جزوه هیدرولیک و طراحي پمپ و سيستمهاي هيدروليك

دسته بندي : فنی و مهندسی » مکانیک
تعریف و تاریخچه هیدرولیک
هیدرولیک از کلمه یونانی " هیدرو " مشتق گردیده است و این کلمه بمعنای جریان حرکات مایعات می باشد.
در قرون گذشته مقصود از هیدرولیک فقط آب بوده و البته بعدها عنوان هیدرولیک مفهوم بیشتری بخود گرفت و معنی ومفهوم آن بررسی در مورد بهره برداری بیشتری از آب و حرکت دادن چرخ های آبی و مهندسی آب بوده است.
مفهوم هیدرولیک در این قرن دیگر مختص به آب نبوده بلکه دامنه وسیعتری بخود گرفته و شامل قواعد و کاربرد مایعات دیگری ، بخصوص " روغن معدنی " میباشد ، زیرا که آب بعلت خاصیت زنگ زدگی ، در صنایع نمی تواند بعنوان انرژی انتقال دهنده مورداستفاده قرار گیرد و بعلت آنکه روغن خاصیت زنگ زدگی دارد ، امروزه در صنایع از آن بخصوص برای انتقال انرژی در سیستم کنترل استفاده بسیار میگردد.


بطور خلاصه میتوان گفت:
فنی که انتقال و تبدیل نیرو را توسط مایعات انجام دهد " هیدرولیک " نامیده میشود.
از آنجائیکه هیدرولیک آبی دارای خاصیت زنگ زدگی است لذا در صنایع از هیدرولیک روغنی هم بخاطر روغن کاری قطعات در حین کار و هم بخاطر انتقال انرژی در سیستم های کنترل استفاده میشود . وقتیکه در صنعت از هیدرولیک نام برده میشود ، مقصود همان " هیدرولیک روغنی " می باشد .
بطور دقیق میتوان گفت که : حوزه کاربرد هیدرولیک روغنی استفاده از انرژی دینامیکی و استاتیکی آن بوده و در مهندسی کنترل برای انتقال زیگنال ها و تولید نیرو می باشد.
وسائل هیدرولیکی که نحوه استفاده هیدرولیک را در صنعت میسر میسازد خود دارای تاریخچه بسیار قدیمی میباشد.
یکی از قدیمی ترین این وسائل ، پمپ های هیدرولیکی بوده ، که برای اولین بار کتزی بیوس یونانی در حدود اواسط قرن سوم قبل از مسیح ، پمپی از نوع پیستون اهرمی که دارای دو سیلندر بود اختراع و ساخته است .
تا اوائل قرن هشتم دیگر در این زمینه وسیله جدیدی پدید نیامد و در اوائل این قرن انواع چرخ های آبی اختراع و رواج بسیار پیدا نمود.
قرن شانزده را میتوان توسعه پمپهای آبی دانست و در این قرن بود که انواع پمپ با ساختمانهای مختلفی پدیدار گردیدند و اصول ساختمانی این پمپ ها ، امروزه بخصوص از نوع چرخ دنده ئی ، هنوز هم مورد توجه و اهمیت بسیاری را دارا می باشد.


