Hidraulički sustav pretvara mehanički input u snagu tekućine, a zatim pretvara tu snagu tekućine natrag u silu ili gibanje. Ova kombinacija kompaktnih komponenti i velike izlazne snage čini hidrauliku uobičajenomindustrijske preše, alatni strojevi, građevinska i poljoprivredna oprema, sustavi za podizanje i mobilni strojevi.
Za razumijevanje sustava potrebno je više od spoznaje da pumpa pokreće ulje. Tlak se razvija kao odgovor na otpor, protok kontrolira brzinu pokretača, ventili usmjeravaju i reguliraju energiju, a stanje tekućine utječe na pouzdanost. Ovaj vodič objašnjava te odnose i prati sustav od Pascalovog zakona kroz rad kruga, dimenzioniranje, održavanje i rješavanje problema.
Pascalov zakon i prijenos sile
Hidraulička snaga temelji se na Pascalovom zakonu: tlak koji se primjenjuje na zatvorenu tekućinu prenosi se jednako u svim smjerovima.
Hidraulički tlak je:
Tlak=Sila ÷ Površina
ili:
P = F ÷ A
U američkim uobičajenim jedinicama:
P= tlak u funtama po kvadratnom inču (psi)
F= sila u funtama-sila (lbf)
A= područje u kvadratnim inčima (in²)
Preuređivanje formule daje:
F = P × A
Ovaj odnos objašnjava multiplikaciju hidrauličke sile. Promotrimo dva povezana cilindra. Mali klip ima površinu od 1 in², a veći klip ima površinu od 10 in². Ako operater primjenjuje 10 lbf na mali klip:
P=10 lbf ÷ 1 in²=10 psi
Približno 10 psi također djeluje na veći klip, stvarajući teoretsku silu od:
F=10 psi × 10 in²=100 lbf
Izlaz je deset puta veći od ulaza jer je površina klipa deset puta veća.
Stvarni sustavi nisu 100 posto učinkoviti. Trenje brtve, unutarnje curenje, gubici kroz ventile i crijeva i mehaničko trenje smanjuju raspoloživu silu. Uz 90 posto kombinirane hidrauličke i mehaničke učinkovitosti:
Stvarna sila=100 lbf × 0.90=90 lbf
Ista metoda vrijedi za industrijsku i mobilnu opremu. Cilindar s efektivnom površinom od 20 in² pri izmjerenom tlaku od 2500 psi proizvodi:
Teorijska sila=2,500 × 20=50,000 lbf
Uz procijenjenu učinkovitost od 92 posto:
Iskoristiva sila ≈ 46 000 lbf
Kada je poznata efektivna površina klipa, očitanje-manometra može pružiti približnu silu cilindra.
Tlak i protok su povezani, ali nisu međusobno zamjenjivi. Tlak određuje raspoloživu silu ili moment, dok protok uglavnom određuje brzinu aktuatora.
Glavne hidrauličke komponente
Svaka komponenta ima specifičnu ulogu u stvaranju, kontroli ili korištenju hidrauličke energije.
Hidrauličke pumpe
Pumpa proizvodi protok. Tlak se razvija kada to strujanje naiđe na otpor.
| Vrsta pumpe | Tipične karakteristike | Uobičajene aplikacije |
|---|---|---|
| Zupčasta pumpa | Jednostavan, ekonomičan, robustan, fiksne zapremine | Mobilna oprema, podmazivanje, opća hidraulika |
| Krila pumpa | Glatki protok, relativno tih, dobra učinkovitost | Industrijski strojevi, sustavi-umjerenog tlaka |
| Klipna pumpa | Visoki tlak, visoka učinkovitost, dostupan promjenjivi pomak | Teška oprema, preše, precizni sustavi |
Pumpa fiksne-zapremine daje približno isti volumen sa svakim okretajem i odgovara sustavima s relativno konstantnom potražnjom.
Crpka promjenjivog-pomaka mijenja svoj učinak kako se mijenja potražnja. Često se koristi tamo gdje su važni energetska učinkovitost, precizna kontrola ili različiti zahtjevi za aktuator.
Odabir pumpe treba uzeti u obzir zapreminu, nazivni tlak, maksimalnu brzinu, potreban protok u GPM, volumetrijsku učinkovitost, kompatibilnost tekućine i raspored montaže.
