سيستم هيدروليك و مباني آن

امروزه در بسياري از فرآيندهاي صنعتي ، انتقال قدرت آن هم به صورت كم هزينه و با دقت زياد مورد نظر است در همين راستا بكارگيري سيال تحت فشار در انتقال و كنترل قدرت در تمام شاخه هاي صنعت رو به گسترش است. استفاده از قدرت سيال  به دو شاخه مهم هيدروليك و نيوماتيك ( كه جديدتر است ) تقسيم ميشود .

از نيوماتيك در مواردي كه نيروهاي نسبتا پايين (حدود يك تن) و سرعت هاي حركتي بالا مورد نياز باشد (مانند سيستمهايي كه در قسمتهاي محرك رباتها بكار مي روند) استفاده ميكنند در صورتيكه كاربردهاي سيستمهاي هيدروليك عمدتا در مواردي است كه قدرتهاي بالا و سرعت هاي كنترل شده دقيق مورد نظر باشد(مانند جك هاي هيدروليك ، ترمز و فرمان هيدروليك و...).

حال اين سوال پيش ميايد كه مزاياي يك سيستم هيدروليك يا نيوماتيك نسبت به ساير سيستمهاي مكانيكي يا الكتريكي چيست؟در جواب مي توان به موارد زير اشاره كرد:

1.طراحي ساده 2.قابليت افزايش نيرو 3. سادگي و دقت كنترل

4. انعطاف پذيري 5. راندمان بالا 6.اطمينان

در سيستم هاي هيدروليك و نيوماتيك نسبت به ساير سيستمهاي مكانيكي قطعات محرك كمتري وجود دارد و ميتوان در هر نقطه به حركتهاي خطي يا دوراني با قدرت بالا و كنترل مناسب دست يافت ، چون انتقال قدرت توسط جريان سيال پر فشار در خطوط انتقال (لوله ها و شيلنگ ها) صورت ميگيرد ولي در سيستمهاي مكانيكي ديگر براي انتقال قدرت از اجزايي مانند بادامك ، چرخ دنده ، گاردان ، اهرم ، كلاچ و... استفاده ميكنند.

در اين سيستمها ميتوان با اعمال نيروي كم به نيروي بالا و دقيق دست يافت همچنين ميتوان نيرو هاي بزرگ خروجي را با اعمال نيروي كمي (مانند بازو بسته كردن شيرها و ...) كنترل نمود.

استفاده از شيلنگ هاي انعطاف پذير ، سيستم هاي هيدروليك و نيوماتيك را به سيستمهاي انعطاف پذيري تبديل ميكند كه در آنها از محدوديتهاي مكاني كه براي نصب سيستمهاي ديگر به چشم مي خورد خبري نيست. سيستم هاي هيدروليك و نيوماتيك به خاطر اصطكاك كم 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 كه نشان از اطمينان بالاي اين سيستمها دارد.

اكنون كه به مزاياي سيستم هاي هيدروليك و نيوماتيك پي برديم به توضيح ساده اي در مورد طرز كار اين سيستمها خواهيم پرداخت.

براي انتقال قدرت به يك سيال تحت فشار (تراكم پذير يا تراكم ناپذير) احتياج داريم كه توسط پمپ هاي هيدروليك ميتوان نيروي مكانيكي را تبديل به قدرت سيال تحت فشار نمود. مرحله بعد انتقال نيرو به نقطه دلخواه است كه اين وظيفه را لوله ها، شيلنگ ها و بست ها به عهده ميگيرند .

بعد از كنترل فشار و تعيين جهت جريان توسط شيرها سيال تحت فشار به سمت عملگرها (سيلندرها يا موتور هاي هيدروليك ) هدايت ميشوند تا قدرت سيال به نيروي مكانيكي مورد نياز(به صورت خطي يا دوراني ) تبديل شود.

اساس كار تمام سيستم هاي هيدروليكي و نيوماتيكي بر قانون پاسكال استوار است.

قانون پاسكال:

1. فشار سرتاسر سيال در حال سكون يكسان است .(با صرف نظر از وزن سيال)

2. در هر لحظه فشار استاتيكي در تمام جهات يكسان است.

3. فشار سيال در تماس با سطوح بصورت عمودي وارد ميگردد.

همانطور كه در شكل 1 مي بينيد يك نيروي ورودي نيوتني ميتواند نيروي مورد نياز چهار سيلندر ديگر را تامين كند.