در اواخر قرن شانزدهم اصول ساختمان پرس هیدرولیکی طراحی گردیده و حدوداً بعد از یک قرن اولین پرس هیدرولیکی که جنبه عملی داشت ، شروع بکار نمود.
قرن نوزدهم زمان کاربرد پرسهای هیدرولیک آبی بود و اوائل قرن بیستم را میتوان شروع و زمان توسعه هیدرولیکی روغنی در صنایع و تاسیسات صنعتی دانست.
سال 1905 پیدایش گیربکس هیدرواستاتیکی تا فشار 40 بار
سال 1910 پیدایش ماشین های پیستون شعاعی
سال 1922 پیدایش ماشین های شعاعی با دور سریع
سال 1924 پیدایش ماشین های پیستون محوری با محور مایل
سال 1940 پیدایش و تولید انواع مختلف وسائل و ابزار هیدرولیکی برای فشارهائی بیش از 350 بار ، که بعضی از آن وسایل در حال حاضر بطور سری تولید میگردد.
توسعه وسیع و کاربرد هیدرولیک روغنی پس از جنگ جهانی دوم پدید آمد ، ودر اثر همین توسعه ،
بسیاری از قطعات و لوازم هیدرولیک روغنی در حال حاضر بصورت استاندارد شده تولید میگردند.
خواص هیدرولیک روغنی و کاربرد آن در صنایع
استفاده از هیدرولیک روغنی به طراحان ماشین امکانات جدیدی را داده ، که میتوانند به نحو ساده تری ایده و طرح خود را عملی سازند، بخصوص قطعات استاندارد شده هیدرولیک روغنی کمک بسیار جامعی در حل مسائل طراحان مینماید.
امروزه طراح ماشین میتواند با کمک هیدرولیک روغنی مسایل پیچیده کنترل مکانیکی را بنحو ساده تری و در زمان کوتاه تری حل نموده و در نتیجه طرح را با مخازن کمتری عرضه نماید.
خواص مثبت هیدرولیک روغنی
تولید و انتقال نیروهای قوی توسط قطعات کوچک هیدرولیکی ، که دارای وزن کمتری بوده و نسبت وزنی آنها نسبت به دستگاههای الکتریکی 1 به 10 میباشد.

نصب ساده قطعات بعلت استاندارد بودن آنها
تبدیل ساده حرکت دورانی به حرکت خطی اسیلاتوری (رفت و برگشتی)
قابلیت تنظیم و کنترل قطعات هیدرولیکی
امکان سریع معکوس کردن جهت حرکت
استارت حرکت قطعات کار کننده هیدرولیکی ، در موقعیکه زیر بار قرار گرفته باشند.
قابلیت تنظیم غیر پله ئی نیرو ، فشار ، گشتاور، سرعت قطعات کار کنندهازدیاد عمر کاری قطعات هیدرولیکی در اثر موجودیت روغن در این قطعاتمراقبت ساده دستگاهها و تاسیسات هیدرولیکی توسط مانومتر
امکان اتوماتیک کردن حرکاتدر مقابل این خواص مثبت ، البته خواص منفی نیز در هیدرولیک موجود است که طراحان بایستی با آنها نیز آشنا گردند ، البته لازم بتذکر است که بزرگترین خاصیت منفی هیدرولیک ، افت فشار میباشد ، که در حین انتقال مایع فشرده پدید می آید.
خواص منفی هیدرولیک روغنی
خطر در موقع کار با فشارهای قوی ، لذا توجه بیشتری بایستی به محکم وجفت شدن مهره ماسورهها با لوله ها و دهانه تغذیه و مسیر کار قطعات کار کننده نمود

راندمان کمتر مولدهای نیروی هیدرولیکی نسبت به مولدهای نیروی مکانیکی، بعلت نشت فشار روغن و همچنین افت فشار در اثر اصطکاک مایعات در لوله و قطعاتبعلت قابلیت تراکمی روغن و همچنین نشت آن ، امکان سینکرون کردن جریان حرکات بطور دقیق میسر نمی باشد.
گرانی قطعات در اثر بالا بودن مخارج تولید.
کاربرد هیدرولیک امروزه در اغلب صنایع بخصوص صنایع ذیل متداول میباشد:

ماشین ابزار
پرس سازی
تاسیسات صنایع سنگین
ماشین های راه و ساختمان و معادن
هواپیما سازی
کشتی سازی
تبدیل انرژی در تاسیسات هیدرولیکی

انرژی مکانیکی اغلب توسط موتورهای احتراقی و یا الکترو موتورها تولید میگردد، در هیدرو پمپها تبدیل به انرژی هیدرولیکی گشته و این انرژی از طریق وسائل هیدرولیکی به قطعات کار کننده هیدرولیکی منتقل میگردد، واز این قطعات کارکننده میتوان مجددا انرژی مکانیکی را بدست آورد.

‏هیدرولیک
مایعات تقریباً تراکم ناپذیر هستند. این ویژگی سبب شده است که از مایعات به عنوان وسیله مناسبی برای تبدیل و انتقال کار استفاده شود. بنابراین می‌توان از آنها برای طراحی ماشینهایی که در عین سادگی، با نیروی محرک خیلی کم بتواند نیروی مقاوم فوق العاده زیادی را جابجا نماید، استفاده نمود. به این ویژگی و همچنین دانش مطالعه این ویژگی هیدرولیک گفته می‌شود.

