Enerjinin sıvılar aracılığıyla iletiminden bahsetmeden önce, sıvıların bazı özelliklerini ve kuvvetin bunlar aracılığıyla nasıl iletildiğini anlamamız gerekir. Bu, hidrolik sistemin neden bu şekilde çalıştığını anlamamıza yardımcı olur.

Sıvı

Akışkan, belirli bir şekli olmayan herhangi bir maddedir. Akışkanlar, sıvıları ve gazları içerir.

Sıvı

Sıvılar da gazlar gibi moleküllerden oluşur. Ancak gazlardan farklı olarak sıvılardaki moleküller birbirlerine yakın çekilir — yine de katılar gibi sabit konumlarda kilitlenmeyecek kadar sıkı değildir. Bu yüzden sıvılar serbestçe akar ve içinde bulundukları kabın şeklini alır.

Şekil 2-1: Sıvı molekülleri (altta) sıkıca bir araya toplanmış ve sürekli hareket halindedir; gaz molekülleri (üstte) ise birbirlerinden uzaktadır.

Moleküler kinetik enerji

Bir sıvının içindeki moleküller her zaman hareket halindedir — sıvı tamamen durgun görünsede bile. Moleküller sürekli olarak birbirleri üzerinden kayar ve süzülür. Bu moleküler hareket, sıvının iç enerjisi olarak adlandırılır.

Sıvılar içinde bulundukları kabın şeklini alır

Bu sürekli moleküler kayma nedeniyle sıvı akar ve içinde bulunduğu kabın şeklini alır. Sıvıdan çok muhtemel olsun ya da az olsun, her zaman kabın şeklini alır. Bu özellik, ilerleyen bölümlerde ele alınacak olan viskozite ile yakından ilişkilidir.

Sıvılar nispeten sıkıştırılamazdır

Sıvı molekülleri birbirine yakın şekilde paketlendiğinden dolayı sıvılar, önemli bir yönüyle katılar gibi davranır: yani nispeten sıkıştırılamazdırlar — belirgin ölçüde daha küçük bir hacme sıkıştırılamazlar.

Bu yüzden dalıcılar, suya karın üstüne düşmek yerine (yani 'karınla dalış') ayaklarından veya ellerinden suya girerler ('bıçak girişi'). Büyük ve düz bir yüzeyle vurulduğunda su, yeterince hızlı bir şekilde kenara çekilmez ve bu durumda etki, bir katıya çarpmaya benzer. Ayaklar veya eller, suyu küçük bir alanla ayırarak darbe kuvvetini çok daha azaltır.

Bir sıvının nispeten sıkıştırılamaz olması ve herhangi bir kabın şeklini alabilmesi, kuvvet iletimi açısından gerçek bir avantaj sağlar.

Kuvvet İletimi

Enerji iletiminin dört yöntemi (mekanik, elektriksel, hidrolik ve pnömatik) hem statik kuvveti (potansiyel enerji) hem de dinamik kuvveti (kinetik enerji) iletebilir. Statik bir kuvvet sıvı içinde iletilirken özel bir durum gerçekleşir.

Sıvı aracılığıyla iletilen kuvvet

Katı bir cisim üzerine etki eden kuvvetten farklı olarak, kapalı bir sıvıya uygulanan kuvvet basınç olarak sıvının tamamına iletilir — ve bu basınç sıvının her noktasında eşittir.

Sıvı dolu bir kabın üstünde duran hareketli bir pistonun üzerine bastığımızda, uyguladığımız kuvvet basınç oluşturur ve bu basınç sıvı içinde tüm yönlerde eşit şekilde iletilir.

Basınç nasıl oluşturulmuş olursa olsun — bir piston, el, yerçekimi, bir yay, sıkıştırılmış hava ya da bunların herhangi bir bileşimiyle — bir kez kapalı bir sıvının içine girdikten sonra kuvvet basınca dönüşür ve sıvının tamamında eşit şekilde iletilir.

Sıvılar kabın şeklini aldığından, basınç kabın şeklinden bağımsız olarak iletilebilir.

Şekil 2-4: Pistona uygulanan kuvvet, sıvıda basınca dönüşür. Bu basınç, tüm yönlerde eşit şekilde yayılır — bu, hidrolik sistemin temelidir.

Pascal'ın Yasası

Bir sıvının basıncı tüm yönlerde eşit şekilde iletebilme özelliği, keşfedeni Blaise Pascal’a atfen Pascal Yasası olarak adlandırılır.

