هیدرولیک

هیدرولیک

فصل اول : اصول اولیه

۱-۱( مقدمه

ريشه كلمه”هیدرولیك” از زبان يوناني برگرفته شده است .هیدرو در زبان يوناني به معني” آب”  مي باشد و هیدرولیك يعني هر آنچه با آب در ارتباط است.

امروزه هیدرولیك به ا نتقال نیرو،  كنترل نیرو و حركت توسط مايعات اطلاق مي شود.

به بیان فني تر ،هیدرولیك علمي است كه در آن تولید ،تبديل و انتقال انرژي توسط خواص هیدرواستاتیك و هیدرودينامیك سیالات مورد بررسي قرار مي گیرد.

سیال مورد استفاده در صنعت هیدرولیك معمولاً روغن معدني مي باشد ،هر چند از روغن هاي تركیبي ،آب و يا امولسیون آب و روغن نیز مي توان استفاده كرد.

علم هیدرومكانیك )انرژي مكانیكي سیال( به دو دسته اصلي تقسیم مي شود :

  • هیدرواستاتیك :

در مورد مكانیك سیال ساكن بحث مي كند )تئوري تعادل سیال ساكن( . به عنوان مثال انتقال نیرو در هیدرولیك  ،در حوزه هیدرواستاتیك بحث مي گردد.

  • هیدرودينامیك :

در مورد مكانیك سیال جاري بحث مي كند )تئوري جريان( .به عنوان مثال تبديل انرژي در توربین هاي نیروگاه ها ، در حوزه هیدرودينامیك بحث مي گردد.

شكل) ۱-۱( مراحل تبديل انرژي در يك واحد هیدرولیكي را نشان مي دهد.

شكل) ۱-۱( تبديل انرژي در يك واحد هیدرولیكي

 

 

روش هاي مختلفي علاوه بر روش هیدرولیكي براي انتقال انرژي وجود دارد . به عنوان مثال :

  • روش هاي مكانیكي: چرخ دنده ،شافت ،میل لنگ و…
  • روش هاي الكتريكي: موتور هاي الكتريكي ، تقويت كننده ها[۱] و…
  • روش هاي پنوماتیكي: مشابه روش هیدرولیكي است با اين تفاوت كه سیال عامل هوا مي باشد.

 

                                                        

هر كدام از روش هاي فوق موارد كاربرد خود را دارند .هر چند در برخي حالات ممكن است كه از تركیب چند روش با هم استفاده گردد.

 

مقايسه ي روش هاي مختلف انتقال انرژي در جدول) ۱-۱( صورت گرفته است.

 

جدول) ۱-۱ (-مقايسه روش هاي انتقال انرژي

هیدرولیكي پنوماتیكي الكتريكي مكانیكي
منبع انرژي )محرک[۲]( موتور الكتريكي موتوراحتراق داخلي  انباره موتور الكتريكي موتوراحتراق داخلي مخازن هوا منبع تغذيه باطري

 

موتور الكتريكي موتور احتراق داخلي نیروي و زن و فنر
تجهیزات انتقال انرژي لوله ها

شیلنگ ها

لوله ها

شیلنگ ها

كابل  میدان مغناطیسي قطعات مكانیكي        ) اهرم ، شفت و… (
حامل هاي انرژي مايعات هوا الكترون ها قطعات صلب و الاستیكي
چگالي نیرو بزرگ

فشار هاي بالا

نسبتا كوچك فشار هاي پايین توان

كوچك ،  وزن  موتور الكتريكي ۱٫۱ موتور هیدرولیكي است.

بزرگ ، گستردگي سايز ها و حق انتخاب نسبت به هیدرولیك محدودتر است
كنترل غیر پله اي )پیوسته( بسیار خوب ، از طريق كنترل دبي و فشار خوب ، از طريق كنترل دبي و فشار بسیار عالي ، از طريق كنترل مدار باز و مدار بسته خوب
انواع خروجي هاي ممكن خطي و دوراني  سیلندر ها و موتور ها خطي و دوراني  سیلندر ها و موتور ها حركت دوراني اولیه حركت خطي با

سلونوئید)نیرو و كورس كم(

خطي و دوراني

 

 

 

۱-۲ ( كمیت هاي فیزيكي

  • جرم : كمیتي براي مقدار ماده است .واحد آن كیلوگرم (kg) مي باشد ،كه نیروي وزني معادل ۱kg F روي زمین ايجاد مي كند.
  • وزن: نیروي ناشي از جاذبه بر روي اجسام است.

