مقاله در مورد طراحی سیستمهای هیدرولیک

بخشی از مقاله

طراحي سيستمهاي هيدروليك

1- پرسهاي هيدروليكي
پرسهاي هيدروليك نيروي خود را از حركت يك پيستون در داخل يك سيلندر به دست مي آورند. اين حركت زماني ايجاد ميشود كه يك سيال تحت فشار وارد محفظه سيلندر شود. وضعيت سيال توسط پمپ و شيرهائي جهت افزايش، كاهش و يا حفظ فشار به صورت مورد نياز درآمده و ميتواند نيروي لازم براي به حركت درآوردن پيستون را فراهم كند. بنابراين نيروي موجود در پرس هيدروليك با حداكثر فشار موجود در سيلندر تعيين ميشود.

پرسهاي هيدروليك قادرند تناژ كامل خود را در هر وضعيتي از حركت سيلندرها به قطعه كار اعمال نمايند. همچنين طول حركت سيلندرها را ميتوان در هر حدي از مسير حركت محدود ساخت. اين در حالي است كه در پرس هاي مكانيكي تناژ كامل را تنها در انتهاي مسير حركت ضربه زدن ميتوان كسب نمود. همچنين مسير حركت ضربه زدن در اين پرس ها مقدار ثابتي است.
ويژگيهاي پرسهاي هيدروليك را به صورت ذيل ميتوان خلاصه نمود:

1- تغيير و تنظيم سرعت كورس در حالت ايجاد نيروي ثابت
2- تنظيم نيروي وارده به ميزان مورد نياز
3- اندازه گيري و كنترل الكترونيكي نيروي وارده طي فاصله كورس
تناژ پرس
تناژ يك پرس هيدروليكي عبارت است از حداكثر نيروئي كه سيلندر اصلي آن ميتواند به قطعه كار اعمال نمايد. معمولاً براي تعيين تناژ مورد نياز پرس بايد روي رفتار قطعه كار و فرآيند اعمالي روي آن مطالعه نمود. براي مثال در برشكاري ورق، جنس آن و سطح برش نقش مهمي را در حداكثر نيروي لازم برشكاري ايفا ميكنند. در پرس كمپاكت پودر، نوع پودر، دانسيته و استحكام نهائي قطعه فاكتورهاي مهم تعيين كننده حداكثر نيروي مورد نياز ميباشند.
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 پرس كاهش مي يابد. از طرف ديگر با افزايش فشار، روغن در سيستم زودتر داغ ميكند، نشتي ها بيشتر و اصطكاك و سايش نيز افزايش مي يابد. 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.
در مجموع پس از برآوردهاي اوليه نوع كاركرد پرس، براي دستيابي به يك شرايط مطلوب كاري انتخاب يكي از فشارهاي 160, 100 يا 200 bar معمول ميباشد.
اجزاء اصلي سيستم هيدروليك پرس
سيستم هيدروليك پرسها شامل اجزاء اصلي ذيل ميباشد:
1- سيلندرهاي هيدروليك
2- پمپ
3- موتور الكتريكي
4- روغن هيدروليك
5- لوله و اتصالات
6- شيرهاي راه دهنده روغن

7- شيرآلات كنترل دبي و فشار روغن
8- مخزن روغن
در ادامه نكات مهم مربوط به طراحي، انتخاب و تعيين نوع المانهاي هيدروليك شرح داده ميشود:
نحوه انتخاب سيلندرهاي هيدروليك
در انتخاب سيلندرهاي هيدروليك موارد ذيل بايد در نظر گرفته شود:
1-حداكثر فشار كاري سيستم

