Jak działają układy hydrauliczne: komponenty, obwody, obliczenia i rozwiązywanie problemów

Układ hydrauliczny przekształca wkład mechaniczny w moc płynu, a następnie przekształca tę moc płynu z powrotem w siłę lub ruch. To połączenie kompaktowych komponentów i dużej siły wyjściowej sprawia, że ​​hydraulika jest powszechna wprasy przemysłowe, obrabiarki, sprzęt budowlany i rolniczy, systemy dźwigowe i maszyny mobilne.

Zrozumienie systemu wymaga czegoś więcej niż tylko wiedzy, że pompa tłoczy olej. Ciśnienie rośnie w odpowiedzi na opór, przepływ steruje prędkością siłownika, zawory kierują i regulują energię, a stan płynu wpływa na niezawodność. Ten przewodnik wyjaśnia te zależności i opiera się na prawie Pascala, obejmującym obsługę obwodów, wymiarowanie, konserwację i rozwiązywanie problemów.

Prawo Pascala i przenoszenie sił

Moc hydrauliczna opiera się na prawie Pascala: ciśnienie wywierane na zamknięty płyn jest przenoszone równomiernie we wszystkich kierunkach.

Ciśnienie hydrauliczne wynosi:

Ciśnienie=Siła ÷ Powierzchnia

Lub:

P = F ÷ A

W zwyczajowych jednostkach amerykańskich:

P= ciśnienie w funtach na cal kwadratowy (psi)

F= siła w funtach-siła (lbf)

A= powierzchnia w calach kwadratowych (in²)

Zmiana układu formuły daje:

F = P × A

Zależność ta wyjaśnia zwielokrotnienie siły hydraulicznej. Rozważmy dwa połączone cylindry. Mały tłok ma powierzchnię 1 cal², a większy tłok ma powierzchnię 10 cali². Jeśli operator przyłoży 10 funtów siły do ​​małego tłoka:

P=10 funt siły ÷ 1 cal²=10 psi

Około 10 psi działa również na większy tłok, wytwarzając teoretyczną siłę:

F=10 psi × 10 cali²=100 lbf

Wydajność jest dziesięciokrotnie większa niż wejściowa, ponieważ powierzchnia tłoka jest dziesięciokrotnie większa.

Rzeczywiste systemy nie są w 100% wydajne. Tarcie uszczelnienia, przecieki wewnętrzne, straty na zaworach i wężach oraz tarcie mechaniczne zmniejszają dostępną siłę. Przy łącznej sprawności hydraulicznej i mechanicznej wynoszącej 90 procent:

Rzeczywista siła=100 lbf × 0.90=90 lbf

Ta sama metoda dotyczy sprzętu przemysłowego i mobilnego. Cylinder o powierzchni efektywnej 20 cali² przy zmierzonym ciśnieniu 2500 psi wytwarza:

Siła teoretyczna=2,500 × 20=50,000 funtów siły

Przy szacowanej wydajności 92 procent:

Siła użytkowa ≈ 46 000 funtów siły

Kiedy znana jest efektywna powierzchnia tłoka, odczyt-ciśnieniomierza może zatem zapewnić przybliżoną siłę cylindra.

Ciśnienie i przepływ są ze sobą powiązane, ale nie są zamienne. Ciśnienie określa dostępną siłę lub moment obrotowy, podczas gdy przepływ określa głównie prędkość siłownika.

Główne elementy hydrauliczne

Każdy komponent pełni określoną rolę w wytwarzaniu, kontrolowaniu i wykorzystywaniu energii hydraulicznej.

Pompy hydrauliczne

Pompa wytwarza przepływ. Ciśnienie powstaje, gdy przepływ napotyka opór.

Pompa o stałej-wyporowości dostarcza w przybliżeniu tę samą objętość przy każdym obrocie i jest odpowiednia dla systemów o stosunkowo stałym zapotrzebowaniu.

Pompa o zmiennej-wyporności zmienia swoją moc wyjściową w miarę zmiany zapotrzebowania. Jest często stosowany tam, gdzie liczy się efektywność energetyczna, precyzyjne sterowanie lub zmienne wymagania dotyczące siłowników.

Dobór pompy powinien uwzględniać pojemność skokową, ciśnienie znamionowe, maksymalną prędkość, wymagany przepływ w GPM, wydajność objętościową, kompatybilność płynów i sposób montażu.