قانون نیوتن در معادله ۱-۱ آمده است :

F = m.a      )۱-۱

شتاب × جرم = نیرو F= kg × m/s² براي محاسبه وزن ،طبق معادله ۱-۲ ،  بايد شتاب ثقل جاذبه زمین” g” ،  به جاي شتاب “a” در فرمول ۱-۱ قرار گیرد.

F = m.g

)۲-۱

                                                        

يك كیلوگرم نیرو به شرح زير است:

۱ Kg f = 1kg × ۹٫۸۱ m/s²=۹٫۸۱ kg.m/s²

 

در استاندارد SI واحد نیرو ،نیوتن (N) است .

۱ N =1 kg × ۱m/s² =۱ kg.m/s²     =>      ۱ kgf = 9.81 N  : در عمل رابطه زير كفايت مي كند

۱ kgf = 10N

 

 فشار : نیروي عمودي وارده بر سطح است. معادله ۱-۳ جهت محاسبه فشار مي باشد.

 

F

P = A            )۳-۱    P =           (bar)فشار

F =     (daN)نیرو

A =    (cm²)سطح

 

يكي از واحد هاي فشار bar مي باشد:

۱kg.f

۱٫bar = cm2

از آنجا كه واحد نیوتن براي نیرو به كار مي رود ،در نتیجه:

۱ bar = 10 N/cm²

۱kg.f

۱٫bar = cm2

چنانچه واحدهاي N براي نیرو و m² براي سطح طبق استاندارد SI استفاده شوند ،واحد پاسكال (Pa) براي فشار بدست خواهد آمد.

۱ Pa = 1 N/m²  با توجه به كوچك بودن واحد Pa  ،واحد bar كاربردي تر مي باشد.

۱bar = 100.000  Pa

 

واحد فشار در سیستم آمريكايي) Psi ، )US مي باشد.

۱bar = 14.5  Psi

در هیدرولیك فشار كاري را معمولاًا با P نشان مي دهند كه به صورت نسبي است .و معادل اختلاف فشار مطلق و فشار اتمسفر مي باشد.

 

۱-۳( هیدرو استاتیك) مكانیك سیال ساكن

۱-۳-۱( فشار ناشي از وزن سیال

فشار ناشي از وزن سیال در يك عمق مشخص از آن مي باشد. .اين فشار با ارتفاع ستون مايع(h) ،چگالي(ρ) و شتاب جاذبه (g) متناسب است و به سطح مقطع ظرف در آن عمق وابسته نیست.رابطه ۱-۴ جهت محاسبه اين فشار مورد استفاده قرار مي گیرد.

P = ρ . g . h           )۴-۱

شكل)۱-۳( فشار هیدرواستاتیكي ناشي از وزن

با توجه به شكل ديده مي شود كه در مخازن روغن با اشكال مختلف كه با سیال يكساني پر شده اند ،فشار روي يك سطح معین تنها به ارتفاع مايع بستگي دارد. يعني در ارتفاع يكسان :

P1 = P2 = P3

اگر فشاري كه در شكل بالا نشان داده شده است در سطوح يكساني اعمال شود (۳A1 = A2 = A) ، نیروهاي ناشي از آن نیز برابر خواهند بود.

F1 = F2 = F3

۱-۳-۲( فشار ناشي از نیروي خارجي) قانون پاسكال(

هرگاه نیروي F بر يك مايع محبوس اعمال شود )شكل۱-۴( فشار در مايع پديد مي آيد .اين فشار به مقدار نیروي عمودي اعمال شده بر سطح A بستگي دارد.

F  P=

A

P : (bar)   F : (daN)

A: (cm²)

فشار بر تمام سطوح به طور يكسان و همزمان اعمال مي شود ،بنابراين مقدار آن در تمام نقاط برابر است .اين امر با چشم پوشي از نیروي جاذبه زمین صحیح و معتبر است.

با توجه به فشار كاري بالا براي سیستم هیدرولیك مي توان از فشار ناشي از وزن صرف نظر كرد .توجه داشته باشید كه فشار ناشي از ۱۱ متر ارتفاع آب معادل ۱bar است.

۱-۳-۳( انتقال نیرو در هیدرولیك

از آنجا كه فشار به طور يكسان در تمام جهات اعمال مي شود ،شكل هندسي مخزن مهم نمي باشد.

