سیستم‌های هیدرولیک بیش از آن که فکر می‌کنیم در زندگی روزمره ما کاربرد دارند. از کنترل نرم و آهسته جرثقیل‌های بلند گرفته تا عملکرد سریع دستگاه‌های صنعتی با استفاده از سیستم‌های هیدرولیک امکان‌پذیر است. این سیستم‌ها نقش بسیار مهمی در صنایع مختلف از جمله ساخت‌وساز، تولید و مونتاژ محصولات و صنایع هوا و فضا ایفا می‌کنند. در این مقاله، در مورد نیروی محرکه سیستم‌های هیدرولیک بحث خواهیم کرد.
اگر در حرفه برق صنعتی یا اتوماسیون صنعتی فعال هستید، آشنایی با سیستم‌های هیدرولیک کمک زیادی به بهبود مهارت‌های فنی شما در طراحی، اجرا و عیب‌یابی سیستم‌های صنعتی می‌کند.
برای آموزش انواع سیلندرها، پمپ‌ها و موتورهای هیدرولیکی در دوره هیدرولیک و پنوماتیک ماهر می‌توانید این مهارت سودمند را فرا بگیرید.
اجزای سیستم هیدرولیک
هر سیستم هیدرولیک شامل سه بخش اصلی سیلندر هیدرولیک، پمپ هیدرولیک و موتور هیدرولیک است که همه این بخش‌ها به صورت یک سیستم یکپارچه، انرژی هیدرولیکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند. هر یک از این بخش‌ها نقش حیاتی در عملکرد صحیح یک سیستم هیدرولیک ایفا می‌کنند. درک کامل نحوه عملکرد آن‌ها به صورت مجزا و نیز به عنوان یک سیستم واحد، برای به‌کارگیری حداکثر کارآیی سیستم و اطمینان از عملکرد صحیح دستگاه‌های هیدرولیک لازم و ضروری است. در این مقاله، ضمن تشریح کامل انواع سیلندر، پمپ و موتور هیدرولیک، عملکرد کلی یک سیستم هیدرولیک را بررسی خواهیم کرد. ساختار و کاربرد هر جزء، نحوه ارتباط اجزا با یکدیگر و اصول پایه‌ای که سیستم هیدرولیک را به یک ابزار کارآمد و مؤثر برای انتقال نیرو تبدیل کرده است، از دیگر عواملی هستند که در ادامه آن‌ها را توضیح می‌دهیم.
اصول پایه سیستم هیدرولیک
قوانین هیدرولیک قلب تپنده بسیاری از دستگاه‌هایی است که جهان امروز ما را شکل داده‌اند. این قوانین به‌عنوان نیروی محرک در بسیاری از ماشین‌آلات سنگین ساخت و ساز، سیستم ترمز خودروها و حتی یونیت دندان‌پزشکی به کار رفته‌اند. دانش هیدرولیک، قوانین فیزیک و دینامیک سیالات را به کار گرفته تا نیروی خارق‌العاده‌ای را به‌منظور ایجاد حرکت فراهم کند.
مفهوم سیستم هیدرولیک
انرژی هیدرولیک نقش بسیار مهمی در صنایع مختلف ایفا می‌کند. از ماشین‌آلات ساختمانی گرفته تا هواپیماها، خودروها و حتی وسایل بازی در پارک‌ها از نیروی هیدرولیک استفاده می‌کنند.
انرژی هیدرولیک از طریق انتقال نیرو توسط یک سیال، از یک نقطه تا نقطه‌ای دیگر در یک سیستم بسته تولید می‌شود. این انتقال نیرو از طریق اعمال فشار و بر اساس «قانون پاسکال» انجام می‌شود. طبق این قانون هرگاه تغییر فشاری روی یک سیال در مسیر بسته وارد شود، این فشار بدون هیچ افتی، به نقاط دیگر سیال و دیواره‌های مخزن آن انتقال می‌یابد.
از لحاظ عملی، قانون پاسکال به شما این امکان را می‌دهد تا نیرویی اندک را به یک پیستون کوچک (به‌عنوان ورودی) اعمال کنید و همین نیرو را به‌صورت تقویت‌شده، در یک پیستون بزرگ‌تر داشته باشید. نکته کلیدی در این فرایند، تفاوت حجم میان دو پیستون است. هرگاه فشار وارد‌شده به هر دو پیستون برابر باشد، حجم پیستون، تعیین‌کننده میزان نیروی منتقل‌شده خواهد بود.
به‌عنوان مثال، در یک دستگاه پرس هیدرولیک، هرگاه نیرویی را به پیستون کوچک وارد می‌کنید، باعث افزایش فشار سیال می‌شود. این فشارِ افزایش‌یافته به یک پیستون بزرگ‌تر انتقال می‌یابد که باعث اعمال نیروی بیشتر شده و می‌تواند قدرت لازم برای خرد کردن یک خودرو یا خم کردن فولاد را تأمین کند.
