سیستم های هیدرولیک و پنوماتیک چه تفاوتهایی با یک‌دیگر دارند؟
هیچ‌وقت فکر می‌کردید دو عنصر طبیعی آب و هوا که همه‌جا و به طور رایگان در دسترس هستند؛ اساس کار قوی‌ترین سیستمهای انتقال قدرت در صنعت شوند؟ سیستمهای هیدرولیک و پنوماتیک، دو مورد از قدرتمندترین و کم‌هزینه‌ترین سیستم‌ها در صنعت هستند که وظیفه انتقال نیرو را بر عهده دارند؛ آن هم تنها با استفاده از قدرت هوا و سیالات! این تجهیزات، با استفاده از سیالات تحت فشار و با تبدیل نیروی هیدرولیکی به مکانیکی، نیروی لازم برای حرکت دادن یا بلند کردن اجسام را تولید می‌کنند. سیستم هیدرولیک از سیالاتی مانند آب یا روغن هیدرولیک استفاده می‌کند و سیال قرار گرفته در سیستمهای پنوماتیک، هوای فشرده یا نوعی گاز بی‌اثر است.
اما این دو سیستم چه تفاوتهایی با یک‌دیگر دارند؟ مزایا و نقاط ضعف هر کدام چیست و برای چه کاربردهایی در صنعت استفاده می‌شوند؟ برای دست‌یابی به پاسخ این پرسش‌ها و آشنایی هرچه بیشتر با سیستمهای هیدرولیک و پنوماتیک، پیشنهاد می‌کنیم تا پایان این مقاله، با آکادمی ماهر همراه باشید.
معرفی سیستم هیدرولیک
امروزه، برای انتقال قدرت در سیستم و تجهیزات مدرن، معمولا از یکی از سه نیروی الکتریکی، هیدرولیک یا پنوماتیک استفاده می‌شود. نیروی الکتریکی را همه شما می‌شناسید؛ اما اگر به انتقال قدرت با توان بالا و هزینه کم علاقمند هستید، باید با هیدرولیک و پنوماتیک هم آشنا شوید. در زبان یونانی، واژه «هیدرو» به معنای «جریان حرکت سیال» و «پنوما (نیوما)» به معنای «هوا یا باد» است. نام علوم هیدرولیک و پنوماتیک، از همین کلمات گرفته شده است و می‌توان گفت نحوه عملکرد آن‌ها با نام‌شان مرتبط است. سیستم هیدرولیک (Hydraulic System)، یکی از سیستمهای کاربردی و مقرون به صرفه در صنعت است که از اجزایی مانند مخزن، پمپ هیدرولیک، شیر یک‌طرفه، شیر فشار‌شکن، شیر کنترل، سیلندر و منبع تغذیه مناسب برای دریافت نیروی محرکه، تشکیل شده است.
سیستم هیدرولیک، بر اساس اصل پاسکال و با تحت فشار قرار دادن سیالات (آب یا روغن) توسط پمپ هیدرولیک، کنترل و انتقال نیرو را انجام می‌دهد؛ همچنین انرژی لازم برای انجام کارهای فوق سنگین را تولید می‌کند. پمپ هیدرولیک، یکی از اصلی‌ترین اجزای سیستم هیدرولیک است که وظیفه دریافت سیال و انتقال آن با جریان و فشار بیشتر را برعهده دارد.
بیشتر بخوانید:
برای آشنایی بیشتر با پمپ هیدرولیک و انواع آن، از بلاگ «پمپ هیدرولیک چیست؟» در وبسایت ماهر دیدن کنید.
شکل ۲ نحوه به‌کارگیری قانون پاسکال در سیستم هیدرولیک را نشان می‌دهد. بر اساس اصل پاسکال، در یک سیستم هیدرولیکی فشار وارد شده به سیال به طور یکسان به تمام نقاط سیال و دیواره‌های محفظه نگهدارنده آن منتقل شده و سبب ایجاد نیرویی چند برابر نسبت به نیروی اولیه می‌شود.