Rezervoar
Spremnik pohranjuje tekućinu i daje mjehurićima zraka vremena da se odvoje, zagađivačima vremena da se talože i toplinskom putu da se rasprše. Dobro-dizajniran rezervoar može uključivati:
Filtri za punjenje i odzračivanje
Povratni{0}}difuzori
Usisni filteri prema potrebi
Indikatori razine i temperature
Unutarnje pregrade
Odvod i pristup čišćenju
Za mobilnu opremu možda će trebati kompaktni spremnik pod tlakom ili posebna zaštita jer radi na padinama i pod vibracijama.
Hidraulički ventili
Ventili kontroliraju kamo ide hidraulička energija i kako aktuator reagira.
| Vrsta ventila | Glavna funkcija |
|---|---|
| Sigurnosni ventil | Ograničava maksimalni tlak u sustavu |
| Smjerni regulacijski ventil | Postavlja smjer pokretača |
| Ventil za kontrolu protoka | Kontrolira brzinu pokretača |
| Kontrolni ventil | Omogućuje protok u jednom smjeru |
| Ventil-za smanjenje tlaka | Održava niži tlak u grani kruga |
| Sekvencijski ventil | Pokreće drugu radnju nakon praga tlaka |
Sigurnosni ventil štiti pumpe, crijeva, cilindre i druge komponente od prekomjernog tlaka.
Pokretači
Hidraulički aktuatori pretvaraju snagu tekućine u mehaničku snagu. Ahidraulički cilindarstvara linearno kretanje jer pritisak djeluje na područje klipa. Hidraulički motor stvara rotacijsko kretanje: protok utječe na brzinu vrtnje, dok razlika tlaka određuje raspoloživi moment.
Brtve moraju odgovarati kemijskom sastavu tekućine, tlaku, brzini i temperaturi. Nitrilna guma uobičajena je u sustavima mineralnog-ulja. FKM se često koristi na višim temperaturama ili u kemijski zahtjevnim uslugama, dok elementi na bazi PTFE-a mogu odgovarati aplikacijama koje zahtijevaju nisko trenje ili širu kemijsku kompatibilnost. Provjerite konačni materijal u odnosu na stvarnu tekućinu i radne uvjete.
Tipičan hidraulički krug
Osnovni industrijski krug može se prikazati kao:
1. Pokretanje
Električni motor ili motor pokreće pumpu. Crpka izvlači tekućinu iz spremnika i šalje je u tlačni vod.
S usmjerenim ventilom u otvorenom-centralnom položaju ili položaju za istovar, protok se može vratiti u spremnik uz relativno niski tlak. Korisne točke nadzora uključuju izlazni tlak pumpe, glavni-protok, temperaturu spremnika i povratni-filter diferencijalni tlak.
2. Razvoj pritiska
Kada usmjereni ventil šalje protok do aktuatora, otpor se povećava. Tlak raste tek toliko da svlada vanjsko opterećenje i unutarnje gubitke.
Ako cilindar treba 1800 psi da pomakne svoje opterećenje, na primjer, tlak može porasti s niske razine pripravnosti na približno 1800 psi plus gubici u krugu.
3. Proširenje cilindra
Usmjerni ventil usmjerava protok pumpe do kraja poklopca cilindra. Ulje koje napušta kraj šipke vraća se kroz ventil u spremnik, a cilindar se izvlači. Ventil za-kontrolu protoka može ograničiti protok radi postavljanja brzine proširenja.
4. Kraj hoda i ograničenje tlaka
Kada cilindar dođe do kraja hoda, prestaje se kretati. Ako crpka nastavi opskrbljivati protok, tlak brzo raste.
Pri prethodno postavljenom tlaku, sigurnosni ventil se otvara i preusmjerava višak protoka prema spremniku. Time se sprječava da sustav prekorači sigurnu granicu tlaka. Neprekidni rad preko sigurnosnog ventila gubi energiju i proizvodi znatnu količinu topline.
5. Povlačenje
Smjerni ventil se okreće, šaljući ulje pod tlakom na stranu šipke, dok se ulje sa strane poklopca vraća u spremnik.