شكل (1)

يا در شكل 2 داريم :

شكل (2)

كار سيستمهاي نيوماتيك مشابه سيستم هاي هيدروليك است فقط در آن به جاي سيال تراكم ناپذير مانند روغن از سيال تراكم پذير مانند هوا استفاده مي كنند . در سيستمهاي نيوماتيك براي دست يافتن به يك سيال پرفشار ، هوا را توسط يك كمپرسور فشرده كرده تا به فشار دلخواه برسد سپس آنرا در يك مخزن ذخيره مي كنند، البته دماي هوا پس از فشرده شدن بشدت بالا ميرود كه مي تواند به قطعات سيستم آسيب برساند لذا هواي فشرده قبل از هدايت به خطوط انتقال قدرت بايد خنك شود. به دليل وجود بخار آب در هواي فشرده و پديده ميعان در فرايند خنك سازي بايد از يك واحد بهينه سازي براي خشك كردن هواي پر فشار استفاده كرد.

اكنون بعد از آشنايي مختصر با طرز كار سيستمهاي هيدروليكي و نيوماتيكي به معرفي اجزاي يك سيستم هيدروليكي و نيوماتيكي مي پردازيم.

اجزاي تشكيل دهنده سيستم هاي هيدروليكي:

1- مخزن : جهت نگهداري سيال

2- پمپ : جهت به جريان انداختن سيال در سيستم كه توسط الكترو موتور يا 3- موتور هاي احتراق داخلي به كار انداخته مي شوند.

4- شيرها : براي كنترل فشار ، جريان و جهت حركت سيال

5- عملگرها : جهت تبديل انرژي سيال تحت فشار به نيروي مكانيكي مولد كار(سيلندرهاي هيدروليك براي ايجاد حركت خطي و موتور هاي هيدروليك براي ايجاد حركت دوراني).

شكل 3 يك سيستم هيدروليكي را نشان ميدهد.

شكل(3)

اجزاي تشكيل دهنده سيستم هاي نيوماتيكي:

1- كمپرسور

2- خنك كننده و خشك كننده هواي تحت فشار

3- مخزن ذخيره هواي تحت فشار

4- شيرهاي كنترل

5- عملگرها

شكل 4 يك سيستم نيوماتيكي را نشان ميدهد.

شكل (4)

يك مقايسه كلي بين سيستمهاي هيدروليك و نيوماتيك:

1- در سيستمهاي نيوماتيك از سيال تراكم پذير مثل هوا و در سيستمهاي هيدروليك از سيال تراكم ناپذير مثل روغن استفاده مي كنند.

2- در سيستمهاي هيدروليك روغن علاوه بر انتقال قدرت وظيفه روغن كاري قطعات داخلي سيستم را نيز بر عهده دارد ولي در نيوماتيك علاوه بر روغن كاري قطعات، بايد رطوبت موجود در هوا را نيز از بين برد ولي در هر دو سيستم سيال بايد عاري از هر گونه گرد و غبار و نا خالصي باشد

3- فشار در سيستمهاي هيدروليكي بمراتب بيشتر از فشار در سيستمهاي نيوماتيكي مي باشد ، حتي در مواقع خاص به 1000 مگا پاسكال هم ميرسد ، در نتيجه طا سيستمهاي هيدروليكي بايد از مقاومت بيشتري برخوردار باشند.

4- در سرعت هاي پايين دقت محرك هاي نيوماتيكي بسيار نامطلوب است در صورتي كه دقت محرك هاي هيدروليكي در هر سرعتي رضايت بخش است .

5- در سيستمهاي نيوماتيكي با سيال هوا نياز به لوله هاي بازگشتي و مخزن نگهداري هوا نمي باشد.

6- سيستمهاي نيوماتيك از بازده كمتري نسبت به سيستمهاي هيدروليكي برخوردارند.

هيدروليك مطالعه سيالات و كاربرد آن براي انتقال نيرو و حركت است. كلمه هيدورليك از لغت يوناني هيدرو به معني آب گرفته شده است. سيستم‌هاي آب رساني خانگي يك كاربرد متداول از هيدروليك مي باشد و اصول حاكم بر رفتار آب در مورد تمام سيالات صادق است. درگير بكس‌هاي اتوماتيك مدرن يك سيستم هيدروليك براي كنترل عملكرد آنها به كار رفته است. در حالي كه تمام سيستم‌هاي هيدروليكي از مايعات استفاده مي‌كنند مايعي كه درگير بكس‌هاي اتوماتيك به كار مي رود عموماً روغن گيربكس ناميده مي شود.

