بخشی از مقاله
مقدمه اي بر هيدروليك و پنوماتيك
امروزه در بسياري از فرآيندهاي صنعتي ، انتقال قدرت آن هم به صورت کم هزينه و با دقت زياد مورد نظر است در همين راستا بکارگيري سيال تحت فشار در انتقال و کنترل قدرت در تمام شاخه هاي صنعت رو به گسترش است. استفاده از قدرت سيال به دو شاخه مهم هيدروليک و نيوماتيک ( که جديدتر است ) تقسيم ميشود .
توسعه علم هيدروليك زماني شروع شد كه پاسكال دانشمند فرانسوي قوانين مربوط به فشار را كشف كرد(1650 ميلادي) و هيدروليك را به عنوان يك علم نوين پايه گذاري نمود. از آن تاريخ به بعد دوران شكوفايي هيدروليك پديد آمد و اين علم به نحو چشمگيري وارد بازار گرديد.
هيدروليك فن آوري توليد، كنترل و انتقال قدرت توسط سيال تحت فشار است. بطور كلي يك سيستم هيدروليك چهار كار اساسي انجام ميدهد:
• تبديل انرژي مكانيكي به قدرت سيال تحت فشار بوسيله پمپها
• انتقال سيال تا نقاط مورد نظر توسط لوله ها و شلنگها
• كنترل فشار، جهت و جريان سيال توسط شيرها
• انجام كار توسط عملگرها
از نيوماتيک در مواردي که نيروهاي نسبتا پايين (حدود يک تن) و سرعت هاي حرکتي بالا مورد نياز باشد (مانند سيستمهايي که در قسمتهاي محرک رباتها بکار مي روند) استفاده ميکنند در صورتيکه کاربردهاي سيستمهاي هيدروليک عمدتا در مواردي است که قدرتهاي بالا و سرعت هاي کنترل شده دقيق مورد نظر باشد(مانند جک هاي هيدروليک ، ترمز و فرمان هيدروليک و...).
حال اين سوال پيش ميايد که مزایای يک سیستم هيدروليک نسبت به ساير سیستمهای مکانیکی يا الکتریکی چیست؟در جواب مي توان به موارد زير اشاره کرد:
1.طراحی ساده
2.قابلیت افزایش نیرو
3. سادگی و دقت کنترل
4. انعطاف پذيري
5. راندمان بالا
6.اطمینان
در سیستم هاي هيدروليک نسبت به ساير سیستمهای مکانیکی قطعات محرک کمتری وجود دارد و میتوان در هر نقطه به حرکتهای خطي يا دوراني با قدرت بالا و کنترل مناسب دست يافت ، چون انتقال قدرت توسط جريان سيال پر فشار در خطوط انتقال (لوله ها و شيلنگ ها) صورت ميگيرد ولي در سيستمهاي مکانيکي ديگر براي انتقال قدرت از اجزايي مانند بادامک ، چرخ دنده ، گاردان ، اهرم ، کلاچ و... استفاده ميکنند.
در اين سيستمها ميتوان با اعمال نيروي کم به نيروي بالا و دقيق دست يافت همچنين ميتوان نيرو هاي بزرگ خروجي را با اعمال نيروي کمي (مانند بازو بسته کردن شيرها و ...) کنترل نمود.
استفاده از شيلنگ هاي انعطاف پذير ، سيستم هاي هيدروليک را به سيستمهاي انعطاف پذيري تبديل ميکند که در آنها از محدوديتهاي مکاني که براي نصب سيستمهاي ديگر به چشم مي خورد خبري نيست. این سيستم ها به خاطر اصطکاک کم و هزينه پايين از راندمان بالايي برخوردار هستند همچنين با استفاده از شيرهاي اطمينان و سوئيچهاي فشاري و حرارتي ميتوان سيستمي مقاوم در برابر بارهاي ناگهاني ، حرارت يا فشار بيش از حد ساخت که نشان از اطمينان بالاي اين سيستمها دارد
.
طرز کار سیستم :
اکنون که به مزاياي سيستم هاي هيدروليک پي برديم به توضيح ساده اي در مورد طرز کار اين سيستمها خواهيم پرداخت.
براي انتقال قدرت به يک سيال تحت فشار (تراکم پذير يا تراکم ناپذير) احتياج داريم که توسط پمپ هاي هيدروليک ميتوان نيروي مکانيکي را تبديل به قدرت سيال تحت فشار نمود. مرحله بعد انتقال نيرو به نقطه دلخواه است که اين وظيفه را لوله ها، شيلنگ ها و بست ها به عهده ميگيرند .
بعد از کنترل فشار و تعيين جهت جريان توسط شيرها سيال تحت فشار به سمت عملگرها (سيلندرها يا موتور هاي هيدروليک ) هدايت ميشوند تا قدرت سيال به نيروي مکانيکي مورد نياز(به صورت خطي يا دوراني ) تبديل شود.
اساس کار تمام سيستم هاي هيدروليکي و نيوماتيکي بر قانون پاسکال استوار است.
قانون پاسکال:
قانون پاسكال پايه هيدروليك نوين است. اين قانون بيان ميكند كه فشار وارده به هر نقطه از يك مايع محدود بطور مساوي در تمام جهات منتقل شده و با نيروي مساوي بر رو سطوح مساوي اثر ميكند.
1. فشار سرتاسر سيال در حال سکون يکسان است .(با صرف نظر از وزن سيال)
2. در هر لحظه فشار استاتيکي در تمام جهات يکسان است.