Šipka smanjuje efektivnu površinu klipa tijekom uvlačenja, tako da konvencionalni jedno-cilindar proizvodi manju silu uvlačenja pri istom tlaku. S istim ulaznim protokom, može se i brže povući.
6. Istovar i gašenje
Nakon operacije, krug se vraća u neutralni položaj. Ovisno o dizajnu, crpka se može rasteretiti, pokvariti ili zaustaviti.
Prije održavanja otpustite pohranjeni tlak u skladu s postupcima za zaključavanje/označavanje i smanjenje tlaka proizvođača stroja.
Elektrohidraulički sustavi omogućuju tehničarima usporedbu električne naredbe s hidrauličkim odzivom. Opseg ili dijagnostičko sučelje može potvrditi naredbu poslanu solenoidu ili proporcionalnom ventilu, dok mjerači i mjerači protoka pokazuju što se dogodilo u krugu.
Ako PLC šalje naredbu ventila, ali se tlak ne mijenja, pregledajte solenoid, kretanje kalema, pilot krug i hidrauličko napajanje. Ako nema naredbe, započnite s upravljačem, senzorom, ožičenjem ili blokadom.
Hidraulična tekućina, gubitak tlaka i održavanje
Hidraulička tekućina prenosi snagu, podmazuje komponente, odvodi toplinu, prenosi onečišćenja do filtera i štiti površine od habanja i korozije.
Mineralna hidraulička ulja obično se identificiraju prema ISO stupnjevima viskoznosti kao što su ISO VG 32, 46 i 68. Točan stupanj ovisi o zahtjevima pumpe i radnoj temperaturi.
Hladno ulje postaje viskoznije. Ako je predebeo, može doći do otežanog pokretanja sustava, velikog gubitka usisa, sporog odziva pokretača, kavitacije ili premosnice filtra.
Visoka temperatura smanjuje viskoznost i može povećati unutarnje curenje, oslabiti film za podmazivanje, ubrzati oksidaciju i oštetiti brtve.
Oprema u hladnim klimama sjevernog SAD-a možda će trebati tekućinu niže-viskoznosti ili onu s visokim indeksom viskoznosti. Strojevi koji neprekidno rade u vrućim južnim klimama mogu zahtijevati veću toplinsku stabilnost ili višu radnu-gradnju viskoznosti. Prije izmjene ulja provjerite dopušteni raspon viskoznosti proizvođača pumpe.
Gubitak tlaka u krugu
Tekućina gubi tlak dok putuje kroz crijeva, cijevi, priključke, filtre, hladnjake i ventile. Gubitak se povećava s brzinom protoka, duljinom voda, viskoznošću tekućine, ograničenjima i neadekvatnim promjerom crijeva.
Pad tlaka brzo raste kako se povećava brzina protoka. Usisni, tlačni i povratni vodovi stoga bi trebali biti dimenzionirani za odgovarajuću brzinu, uz provjeru gubitaka prema podacima proizvođača ili izračunima-hidrauličkog pada tlaka.
Uobičajene vanjske točke propuštanja uključuju spojeve crijeva, brtve šipki, razvodnike ventila, brtve vratila pumpe, priključke i oštećene cijevi.
Prakse održavanja
Praktični program održavanja trebao bi uključivati sljedeće radove:
Provjerite razinu tekućine, temperaturu, neuobičajenu buku i vidljiva curenja tijekom rutinskih pregleda.
Koristite indikatore ograničenja filtra umjesto da se oslanjate samo na zamjenu-temeljenu na kalendaru.
Uzmite uzorke ulja s dosljednih lokacija pod dosljednim radnim uvjetima.
Ispitajte onečišćenje česticama, viskoznost, sadržaj vode, oksidaciju i trošenje metala gdje je to prikladno.
Istražite značajne promjene u broju čestica umjesto da jednostavno zamijenite komponente.
Provjerite ima li crijeva abrazije, pukotina, mjehurića i pomicanja na priključcima.
Potvrdite kemijsku kompatibilnost kada mijenjate tekućinu ili brtve.
Zamjene ulja i filtera trebaju slijediti preporuke proizvođača opreme, praćenje kontaminacije, ozbiljnost rada i rezultate-analize ulja, a ne jedan univerzalni radni-satni interval.