به منظور استفاده از فشار ايجاد شده بر اثر اعمال نیروي خارجي ، از سیستم شكل)۱-۵( استفاده مي كنیم.

اگر چنانچه سطح ۱A را توسط نیروي۱F تحت فشار قرار دهیم ،فشاري معادل ۱P=A ايجاد مي شود .فشارP  در تمام

قسمت هاي سیستم  اثر مي كند ،نیروي حاصل از اين فشار در سطح ۲A )نیروي بالا برنده بار( طبق رابطه ۱-۵ محاسبه    مي شود.

همانگونه كه در رابطه بالا ديده مي شود ،نسبت نیروها با نسبت سطوح برابرند.

فشار در چنین سیستمي همواره به مقدار بار و سطح موثر ، بستگي دارد .اين بدان معني است كه  فشار سیستم ، تا حدي كه باعث غلبه بر بار اعمالي شود ، افزايش مي يابد.

اگر امكان دستیابي به فشار لازم جهت غلبه بر بار ۲F ) از طريق سطح ۲A ( ،توسط نیروي۱F با سطح ۱A وجود داشته باشد ،در آن صورت بار ۲F مي تواند بالا برود) با فرض اينكه تلفات ناشي از اصطكاک لحاظ نشود(.

نسبت بین جابه جايي هاي ۱S2,S كه توسط دو پیستون طي مي شود با نسبت بین سطوح ۱A2 ,A رابطه عكس دارد)رايطه

۱S2 = A كار اعمالي به پیستون اول (۱W)  ،برابر با كار انجام گرفته روي پیستون دوم ( ۲W) مي باشد.

همانطوريكه در شكل )۱-۶( ديده مي شود ،دو پیستون با اندازه هاي متفاوت به طور صلب به يكديگر متصل شده اند .اگر۱A تحت فشار ۱P قرار گیرد ،نیروي ۱F در پیستون بزرگتر پديد مي آيد .نیروي ۱F از طريق شافت به پیستون كوچكتر انتقال   مي يابد .اين نیرو كه اكنون بر سطح ۲A اعمال مي شود فشار ۲P را پديد مي آورد) شكل ۱-۶(  روابط زير بدون در نظر گرفتن تلفات ناشي از اصطكاک معتبر است :

همانگونه كه ديده مي شود،  نسبت فشارهاي ۱P2 ,P با نسبت سطوح ، رابطه عكس دارد.)رابطه ۱-۹(

۱-۴( هیدرودينامیك) مكانیك سیال جاري

۱-۴-۲( قانون بقاء انرژي)معادله برنولي

انرژي كل جريان سیال تا هنگامیكه انرژي از بیرون وارد نشود يا به بیرون نشت نكند ثابت است و تغییر نمي كند.

انرژي كل سیال تشكیل شده است از:

الف( انرژي پتانسیل : انرژي ناشي ارتفاع سیال در يك میدان گرانشي است.

ب( انرژي فشاري : انرژي ناشي از فشار هیدرواستاتیكي است.

ب( انرژي جنبشي :  انرژي حركتي مايع كه با سرعت جريان متناسب است.

 

فشار استاتیك      😛st

فشار ناشي از وزن ستون سیال ρ.g.h:

ρ     ۲

فشار ناشي از سرعت جريان             :V .

۲

با در نظر گرفتن قانون پیوستگي و معادله انرژي نتايج زير حاصل مي شود:

اگر سرعت افزايش يابد) با كاهش سطح مقطع جريان( انرژي جنبشي،  افزايش مي يابد .از آنجا كه انرژي كل ثابت         است  ،انرژي پتانسیل يا انرژي فشاري و يا هر دو بايد تغییر كنند.

در عمل با كاهش قطر و ثابت بودن سطح سیال) انرژي پتانسیل گرانشي(  ، كاهش انرژي فشاري را خواهیم داشت.

شكل)۱-۸( تغییرات ستون مايع )انرژي فشاري( با قطر مقطع لوله

از آنجائي كه سرعت و ارتفاع جريان در سیستم هیدرولیكي،  بسیار پايین است ،انرژي فشاري) فشار استاتیكي( عامل اصلي انتقال نیرو به شمار مي رود.