رنج فشار كاري استاندارد براي المانهاي هيدروليك به صورت 600bar,500,400,315,250,200,160,100,63,40,25 ميباشد. با اينحال سازنده هاي مختلف بعضا رنجهاي محدودتر يا متنوع تري را انتخاب ميكنند. براي مثال ركسروت محدوده فشار كاري سيلندرهاي خود را به صورت 350bar,250,105 قرار داده است. فشارهاي مذكور حداكثر فشاريست كه مصرف كننده مجاز است به سيلندر اعمال نمايد.
2-قطر پيستون و ميله پيستون
ميزان نيرويي كه يك سيلندر هيدروليكي ميتواند توليد كند، تابع فشار كاري و سطح پيستون آن ميباشد. هر چه قطر پيستون بزرگتر در نظر گرفته شود نيرويي كه سيلندر ميتواند توليد كند بزرگتر خواهد بود. اين موضوع براي سطح ميله پيستون به صورت معكوس است يعني هر چه قطر ميله پيستون بيشتر باشد سطح موثر اعمال نيرو در جلوي سيلندر كاهش ميابد و سيلندر در برگشت نيروي كمتري توليد ميكند.
در جدول(1) محدوده قطرهاي مختلف براي پيستون و ميله پيستون مربوط به محصولات ركسروت نشان داده شده است. براي مثال سيلندري كه قطر پيستون آن 63mm و قطر ميله پيستون آن 28mm ميباشد در جدول به صورت 63/28 نمايش داده شده است.

جدول(1)- محدوده قطر پيستون و قطر ميله پيستون (ركسروت)

Ratio of dia. Piston rod dia. Piston dia.
32/18 18 32
40/18 18
40

40/20 20

40/25 25
40/28 28
50/22 22
50
50/28 28
50/36 36
63/28 28
63
63/36 36
63/45 45
80/36 36

80
80/45 45
80/56 56
100/45 45
100
100/56 56
100/70 70
125/56 56
125
125/70 70
125/90 90
140/90 90
140
140/100 100
150/70 70
150
150/100 100
160/100 100
160
160/110 110
200/90 90

200
200/125 125
200/140 140
220/160 160 220
250/180 180 250

3-نسبت سطح
اين ضريب به صورت زير تعريف ميگردد:

كه در آن Ap سطح پيستون و ASt سطح ميله پيستون ميباشد. براي ابعاد استاندارد پيستون و ميله پيستون ها، شش خانواده مختلف تعيين شده است. يعني با تعريف شش مقدار مختلف براي ارزش اسمي به صورت 5,2.5,2,1.6,1.4,1.25 ميتوان قطر پيستون و ميله پيستون را نسبت به هم محاسبه نمود. البته بايد توجه داشت كه با اختيار نمودن دو عدد مشخص براي قطر پيستون و ميله پيستون الزاما به اعداد ذكر شده براي دست نمي يابيم، بلكه مقادير واقعي اعدادي نزديك به ارزش اسمي ميباشند. براي مثال در خانواده ، ارزش واقعي به صورت 1.3,1.25,1.24 ميباشد. در جدول (2) مقادير مربوط به ارزش اسمي بهمراه قطر پيستون و ميله پيستون سيلندرهاي مختلف نشان داده شده است.
جدول(2)-مقادير اسمي ضريب نسبت سطح
125 100 80 63 60 50 40 32 25 dp 
56 45 36 28 25 22 18 14 12 dSt 1.25
70 56 45 36 32 28 22 18 14 dSt 1.4
80 63 50 40 36 32 25 20 16 dSt 1.6
90 70 56 45 40 36 28 22 18 dSt 2
100 80 63 50 45 40 32 25 20 dSt 2.5

110 90 70 56 55 45 - - - dSt 5

4-حداكثر نيروي سيلندر
اگرچه ظرفيت كاري سيلندرها را معمولا از رابطه محاسبه ميكنند، با اينحال بايد در نظر داشت كه تنها عوامل تعيين كننده نيروي سيلندر، فشار و سطح پيستون نمي باشند بلكه فاكتور مهمي كه آنرا نيز بايد در نظر داشت امكان ايجاد كمانش در سيلندر مي باشد. نيرويي كه تحت آن در يك سيلندر كمانش رخ مي دهد را از رابطه زير ميتوان محاسبه نمود:

كه در آن :
K : نيرويي است كه تحت آن كمانش اتفاق مي افتد(N )
Lk : طول آزاد تحت كمانش سيلندر (mm )
E : مدول الاستيسيته كه براي فولاد 2.1e5 ميباشد (N/mm2 )
I : ممان اينرسي سطح دايروي ميله پيستون كه از رابطه محاسبه ميشود.
با توجه به نيروي كمانش سيلندر، حداكثر بار مجاز كه ميتوان به يك سيلندر هيدروليك اعمال نمود از رابطه زير محاسبه مي گردد:

F : حداكثر بار مجاز اعمالي به سيلندر (N )
K : نيروي كمانش سيلندر (N )

S : ضريب اطمينان (3.5 )
5-طول كورس سيلندر
مهمترين عامل در محدود نمودن طول كورس سيلندر امكان ايجاد كمانش در آن ميباشد. يعني به ازاء قطر پيستون ، قطر ميله پيستون و فشار كاري مشخص، مجاز به انتخاب محدوده خاصي از طول كورسها مي باشيم. در حالت كلي محدوده طول كورس نزديك به صفر تا حدود 10m را ميتوان برگزيد. ولي بايد توجه داشت كه در يك فشار كاري و سايز بخصوص امكان انتخاب هر طول كورسي نخواهد بود و شايد در تعيين قطر سيلندر مجبور به انتخاب سايز بزرگتري باشيم. مثلا در فشار كاري 80bar براي داشتن طول كورس 1.5m نمي توان سيلندر 63/28 را انتخاب نمود بلكه مثلا بايد

سيلندر 63/48 را برگزيد كه اين انتخاب روي نيرو و سرعت برگشت سيلندر تاثير ميگذارد.
6-حداكثر سرعت سيلندر
در يك سيلندر بدون بالشتك حداكثر سرعت پيستون به صورت طبيعي 8m/min ميباشد. اين مقدار براي سيلندرهاي بالشتكي تا 12m/min افزايش مي يابد. در مجموع، حداكثر سرعت كاري سيلندرها در سيستمهاي هيدروليكي معمولا0.5 m/sec ميباشد. البته بسته به نوع كار، ممكن است حداكثر سرعت 0.25 m/sec و يا مقادير ديگر انتخاب شوند. همچنين بايد توجه داشت كه سرعت سيلندر تابع اندازه پورتهاي ورود و خروج روغن به آن نيز ميباشد.
7-نحوه نصب سيلندر
سيلندرهاي هيدروليكي را بسته به نوع كاربرد به يكي از صورتهاي زير بر روي فريم نصب مينمايند:
1- Swivel clevis at cylinder cap
2- Fork clevis at cylinder cap
3- Rectangular flange at cylinder head
4- Square flange at cylinder head
5- Rectangular flange at cylinder cap
6- Square flange at cylinder cap

7- Trunion mounting at cylinder head
8- Trunion mounting at center of cylinder
9- Trunion mounting at cylinder cap
10- Foot mounting
11- Threaded holes in cylinder head and cap
12- Extended tie rods at cylinder head
13- Extended tie rods at cylinder cap

14-Plain clevis at cylinder cap
8- وجود ضربه گير
چنانچه طول كورس سيلندر طويل و وزني كه با خود همراه ميبرد سنگين و سرعت آن بيش از حدود 0.1 m/sec باشد، وزن موجود در اثر سرعت زياد باعث توليد انرژي جنبشي شديدي مينمايد. براي آنكه اين انرژي باعث خرابي سيلندر نشود بايستي توسط ضربه گير يا بالشتك در انتهاي كورس مانع ايجاد ضربه گرديم.
9- نوع و كاربرد سيلندر
هيدرو سيلندرها داراي انواع گوناگوني ميباشند كه بسته به نوع كاربرد بايد آنها را انتخاب نمود. انواع سيلندرها به صورت زير ميباشد:
سيلندرهاي با حركت خطي به صورت يككاره (يكطرفه : بدون فنر برگشت، با فنر برگشت، پلانجر وتلسكوپي) و دوكاره(يكطرفه و دو طرفه) ميباشند. سيلندرهاي با حركت دوراني به صورت چرخ و دندانه يا پره اي ميباشند.
فرمولهاي محاسباتي مربوط به سيلندرها