سیستم پنوماتیک چیست؟
پنوماتیک شاخه‌ای از علم مهندسی است که با پیروی از اصل پاسکال و با استفاده از گاز یا هوای فشرده، انرژی مکانیکی لازم برای بالا بردن و حرکت دادن اجسام را تولید می‌کند. اصلی‌ترین اجزای تشکیل‌دهنده هر سیستم پنوماتیک (Pneumatic System)، کمپرسور گاز، خطوط انتقال، انواع شلنگ و سیلندر هستند. کمپرسور، دارای انرژی الکتریکی است و در مرکز سیستم قرار می‌گیرد. این قطعه، سیلندرها، موتورهای هوا و سایر تجهیزات پنوماتیک را تغذیه می‌کند. روش کار سیستم پنوماتیک، بسیار ساده است. این سیستم از طریق شلنگ، هوای تامین‌شده توسط کمپرسور گاز را دریافت می‌کند. جریان هوا، پس از تنظیم توسط شیرهای برقی دستی یا اتوماتیک، به سمت سیلندر حرکت می‌کند و سیلندر پنوماتیک، انرژی تولید شده توسط گاز فشرده را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند.
شباهت‌ها و تفاوت‌های سیستمهای هیدرولیک و پنوماتیک
فرض کنید قرار است سیستمی با توان خروجی بالا و قابلیت جابه‌جایی بار طراحی کنید؛ اما به دلیل هزینه‌های بالا، نمی‌توانید از سیستم الکتریکی بهره ببرید. حال، تنها دو انتخاب دارید: سیستم هیدرولیک و سیستم پنوماتیک. کدام‌یک را انتخاب می‌کنید؟ این دو سیستم در بسیاری موارد، شبیه به هم هستند. از مهم‌ترین نقاط تشابه آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- طراحی ساده
- بازده خروجی بالا
- انعطاف‌پذیری بالا و قابل استفاده بودن در شرایط مختلف
- قابلیت افزایش نیرو
- ایمنی بالا
- مقرون به صرفه بودن
اما برای انتخاب یکی از این دو سیستم، لازم است بررسی کنید که سیستمهای هیدرولیک و پنوماتیک چه تفاوتی با یک‌دیگر دارند؟ در شکل ۴ برخی تجهیزات سیستمهای هیدرولیک و پنوماتیک و تفاوت میان آن‌ها را می‌بینید.
البته باید توجه داشت که بیشتر خازن‌های سه‌فاز با سربندی داخلی و به شکل یک محفظه استوانه‌ای یا کتابی تولید و به بازار عرضه می‌شوند. بنابراین، غالباً نیازی به سربندی خازن‌های تکفاز برای ساخت خازن سه‌فاز نیست.
نقاط تمایز دو سیستم هیدرولیک و پنوماتیک
نوع سیال
اصلی‌ترین تفاوت سیستمهای هیدرولیک و پنوماتیک، در نوع سیالی است که بر اساس آن، انتقال نیرو را انجام می‌دهند. همان‌طور که پیش از این اشاره کردیم، در سیستمهای هیدرولیک از سیالات مایع (به طور معمول، روغن هیدرولیک) و در سیستم پنوماتیک، از گاز بی‌اثر (نیتروژن) یا هوای فشرده استفاده می‌شود. سایر تفاوت‌های این دو سیستم نیز به‌گونه‌ای به همین موضوع مربوط می‌شوند.
