هر آنچه که باید درباره هیدرولیک دانست

هیدرولیک، (به فرانسوی: Hydraulique، هیدرولیک) (به انگلیسی: Hydraulics، هایدرولِکس) مبحثی است که به روش‌های کاربردی استفاده از سیالات تحت فشار می‌پردازد.

تعریف هیدرولیک

یک مبحث مهندسی است که به روش های مناسب استفاده از سیالات تحت فشار می پردازد.

کاربردهای هیدرولیک

• خودرو سازی

در این صنعت در بخش های زیادی هیدرولیک کاربرد دارد، به عنوان مثال در قسمت ترمز، فرمان ماشین و تنظیم پنوماتیکی صندلی ها و همچنین در قسمت ساخت خودرو ها هم کاربرد زیادی دارد که می توان به بخش ساخت بدنه و شکل دادن ورقه ها اشاره کرد.

• کشاورزی

در تراکتورها این سیستم به کاربرده می شود و هم چنین توان سیال هم مورد استفاده قرار می گیرد. از موارد دیگر می توان به ماشین های خرمن کوب، کمباین، میوه چین و ماشین های حفاری، بیل مکانیکی و ماشین های نظیر آنها اشاره کرد.

• هواپیما

در قسمت های مختلفی اعم از اهرم های فرود، شهپرها و بالابر ها استفاد شده و همچنین برای تست هواپیما که متوجه شوند آیا سوراخی در بدنه وجود دارد یا نه از آن استفاده می شود به این صورت که فشار باد را بین جداره های بدنه وارد می کنند و اگر فشار افت پیدا کند در نتیجه سوراخی در بدنه وجود دارد.

برای تست کردن هواپیما مراحل مختلف و قسمت های متعددی تست می شود که در زیر به مواردی از آن اشاره می شود

• تست باد چرخ ها که فشار لازم برای این کار 300 بار می باشد.
• تست قسمت های مختلف هیدرولیک هواپیما.
• تست کردن بدنه ی هواپیما از لحاظ وجود روزنه.
• در هواپیما F14 از دستگاه میول برای تست هیدرولیک استفاده می گردد.

از دیگر کاربردهای هیدرولیک که بخش وسیعی از صنایع گوناگون را پوشش می دهد می توان در صنایع غذایی برای کنسرو سازی و ظروف یکبار مصرف، در صنایع دفاعی برای هدایت تانک های نفربر، موشک ها و ناوها، در صنایع چوب برای بریدن چوب ها و صیقل دادن سطوح مبل ها، در صنایع چاپ، معدن، راه آهن، نفت، پلاستیک و موارد زیاد دیگری اشاره کرد.

امروزه در صنایع به دنبال انتقال قدرت به صورت کم هزینه و دقت بسیار بالا هستند و به همین دلیل سیال تحت فشار برای انتقال و کنترل قدرت این نیاز برآورده کرده است. این علم به دو شاخه ی هیدرولیک و نیوماتیک تقسیم می شود. از نیوماتیک برای نیروهای پایین (حدودا تا یک تن) و سرعت های بالا استفاده می شود در صورتی که هیدرولیک برای قدرت های بالا و سرعت های کنترل شده کاربرد بهتری دارد.

مزیت سیستم هیدرولیک و نیوماتیک

• طراحی ساده
• قابلیت تنظیم نیرو
• انعطاف بالا
• سیستم ساده و در عین حال دقت کنترل بالا

تفاوت سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک با دیگر سیستم های مکانیکی این است که تعداد قطعات محرک کمتر است و حرکت های خطی و گردشی با توان بالا و کنترل دقیقی صورت می گیرد. مورد دیگر این است که انتقال قدرت در این سیستم ها در قسمت لوله ها و شیلنگ ها صورت می گیرد، در صورتی که در سیستم های مکانیکی این فرآیند توسط بخش هایی نظیر بادامک، چرخ دنده، اهرم، کلاچ و … انجام می گردد.

از شاخصه های بارز در این سیستم ها به این مورد می توان اشاره کرد که با اعمال نیروی کمی می توان نیروی زیاد و دقیقی ایجاد کرد و همچنین با نیروی کمی می توان این حجم بزرگ از نیروی تولید را کنترل کرد.

شیلنگ های انعطاف پذیر در سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک باعث می شود این سیستم ها انعطاف بالایی را دارا باشند و محدودیتی برای نصب در آنها وجود ندارد. این سیستم ها با توجه به هزینه ی نگهداری پایین، قیمت مناسب و اصطکاک کم دارای راندمان و بازده کاری خوبی هستند و همچنین چون دارای شیرهای اطمینان و سوئیچ های فشار و حرارت هستند می توانند مقاومت خوبی در برابر اعمال بارهای ناگهانی وارد شده و حرارت و یا فشار بیش از حد داشته باشند.

سیستم های نیوماتیک عملکرد مشابهی با سیستم های هیدرولیک دارند ولی تنها تفاوت آنها این است که در هیدرولیک از سال تراکم ناپذیر مانند روغن استفاده می شود ولی در نیوماتیک از سیال تراکم پذیر نظیر هوا استفاده می شود.

در نیوماتیک برای رسیدن به سیال پر فشار، هوا را با کمک یک کمپرسور فشرده می کنند و سپس آن را درون یک مخزن ذخیره می کنند. دمای هوا در اثر فشرده شدن بالا می رود که برای جلوگیری از این اتفاق که می تواند باعث آسیب به سیستم شود

باید قبل از اینکه به درون مخزن منتقل شود آن را خنک کرد که این امر به دلیل وجود بخار هوا باعث میعان می شود و در نتیجه باید از سیستمی برای خشک کردن هوای پر فشار کمک گرفت.