Zbiornik

Zbiornik przechowuje płyn i daje czas na oddzielenie się pęcherzyków powietrza, osadzanie się zanieczyszczeń i podgrzanie ścieżki do rozproszenia. Dobrze-zaprojektowany zbiornik może obejmować:

Filtry napełniające i odpowietrzające

Dyfuzory-powrotne

Tam, gdzie to konieczne, filtry ssące

Wskaźniki poziomu i temperatury

Wewnętrzne przegrody

Dostęp do drenażu i czyszczenia

Sprzęt mobilny może wymagać kompaktowego zbiornika ciśnieniowego lub specjalnej przegrody, ponieważ działa na zboczach i pod wpływem wibracji.

Zawory hydrauliczne

Zawory kontrolują, dokąd trafia energia hydrauliczna i jak reaguje siłownik.

Zawór nadmiarowy chroni pompy, węże, cylindry i inne elementy przed nadmiernym ciśnieniem.

Siłowniki

Siłowniki hydrauliczne przekształcają moc płynu w moc mechaniczną. Acylinder hydraulicznytworzy ruch liniowy pod wpływem ciśnienia na powierzchnię tłoka. Silnik hydrauliczny wytwarza ruch obrotowy: przepływ wpływa na prędkość obrotową, a różnica ciśnień określa dostępny moment obrotowy.

Uszczelnienia muszą odpowiadać składowi chemicznemu płynu, ciśnieniu, prędkości i temperaturze. Kauczuk nitrylowy jest powszechny w systemach-oleju mineralnego. FKM jest często używany w wyższych temperaturach lub w zastosowaniach wymagających chemii, natomiast elementy na bazie PTFE- mogą nadawać się do zastosowań wymagających niskiego tarcia lub szerszej kompatybilności chemicznej. Sprawdź ostateczny materiał pod kątem rzeczywistych warunków cieczy i pracy.

Typowy obwód hydrauliczny

Podstawowy obwód przemysłowy można przedstawić jako:

Zbiornik → Pompa → Manometr → Zawór nadmiarowy → Zawór kierunkowy → Cylinder → Filtr powrotny → Zbiornik

1. Uruchomienie

Silnik elektryczny lub silnik uruchamia pompę. Pompa pobiera płyn ze zbiornika i przesyła go do przewodu ciśnieniowego.

Gdy zawór kierunkowy znajduje się w pozycji otwartej-lub w pozycji rozładunku, przepływ może powrócić do zbiornika pod stosunkowo niskim ciśnieniem. Przydatne punkty monitorowania obejmują ciśnienie wylotowe pompy, przepływ-w głównej linii, temperaturę zbiornika i różnicę ciśnień-na filtrze powrotnym.

2. Rozwój ciśnienia

Kiedy zawór kierunkowy wysyła przepływ do siłownika, opór wzrasta. Ciśnienie wzrasta tylko na tyle, aby pokonać obciążenie zewnętrzne i straty wewnętrzne.

Jeśli na przykład cylinder potrzebuje ciśnienia 1800 psi do przemieszczenia ładunku, ciśnienie może wzrosnąć z niskiego poziomu w trybie gotowości do około 1800 psi plus straty w obwodzie.

3. Przedłużenie cylindra

Zawór kierunkowy kieruje przepływ pompy do korka cylindra. Olej opuszczający końcówkę drążka wraca przez zawór do zbiornika, a cylinder wysuwa się. Zawór sterujący-przepływem może ograniczyć przepływ w celu ustawienia prędkości wydłużenia.

4. Ograniczenie końca skoku i ciśnienia

Kiedy cylinder osiągnie koniec skoku, przestaje się poruszać. Jeśli pompa nadal zapewnia przepływ, ciśnienie szybko wzrasta.

Przy zadanym ciśnieniu zawór nadmiarowy otwiera się i kieruje nadmiar przepływu w stronę zbiornika. Zapobiega to przekroczeniu przez system bezpiecznego limitu ciśnienia. Ciągła praca na zaworze nadmiarowym powoduje marnowanie energii i wytwarzanie znacznych ilości ciepła.

5. Wycofanie się

Zawór kierunkowy odwraca kierunek, wysyłając olej pod ciśnieniem na stronę tłoczyska, podczas gdy olej od strony korka wraca do zbiornika.

Trzon zmniejsza efektywną powierzchnię tłoka podczas wycofywania, więc konwencjonalny cylinder z jednym-tłoczyskiem wytwarza mniejszą siłę wycofywania przy tym samym ciśnieniu. Przy takim samym przepływie wlotowym może również szybciej się cofać.

6. Rozładunek i wyłączenie

Po operacji obwód powraca do stanu neutralnego. W zależności od konstrukcji pompa może się rozładować, zniszczyć lub zatrzymać.