Pascal Yasası’nın matematiksel ifadesi, 1. Bölüm’de tanıtılan basınç formülüyle aynıdır:

Basınç göstergeleri

Bir basınç göstergesi, sistemindeki sıvı üzerinde etki eden basıncı ölçer. Hidrolik sistemlerde en yaygın iki tip basınç göstergesi, Bourdon borulu gösterge ve pistonlu göstergedir.

Bourdon borulu gösterge

Bourdon tüplü manometre, bir kadran yüzeyinden ve bir ibreden oluşur. İbre, Bourdon tüpü olarak adlandırılan kıvrımlı, esnek bir metal tüpe bağlanır. Sistem basıncı, giriş üzerinden tüpe girer. Ölçek genellikle psi, bar veya Pa birimlerinde işaretlenmiştir.

Bourdon tüpünün çalışma prensibi

Sistem basıncı yükseldikçe, kıvrımlı tüpün iç ve dış yüzeyleri arasındaki alan farkı nedeniyle tüp düzleşmeye eğilim gösterir. Bu düzleşme hareketi, ibreyi kadran üzerinde hareket ettirerek basıncı gösterir. Bourdon tüplü manometreler, tam ölçüm aralığının %0,1’i ile %3,0’u arasında doğruluk değerine sahip hassas cihazlardır; laboratuvar testlerinde veya basınç ölçüm doğruluğunun kritik olduğu her yerde kullanılırlar.

Pistonlu tip manometre

Bir pistonlu manometre, bir piston, bir denge yayı, bir ibre ve bir ölçekten oluşur. Sistem basıncı piston yüzeyine etki eder ve pistonu yaya doğru iter. Pistonun hareketi, ibreyi kadran üzerinde hareket ettirir. Ölçek psi (bar) biriminde kalibre edilmiştir. Pistonlu manometreler dayanıklı ve ekonomiktir; bu nedenle günlük sistem izleme amacıyla yaygın olarak tercih edilir.

Şekil 2-6 Pistonlu manometre: Sistem basıncı pistonu bir yaya doğru iter. Pistonun yer değiştirmesi ibreyi hareket ettirir.

Basıncın Mekanik Kuvvete Dönüştürülmesi

Basınçlı sıvıyı kapalı bir sistemde iletmek yalnızca basınç, başka bir yerde tekrar mekanik kuvvete dönüştürülebiliyorsa faydalıdır. Bu görevi aktüatör (hareket elemanı) üstlenir; hidrolik basıncı alır ve bunu mekanik kuvvete dönüştürür.

Hidrolik silindir, bir tür aktüatördür.

Hidrolik silindir

Hidrolik silindir, hidrolik basıncı alır ve bunu doğrusal (lineer) mekanik kuvvete dönüştürür. Uygun mekanik bağlantılar aracılığıyla bu kuvvet dönel harekete de dönüştürülebilir.

Silindir yapısı

Bir silindirin temel parçaları şunlardır: gövde (boru), uç kapakları, piston, piston mili ve giriş/çıkış bağlantı noktaları. Her uçta birer uç kapağı bulunur. Piston, gövde içinde kayabilir. Mil, pistona bağlanır. Gövdenin her iki ucundaki giriş ve çıkış bağlantı noktaları, çalışma yağını içeriye ve dışarıya akıtmasına izin verir.

Şekil 2-8 Hidrolik silindir kesiti. Yağ bir bağlantı noktasından girer, pistona baskı uygular ve mil uzar. Diğer bağlantı noktasından çıkan yağ depoya geri döner.

Bir silindirin nasıl çalıştığı

Silindirin giriş bağlantısı sisteme bağlandığında, silindir sistem parçası haline gelir. A noktasındaki basınç, sistemin içinden geçerek silindirin içindeki pistona iletilir. Bu basınç, piston yüzeyine etki ederek B noktasında — yani mil ucunda — mekanik kuvvet oluşturur.

Basınç uygulayarak

Basınç, sızdırmaz bir sıvı aracılığıyla iletildiğinde, bu basıncı üreten hareketli bir parça vardır. Şimdiye kadar verilen tüm örneklerde bu hareketli parça bir pistondur. Kuvvetin piston alanına bölünmesi, sistemin içindeki basıncı verir (P = F/A).