AK : مساحت موثر پيستون (Cm2)
ASt : مساحت موثر دسته پيستون (Cm2)
AR : مساحت حلقوي پيستون (Cm2)
d1 : قطر پيستون (Cm)
d2 : قطر دسته پيستون (Cm)

FE : نيروي فشاري (رفت) (N)
P : فشار كاري (Mpa)
AK : مساحت موثر پيستون (mm2)

FE : نيروي فشاري (رفت) (N)
P : فشار كاري (bar)
AK : مساحت موثر پيستون (Cm2)

FE : نيروي فشاري (رفت) (Kgf)
P : فشار كاري (bar)
AK : مساحت موثر پيستون (Cm2)

FE : نيروي فشاري (رفت) (KN)
P : فشار كاري (bar) يا (daN / Cm2 )
AK : مساحت موثر پيستون (Cm2)

FR : نيروي فشاري (برگشت) (KN)
P : فشار كاري (bar) يا (daN / Cm2 )
d1 : قطر پيستون (mm)
d2 : قطر دسته پيستون (mm)

VE : سرعت رفت جك (m/sec)
VR : سرعت برگشت جك (m/sec)
QP : دبي حجمي پمپ با در نظر گرفتن اتلاف ناشي از نشت (Lit/min)
AK : مساحت موثر پيستون (Cm2)
AR : سطح حلقوي پيستون (Cm2)
cvol η : راندمان حجمي سيلندر

tE : زمان كورس (رفت جك) (Sec)
tR : زمان برگشت جك (Sec)
AK : مساحت موثر پيستون (Cm2)
AR : سطح حلقوي پيستون (Cm2)
L : طول كورس جك (mm)
QP : دبي حجمي پمپ با در نظر گرفتن اتلاف ناشي از نشت (Lit/min)
نحوه انتخاب پمپهاي هيدروليك
اولين مرحله در انتخاب مدار تغذيه و تعيين پمپ مناسب براي يك كاربرد معين در سيستمهاي هيدروليك، بررسي تقاضاهاي فشار/جريان در مدار است. ابتدا منحني هاي جريان و فشار در يك سيكل زماني بايد بررسي شود. سپس همزماني مصرف درالمانهاي مختلف تعيين گردد. بدين نحو حداكثر جريان مورد نياز مشخص ميگردد. براي تعيين يك مدار تغذيه مناسب به موارد ذيل بايد توجه نمود:
1- در سايزينگ پمپ ها در عمل بايد (10 % ) به دبي تعيين شده از طريق محاسبات تئوريك اضافه نمود.
2- در انتخاب شير اطمينان (فشار شكن)، فشار تنظيمي بايد (10 % ) بيشتر از فشار كاري سيستم باشد.
هر دو مورد (1) و (2) باعث ميشود توان بيشتري در سيستم هيدروليك تزريق شود.
3- اگر دبي پمپ در يك دور مشخص ( مثلا 1500 rpm ) ارائه شده باشد، براي بدست آوردن دبي پمپ در دور كاري (مثلا 1440 rpm ) از رابطه زير ميتوان استفاده نمود:

كه در آن :
n1: دور تئوريك دوران پمپ (rpm )

n2 : دور كاري ( rpm)
: دبي پمپ در دور تئوريك ( lit/min )
: دبي پمپ در دور كاري ( lit/min )