قوانین پایه هیدرولیک
برای درک دقیق نحوه کار سیلندرها، پمپ‌ها و موتورهای هیدرولیک نیازمند آشنایی با قوانین حاکم بر دانش هیدرولیک هستیم. این قوانین باعث اثرگذاری و کارایی سیستم هیدرولیک در کاربردهای مختلف شده‌اند. مهمترین مفاهیم مربوط به هیدرولیک شامل موارد زیر هستند.
- قانون پاسکال
- قانون فلو
- قانون فشار
قانون پاسکال
قانون پاسکال به نام ریاضیدان و فیزیکدان فرانسوی، «بلِیز پاسکال» نام‌گذاری شده است. این قانون اساس سیستم‌های هیدرولیک است. طبق قانون پاسکال هر فشاری که به یک سیال تراکم‌ناپذیر در یک مسیر بسته وارد شود، به‌طور مساوی در همه جهات سیال منتقل گردیده و همان میزان فشار را به هر سطحی که با آن تماس داشته باشد، منتقل می‌کند. این قانون دلیل کارایی و اثرگذاری سیستم هیدرولیک در انتقال و تقویت نیرو حتی تا فواصل طولانی است.
تقویت‌کنندگی هیدرولیک
تقویت کردن هیدرولیکی از کاربردهای قانون پاسکال به شمار می‌رود که امکان اعمال یک نیروی کوچک در ورودی و دریافت نیروی چند‌برابر بزرگ‌تر در خروجی را فراهم می‌کند. این امر از طریق چند‌برابر کردن نسبت حجم دو پیستون حاصل می‌شود. با اعمال نیروی کوچک به پیستون کوچک‌تر، فشار بدون افت به پیستون بزرگ‌تر منتقل شده و نیروی بسیار بیشتری را در خروجی ایجاد می‌کند. به این صورت سیستم هیدرولیک نیرو را چند‌برابر کرده و انجام کارهای سنگین و ایجاد فشار زیاد را در صنایع مختلف ممکن می‌کند.
قوانین فلو و فشار
در یک سیستم هیدرولیک، حرکت سیال از یک بخش به بخش دیگر بر مبنای فلو و فشار انجام می‌شود. سرعت فلوی سیال را معمولاً بر حسب «گالن بر دقیقه» (GPM) یا «مترمکعب بر ساعت» (m3/h) اندازه می‌گیرند. این پارامتر به نوعی تعیین‌کننده سرعت سیلندر یا موتور هیدرولیک هم هست. از سوی دیگر، فشار معمولاً بر حسب «پوند بر اینچ مربع» (PSI) یا «پاسکال» (Pa) اندازه‌گیری می‌شود و نشان‌دهنده میزان نیرویی است که عملگر هیدرولیک می‌تواند بر هر متر مربع از سطح اعمال کند. ایجاد تعادل میان فلو و فشار، عاملی حیاتی در دستیابی به سرعت و نیروی مطلوب در سیستم هیدرولیک است.
بخش‌های اصلی سیستم هیدرولیک
سیستم‌های هیدرولیک علیرغم پیچیدگی ظاهری از چند بخش ساده و در عین حال مهم تشکیل می‌شوند. این بخش‌ها نیروی اعمال‌شده توسط سیال را به حرکت مکانیکی تبدیل می‌کنند و سپس این نیرو برای کاربردهای صنعتی مختلف به کار می‌رود. اجزای اصلی سیستم هیدرولیک شامل بخش‌های زیر هستند:
- پمپ هیدرولیک (Hydraulic Pump)
- سیلندر هیدرولیک (Hydraulic Cylinder)
- موتور هیدرولیک (Hydraulic Motor)
- ولو کنترلی (Control Valve)
- مخزن (Reservoir)
در ادامه این بخش‌ها را با جزئیات بیشتر شرح می‌دهیم.
پمپ هیدرولیک
پمپ هیدرولیک قلب سیستم هیدرولیک است. این بخش با ایجاد مکش در لوله ورودی، سیال را از مخزن وارد پمپ کرده و سپس آن را با فشار به بخش‌های دیگر سیستم هدایت می‌کند. پمپ‌ها معمولاً با موتورهای الکتریکی یا موتورهای احتراقی داخلی کار می‌کنند. این پمپ‌ها در انواع مختلفی مانند پمپ دنده‌ای (Gear Pump)، پمپ توربینی (Vane Pump) و پمپ سیلندری (Cylinder Pump) ساخته می‌شوند، که هر کدام از این انواع برای کاربردی خاص مناسب است.