 

۱-۴-۳( اتلاف انرژي توسط اصطكاک

اگر در خط لوله ، سیال ساكن باشد ، فشار در تمام طول لوله يكسان است اما اگر سیال در لوله جريان داشته باشد ، به دلیل اصطكاک ، مقداري از انرژي به صورت گرما هدر مي رود و باعث كاهش فشار مي شود).شكل ۱-۹(

 

انرژي هیدرولیكي نمي تواند بدون تلفات منتقل شود .مقدار تلفات ناشي از اصطكاک با پارامترهاي زير متناسب است :

  • طول لوله
  • زبري ديواره لوله
  • تعداد خم هاي لوله
  • قطر لوله
  • سرعت جريان

 

۱-۴-۴( رژيم جريان

جريان سیال را به دو صورت كلي آرام )لايه اي([۷] و مغشوش )آشفته([۸] طبقه بندي مي شود.

الف( جريان آرام )لايه اي( : اگر سرعت جريان كم باشد ،جريان آرام ابجاد مي شود .در جريان آرام ،تك تك ذرات سیال به صورت لايه هاي موازي ،در میان يكديگر حركت مي كنند .لايه ها تداخل چنداني با هم ندارند.

 

         شكل)۱-۱۱( جريان آرام

                                                        

ب( جريان مغشوش : اگر سرعت جريان سیال ، افزايش يابد ، رفتار جريان پس از رسیدن به يك سرعت خاص) سرعت

بحراني( تغییر مي كند ،جريان ، گردابي)درهم( و آشفته مي گردد .ذرات سیال ديگر به صورت منظم و قاعده مند حركت     نمي كنند ،يكديگر را تحت فشار قرار داده و در نتیجه مقاومت سیال و تلفات هیدرولیكي افزايش مي يابد .بنابراين حتي الامكان ،بايد از آشفته شدن جريان جلوگیري كرد.

شكل)۱-۱۱( جريان آشفته

 

۱-۴-۵( عدد رينولدز۱(Re)

عدد رينولدز معیاري براي مشخص كردن نوع جريان مي باشد كه بدون بعد است.

V.dH      )۱۷-۱

Re = ν

: V سرعت جريان(m/s)

dH = 4× AU قطر معادل هیدرولیكي)A  سطح مقطع و U محیط ، تر شده مي باشد(

ν : ويسكوزيته سینماتیكي سیال(m/s²)

 

عدد رينولدز در واقع مرز بین جريان لايه اي و آشفته را مشخص مي كند، به اين ترتیب كه اگر عدد رينولدز كوچكتر از حد بحراني باشد ،جريان لايه اي و اگر بزرگتر از حد بحراني باشد ،جريان آشفته را خواهیم داشت.

Laminar flow   Re < Re Critical

Turbulent flow Re > Re Critical عدد رينولدز بحراني۲ براي جريان درون خط لوله مستقیم و سطح نسبتا صاف ، ۰۰۳۲=ReCritical مي باشد.

۱-۴-۶( سیستم هیدرولیك پايه

 

 

         شكل)۱-۱۲( شماتیك ساده اي از يك سیستم هیدرولیك

 

در شكل ۱-۱۲ ، يك سیستم هیدرولیك ساده نشان داده شده است .با اعمال يك نیروي خارجي به پمپ پیستوني ، سیال را پمپ مي كنیم. در هر مرحله فشاري كه در سیستم ايجاد مي شود برابر است با :

F

)A : سطح پیستون( P=A

هر چقدر نیروي اعمالي به پمپ افزايش يابد ، فشار بیشتر خواهد شد.اين فشار تا حدي افزايش مي يابد كه نیروي ناشي از فشار روي سیلندر تحت بار ، بر بار غلبه كند و بار بلند شود.

سرعت حركت بار ،تنها به حجم سیالي كه به سیلندر تغذيه مي گردد بستگي دارد .به عنوان مثال در شكل بالا ،هرچه پیستون پمپ سريعتر به سمت پايین رانده شود ،حجم روغن بیشتري در واحد زمان به سیلندر داده مي شود و بار با سرعت بیشتري بلند خواهد شد.

ما در هیدرولیك دنبال ادواتي هستیم كه بتوان سیستم شماتیك بالا را گسترش داده و مواردي از قبیل: جهت حركت سیلندر ،سرعت حركت سیلندر ،بار حداكثر سیلندر و … را تنظیم كنیم .همچنین پمپي با حركت و رانش مداوم را جايگزين پمپ با عملكرد دستي قرار دهیم.

بمنظور فهم بهتر موضوع،يك سیستم هیدرولیكي ساده در شكل ۱-۱۳ آمده است.