1-Fixed Displacement Gear Pumps
در انتخاب پمپهاي دنده اي با جابجايي ثابت موارد ذيل بايد در نظر گرفته شود:
1-قطر دهانه هاي پمپ
قطر دهانه ورودي براي اتصال به خط مكش و دهانه خروجي براي اتصال به خط فشار، بايد مشخص گردد. اين مشخصه تحت عنوان Pipe Connection ارائه ميگردد و براي مثال اعداد 2,11/2,11/4,1,3/4,1/2 اينچ ميتواند باشد.
2-فشار كاري در خروجي پمپ
اين مشخصه تحت عنوان Operating Pressure-Outlet و با واحد bar ارائه ميشود و نشانگر ماكزيمم فشاري است كه پمپ قادر به ايجاد آن ميباشد. البته لازم به يادآوري است كه پمپها ايجاد جريان ميكنند و قرار گرفتن يك مانع در برابر اين جريان، باعث ايجاد فشار ميگردد. فشار كاري معمول براي پمپ هاي دنده أي به صورت 250,225,200,175,150,100,50,10 بار ميباشد.

3-فشار كاري در ورودي پمپ

اين مشخصه تحت عنوان Operating Pressure-Inlet و با واحدbar ارائه ميشود و نشانگر محدوده قابل قبول براي اعمال فشار در ورودي پمپ ميباشد. ورودي پمپ را به خط مكش وصل مينمايند كه توسط آن روغن از منبع به سمت پمپ مكيده ميشود. در حقيقت مكش فقط يك كلمه است كه براي نشان دادن سمت روغن گيري پمپ بكار ميرود. اصولا مايعات قابل كشيده شدن نيستند بلكه فقط با نيروي فشار خارجي هل داده ميشوند.

قدرت كشش يك پمپ بستگي به ميزان اختلاف فشار سمت مكش پمپ و فشار هواي روي سطح مايع دارد. بنابراين حتي اگر يك پمپ بتواند توليد خلا مطلق كند، مقدار ارتفاع كشش مايع آن از حداكثر نيروي فشار جو تجاوز نميكند و حد نهايي ارتفاع كشش را حداكثر فشار وارده بر سطح مايع از طرف هواي بيرون تعيين ميكند و به قدرت پمپ بستگي ندارد از اين رو ارتفاع مكش پمپها محدود ميباشد و هر چه پمپ نزديكتر به سطح مايع نصب شود، مايع راحت تر و آسان تر به سمت پمپ رانده ميشود و احتمال ايجاد كاويتاسون كمتر ميشود. به طور معمول فشار كاري در ورودي پمپ ها بين –0.3bar و +1.5bar ميتواند باشد.
4-سرعت دوران پمپ
ميزان دبي حجمي روغن كه توسط پمپ ايجاد ميگردد، تابع سرعت دوران آن ميباشد. اين سرعت براي پمپها ي مختلف عددي متغير است. براي مثال بعضي پمپها را ميتوان با دوري بين 500rpm و 5000rpm به دوران واداشت. با اينحال معمولا" مشخصات اصلي پمپها را در دور بخصوصي (1450rpm) ارائه ميكنند.
5-حجم جابجايي روغن
هر پمپ بسته به سرعت دوران خود به ازاء هر دور چرخش چرخدنده ها، مقدار معيني از روغن را جابجا ميكند. واحدي كه براي بيان حجم جابجايي بكار ميرود معمولا cm3/rev ميباشد. حجم جابجايي عددي است كه تابع مشخصات ابعادي چرخدنده ها مانند قطر، مدول، پهنا، . . . و همچنين سرعت دوران پمپ ميباشد. رنج معمول حجم جابجايي بين 3.5 و100 ليتر بر دور ميباشد.
6-دبي موثر