قدرت و فشار کاری
همان‌طور که می‌دانید مایع نسبت به گاز، چگالی جرمی بالاتر و تراکم‌پذیری کمتری دارد. به همین دلیل، با تحت فشار قراردادن آن، فشار و نیروی بیشتری تولید می‌شود. سیستمهای هیدرولیک نیز به دلیل استفاده از سیالات، فشار بالاتر و قدرت بیشتری تولید می‌کنند و برای استفاده در تجهیزاتی مانند جرثقیل مناسب هستند. البته این سیستم‌ها به طور معمول انتقال قدرت را با سرعتی بسیار آهسته‌تر از سیستمهای پنوماتیک انجام می‌دهند. در طرف مقابل، سیستمهای پنوماتیک به دلیل تراکم‌پذیری بالای گاز، فشار بالایی تولید نمی‌کنند و برای جابه‌جایی یا بلند کردن بارهای سنگین مناسب نیستند. این سیستم‌ها در بهترین حالت ۱۸۰ psi فشار تولید می‌کنند؛ در حالی که فشار تولیدی در سیستمهای هیدرولیکی، تا ۱۰ هزار psi هم می‌رسد. افت فشار و نوسان نیرو نیز در سیستم پنوماتیک بیشتر دیده می‌شود.
بهداشت و عدم آلودگی
به نظر شما از بین سیستمهای هیدرولیک و پنوماتیک، کدام‌یک آلودگی کمتری تولید می‌کند؟ درست حدس زدید؛ پنوماتیک‌ها! در هر کدام از دو سیستم، همواره امکان نشتی وجود دارد. اگر سیستم پنوماتیک دچار نشتی شود، تنها چیزی که از آن خارج می‌شود، هوا است که هیچ ضرری برای محیط ندارد. در حالی که در سیستم‌هایی که از سیالات بهره می‌برند، اگر آب یا روغن به بیرون از سیستم نشت کند، نه تنها محیط را آلوده می‌کند؛ بلکه باعث ایجاد خوردگی در تجهیزات می‌شود و به آن‌ها آسیب می‌زند. به همین دلیل در آزمایشگاه‌های داروسازی و صنایع غذا و نوشیدنی، به دلیل رعایت بهداشت، از سیستمهای پنوماتیک استفاده می‌شود و نصب سیستم هیدرولیک ممنوع است.
پیچیدگی سیستم‌ها
سیستمهای هیدرولیک برای داشتن عملکردی مناسب، به علم مهندسی پیچیده‌ای وابسته هستند. این سیستم‌ها با وجود قطعات متحرک کمتر و قابلیت کنترل آسان توسط دکمه‌های فشاری و اهرم‌ها، به مجموعه‌ای از شیرها، شلنگ‌ها و پمپی که توسط منبع انرژی خارجی تامین می‌شود، متصل می‌شوند. به همین دلیل، نگهداری و تعمیرات آن‌ها سخت‌تر است. قطعات هیدرولیکی نیز قیمت بالایی دارند. اما سیستمهای پنوماتیک ساختار و عملکردی بسیار ساده دارند و با فشار بسیار پایین‌تری کار می‌کنند. در نتیجه، اجزای سازنده این سیستم‌ها قیمت ارزان‌تر و نصب ساده‌تری دارد. امروزه، سیستمهای پنوماتیک با وزن و ابعاد کوچک‌تر ساخته می‌شوند و در بسیاری از صنایع به کار می‌روند.
نحوه عملکرد سیستم‌ها
نحوه عملکرد سیستمهای هیدرولیک و پنوماتیک، بیشتر از آن‌چه که به نظر می‌آید با هم متفاوت است. عملکرد سیستمهای هیدرولیک به صورت چرخشی و مانند یک مدار بسته است. در این سیستم‌ها، سیال توسط پمپ از مخزن کشیده می‌شود و در سیستم به جریان می‌افتد. در نهایت، سیال دوباره از طریق لوله‌هایی به مخزن بازمی‌گردد. این مسیر همواره تکرار می‌شود. اما در سیستم پنوماتیک، کمپرسورها، هوا یا گاز موجود در محیط را فشرده کرده و به داخل سیستم هدایت می‌کنند. در نهایت، این هوا دوباره در محیط تخلیه می‌شود و به سیستم برنمی‌گردد. به همین دلیل گفته می‌شود که عملکرد این سیستم‌ها به صورت حلقه‌باز است.