اصول هيدروليك سيستم‌هاي هيدروليك نيرو و حركت را از طريق كاربرد فشار انتقال مي دهند نيرو، فشار و يا كشش اعمال شده بر يك شيئي است. نيرو معمولاً بر حسب پاوند و يا نيوتن اندازه‌گيري مي شود. فشار نيروي اعمال شده بر سطح معين است. فشار معمولاً بر حسب واحد نيرو تقسيم بر واحد سطح اندازه گيري مي شود و واحدهاي آن پاوند بر اينچ مربع (Psi) يا كيلوپاسكال (kpa ) اندازه گيري مي شود. 6.89 pa= 1psi))مي باشد.

پاسكال يك واحد اندازه گيري است كه بعد از « بلز پاسكال » رياضيدان و دانشمند مشهور فرانسوي (1623-1662 ) به خاطر تحقيقاتش در هيدروليك به نام او نامگذاري شد. پاسكال بعضي از حايق مهم دربارة رفتار مايعات در يك سيستم بسته را كشف كرد. او دريافت كه فشار روي يك مايع محبوس شده بطور مساوي بر تمام جهات منتقل مي شود و بر سطوح برابر نيروي مساوي وارد مي كند.

اين اصل قانون پاسكال ناميده مي شود و چنانچه بعداً خواهيم ديد يك اصل بنيادي است كه بر عملكرد تمام سيستم‌هاي هيدروليك حكمفرماست. سيستم‌هاي هيدروليك قادرند مايعات را براي انتقال نيرو و حركت بكار گيرند زيرا در تمام كاربردهاي عملي يك مايع غير قابل تراكم است. اينكه چه مقدار فشار بر روي يك مايع اعمال مي شود اهميتي ندارد، چون حجمش همواره ثابت مي ماند. اين امر به سيال اجازه مي دهد كه نيرو و حركت بكار گيرند زيرا در تمام كاربردهاي عملي يك مايع غيرقابل تراكم است. اينكه چه مقدار فشار بر روي يك مايع اعمال مي شود اهميتي ندارد، چون حجمش همواره ثابت مي ماند. اين امر به سيال اجازه مي دهد كه نيرو و حركت را به خوبي يك اهرم مكانيكي منتقل كند. مزيت يك مايع بر اهرم مكانيكي اين است كه داراي حجم است امّا شكل ثابتي ندارد. چون فرض بر اين است كه مايع به شكل ظرف خود در مي‌‌آيد مي توان آن را براي رفع موانع به هر شكلي خم كرد.

اصول قطعات سيستم هيدروليكي تمام سيستم‌هاي هيدروليكي گيربكس اتوماتيك از يك مخزن، يك چشمه ورودي، سوپاپ‌هاي كنترل و يك عمل كنندة خروجي استفاده مي كنند. مخزن عبارت است از يك كارتل، يك تانگ و يا هر نوع ظرف ديگري كه روغن را براي ما ذخيره مي‌كند. چشمة ورودي يك پيستون يا يك پمپ است كه نيروي لازم را تهيه مي‌كند. سوپاپ‌هاي كنترل عبارتند از هر قطعه‌اي كه جريان روغن را محدود، هدايت و يا به عبارت ديگر تنظيم كند. كارانداز خروجي يك پيستون و يا سرو و موتور است كه نيروي ايجاد دشه به وسيلة فشار هيدروليكي را منتقل مي كند.

هيدروديناميك عبارت است از مطالعه عملكرد و حركت مكانيكي و عملكرد سيالات يا مايعات در حال حركت، اولينن چيزي كه در اين رابطه بايد دانست اين است كه فشار تنها زماني ايجاد مي شود كه مقاومتي در برابر جريان سيال وجود داشته باشد. اگر دبي حجمي پمپي 200 گالن بر دقيقه باشد و اين پمپ اين حجم روغن را از ميان لوله‌اي كه توانايي عبور حداكثر 200 گالن بر دقيقه را داشته باشد جاري كند روغن جريان خواهد داشت. امّا هيچ فشاري ايجاد نمي‌شود. فشار تا زمانيكه مانعي در مقابل سيال در داخل لوله ايجاد نشود بالا نمي رود. قابليت ايجاد مقاومتهاي گوناگون در يك سيستم هيدروليك براي بدست آوردن مقادير مختلف فشار اساس سيستم هيدروليك تمام گيربكس هاي گوناگون است. اين بخش جزئيات انواع مختلف سوپاپ‌هاي كنترل بكار رفته در گيربكس هاي اتوماتيك متمركز است. شيرهاي كنترل گيربكس هاي اتوماتيك را مي توان در دو گروه عمدة زير طبقه‌ بندي نمود:

ـ سوپاپ‌هايي تنظيم فشار: اندازة فشار ايجاد شده در گيربكس به منظور تعويض دنده‌ها را كنترل مي كنند. ـ سوپاپ‌هاي قطع و وصل )سويچينگ) جهت جريان روغن را قبل از انجام تعوييض كنترل مي‌كنند. گاهي اوقات در بعضي گيربكس‌ها عمل تنظيم فشار و سويچينگ در يك زمان انجام مي شود امّا در هر يك صورت هر يك از دو وظيفة فوق به وضوح در انواع گيربكس‌ها مشاهده مي شود.