امروزه در بسیاری از فرآیندهای صنعتی ، انتقال قدرت آن هم به صورت کم هزینه و با دقت زیاد مورد نظر است در همین راستا بکارگیری سیال تحت فشار در انتقال و کنترل قدرت در تمام شاخه های صنعت رو به گسترش است. استفاده از قدرت سیال به دو شاخه مهم هیدرولیک و نیوماتیک ( که جدیدتر است ) تقسیم میشود . از نیوماتیک در مواردی که نیروهای نسبتا پایین (حدود یک تن) و سرعت های حرکتی بالا مورد نیاز باشد (مانند سیستمهایی که در قسمتهای محرک رباتها بکار می روند) استفاده میکنند در صورتیکه کاربردهای سیستمهای هیدرولیک عمدتا در مواردی است که قدرتهای بالا و سرعت های کنترل شده دقیق مورد نظر باشد(مانند جک های هیدرولیک ، ترمز و فرمان هیدرولیک و...). حال این سوال پیش میاید که مزایای یک سیستم هیدرولیک یا نیوماتیک نسبت به سایر سیستمهای مکانیکی یا الکتریکی چیست؟در جواب می توان به موارد زیر اشاره کرد: ۱) طراحی ساده ۲) قابلیت افزایش نیرو ۳) سادگی و دقت کنترل ۴) انعطاف پذیری ۵) راندمان بالا ۶) اطمینان در سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک نسبت به سایر سیستمهای مکانیکی قطعات محرک کمتری وجود دارد و میتوان در هر نقطه به حرکتهای خطی یا دورانی با قدرت بالا و کنترل مناسب دست یافت ، چون انتقال قدرت توسط جریان سیال پر فشار در خطوط انتقال (لوله ها و شیلنگ ها) صورت میگیرد ولی در سیستمهای مکانیکی دیگر برای انتقال قدرت از اجزایی مانند بادامک ، چرخ دنده ، گاردان ، اهرم ، کلاچ و... استفاده میکنند. در این سیستمها میتوان با اعمال نیروی کم به نیروی بالا و دقیق دست یافت همچنین میتوان نیرو های بزرگ خروجی را با اعمال نیروی کمی (مانند بازو بسته کردن شیرها و ...) کنترل نمود. استفاده از شیلنگ های انعطاف پذیر ، سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک را به سیستمهای انعطاف پذیری تبدیل میکند که در آنها از محدودیتهای مکانی که برای نصب سیستمهای دیگر به چشم می خورد خبری نیست. سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک به خاطر اصطکاک کم و هزینه پایین از راندمان بالایی برخوردار هستند همچنین با استفاده از شیرهای اطمینان و سوئیچهای فشاری و حرارتی میتوان سیستمی مقاوم در برابر بارهای ناگهانی ، حرارت یا فشار بیش از حد ساخت که نشان از اطمینان بالای این سیستمها دارد. اکنون که به مزایای سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک پی بردیم به توضیح ساده ای در مورد طرز کار این سیستمها خواهیم پرداخت. برای انتقال قدرت به یک سیال تحت فشار (تراکم پذیر یا تراکم ناپذیر) احتیاج داریم که توسط پمپ های هیدرولیک میتوان نیروی مکانیکی را تبدیل به قدرت سیال تحت فشار نمود. مرحله بعد انتقال نیرو به نقطه دلخواه است که این وظیفه را لوله ها، شیلنگ ها و بست ها به عهده میگیرند . بعد از کنترل فشار و تعیین جهت جریان توسط شیرها سیال تحت فشار به سمت عملگرها (سیلندرها یا موتور های هیدرولیک ) هدایت میشوند تا قدرت سیال به نیروی مکانیکی مورد نیاز(به صورت خطی یا دورانی ) تبدیل شود. اساس کار تمام سیستم های هیدرولیکی و نیوماتیکی بر قانون پاسکال استوار است. ● قانون پاسکال: ۱) فشار سرتاسر سیال در حال سکون یکسان است .