سیلندر هیدرولیک
سیلندر هیدرولیک میزان نیروی اسب بخار سیستم هیدرولیک است که نیروی سیال را به حرکت مکانیکی، حمل بار یا نگه داشتن بار تبدیل می‌کند. سیلندر هیدرولیک از یک محفظه استوانه‌ای تشکیل شده که یک پیستون متصل به یک میله در آن به عقب و جلو حرکت می‌کند.
موتور هیدرولیک
موتورهای هیدرولیک عملگر‌هایی هستند که انرژی هیدرولیک را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند. عملکرد آن‌ها مشابه سیلندر هیدرولیک است؛ اما به‌جای حرکت انتقالی دارای حرکت چرخشی هستند که آن‌ها را قادر می‌کند تا برای کاربردهای مختلف مانند نوار نقاله، میکسر یا وینچ به کار روند.
کنترل ولو هیدرولیک
ولوهای کنترلی نقش مهمی در تنظیم مشخصه‌های فیزیکی سیال هیدرولیک در سیستم بر عهده دارند. انواع مشهور آن‌ها عبارت است از: ولو کنترل جهت، ولو کنترل فلو و ولو کنترل فشار. هر یک از این ولوهال در بهینه‌سازی عملکرد سیستم نقش ایفا می‌کنند.
مخزن
مخزن محفظه‌ای است که سیال هیدرولیک در آن نگهداری می‌شود. اغلب این محفظه نه‌تنها سیال را در خود نگه می‌دارد، بلکه ناخالصی و حباب آن را فیلتر می‌کند و نقش خنک‌سازی سیستم را نیز بر عهده دارد.
نقش سیال در سیستم هیدرولیک
در هر سیستم هیدرولیک، سیال نقش اساسی در انتقال نیرو ایفا می‌کند؛ هرچند نقش آن بسیار فراتر از انتقال نیرو است و گاه نقش انتقال حرارت، آب‌بندی و روان‌سازی را نیز در سیستم بر عهده دارد.
- انتقال نیرو (Power Transfer): همان‌طور که پیش‌تر اشاره شد، نقش اصلی سیال هیدرولیک انتقال نیرو از یک بخش به بخش دیگر سیستم است. سیال هیدرولیک تقریبا تراکم‌ناپذیر است؛ این خاصیت، امکان انتقال موثر نیرو از بخش‌های دیگر و انجام عملیات مکانیکی را به آن می‌دهد.
- انتقال حرارت (Heat Transfer): سیستم هیدرولیک در اثر انجام کار مکانیکی و اصطکاک حاصل از آن مقدار قابل‌توجهی حرارت تولید می‌کند. سیال هیدرولیک نقش مهمی در دفع این حرارت بر عهده دارد. سیال با چرخش در سیستم، حرارت بخش‌های مختلف را جذب و به بخشی به نام مبدل حرارتی (Heat Exchanger) منتقل می‌کند تا دفع شود. به این صورت، از افزایش بیش‌از حد دما و آسیب به سیستم جلوگیری می‌شود.
- آب‌بندی (Sealing): سیال هیدرولیک باعث آب‌بندی بخش‌های مختلف سیستم می‌شود. با حرکت سیال تحت فشار، فواصل و رخنه‌های کوچک بین سطوحی که با هم تماس دارند، پر می‌شوند و آب‌بندی کامل انجام می‌گردد.
- روان‌سازی (Lubrication): سیال هیدرولیک با روان‌سازی حرکت بخش‌های مکانیکی باعث کاهش اصطکاک، ساییدگی و شکستن قطعات شده و طول عمر سیستم هیدرولیک را افزایش می‌دهد.
جمع‌بندی
برای کسانی که در صنعت مشغول به کار هستند، آشنایی با سیستم‌های هیدرولیک یک ضرورت به شمار می‌رود. در این مقاله به صورت مختصر، اجزای اصلی یک سیستم هیدرولیک شامل، سیلندر، پمپ، موتور، مخزن و کنترل ولو را معرفی و نقش آن‌ها را در سیستم هیدرولیک شرح دادیم. همچنین، نقش‌های مهمی که سیال هیدرولیک در این‌گونه سیستم‌ها ایفا می‌کند را به‌ظور کامل شرح دادیم.
سوالات متداول
هر سیالی که تراکم‌پذیری پایینی داشته باشد می‌تواند نقش سیال هیدرولیک را ایفا کند؛ اما به‌طور معمول از روغن هیدرولیک برای این کار استفاده می‌شود که علاوه بر تراکم‌پذیری کم، نسبت به دما و فشار بالا هم مقاومت خوبی دارد.
سیال‌های گازی قابلیت تراکم حجمی زیادی دارند و مشخصه‌های آن‌ها بسیار به دما و فشار وابسته است.
حجم سیلندر، نوع سیال و توان موتور عوامل اصلی تعیین‌کننده قدرت سیستم هیدرولیک هستند.