Przed konserwacją należy uwolnić nagromadzone ciśnienie zgodnie z procedurami producenta maszyny dotyczącymi blokowania/oznaczania i rozprężania.

Systemy elektrohydrauliczne umożliwiają technikom porównanie poleceń elektrycznych z reakcją układu hydraulicznego. Za pomocą oscyloskopu lub interfejsu diagnostycznego można potwierdzić polecenie wysłane do elektrozaworu lub zaworu proporcjonalnego, natomiast manometry i przepływomierze pokazują, co wydarzyło się w obwodzie.

Jeśli sterownik PLC wysyła polecenie dotyczące zaworu, ale ciśnienie się nie zmienia, sprawdź elektromagnes, ruch suwaka, obwód pilota i zasilanie hydrauliczne. Jeśli nie ma polecenia, zacznij od sterownika, czujnika, okablowania lub blokady.

Płyn hydrauliczny, utrata ciśnienia i konserwacja

Płyn hydrauliczny przenosi napęd, smaruje elementy, odprowadza ciepło, transportuje zanieczyszczenia do filtrów oraz chroni powierzchnie przed zużyciem i korozją.

Mineralne oleje hydrauliczne są powszechnie identyfikowane według klas lepkości ISO, takich jak ISO VG 32, 46 i 68. Właściwy gatunek zależy od wymagań pompy i temperatury roboczej.

Zimny ​​olej staje się bardziej lepki. Jeśli jest zbyt gruby, system może napotkać trudności podczas uruchamiania, dużą utratę ssania, powolną reakcję siłownika, kawitację lub obejście filtra.

Wysoka temperatura zmniejsza lepkość i może zwiększyć wycieki wewnętrzne, osłabić film smarny, przyspieszyć utlenianie i uszkodzić uszczelki.

Sprzęt pracujący w zimnym klimacie północnych Stanów Zjednoczonych może wymagać płynu o niższej-lepkości lub o wysokim wskaźniku lepkości. Maszyny pracujące nieprzerwanie w gorącym południowym klimacie mogą wymagać większej stabilności termicznej lub wyższej-lepkości roboczej. Przed wymianą oleju sprawdź dopuszczalny zakres lepkości określony przez producenta pompy.

Strata ciśnienia w obwodzie

Płyn traci ciśnienie, gdy przepływa przez węże, rury, złączki, filtry, chłodnice i zawory. Straty rosną wraz z natężeniem przepływu, długością przewodu, lepkością płynu, ograniczeniami i nieodpowiednią średnicą węża.

Spadek ciśnienia rośnie szybko wraz ze wzrostem prędkości przepływu. Dlatego przewody ssawny, ciśnieniowy i powrotny należy dobrać pod kątem odpowiedniej prędkości, a straty należy sprawdzić w oparciu o dane producenta lub obliczenia-spadku ciśnienia hydraulicznego.

Typowe zewnętrzne punkty wycieku obejmują połączenia węży, uszczelki prętów, rozgałęźniki zaworów, uszczelnienia wału pompy, złączki i uszkodzone przewody.

Praktyki konserwacyjne

Praktyczny program konserwacji powinien obejmować następujące prace:

Podczas rutynowych kontroli sprawdzaj poziom płynu, temperaturę, nietypowy hałas i widoczne wycieki.

Używaj wskaźników ograniczeń filtrów zamiast polegać wyłącznie na wymianie-na podstawie kalendarza.

Pobieraj próbki oleju ze stałych lokalizacji i w stałych warunkach pracy.

Zbadaj zanieczyszczenie cząstkami, lepkość, zawartość wody, utlenianie i zużycie metali, jeśli to konieczne.

Zamiast po prostu wymieniać komponenty, badaj znaczące zmiany w liczbie cząstek.

Sprawdź węże pod kątem ścierania, pęknięć, pęcherzy i ruchów na złączkach.

Potwierdź zgodność chemiczną podczas wymiany płynu lub uszczelek.

Zmiany oleju i filtrów powinny być zgodne z zaleceniami producenta sprzętu, monitorowaniem zanieczyszczeń, ciężkością eksploatacji i wynikami-analiz oleju, a nie według jednego uniwersalnego-godziny pracy.

Dobór i kontrola hydrauliczna

Dobór zwykle rozpoczyna się od siły obciążenia i wymaganej prędkości siłownika.