Mekanik Kuvvetin Çoğaltılması

Hidrolik sistemler mekanik kuvveti artırabilir (çarpan olarak kullanabilir). Bu artış oranı, hidrolik silindir pistonunun yüzölçümüne (in² veya cm²) bağlıdır. Basınç, kapalı bir sıvı içinde eşit şekilde iletilir; bu nedenle çıkış silindiri pistonu giriş pistonundan daha büyükse, çıkış kuvveti giriş kuvvetinden daha büyük olur.

Örnek: 5.000 lbs (22.200 N)’luk bir kuvvet, alanı 10 in² (64,52 cm²) olan bir pistona etki eder ve şu basıncı oluşturur:

Aynı 500 psi, 15 in² (96,78 cm²)’lik bir çıkış pistonuna etki eder:

Şekil 2-9 Mekanik kuvvet artırma. Aynı basınç her iki pistona da etki eder; ancak daha büyük piston daha büyük kuvvet üretir. F = P × A.

Basınç Yükseltici

Bir basınç artırıcı (başka bir adıyla yükseltici), hidrolik basıncı artırabilir. Bu cihaz, giriş, çıkış ve drenaj bağlantı noktalarına sahip tek bir muhafaza içinde, bir mil ile birbirine bağlı iki pistondan oluşur. Büyük piston sistem basıncını algılar; bu pistonun ürettiği kuvvet küçük pistona aktarılır ve küçük pistonun yüzey alanı daha küçük olduğu için daha yüksek bir çıkış basıncı oluşturur.

Bir basınç artırıcının çalışma prensibi

Büyük piston sistem basıncını algılar ve bu kuvveti mil üzerinden küçük pistona iletir. Küçük pistonun yüzey alanı daha küçük olduğu için küçük piston ucundaki çıkış basıncı daha yüksektir — yani basınç artırılmıştır.

Örnek: 5.000 lbs (22.200 N)’lık bir kuvvet büyük pistona (alan: 15 in² / 96,78 cm²) etki eder. Basınç = 333 psi (22,9 bar). Bu kuvvet küçük pistona (alan: 0,76 cm²) aktarılır. Çıkış basıncı = 5.000 lbs / 0,76 cm² × (1/10.000) = 2.000 psi (137,9 bar). Çıkış kuvveti = 30.000 lbs (133.200 N).

Basınç artırıcıların yaygın bir kullanımı, sıkma aparatlarında (klamburlarda) kullanılmalarıdır.

Şekil 2-11 Basınç yükseltici. Büyük piston, çok daha küçük bir alana sahip olan küçük pistona kuvvetini aktarır — bu da çıkışta çok daha yüksek bir basınç oluşturur.

Hidrolik Enerji İletimi

Bir makinede hidrolik sistemlerin (ya da başka herhangi bir enerji iletim yönteminin) kullanılma amacı, yararlı iş yapmaktır. Bir silindirin iş yapabilmesi için yük üzerine kuvvet uygulaması ve yükü belirli bir mesafe boyunca hareket ettirmesi gerekir; dolayısıyla sistem, enerjiyi kullanarak sıvının sürekli bir akışını sağlayabilen bir bileşene ihtiyaç duyar.

Hidrolik akümülatör

Şimdiye kadar incelediğimiz, kapalı bir sıvıda basınç oluşturan tüm cihazlar piston ve silindirlerden oluşur. Piston kuvvet uygular; silindir sıvıyı sızdırmaz şekilde içeride tutar. Bu tür cihazlara akümülatör (depolayıcı) denir.

Bir akümülatör, basınç altındaki bir sıvının potansiyel enerjisini depolayabilir. Bu depolanan potansiyel enerji, iş yapabilen enerjiye (akış ve basınç) dönüştürülebilir.

Örnek: 500 psi (34,5 bar)’lik bir akümülatör, bir yükü itmek için basınç sağlar. Depolanan 500 psi’lik basınçtan 400 psi’si (27,6 bar), yük direncini yenmek için kullanılır; kalan basınç ise yükü hareket ettirmek için akışa dönüşür.

Akümülatörlerin bir sınırlaması vardır: Yük çok büyükse, yükü yenmek için yeterli basınç sağlanamayabilir; bu nedenle hiçbir iş yapılamaz. Ayrıca depolanan sıvı tamamen boşaldıktan sonra akış da sona erer.

Bir yükü yenmek için yeterli basınç uygulamak ve akışı sürekli sağlamak amacıyla farklı bir cihaza — pozitif deplasmanlı hidrolik pompaye — ihtiyaç duyulur.