مزایا و معایب سیستم پنوماتیک
توجه به مزایا و معایب هر کدام از سیستمهای هیدرولیک و پنوماتیک، انتخاب بین این دو سیستم را ساده‌تر می‌کند و باعث می‌شود بهترین سیستم را برای کاربردی که در نظر دارید؛ انتخاب کنید. در ادامه این مقاله، با چند تا از مهم‌ترین مزایا و نقاط ضعف سیستمهای پنوماتیک آشنا می‌شوید.
مزایای سیستم پنوماتیک
- این سیستم‌ها نسبت به سیستم هیدرولیک، قیمت مناسب‌تر، انعطاف‌پذیری بیشتر و ایمنی بالاتری دارند.
- سیستم پنوماتیک آلودگی تولید نمی‌کند و به همین دلیل، یک انتخاب مناسب برای صنایع بیوتکنولوژی، دندانپزشکی، داروسازی و صنایع غذایی است.
- سرعت انجام کار در این سیستم بالا است.
- طراحی بدون پیچیدگی و ساختار ساده این سیستم باعث می‌شود هزینه نصب، تعمیر و نگهداری آن ارزان باشد.
- سیال مورد استفاده در این سیستم (هوا)، همواره در دسترس است و استفاده از آن هزینه‌ای ندارد.
- این سیستم نسبت به تغییرات دما حساسیت کمتری دارد و ضد آتش‌سوزی و انفجار است.
- جابه‌جایی و حمل هوای فشرده در مخزن‌های تحت فشار و لوله‌ها، ساده‌تر از سیالات دیگر است.
- این سیستم‌ها به مخزن برای نگهداری هوا نیاز ندارند و آن را از محیط جذب می‌کنند.
نقاط ضعف سیستم پنوماتیک
- سیستمهای پنوماتیک فشار و قدرت چندان بالایی تولید نمی‌کنند و برای تجهیزاتی که نیازمند نیروی زیاد برای جابه‌جایی یا بلند کردن جسم هستند، مناسب نیستند.
- نوسانات فشار هوا در این سیستم و عملکرد آن دیده می‌شود. این نوسانات باعث می‌شوند بلند کردن اجسام، با حرکتی ناگهانی اتفاق بیوفتد.
- هزینه برق مصرفی در این سیستم‌ها نسبت به سیستم هیدرولیکی بالاتر است؛ زیرا بخش زیادی از انرژی الکتریکی، در زمان فشرده‌سازی هوا به صورت گرما تلف می‌شود.
- سیستمهای پنوماتیک معمولا سر و صدای زیادی تولید می‌کنند.
به یاد داشته باشید که نقاط ضعف هیچ کدام از سیستمهای هیدرولیک و پنوماتیک، به معنای عملکرد نامناسب آن‌ها نیست؛ بلکه تعیین‌کننده این موضوع است که در چه شرایط و محیط‌های کاری، کاربرد بهتر یا ضعیف‌تری دارند.
مزایا و نقاط ضعف سیستم هیدرولیک
در هر صنعتی که سیستم پنوماتیک قدرت لازم برای انجام کارها را ندارد، سیستم هیدرولیک جایگزین مناسبی است. برای آشنایی با مزایا و نقاط ضعف این سیستم‌ها، به مواردی که در ادامه گفته می‌شود، دقت کنید.
مزایای سیستم هیدرولیک
- این سیستم‌ها قدرت و استحکام بالایی دارند، انرژی زیادی تولید می‌کنند و برای استفاده در فشارهای بالا و جابه‌جایی بارهای سنگین مناسب هستند.
- در تجهیزات هیدرولیکی، قابلیت انجام چندین کار به طور همزمان وجود دارد؛ از جمله روانکاری در سیستم، خنک‌کنندگی و انتقال نیرو.