Hidrauličko dimenzioniranje i upravljanje
Određivanje veličine obično počinje silom opterećenja i potrebnom brzinom pokretača.
Pretpostavimo da je stroju potrebno 30 000 lbf iz cilindra pri maksimalnom radnom tlaku od 2 500 psi. Potrebna površina klipa je:
A = F ÷ P
A=30,000 ÷ 2,500=12 in²
Izračunajte provrt iz:
A = πD² ÷ 4
Stoga:
D = √(4A ÷ π)
Za površinu od 12 in²:
D ≈ 3,91 in
Standardni provrt od 4-inča je razumna početna točka, podložna sigurnosnom faktoru, trenju, nazivnom tlaku, montažnim opterećenjima i zahtjevima za izvijanje šipke.
Provrt od 4 inča ima površinu od otprilike:
= 12.57 in²
Na 2500 psi, njegova teoretska sila rastezanja je:
F=2,500 × 12,57 ≈ 31,425 lbf
Ako je potrebna brzina istezanja 4 in/s, potrebni protok je:
Q=Površina × Brzina
Q=12.57 × 4=50.28 in³/s
Jedan američki galon sadrži približno 231 in³, dakle:
GPM=50.28 × 60 ÷ 231 ≈ 13,1 GPM
Crpka mora isporučivati približno 13,1 GPM pri potrebnom tlaku prije nego što omogući učinkovitost i bilo kakav istodobni zahtjev za protokom.
Postavljanje sigurnosnog ventila
Sigurnosni ventil mora zaštititi kritičnu komponentu s najnižom-ocjenom, a istovremeno dopustiti stroju da razvije potrebnu radnu snagu.
Ne okrećite vijak za podešavanje dok se ne učini da stroj radi jače. Odredite projektirani tlak, provjerite nazivne vrijednosti komponenti, spojite odgovarajući kalibrirani manometar, opteretite krug u skladu s odobrenim servisnim postupkom i podesite ventil unutar specifikacije proizvođača.
Elektrohidrauličke kontrole
Moderni sustavi mogu koristiti proporcionalne ili servo ventile kojima upravlja PLC, kontroler kretanja ili elektroničko pojačalo.
Proporcionalni ventili omogućuju varijabilnu kontrolu protoka ili tlaka. Servo ventili se općenito koriste kada je potreban vrlo brz, precizan odgovor, iako zahtijevaju čišću tekućinu i sofisticiranije kontrole.
Hidraulika općenito pruža veću gustoću sile i bolje držanje opterećenja od pneumatike. Pneumatski sustavi mogu biti čišći, jednostavniji i ekonomičniji za automatizaciju velike-brzine s nižim zahtjevima za silom, ali komprimirani zrak je daleko stlačljiviji od hidrauličkog ulja.
Kontrolni popis za rješavanje problema s hidraulikom
Izvršite mjerenja prije zamjene komponenti.
Slaba snaga ili gubitak tlaka
Provjerite razinu tekućine.
Izmjerite izlazni tlak pumpe.
Potvrdite postavku-olakšnog ventila.
Provjerite je li sigurnosni ventil zaglavljen otvoren.
Izvršite ispitivanje protoka pumpe.
Provjerite ima li u cilindru ili motoru unutarnjeg curenja.
Provjerite usmjerene ventile za unutarnju premosnicu.
Sporo kretanje aktuatora
Izmjerite stvarni protok sustava.
Provjerite ograničenje filtra.
Provjerite brzinu pumpe.
Provjerite postavke-kontrole protoka.
Provjerite unutarnje curenje.
Izmjerite pad tlaka na crijevima i ventilima.
Pregrijavanje
Provjerite prolazi li protok neprekidno preko sigurnosnog ventila.
Provjerite razinu i viskoznost ulja.
Provjerite performanse hladnjaka.
Izmjerite unutarnje curenje.
Pregledajte ima li premalih vodova ili restriktivnih ventila.
Provjerite učinkovitost pumpe i ventila.
Buka ili kavitacija
Provjerite razinu spremnika.
Provjerite ima li usisnih crijeva začepljenja i propuštanja zraka.
