon ng pagbend, pagtaas o pag-ikot ng mabibigat na bagay, pagbaliktad, pagpo-position, mga machining fixture, nautical controls, operasyon ng valve, atbp.

Mga Uri ng Oscillating Actuator

May maraming uri ng oscillating cylinder. Ang pinakasimple ay ang isang oscillating mechanism na pinapatakbo ng linear hydraulic cylinder kung saan ang dulo ng cylinder barrel ay nakakabit gamit ang isang pin, at ang piston rod ay konektado sa isang crank na nagpapagalaw sa isang shaft upang umikot. Maaaring kontrolin ang oscillating cylinder na ito gamit ang isang 4-way directional valve, na may limit switch sa bawat dulo ng stroke.

Tulad ng lahat ng mekanikal na device, ang aktuator na ito na batay sa linear cylinder at oscillating ay may ilang pangunahing katangian, kabilang na rito ang maaaring i-assemble mula sa karaniwang mga bahagi na handa nang ibenta, na nagbibigay ng malaking flexibility sa mga designer at pananatiling mababa ang gastos dahil madaling makakuha ng mga spare part.

Gayunpaman, ang uri ng aktuator na ito na oscillating ay may mga hindi nais na katangian: ang piston rod ay hindi protektado at direktang nakikipag-ugnayan sa kapaligiran, lalo na dahil ang crank mechanism ay karaniwang hindi sealed, na nagdudulot ng mga panganib sa kaligtasan. Bukod dito, ang drive shaft ay karaniwang dinadala ang malalaking lateral loads, na nagdudulot ng maagang pagkabigo, labis na pagkasuot, at pagkakabit.

Para sa tiyak na uri ng oscillating actuator na ito, ang hydraulic cylinder ay dapat na malaya para umikot, kaya kailangang gamitin ang flexible hose connections, at sa buong stroke ng cylinder, ang output torque ay hindi pare-pareho.

Nakasara na oscillating cylinder

Ang nakapaloob na oscillating cylinder ay napakakatulad sa mekanismong oscillating na batay sa linear cylinder sa itaas. Ang nakapaloob na cylinder ay may protektibong takip na sumasakop sa piston rod at crank. Ang drive shaft ay karaniwang may dagdag na suporta ng bearing upang maiwasan ang matitinding lateral loads. Maaaring i-install ang uri na ito ng solenoid valves, limit switches, o stroke switches. Ang saklaw ng stroke ay maaaring karaniwang i-adjust sa pagitan ng mga 85° hanggang 100°.

Oscillating cylinder na may return spring

Isa pang uri ay ang oscillating cylinder na may return spring, na gumagamit ng hydraulic cylinder na may return spring upang ibalik ang drive shaft sa orihinal nitong posisyon. Ang mga oscillating cylinder na may return spring ay maaaring magpalabas ng torque hanggang 5,000 in.lbs (565 Nm).

Oscillating cylinder na may rack-and-pinion

Ang pinakakaraniwang oscillating cylinder ay ang uri na rack-and-pinion. Ang ganitong uri ay kayang panatilihin ang parehong output torque sa parehong direksyon sa buong bilog na pag-ikot. Sa konfigurasyong ito, ang hydraulic pressure ay kumikilos sa piston, na nangunguna sa rack na nakakabit sa piston, na kung saan ito ang nagpapagalaw sa pinion gear upang paikutin ang shaft. Ang karaniwang rack-and-pinion cylinder ay may mga rotation stroke na 90°, 180°, 360°, o kahit mas malaki pa. Ang output torque ng rack-and-pinion cylinder ay maaaring umabot sa 52,000,000 in.lbs (5,876,000 Nm).

Vane oscillating motor

Mayroon ding vane oscillating motor na magagamit. Ang ganitong uri ay maaaring iisang-vane o maraming-vane. Ang isang-vane motor ay maaaring umikot hanggang 280°; ang dalawang-vane motor ay maaaring umikot hanggang 200°. Ang output torque ng dalawang-vane ay doble sa output torque ng isang-vane. Ang ganitong uri ng oscillating motor ay maaaring makamit ang output torque hanggang 500,000 in.lbs (Nm).

Helical spline oscillating motor

Mayroon ding ibang uri ng oscillating motor na gumagenera ng torque gamit ang mekanismong helical spline. Ang mga pagbabago sa haba at pitch ng spline ay nagpapahintulot sa pagkakaiba-iba ng rotation stroke sa loob ng malawak na saklaw. Ang uri ng oscillating motor na ito ay may isang helical spline shaft na may panloob na splined piston sleeve sa shaft — ang pag-ikot ng piston sleeve ay pinipigilan ng mga guide rod. Kapag gumagalaw ang piston sleeve sa loob ng cylinder, ito ang nagsisidrive sa spline shaft upang umikot. Ang karaniwang rotation stroke ay 90°, 180°, 270°, at 360°, na may output torque hanggang 1,000,000 in.lbs (13,000 Nm).

Oscillating motor na may chain at sprocket

Ginagamit ng oscillating motor na may chain at sprocket ang mga piston, chain, at sprocket upang idrive ang shaft. Karaniwang mayroon itong isang malaking piston (bilang drive device) na kumukuha ng chain, at isang maliit na piston na pumipigil sa langis na tumutulo sa return chain route. Ang output torque ay maaaring abot sa humigit-kumulang 23,000 in.lbs (2,599 Nm), at ang pag-ikot ng drive shaft ay maaaring abot sa limang buong pag-ikot o 1,800°.

Para sa pagpili ng pinakangangkop na oscillating cylinder para sa isang tiyak na aplikasyon, kasali ang pagtutugma ng torque, bilis, at paraan ng operasyon. Ang aktwal na pagpili ng oscillating motor ay ipapaliwanag namin sa ibang kabanata, at tatalakayin pa nang mas malalim kung kailan dapat gamitin ang single-acting o double-acting, kung dapat gamitin ang closed-loop positioning, kung kailangan ang cushioning, atbp. Ang operating frequency o cycle period ay susuriin din.

Buod ng Bilis ng Actuator

Ang linear na bilis ng piston rod ng hydraulic cylinder ay nakasalalay sa bilis kung saan inilalagay ng pump ang fluid sa loob ng piston chamber ng cylinder (gpm o L/min). Ang rotational na bilis ng drive shaft ng hydraulic motor ay nakasalalay sa daloy na rate (gpm o L/min) na ipinapasok sa hydraulic motor.

Buod ng Output na Lakas ng Actuator

Ang output na puwersa ng isang silindro ay ipinapahayag sa psi (bar) — ang output na puwersa sa drive shaft ng isang motor ay tinutukoy batay sa presyon na kumikilos sa nakalantad na lugar ng umiikot na bahagi ng motor. Ang kapangyarihan na nililikha ng isang actuator ay isang punsiyon ng bilis ng actuator na pinarami ng output na puwersa ng actuator.

Para sa mga silindro, ang output na puwersa ay ipinapahayag sa psi, at ang bilis ng piston rod sa gpm. Ang konstanteng 0.000583 ay naglalarawan ng ugnayan sa pagitan ng psi, gpm, at kapangyarihan. Para sa mga motor, ang output na puwersa ay ipinapahayag sa torque, at ang bilis ng operasyon ng motor sa rpm. Ang konstanteng 63,025 ay naglalarawan ng ugnayan sa pagitan ng rpm, torque, at kapangyarihan.