- این سیستم‌ها می‌توانند حرکت چرخشی را به حرکت خطی و برعکس تبدیل کنند.
- طول عمر این سیستم‌ها نسبت به سیستمهای پنوماتیک بیشتر است؛ زیرا تمام قطعات آن در حین کار، روغن‌کاری می‌شوند.
نقاط ضعف سیستم هیدرولیک
- وجود مخزن برای نگهداری سیال در این سیستم‌ها ضروری است.
- در تجهیزات هیدرولیکی، امکان نشت روغن، ایجاد آلودگی و در نتیجه، احتمال آتش‌سوزی و انفجار وجود دارد.
- سیستمهای هیدرولیکی نسبت به دما، آلاینده‌ها و گرد و غبار حساسیت بیشتری دارند.
- روغن هیدرولیک یک سیال چسبناک است و برای حرکت در لوله‌ها، به انرژی زیادی نیاز دارد. به همین دلیل، سرعت انجام کار در این سیستم‌ها، کمتر از سیستمهای پنوماتیک است.
- این سیستم‌ها علاوه بر این که هزینه اولیه بیشتری نسبت به سیستمهای پنوماتیک دارند، نیازمند انجام اقداماتی برای جلوگیری یا به حداقل رساندن نشت و خطرات احتمالی هستند. از جمله این اقدامات می‌توان به لوله‌کشی مناسب، نگهداری درست و تعمیرات منظم اشاره کرد.
- تجهیزات هیدرولیکی معمولا ابعاد بزرگ‌تری دارند و نیازمند فضای بیشتری برای نصب هستند.
کاربرد سیستم هیدرولیک در صنعت
سیستمهای هیدرولیک کاربرد فراوانی دارند. این تجهیزات، انرژی دریافت‌شده از مولد خارجی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند؛ توسط آن، اجسام سنگین را بلند یا جابه‌جا می‌کنند و قابلیت کنترل فشار سیال را در اختیار کاربر می‌گذارند. در این بخش از مقاله، شما را با برخی از مهم‌ترین کاربردهای سیستم هیدرولیک در صنعت آشنا می‌کنیم.
ماشین آلات متحرک
یکی از متداول‌ترین کاربردهای سیستم هیدرولیکی، در ماشین‌آلات متحرک است. از نمونه این دستگاه‌ها می‌توان به تجهیزات ساختمانی، بیل مکانیکی، لودر، تراکتور، سیستمهای آبیاری، دستگاه‌های جابه‌جایی مصالح، تجهیزات حفاری تونل و تجهیزات ریلی اشاره کرد.
ماشین‌آلات غیر‌متحرک
ماشین‌آلات صنعتی غیر‌متحرک که در کارخانه‌ها و صنایع استفاده می‌شوند، به طور معمول به سیستم هیدرولیکی مجهز هستند. از نمونه این کاربردها، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- ماشین‌آلات بازیافت پلاستیک
- تجهیزات فولاد‌سازی
- خطوط تولید خودکار
- دستگاه پرس و سنگ‌شکن
- صنایع نساجی
- تولید کاغذ
- صنایع ماشین‌ابزار مانند خط تولید سیلندر
صنعت خودرو
از جذاب‌ترین کاربردهای این نوع سیستم در صنعت خودرو، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.
- فرمان خودرو
- کمک‌فنرها
- بالابر شیشه جلوی خودرو
- ترمز و کلاچ اتومبیل
- بالابرهای مخصوص بازرسی وسایل نقلیه
صنعت هوا و فضا
این سیستم در صنعت هوا و فضا غوغا کرده است. از کاربردهای شگفت‌انگیز هیدرولیک در صنعت هوا و فضا می‌توان به کاربرد آن در هواپیماها، موشک‌ها، سفینه‌های فضایی، تنظیم بال‌ها و نقش کلیدی در باز و بسته کردن درب‌های هواپیما اشاره کرد.