3. فشار سيال در تماس با سطوح بصورت عمودي وارد ميگردد.
همانطور که در شکل زیر مي بينيد يک نيروي ورودي ۱۰۰۰۰۰نیوتنی نيوتني ميتواند نيروي مورد نياز چهار سيلندر ديگر را تامين کند.
يا در شکل زير داريم:
قوانين پايه در هيدروليك:
• سيال تحت فشار همواره مسير با مقاومت كمتر را براي عبور انتخاب ميكند
• پمپ توليد دبي ميكند نه فشار
• فشار تنها در برابر مقاومت يك مانع ايجاد ميشود
اصول كليدي فوق اگرچه ساده به نظر ميرسند ولي پايه واساس علم هيدروليك ميباشند. با داشتن درك صحيحي از اين قوانين به راحتي ميتوان حركت سيال در خطوط انتقال را دنبال و عملكرد سيستم را تحليل نمود.
فشار
فشار نتيجه مقاومت در مقابل حركت سيال ميباشد. براي محاسبه رياضي فشار، نيرو را بر سطح تقسيم مينمايند. واحد فشار "بار" ميباشد. در هيدروليك عملي معمولا كيلوگرم بر سانتي متر مربع برابر يك بار است. براي مثال اگر نيروي مقاوم در يك سيلندر هيدروليك با قطر پيستون 20cm برابر 5000kgf باشد، فشار ايجاد شده در پشت سيلندر از رابطه زير حساب ميشود:
Pressure (bar)=Force( kgf)/Area (cm2)
diameter=10cm >> Area=314cm2 >> pressure= 5000/314=15.9 bar
تعيين فشار كاري سيستم
براي تعيين سطح فشار در يك سيستم هيدروليك بايد در نظر داشت كه با بالا بردن فشار ميتوان از المانهاي هيدروليكي كوچكتري براي رسيدن به تناژ مورد نظر، استفاده نمود. همچنين قطر لوله ها را ميتوان كوچكتر انتخاب نمود. در نتيجه، هزينه ساخت سیستم كاهش مي يابد. از طرف ديگر با افزايش فشار، دماي روغن در سيستم زودتر افزايش ميابد، نشتي ها بيشتر و اصطكاك و سايش نيز افزايش ميابد. در نتيجه فاصله انجام سرويس ها بايد كوتاهتر شود. همچنين نويز و پيكهاي فشاري نيز افزايش يافته و خواص مطلوب ديناميكي سيستم كاهش مي يابد.
نماد عناصر هيدروليك
احتياج روز افزون صنايع به تكنيك مهندسي كنترل و پيدايش و توسعه وسائل و ابزاريكه مورد كاربرد اين چنين سيستمهاي كنترلي قرار ميگيرد، ايجاب ميكند آن وسايل و قطعات از نقطه نظر نحوه كار و وظيفه شان در سيستم داراي علائم واحد و يا استاندارد شده اي باشند، كه هم طراحان بتوانند سريعتر و راحت تر طرح خود را پياده كنند و هم پرسنل مرتبط با چنين سيستمهايي بتوانند طرح مزبور را سريع تر و راحت تر بخوانند و با دستگاه كار كنند.
مجموعه يك صفحه اي از نمادهاي المانهاي پركاربرد هيدروليك
کار سيستمهاي نيوماتيک مشابه سيستم هاي هيدروليک است فقط در آن به جاي سيال تراکم ناپذير مانند روغن از سيال تراکم پذير مانند هوا استفاده مي کنند . در سيستمهاي نيوماتيک براي دست يافتن به يک سيال پرفشار ، هوا را توسط يک کمپرسور فشرده کرده تا به فشار دلخواه برسد سپس آنرا در يک مخزن ذخيره مي کنند، البته دماي هوا پس از فشرده شدن بشدت بالا ميرود که مي تواند به قطعات سيستم آسيب برساند لذا هواي فشرده قبل از هدايت به خطوط انتقال قدرت بايد خنک شود. به دليل وجود بخار آب در هواي فشرده و پديده ميعان در فرايند خنک سازي بايد از يک واحد بهينه سازي براي خشک کردن هواي پر فشار استفاده کرد.
اکنون بعد از آشنايي مختصر با طرز کار سيستمهاي هيدروليکي و نيوماتيکي به معرفي اجزاي يک سيستم هيدروليکي و نيوماتيکي مي پردازيم.
اجزاي تشکيل دهنده سيستم هاي هيدروليکي:
1- مخزن : جهت نگهداري سيال
2- پمپ : جهت به جريان انداختن سيال در سيستم که توسط الکترو موتور يا 3- موتور هاي احتراق داخلي به کار انداخته مي شوند.
4- شيرها : براي کنترل فشار ، جريان و جهت حرکت سيال
5- عملگرها : جهت تبديل انرژي سيال تحت فشار به نيروي مکانيکي مولد کار(سيلندرهاي هيدروليک براي ايجاد حرکت خطي و موتور هاي هيدروليک براي ايجاد حرکت دوراني).
شکل يک سيستم هيدروليکي را نشان ميدهد.
شکل زير يک سيستم نيوماتيکي را نشان ميدهد:
اجزاي تشکيل دهنده سيستم هاي نيوماتيکي:
1- کمپرسور
2- خنک کننده و خشک کننده هواي تحت فشار
3- مخزن ذخيره هواي تحت فشار
4- شيرهاي کنترل
5- عملگرها