Załóżmy, że maszyna potrzebuje 30 000 funtów siły z cylindra przy maksymalnym ciśnieniu roboczym 2500 psi. Wymagana powierzchnia tłoka wynosi:

A = F ÷ P

A=30,000 ÷ 2,500=12 in²

Oblicz średnicę z:

A = πD² ÷ 4

Dlatego:

D = √(4A ÷ π)

Dla powierzchni 12 cali²:

D ≈ 3,91 cala

Rozsądnym punktem wyjścia jest standardowy otwór o średnicy 4- cali, zależny od współczynnika bezpieczeństwa, tarcia, ciśnienia znamionowego, obciążeń montażowych i wymagań dotyczących wyboczenia pręta.

Otwór o średnicy 4 cali ma powierzchnię w przybliżeniu:

A=12.57 in²

Przy ciśnieniu 2500 psi jego teoretyczna siła rozciągająca wynosi:

F.=2,500 × 12,57 ≈ 31425 funtów siły

Jeśli wymagana prędkość wysuwania wynosi 4 cale/s, wymagany przepływ wynosi:

Q=Powierzchnia × Prędkość

Q=12.57 × 4=50.28 in³/s

Jeden galon amerykański zawiera około 231 in3, więc:

GPM=50.28 × 60 ÷ 231 ≈ 13,1 GPM

Pompa musi dostarczać około 13,1 GPM przy wymaganym ciśnieniu, zanim zapewniona zostanie wydajność i jednoczesne zapotrzebowanie na przepływ.

Ustawianie zaworu nadmiarowego

Zawór nadmiarowy musi chronić krytyczny element o najniższej-nominalnej wartości znamionowej, jednocześnie umożliwiając maszynie osiągnięcie wymaganej siły roboczej.

Nie przekręcaj śruby regulacyjnej, dopóki maszyna nie zacznie pracować ciężej. Zidentyfikować ciśnienie projektowe, sprawdzić parametry podzespołów, podłączyć odpowiedni skalibrowany manometr, załadować obwód zgodnie z zatwierdzoną procedurą serwisową i wyregulować zawór zgodnie ze specyfikacją producenta.

Sterowanie elektrohydrauliczne

Nowoczesne systemy mogą wykorzystywać zawory proporcjonalne lub serwo sterowane przez sterownik PLC, sterownik ruchu lub wzmacniacz elektroniczny.

Zawory proporcjonalne zapewniają zmienny przepływ lub kontrolę ciśnienia. Serwozawory są zwykle używane, gdy wymagana jest bardzo szybka i precyzyjna reakcja, chociaż wymagają czystszego płynu i bardziej wyrafinowanych elementów sterujących.

Hydraulika zazwyczaj zapewnia większą gęstość siły i lepsze trzymanie ładunku niż pneumatyka. Układy pneumatyczne mogą być czystsze, prostsze i ekonomiczne w przypadku-szybkiej automatyzacji przy mniejszych wymaganiach dotyczących siły, ale sprężone powietrze jest znacznie bardziej ściśliwe niż olej hydrauliczny.

Lista kontrolna rozwiązywania problemów hydraulicznych

Przed wymianą podzespołów należy wykonać pomiary.

Mała siła lub utrata ciśnienia

Sprawdź poziom płynu.

Zmierzyć ciśnienie wylotowe pompy.

Potwierdź ustawienie-zaworu nadmiarowego.

Sprawdź, czy zawór nadmiarowy nie jest zablokowany w pozycji otwartej.

Wykonaj test przepływu pompy.

Sprawdź cylinder lub silnik pod kątem wewnętrznych wycieków.

Sprawdź zawory kierunkowe pod kątem wewnętrznego obejścia.

Powolny ruch siłownika

Zmierzyć rzeczywisty przepływ w systemie.

Sprawdź ograniczenie filtra.

Sprawdź prędkość pompy.

Sprawdź ustawienia kontroli-przepływu.

Sprawdź, czy nie ma wycieków wewnętrznych.

Zmierz spadek ciśnienia na wężach i zaworach.

Przegrzanie

Sprawdź, czy przepływ przepływa w sposób ciągły przez zawór nadmiarowy.

Sprawdź poziom i lepkość oleju.

Sprawdź wydajność chłodnicy.

Zmierz wyciek wewnętrzny.

Sprawdź, czy nie ma zbyt małych przewodów lub zaworów ograniczających.

Sprawdź wydajność pompy i zaworu.

Hałas lub kawitacja

Sprawdź poziom w zbiorniku.

Sprawdź węże ssące pod kątem zwężeń i wycieków powietrza.

Potwierdź lepkość oleju przy uruchomieniu.

Sprawdź kosz ssawny.

Sprawdź ciśnienie wlotowe pompy.