صنعت دریایی
از نمونه کاربردهای این سیستم که کمتر کسی به آن توجه می‌کند، کاربرد آن در صنعت دریایی و کنترل کشتی‌ها است. برای مثال:
- سیستمهای تعمیر و نگهداری موتورخانه کشتی (پمپ‌ها و جک‌ها)
- به‌کارگیری در ماشین‌آلات روی عرشه مانند جرثقیل‌ها
- استفاده در پوششهای دریچه و درام‌های پهلوگیری
کاربرد سیستم پنوماتیک در صنعت
کاربردهای سیستم پنوماتیک، درست به اندازه دستگاه‌های هیدرولیک گسترده هستند. بیشتر کاربردهای پنوماتیک صنعتی در فشار ۸۰ تا ۱۰۰ پوند بر اینچ مربع (۵۵۰ تا ۶۹۰ کیلوپاسکال) انجام می‌شوند. این سیستم‌ها در ساخت‌وساز، صنعت رباتیک، تولید و پخش مواد غذایی، دندانپزشکی، داروسازی، بیوتکنولوژی، معدن و ساخت ابزارآلات کاربرد دارند. برای آشنایی با کاربردهای دیگر این سیستم، به موارد زیر دقت کنید.
- باز‌کننده درب اتوبوس
- قابل‌استفاده در موتور وسایل نقلیه
- سیستمهای کنترل HVAC (سیستم تهویه مطبوع)
- سیستمهای انتقال (نوار نقاله) در صنایع دارویی و غذایی
- حسگر فشار
- مته دندانپزشکی
- ترمزهای هوایی مورد استفاده اتوبوس، کامیون و قطار
- تفنگ میخ‌کوب
بیشتر بدانید
سیستم HVAC، مخفف Heating Ventilation and Air Condition و به معنای گرمایش و تهویه مطبوع است. این سیستم‌ها وظیفه تنظیم دما در ساختمان‌ها را بر عهده دارند و با استفاده از تجهیزات مخصوص، رطوبت، گردش و کیفیت هوا را کنترل می‌کنند.
سخن پایانی
سیستمهای هیدرولیک و پنوماتیک، دو تا از اصلی‌ترین سیستمهای انتقال قدرت هستند که به دلیل هزینه‌های کمتر، ایمنی بالاتر و نگهداری ساده‌تر، در صنایع استفاده می‌شوند. در این مقاله، هر کدام از این دو سیستم را تعریف کردیم و به بررسی مزایا، معایب و کاربرد سیستم‌ها در صنعت پرداختیم. اگر کوچک‌ترین سوالی در مورد این سیستم‌ها ذهن شما را به خود مشغول کرده است، در زیر همین مقاله بنویسید تا در اولین فرصت پاسخ داده شود. برای یادگیری مطالب بیشتر در این زمینه، می‌توانید دوره هیدرولیک و پنوماتیک آکادمی ماهر را خریداری کنید تا به پاسخ تمام سوال‌های خود در مورد این سیستم‌ها دست پیدا کنید.
سوالات متداول
خیر، این سیستم‌ها به پمپ نیازی ندارند.
رایج‌ترین گازهای مورد استفاده در سیستم پنوماتیک، اکسیژن و نیتروژن هستند.
اگر برای انجام کار و جابه‌جایی جسم مورد نظر، به قدرت، انرژی و فشار بالایی نیاز دارید، سیستم هیدرولیک انتخاب بهتری است. اگر سرعت بیشتر، نگهداری ساده‌تر و ابعاد کوچک‌تر برای شما اهمیت دارد، از سیستم پنوماتیک استفاده کنید.
منابع
https://www.rowse.co.uk/blog/post/hydraulics-vs-pneumatics
سوال:
با توجه به مطالب گفته شده، به نظر شما سیستمهای هیدرولیک طرفداران بیشتری دارند یا سیستمهای پنوماتیک؟
تجربه و نظرات خود در این رابطه ، با ما در میان بگذارید.