پمپ) ۱( توسط يك موتور)موتور الكتريكي يا احتراق داخلي( به حركت در مي آيد.

روغن به وسیله پمپ،از مخزن) ۲( مكش و از طريق ادوات مختلف به سیلندر)۴( )يا يك هیدروموتور( هدايت مي شود.تا هنگامیكه هیچ مقاومتي سر راه جريان قرار ندارد،جريان سیال آزادانه پیش مي رود. پس از رسیدن جريان به سیلندر) ۴(،مقاومتي در برابر جريان ايجاد   مي شود و فشار تا هنگامي كه جريان بتواند بر بار غلیه كند ، افزايش مي يابد.

 

شكل)۱-۱۳( عملكرد يك سیستم هیدرولیكي

 

جهت حفاظت از سیستم ،مي بايست ماكزيموم فشار سیستم محدود شود .اين امر با استفاده از شیر فشارشكن) ۳( قابل دستیابي است .يك فنر با اعمال نیرو به طور مكانیكي ، ساچمه را روي نشیمنگاهش مي نشاند. فشار سیال بر سطح ساچمه اثر   مي كند .هر گاه حاصلضرب فشار در سطح تماس ساچمه   (F = P.A) ، از نیروي فنر بیشتر شود ،ساچمه حركت كرده و مسیر باز مي شود .در اين حالت، فشار ديگر افزايش نمي يابد ،تمام جريان وارد شده توسط پمپ از طريق شیر) ۳( به تانك باز   مي گردد.

 

 

 شكل)۱-۱۴( عملكرد شیر كنترل فشار

 

 

شیر كنترل جهت )۵( ،حركت پیستون ۴٫۱ را به سمت داخل و خارج سیلندر ، تعیین مي كند .در شكل) ۱-۱۳( سیال در شیر)۵( از مسیر اتصال P به A ،به سمت سیلندر جاري شده است.در اين حالت سیلندر باز مي شود.

حركت اسپول) ۶( اين شیر ،اتصال از P به B را ممكن   مي سازد )شكل ۱-۱۵(.

اكنون روغن از پمپ و از طريق شیر به سمت ديگر سیلندر جريان مي يابد .فشار روغن در پشت پیستون افزايش مي يابد و پیستون را به داخل بر مي گرداند .روغن از سمت ديگر سیلندر به وسیله شیر كنترل جهت به سمت تانك هدايت مي شود.

 

 شكل)۱-۱۵( عملكرد شیر كنترل جهت

 

حال بدنبال راهي هستیم كه بتوان حجم سیالي كه وارد سیلندر مي شود و يا از آن خارج مي شود را كنترل كرد .يعني در واقع مي خواهیم سرعت رفت و برگشت پیستون را كنترل كنیم .براي اين منظور ،از يك شیر گلويي[۹] )۷( كه در شكل ملاحظه مي كنید استفاده مي شود.

با تغییر مقطع جريان ،مي توان حجم سیال عبوري را تغییر داد .به عنوان مثال ،با كم كردن مقطع عبور جريان، حجم روغن كمتري وارد سیلندر مي شود و بار آهسته تر حركت مي كند ،روغن اضافي هم از طريق شیر فشارشكن وارد تانك مي شود.

)عملكرد شیر گلويي با جزئیات بیشتر در قسمت”شیرهاي كنترل جريان[۱۰]” شرح داده شده است.(

بايد توجه داشت كه فشار ما بین شیر فشارشكن و شیر گلويي،  برابر با حداكثر فشاري است كه در شیر فشارشكن تنظیم شده است .فشار ما بین سیلندر و شیر گلويي نیز بستگي به مقدار بار دارد.

 

۱-۵( دياگرام مدار هیدرولیك

 

در عمل يك مدار هیدرولیك هیچگاه به صورت گرافیكي مانند اشكال)۱-۱۳( تا )۱-۱۶( نمايش داده نمي شود .براي سادگي كار، سیستم هیدرولیكي را مي توان به وسیله يك سري علائم و نمادها ،مانند شكل ۱-۱۷ نشان داد.

نمايش گرافیكي يك مدار هیدرولیك با اين نمادها را “دياگرام مدار” مي نامند.

نمادها ،معني و مفهوم هر يك از ادوات و عملكرد آنها در استاندارد DIN-ISO 1219  آمده اند.

 

 

 دانلود کاتالوگ : ۰۱-فصل اول

 

 

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

11 − 1 =