دبي موثر توليدي توسط يك پمپ باعبارت Qeff مشخص ميگردد ومقدار آن در يك سرعت دوران، ويسكوزيته و دماي كاري بخصوص تعريف ميگردد. براي مثال در دور n=1450 rpm ،ويسكوزيته =36 cSt و دماي كاري t=50C ، ميزان دبي موثر را براي يك پمپ بر حسب lit/min تعيين مينمايند. به طور معمول محدوده دبي موثر يك پمپ دنده أي بين 2 تا 150 ليتر بر دقيقه ميباشد.
7-توان موتور راننده پمپ
پمپهاي هيدروليك معمولا توسط الكترو موتور بكار انداخته ميشوند. توان موردنياز براي دوران پمپ نيز بستگي به سرعت دوران، دماي كاري و ويسكوزيته روغن دارد. در اين مورد نيز معمولا توان مورد نياز را در دور n=1450 rpm ،ويسكوزيته =36 cSt و دماي كاري t=50C ، بر حسب KW تعيين مينمايند. محده توان مورد نياز براي پمپ دنده أي بين 1 تا 38 كيلو وات ميباشد.
8-دماي كاري روغن
براي آنكه پمپ به صورت موثر بتواند دبي مورد نياز را تامين نمايد، دماي روغن در حال انتقال بايد در محدوده مشخصي قرار داشته باشد. اين محدوه براي روغن هاي معدني بين -20 تا +70 ميباشد.
9-درجه ويسكوزيته
روغني كه پمپ ميتواند به صورت موثر منتقل نمايد بايد داراي درجه چسپندگي بخصوصي باشد. رنج ويسكوزيته معمول براي پمپ هاي دنده اي بين 5 تا 300 سانتي استوك ميباشد.

10-فيلتراسيون
حداكثر ابعاد ذرات خاجي كه اجازه ورود به پمپ را دارند بايد توسط يك عدد مشخص نمود و سپس ذرات با ابعاد بزرگتر را توسط فيلتر مناسب جمع آوري نمود و مانع ورود آنها به پمپ گرديد. بزرگترين ابعاد ذرات خارجي كه اجازه ورود به پمپ را دارند معمولا كوچكتر از 25m ميباشد.
فرمولهاي محاسباتي مربوط به پمپ ها

QP : دبي حجمي پمپ با در نظر گرفتن اتلاف ناشي از نشت (Lit/min)
V : حجم جابجائي (cm3/rev)
n : سرعت دوراني پمپ (rev/min)
pvol η : راندمان حجمي پمپ

t η : راندمان كلي (t = 0.85~0.95 η)
mech η : راندمان مكانيكي
pvol η : راندمان حجمي (pvol = 0.95 η)

PEM : توان موتور راننده پمپ (KW)
QP : دبي حجمي (Lit/min)
P : فشار كاري (bar )
t η : راندمان كلي

QP : دبي حجمي پمپ با در نظر گرفتن اتلاف ناشي از نشتي (Lit/min)
Qth : دبي حجمي نظري پمپ (Lit/min)
pvol η : راندمان حجمي با در نظر گرفتن نشتي
شيرهاي هيدروليك
1- شيرهاي قطع و وصل
اين شيرها به منظور قطع و وصل جريان مايعات استفاده ميشوند. مكانيزم كار اين شيرها ميتواند به صورت نشستني يا كشويي باشد. شير قطع و وصل ميتواند عبور جريان را به صورت غير پله أي كم و زياد نمايد.
2- شيرهاي كنترل فشار
شيرهاي كنترل فشار وسيله أي در سيستم هاي هيدروليك ميباشند كه توسط آنها ميتوان فشار سيستم را تعيين، محدود و يا كاهش داد و بطور كل فشار سيستم تحت تاثير آنها قرار ميگيرد.
2-1) شير محدود كننده فشار
اين شير براي محدود كردن فشار سيستم هاي هيدروليكي كه بر اساس يك حداكثر ميزاني تعيين گرديده است، بكار گرفته ميشود و ميتواند سيستم را از ازدياد فشارهايي كه در اثر ازدياد بار در سيستم پديد ميايد، حفظ نمايد. حداكثر فشار تنظيم شده در اين شير معمولا بيش از حداكثر فشار كاري مصرف كننده ميباشد.