Şekil 2-12 Akümülatör çalışması. Depolanan basınç bir yükü itebilir; ancak sıvı tamamen tüketildikten sonra akış durur — akümülatör yalnız başına sürekli iş yapmayı sürdüremez.

Pozitif Deplasmanlı Hidrolik Pompa

Pozitif yer değiştirmeli bir pompa, sıvının sürekli akışını tekrarlayan öteleme veya dönel iç hareketlerle üretir. Bu pompa, sürekli hidrolik iş yapmak için gerekli olan hem kinetik enerjiyi (akış) hem de basınç enerjisini sağlar.

Gidiş-dönüş kol benzeri pompa

Gerilişli pistonlu bir pompa, bir krank veya kam ile bir ana tahrik makinesine (motor veya elektrik motoru) bağlı bir pistondan oluşur. Giriş ve çıkış hatlarının her birinde top tipi bir kontrol vanası bulunur. Piston dışa doğru çekilirken iç hacim genişler, giriş top vanası açılır ve sıvı içeriye akar. Piston içe doğru itilirken hacim küçülür, basınç artar, giriş top vanası kapanır ve çıkış top vanası açılarak sıvıyı sisteme iter. Sürekli ileri-geri hareket, dalgalı bir akış üretir; basınç, sistemin gerektirdiği değere ulaşabilir.

Şekil 2-13 Gerilişli pistonlu pompa. Piston ileri-geri hareket eder; yağ giriş kontrol vanasından içeri çekilir ve çıkış kontrol vanasından dışarı itilir.

Dönel pozitif yer değiştirmeli pompa

Endüstriyel hidrolik sistemlerde en yaygın kullanılan pompa, döner pozitif-deplasmanlı pompadır. Bu pompa, nispeten düzgün ve basınçlı bir akış üretir ve bir elektrik motoru veya motorla sürülmesi kolaydır. Dönen elemanın her devri, sabit bir sıvı hacmini deplase eder.

Döner pompa yapısı

Bir döner pompa, bir muhafaza ve bir dönen montaja sahiptir. Muhafazanın bir giriş ve bir çıkışı vardır. Dönen montaj, akışı ve basıncı oluşturur. Gösterilen örnekte, rotor yuvalarına serbestçe içe ve dışa kayabilen bir rotor ile paletler bulunur.

Döner Pompanın Çalışma Prensibi

Dönen montaj, muhafaza içine eksantrik (merkez dışı) olarak yerleştirilir ve tahrik mili aracılığıyla ana tahrik kaynağında bağlanır — rotor döner. Rotor döndükçe merkezkaç kuvveti, paletleri muhafaza duvarına doğru dışa doğru iter ve böylece sızdırmaz odacıklar oluşturur. Emme tarafında odacık hacmi artar ve sıvı içeri çekilir. Basma tarafında ise odacık hacmi azalır, basınç yükselir ve sıvı sistemden dışarı itilir. Pompa, yalnızca sistemdeki en düşük dirence eşit bir basınç üretir — bundan fazlasını değil.

Şekil 2-15 Döner paletli pompa. Paletler, muhafaza duvarına baskı yaparak rotor döndükçe genişleyen (emme) ve daralan (basma) odacıklar oluşturur.

Direnç ve Basınç

Hidrolik bir sistemde basınç ve direnç doğrudan ilişkilidir. Pompa, sıvıyı sisteme iter; basınç seviyesi, direnç seviyesi tarafından belirlenir. Yüksek direnç → yüksek basınç; düşük direnç → düşük basınç. Akışkan akışına karşı direnç, üretilen basınç miktarını belirler.

Bir pompanın karşılaştığı direnç

Bir pompa iki tür dirençle karşılaşır: yük direnci ve akış direnci. Akış direncini göz ardı edersek, tek kalan direnç yük direncidir. Yük direncini yenmek için 200 psi (13,8 bar) gerekiyorsa, pompa 200 psi üretir ve hidrolik çalışma enerjisini aktüatöre iletir; bu da yükü hareket ettirir.

Akış direnci her zaman mevcuttur. Bu direnç, pompanın birincil tahrik kaynağında daha fazla enerji çekmesini ve onu yenmek için daha yüksek basınç üretmesini zorunlu kılar.

Şekil 2-16: Direnç ve basınç. Pompanın ürettiği basınç, karşılaştığı toplam direnci — yani yük direnci ile akış (sürtünme) direnci toplamını — yenmek için yükselir.