Poszukaj pieniącego się lub napowietrzonego oleju.

Użycie manometrów, czujników temperatury i przepływomierzy w logicznej kolejności zwykle pozwala na szybsze wyizolowanie usterki niż wymiana pompy lub zaworu wyłącznie na podstawie objawów.

Wsparcie inżynieryjne i systemowe

Kalkulator doboru pompy i cylindra z przykładami, kompletny pakiet CAD obwodu hydraulicznego oraz ustrukturyzowana ocena wydajności mogą pomóc zespołowi inżynieryjnemu lub konserwacyjnemu ocenić istniejącą lub proponowaną instalację.

Typowe rezultaty inżynieryjne obejmują testy obciążeniowe i ciśnieniowe, pobieranie próbek oleju, analizę zanieczyszczeń,-przegląd wymiarów komponentów, optymalizację obwodów i przeglądy systemów w oparciu o obowiązujące wytyczne ISO 4413 i SAE.

Na komercyjnej stronie internetowej inżynierowie mają trzy bezpośrednie ścieżki: pobierz kalkulator wymiarów, poproś o rysunki obwodów lub zaplanuj ocenę sprzętu za pomocą formularza, kontaktu telefonicznego lub lokalnego dystrybutora. Podaj oczekiwany czas odpowiedzi i określ, jakie pliki lub raporty z testów otrzyma klient.

Często zadawane pytania

Jak prawo Pascala mnoży siłę i jak jest to obliczane w psi i in²?

Ciśnienie wywierane na zamknięty płyn hydrauliczny jest przenoszone na cały płyn. UżywaćP = F ÷ Aobliczyć ciśnienie iF = P × Ado obliczenia siły wyjściowej. Przyłożenie 10 funtów siły do ​​tłoka o średnicy 1 cala² powoduje powstanie ciśnienia 10 psi. To ciśnienie działające na tłok o średnicy 10 cali² teoretycznie wytwarza 100 funtów siły.

Jaka jest różnica między pompami zębatymi, łopatkowymi i tłokowymi?

Pompy zębate są wytrzymałe, ekonomiczne i powszechnie stosowane w zastosowaniach o stałej-wyporowości. Pompy łopatkowe zazwyczaj pracują płynniej i ciszej w systemach przemysłowych. Pompy tłokowe zapewniają wysokie ciśnienie i wydajność i są często stosowane tam, gdzie wymagana jest zmienna wydajność lub bardziej zaawansowane sterowanie.

Jak działa typowy obwód hydrauliczny?

Pompa pobiera olej ze zbiornika, a zawór kierunkowy kieruje przepływ do siłownika. Ciśnienie wzrasta w odpowiedzi na obciążenie, gdy cylinder wysuwa się lub cofa. Zawór nadmiarowy ogranicza nadmierne ciśnienie. Po operacji zawór powraca do położenia neutralnego, a pompa zostaje odciążona, zniszczona lub zatrzymana, zgodnie z projektem obwodu.

Jak wybrać płyn hydrauliczny?

Zacznij od wymagań producenta sprzętu dotyczących lepkości. Następnie należy wziąć pod uwagę minimalną temperaturę rozruchu, normalną temperaturę pracy, wskaźnik lepkości,-wymagania dotyczące ochrony przed zużyciem, odporność na utlenianie, ekspozycję na wodę, kompatybilność uszczelek i warunki środowiskowe. Sama klasa lepkości ISO nie wystarczy.

Jakie są najczęstsze awarie układów hydraulicznych?

Typowe problemy obejmują przegrzanie, kawitację, nadmierny hałas, powolny ruch siłownika, niemożność wytworzenia ciśnienia, wycieki wewnętrzne lub zewnętrzne, zanieczyszczony olej i awarie zaworów. Rozpocznij rozwiązywanie problemów od pomiarów stanu płynu, ciśnienia, przepływu i temperatury.

Jak dobrać pompę i cylinder pod kątem siły i prędkości?

Oblicz pole cylindra za pomocąA = F ÷ P, a następnie przekonwertuj ten obszar na średnicę otworu za pomocąD = √(4A ÷ π). Po wybraniu cylindra obliczyć przepływ potrzebny dla prędkości docelowej:

GPM=Powierzchnia (cale²) × Prędkość (cale/s) × 60 ÷ 231

Przed wyborem pompy i cylindra należy wziąć pod uwagę wydajność, cykl pracy, jednoczesne zapotrzebowanie siłownika, stratę ciśnienia, parametry podzespołów i odpowiedni margines bezpieczeństwa.