اريفيس (تنگنا( orifice اريفيس يك مجراي عبوري كوچك است كه به عنوان ساده ترين سوپاپ تنظيم فشار به كار مي ورد. در گيربكس هاي اتوماتيك اريفيس ممكن است يك لولة محدود شده و يا يك سوراخ كوچك بين دو محفظه باشد. همچنين ممكن است از اريفيس براي محدود كردن جريان روغن عبوري از كانالهاي يك گيربكس استفاده شود، هنگامي كه سيال به يك اريفيس مي رسد با مقاومتي روبرو مي‌شود و فشار رو به افزايش مي‌نهد، لذا فشار در سمتي از اريفيس كه حجم روغن بيشتر است بالاتر مي رود.

سوپاپ فشار شكن Pressure Relief Valve يك سوپاپ فشار شكن يا سوپاپ محدود كنند فشار هنگامي كه فشار به يك حد از پيش تعيين شده رسيد از يك مجراي خرو جي به روغن اجازه تخليه مي دهد. در يك نوع رايج از سوپاس فشار شكن يك پيستون يك فنر و يك مجراي خروجي براي كنترل فشار به كار رفته است. در اين سوپاپ، روغن وارد مجراي ورودي شده و پيستون را مخالف نيروي فنر مي‌فشارد.

درگيربكس هاي اتوماتيك سوپاپ فشارشكن دو وظيفه را به عهده دارد: ـ فشار سيستم هيدروليك را به منظور حفاظت از قطعات گيربكس در مقابل فشار زياد محدود مي‌كد. ـ مي‌توان سوپاپ فشارشكن را براي جلوگيري از جريان يافتن سيال در سيستم هيدروليك تا رسيدن به يك فشار معين به كار برد. در اين صورت مجراي خروجي مانند يك راهگاه ورودي عمل مي‌كند و تا زمانيكه فشار سيستم براي متراكم كردن فنر و باز كردن مجراي خروجي كفايت كند هيچ سيالي از ميان آن عبور نمي‌كند.

سوپاپ هاي قرقره اي اغلب سوپاپ‌هاي بكار رفته درگير بكس اتوماتيك از نوع سوپاپ قرقره‌ايي هستند و تعدادي از آنها به عنوان سوپاپ تنظيم فشار عمل مي كنند.اين سوپاپ‌ها از اين جهت كه شباهت زيادي به قرقره‌هايي كه روي آن ها نخ خياطي پيچيده مي شود، نامگذاري كرده‌اند.

سوپاپ قرقره‌ايي ساده يك سوپاپ قرقره‌اي ساده 2 عدد پيستون، 4 سطح فشاري و يك دسته پيستون در بين سطوح داخلي دارد . سوپاپ هاي قرقره ايي اساساً يك نوع پستون هستند كه هنگام اعمال شار هيدروليك بر سطوح مختلف آنها در داخل يك سيلندر به دقت ماشينكاري شده، به عقب و جلو حركت مي‌كنند. سوپاپ قرقره ايي ساده در يك طرف داري يك سطح فشار است كه دو برابر سطح فشار طرف ديگر است و فشار اعمال شده بر هر دو سطح يكسان است. در اين مثال فشار اعمال شده بر سطح بزرگتر، نيروي خروجي دو برابر توليد خواهد كرد و سوپاپ به سوي نيروي كوچكتر حركت مي‌كند.

سوپاپ هاي بالانس (تعادل( سوپاپ هاي بالانس، سوپاپ‌هاي تنظيم فشار هستند كه يك سوپاپ قرقره اي و فنر را براي كنترل فشار سيستم هيدروليك به خدمت مي گيرند. همچنين بعضي از سوپاپ‌هاي بالانس از نيروي كمكي اهرم و يا نيروي سيال كمكي براي ايفاي نقش خود بهره مي‌گيرند.