(با صرف نظر از وزن سیال) ۲) در هر لحظه فشار استاتیکی در تمام جهات یکسان است. ۳) فشار سیال در تماس با سطوح بصورت عمودی وارد میگردد. کار سیستمهای نیوماتیک مشابه سیستم های هیدرولیک است فقط در آن به جای سیال تراکم ناپذیر مانند روغن از سیال تراکم پذیر مانند هوا استفاده می کنند . در سیستمهای نیوماتیک برای دست یافتن به یک سیال پرفشار ، هوا را توسط یک کمپرسور فشرده کرده تا به فشار دلخواه برسد سپس آنرا در یک مخزن ذخیره می کنند، البته دمای هوا پس از فشرده شدن بشدت بالا میرود که می تواند به قطعات سیستم آسیب برساند لذا هوای فشرده قبل از هدایت به خطوط انتقال قدرت باید خنک شود. به دلیل وجود بخار آب در هوای فشرده و پدیده میعان در فرایند خنک سازی باید از یک واحد بهینه سازی برای خشک کردن هوای پر فشار استفاده کرد. اکنون بعد از آشنایی مختصر با طرز کار سیستمهای هیدرولیکی و نیوماتیکی به معرفی اجزای یک سیستم هیدرولیکی و نیوماتیکی می پردازیم. ● اجزای تشکیل دهنده سیستم های هیدرولیکی: ۱) مخزن : جهت نگهداری سیال ۲) پمپ : جهت به جریان انداختن سیال در سیستم که توسط الکترو موتور یا ۳) موتور های احتراق داخلی به کار انداخته می شوند. ۴) شیرها : برای کنترل فشار ، جریان و جهت حرکت سیال ۵) عملگرها : جهت تبدیل انرژی سیال تحت فشار به نیروی مکانیکی مولد کار(سیلندرهای هیدرولیک برای ایجاد حرکت خطی و موتور های هیدرولیک برای ایجاد حرکت دورانی). ● اجزای تشکیل دهنده سیستم های نیوماتیکی: ۱) کمپرسور ۲) خنک کننده و خشک کننده هوای تحت فشار ۳) مخزن ذخیره هوای تحت فشار ۴) شیرهای کنترل ۵) عملگرها ● یک مقایسه کلی بین سیستمهای هیدرولیک و نیوماتیک: ۱) در سیستمهای نیوماتیک از سیال تراکم پذیر مثل هوا و در سیستمهای هیدرولیک از سیال تراکم ناپذیر مثل روغن استفاده می کنند. ۲) در سیستمهای هیدرولیک روغن علاوه بر انتقال قدرت وظیفه روغن کاری قطعات داخلی سیستم را نیز بر عهده دارد ولی در نیوماتیک علاوه بر روغن کاری قطعات، باید رطوبت موجود در هوا را نیز از بین برد ولی در هر دو سیستم سیال باید عاری از هر گونه گرد و غبار و نا خالصی باشد ۳) فشار در سیستمهای هیدرولیکی بمراتب بیشتر از فشار در سیستمهای نیوماتیکی می باشد ، حتی در مواقع خاص به ۱۰۰۰ مگا پاسکال هم میرسد ، در نتیجه قطعات سیستمهای هیدرولیکی باید از مقاومت بیشتری برخوردار باشند. ۴) در سرعت های پایین دقت محرک های نیوماتیکی بسیار نامطلوب است در صورتی که دقت محرک های هیدرولیکی در هر سرعتی رضایت بخش است . ۵) در سیستمهای نیوماتیکی با سیال هوا نیاز به لوله های بازگشتی و مخزن نگهداری هوا نمی باشد. ۶) سیستمهای نیوماتیک از بازده کمتری نسبت به سیستمهای هیدرولیکی برخوردارند.

جک هیدرولک
دید کلی
مایعات تقریبا تراکم ناپذیر هستند. این ویژگی سبب شده است که از مایعات به عنوان وسیله مناسبی برای تبدیل و انتقال کار استفاده شود. بنابراین می‌توان از آنها برای طراحی ماشینهایی که در عین سادگی ، با نیروی محرک خیلی کم بتواند نیروی مقاوم فوق العاده زیادی را جابجا نماید، استفاده نمود.
جک هیدرولیک چیس