Ek enerji dönüşümü

Pompanın akış direncini yenmek için sıvıya kazandırdığı ek enerji, aktüatörde faydalı hidrolik iş enerjisine dönüştürülmez; bunun yerine akış sürtünmesi tarafından tüketilir. Bu "tüketilen" enerji, korunum açısından kaybedilmemiş olur; bunun yerine ısıya dönüştürülür ve bu da akışkanın sıcaklığını artırır. Bu ısı, sistemin verimsizliğidir.

Hız ve Akış Hızı

Dinamik (akış halindeki) bir hidrolik sistemde sıvı, belirli bir hızda (hızda) borulardan geçer. Hız, ft/s (saniyede feet) veya m/s birimleriyle ölçülür.

Birim zamanda bir noktadan geçen sıvı hacmi, akış hızı olarak adlandırılır. Hidrolik sistemlerde birim genellikle gpm (ABD galonu başına dakika) veya Lpm (litre başına dakika) şeklindedir.

Hız ve akış hızı birbiriyle ilişkilidir: Büyük bir borudan bir dakikada 5 gal (18,95 L) kapasiteli bir kabı doldurmak için sıvı 10 ft/s (3,04 m/s) hızla hareket eder. Yarı çapı kadar küçük bir borudan aynı 5 gpm’lik debiyi sağlamak için sıvının hızı 20 ft/s (6,10 m/s) olmalıdır. Akış hızı aynıdır; hız farklıdır.

Şekil 2-17 Aynı debi, farklı hız. Daha küçük bir boruda sıvı, dakikada aynı hacmi geçirmek için daha hızlı hareket etmelidir.

Sürtünme ısı üretir

Hidrolik borular içinde akan sıvı, sürtünmeden dolayı ısı üretir — akış hızı ne kadar yüksekse üretilen ısı da o kadar fazla olur. Endüstriyel uygulamalarda, pompa ile aktüatör arasındaki hatlar içinde önerilen sıvı hızı 15 ft/s (4,572 m/s)’dir.

Dirsekler ısı üretir

Düz bir boru içinde akan sıvı bir dirseğe ulaştığında ani bir yön değişimi yapmak zorundadır. Sıvı molekülleri birbirleriyle ve boru duvarıyla çarpışır — bu da ısı üretir. Boru çapına bağlı olarak tek bir 90° dirsek, birkaç metrelik düz borunun ürettiği ısıya eşdeğer ısı üretebilir.

Basınç farkı

Basınç farkı, bir sistem içinde herhangi iki nokta arasındaki basınç farkıdır. Basınç farkı size iki şey söyler:

1. Bu iki nokta arasında hidrolik çalışma enerjisi (basınçlı, akan sıvı) bulunduğunu gösterir.
2. Bu, bu iki nokta arasında hidrolik enerjinin ısıya dönüşüm miktarını ölçer.

Örnek: Basınç göstergesi 1, 200 psi (13,79 bar) değerini gösterir; basınç göstergesi 2 ise 180 psi (12,41 bar) değerini gösterir. Fark = 20 psi (1,38 bar). Bu şu anlama gelir:

3. Sıvı, göstergesi 1 olan basınç ölçerinden göstergesi 2 olan basınç ölçerine doğru akar.
4. i̇ki basınç ölçer arasındaki akış sürtünmesi nedeniyle 20 psi’lik hidrolik enerji ısıya dönüştürülmüştür.

Şekil 2-19 Basınç farkı. Bu boru bölümü boyunca görülen 20 psi’lik düşüş, akışın mevcut olduğunu gösterir ve sürtünme nedeniyle kaybedilen hidrolik enerjinin miktarını belirtir.

Hidrolik Sistemlerde Isı Oluşumunu Azaltmak İçin Tasarım

Hidrolik enerjinin ısıya dönüştürülmesi, sistemin enerji kaybettiği anlamına gelir. Verimi artırmak için tasarımcılar doğru yağ viskozitesini seçmeli, boruları doğru şekilde boyutlandırmalı ve dirsek sayısı ile bağlantı elemanlarının sayısını en aza indirmelidir. Tüm bu önlemler akış direncini azaltır ve dolayısıyla ısı olarak kaybolan enerjiyi azaltır.

Şekil 2-20 Gerçek bir devrede ısı üretimi. Her boru, bağlantı elemanı, dirsek ve vana basınç düşüşüne ve enerji kaybına katkı sağlar.