Potvrdite viskoznost ulja pri pokretanju.
Provjerite usisni filter.
Provjerite ulazni tlak pumpe.
Potražite pjenušavo ili gazirano ulje.
Korištenje mjerača tlaka, temperaturnih senzora i mjerača protoka u logičkom slijedu obično izolira kvar brže nego zamjena pumpe ili ventila samo na temelju simptoma.
Inženjerska i sistemska podrška
Kalkulator veličine pumpe i cilindra s primjerima rada, potpuni CAD paket hidrauličkog kruga i strukturirana procjena performansi mogu pomoći inženjerskom timu ili timu za održavanje da ocijeni postojeću ili predloženu instalaciju.
Tipični inženjerski rezultati uključuju ispitivanje opterećenja i tlaka, uzorkovanje ulja, analizu kontaminacije, pregled-dimenzioniranja komponente, optimizaciju strujnog kruga i preglede sustava temeljene na primjenjivim smjernicama ISO 4413 i SAE.
Na komercijalnoj web stranici dajte inženjerima tri izravna puta: preuzmite kalkulator veličine, zatražite nacrte strujnog kruga ili zakažite procjenu opreme putem obrasca, telefonskog kontakta ili lokalnog distributera. Navedite očekivano vrijeme odgovora i navedite koje će datoteke ili izvješća o testiranju kupac primiti.
Često postavljana pitanja
Kako Pascalov zakon množi silu i kako se izračunava u psi i in²?
Tlak koji se primjenjuje na zatvorenu hidrauličku tekućinu prenosi se kroz cijelu tekućinu. KoristitiP = F ÷ Aizračunati tlak iF = P × Aza izračunavanje izlazne sile. Primjenom 10 lbf na klip od 1 in² stvara se 10 psi. Taj pritisak koji djeluje na klip od 10 in² teoretski proizvodi 100 lbf.
Koja je razlika između zupčastih, krilnih i klipnih pumpi?
Zupčaste pumpe su robusne, ekonomične i uobičajene u primjenama-stalne zapremine. Pumpe s lopaticama općenito rade mirnije i tiše u industrijskim sustavima. Klipne pumpe pružaju visok tlak i učinkovitost i često se koriste tamo gdje je potrebna promjenjiva zapremina ili naprednija kontrola.
Kako tipični hidraulički krug radi?
Crpka izvlači ulje iz spremnika, a usmjerni ventil šalje protok u aktuator. Tlak raste kao odgovor na opterećenje kako se cilindar izvlači ili uvlači. Sigurnosni ventil ograničava prekomjerni tlak. Nakon operacije, ventil se vraća u neutralni položaj i crpka se rasterećuje, prekida rad ili se zaustavlja u skladu s dizajnom kruga.
Kako odabrati hidrauličku tekućinu?
Počnite sa zahtjevima proizvođača opreme za viskoznost. Zatim uzmite u obzir minimalnu temperaturu pokretanja, normalnu radnu temperaturu, indeks viskoznosti, zahtjeve protiv -habanja, otpornost na oksidaciju, izloženost vodi, kompatibilnost brtvi i uvjete okoline. Sam ISO stupanj viskoznosti nije dovoljan.
Koji su najčešći kvarovi hidrauličkog sustava?
Uobičajeni problemi uključuju pregrijavanje, kavitaciju, pretjeranu buku, sporo kretanje pokretača, nemogućnost stvaranja tlaka, unutarnje ili vanjsko curenje, kontaminirano ulje i kvarove ventila. Započnite rješavanje problema mjerenjem stanja tekućine, tlaka, protoka i temperature.
Kako dimenzionirati pumpu i cilindar prema sili i brzini?
Izračunajte površinu cilindra sA = F ÷ P, zatim pretvorite to područje u promjer provrta pomoćuD = √(4A ÷ π). Nakon odabira cilindra, izračunajte protok potreban za ciljnu brzinu:
GPM=Površina (in²) × Brzina (in/s) × 60 ÷ 231
Prije odabira pumpe i cilindra, uzmite u obzir učinkovitost, radni ciklus, istovremeni zahtjev pokretača, gubitak tlaka, nazivne vrijednosti komponenti i odgovarajuću sigurnosnu marginu.