سوپاپ‌ها سويچينگ (راه دهنده( : switching valves يك سوپاپ سويچينگ يا سوپاپ راه دهنده (سوپاپ كنترل جهت) سيال را از يك معبر به معبر ديگر و يا از يك مدار هيدروليك به مدار هيدروليك ديگر هدايت مي‌كند. همچنين يك سوپاپ سويچينگ ممكن است به يك مجموعه از معابر اجازه دهد در بيش از يك مدار هيدروليك به كار گرفته شوند.

سوپاپ مانع يك راهه one-way check valve اين سوپاپ همچنانكه از نامش پيداست تنها از يك طرف به سيال اجازه مي‌دهد كه از ميانش عبور كند. سوپاپ پاپت يك نوع سوپاپ مانع يك طرفه است . روغن تنها پس از غلبه فشار هيدروليك بر فشار فنري كه پاپت را در نشيمنگاه نگه داشته مي‌تواند از ميان سوپاپ بگذرد .

سوپاپ مانع دو راهه Two – way check valve سوپاپ مانع دو راهه جريان سيال را در دو مدار هيدروليك جداگانه كنترل مي‌كند. سوپاپ ساچمه‌اي ساده ترين نوع سوپاپ مانع دو راهه است . همانطور كه ملاحظه مي‌كنيد، هنگامي كه فشار هيدروليك به مدار وارد مي‌شود سوپاپ بطور اتوماتيك عمل مي كند. اگر سيال از طرف راست وارد شود، ساچمه به طرف چپ حركت مي كند . سپس فشار هيدروليك ساچمه را در نشيمنگاه مربوط به مجراي سمت چپ نگه مي دارد و جريان سيال را در آن جهت مسدود مي‌كند. پس سيال وارد شده از طريق مجراي بالانس سوپاپ خارج مي‌شود. اگر سيال از طرف مجراي سمت چپ وارد سوپاپ شد . ساچمه را به طرف مجراي راست حركت مي‌دهد. سپس فشار هيدروليك ساچمه را در نشيمنگاه مربوط به مجراي راست نگه مي‌دارد. اين عمل جريان سيال از مجراي راست را متوقف مي‌كند و روغن هاي وارد شده بار ديگر از مجراي بالايي خارج مي‌شوند. خاصيت آب بندي سازي اتوماتيك سوپاپ مانع دو راهة ساچمه‌ايي به دو مدار هيدروليك مجزا امكان استفاده از يك مع بر را مي دهد. درگير بكس هاي اتوماتيك فشار هيدروليك دو مدار به مجراهاي چپ و راست سوپاپ دو راهه تغذيه مي شود. در اين حالت مجراي بالايي به يك خروجي مشترك تبديل مي شود و به اين ترتيب دو مدار هيدروليك اجازه مي يابند كه يك خروجي گيربكس را در شرايط مختلف كاري كنترل كنند.

سوپاپ سويچينگ با كار انداز دستي يك سوپاپ سويچينگ با كارانداز دستي يك سوپاپ قرقره‌ايي است كه بوسيلة يك اهرم مكانيكي حركت مي كند، بر حسب موقعيت اهرم و به تبع آن موقعيت قرقره در داخل محفظه‌اش ممكن است مانع ورود سيال به داخل سوپاپ شود و يا اينكه سيال ممكن است اجازه عبور از ميان سوپاپ را بيابد. سوپاپ طوري واقع شده كه پيستونِ قرقره مجراي ورودي را مسدود كرده است. اين حالت از ورود سيال به داخل سوپاپ ويچينگ ممانعت مي كند. در اهرم براي تغيير موقعيت قرقره حركت كرده بنابراين مجراي ورودي باز شده است. اين جالت به سيال اجازه مي دهد كه به فضاي بين قرقره جريان يابد. امّا چون پيستونِ سمت راست قرقره مجراي خروجي را مسدود كرده سيال در داخل سوپاپ باقي مي ماند.

سوپاپ بيشتر حركت كرده و موقعيت قرقره در اين حالت مجراي ورودي و خروجي را باز كرده است . دسته انتخاب حالت اغلب گيربكس‌هاي اتوماتيك به يك سوپاپ سويچينگ با كارانداز دستي متصل است.مكانيك خودرو يعني براي انتخاب دنده مورد نظر بكار رفته است.عه‌هاي سوپاپ‌هاي سويچينگ با كارانداز دستي درگير بكس‌هاي اتوماتيك داراي قرقره چندگانه و چندين مجرا مي باشد. امّا با آنكه داراي شكل نسبتاً پيچيده‌ايي هستند