با توسعه ی صنعت و پیشرفت ابزار آلات و تکنولوژی برای تسهیل در پیدا کردن قطعه ی مورد نظر و همچنین برای نام گذاری قطعات و قسمت های مختلف با توجه به کار کرد و عملکردشان، آنها را علامت گذاری یا نام گذاری کردند تا طراحان بتوانند

سریع تر و راحت تر طرح مورد نظر را ترسیم کنند و در نتیجه اشخاص که بر روی پیاده سازی این طرح ها کار می کنند بتوانند به راحتی طرح را بخوانند و روی دستگاه پیاده کنند.

تنظیم فشار در هیدرولیک

در سیستم های هیدرولیک برای بالا بردن فشار باید از قطعات کوچکتر برای رسیدن به تناژ مورد نیاز استفاده کرد و همچنین باید از لوله هایی با قطر کوچکتر استفاده کرد. ای کار باعث کاهش هزینه ساخت پرس می شود. افزایش فشار باعث داغ شدن روغن در سیستم هیدرولیک می شود و در نتیجه اصطکاک و سایش افزایش می یابد و برای جلوگیری از خرابی باید فاصله ی سرویس ها کمتر شود.

تاثیر افزایش غلظت سیال در سیستم های هیدرولیک

غلظت سیال تعیین کننده ی میزان اصطکاک و حرکت آن در سیستم هیدرولیک است و انتخاب نوع سیال با توجه به غلظت مناسب برای هر سیستم بسیار حائز اهمیت است. از زیان هایی که افزایش غلظت سیال می تواند ایجاد کند به این شرح است:

• مقاوم بودن در برابر جاری شدن سیال در هیدرولیک.
• اعمال کردن قدرت بیشتر و در نتیجه افزایش افت های اصطکاکی.
• افت فشار در سیستم.
• بالا رفتن درجه حرارت به دلیل اصطکاک به وجود آماده.

تاثیر کاهش غلظت سیال در سیستم های هیدرولیک

• در قسمت های آب بندی باعث نشتی می شود.
• ایجاد ساییدگی و شکست فیلم روغن در اجزای متحرک.

مقدار انرژی و قدرت در سیستم های هیدرولیکی

موتور محرک که به صورت الکتریکی یا احتراقی است منبع انرژی در این سیستم ها است و خود سیستم هیدرولیک منبع انرژی نمی باشد. موتور محرک باعث به حرکت در آمدن محور پمپ می شود و سیستم هیدرولیک انتقال دهنده ی این انرژی است. طبق قانون بقای انرژی، انرژی نه به وجود می آید و نه از بین می رود. به این صورت که انرژی در هر قسمت از سیستم باقی می ماند و شامل انرژی پتانسیل و جنبشی است. اگر مقدار انرژی در سیستم به درستی تعیین گردد، تعادل انرژی در سیستم برقرار می شود. این تعادل بر پایه ی تئوری برنولی است و این تئوری به این صورت می باشد که اولا انرژی پتانسیل و جنبشی سیال در حین عبور از سیستم را بررسی می کند دوما مواردی که باعث افت انرژی هم چون اصطکاک در لوله، شیر، اتصالات و افت مکانیکی در موتور، پمپ و همچنین انرژی مکانیکی در قسمت خروجی سیستم را ارزیابی می کند.

مشکلات سیستم هیدولیک

• یکی از مشکلاتی که در سیستم هیدرولیک معمولا رخ می دهد پدیده ی کاویتاسیون است که ممکن است در پمپ های کهنه یا حتی پمپ های نو این اتفاق رخ دهد. این پدیده باعث ایجاد صدای زیاد در سیستم و کاهش در سرعت و یا فشار شود در این شرایط صافی به حالت غوطه ور در روغن قرار می گیرد و دیر یا زود راه فیلتر مکش بسته می شود و عملکرد کل سیستم متوقف می شود.
• پس از تمیز کزدن فیلتر هوا و صافی، اگر سیستم باز هم شروع به کار نکند پمپ و فشار شکن را جدا می کنند به این صورت که خروجی پمپ که به شیر راه دهنده وصل است را جدا می کنند و فقط پمپ فشار شکن و گیج فشار در سیستم باقی می ماند و تمام آبدهی پمپ از فشار به مخزن وارد می شودسپس پمپ را روشن می کنیم و پیچ فشار شکن را محکم می کنیم و فشار سازی در گیج فشار اتفاق می افتد.
• اگر پس از انجام این کارها باز هم فشار مناسب ایجاد نشد در نتیجه به بررسی قسمت های دیگر می پردازیم، در صورتی که این امکان وجود داشته باشد بهتر است بخش تخلیه فشار شکن به مخزن را جدا کنیم و با یک شیلنگ کوتاه بخش خروجی وصل کنیم و سر دیگر این شیلنگ را به قسمت ورودی مخزن وارد کنیم سپس پمپ را روشن می کنیم و پیچ تنظیم فشار شکن را شل و سفت می کنیم تا مقدار آبدهی خروجی سیستم را بررسی کنیم، در صورتی که پمپ خراب باشد وقتی پیچ به صورت کامل باز باشد خروجی از فشار شکن به صورت کامل صورت می گیرد و اگر پمپ بسته باشد مقدار خروجی کاهش می یابد.
• در قسمت قبل اگر با باز کردن پیچ جریان کامل خارج نشود یا با بستن آن جریان کم شود پس در نتیجه پمپ ایراد دارد، اگر فیلتر سالم باشد و لوله کشی ها سالم باشد و از عدم ورود هوا کاملا مطمئن باشید در نتیجه احتمالا روغن از طریق قسمت های داخلی پمپ به درون آن می رود و این موضوع نشان دهنده ی فرسودگی پمپ است که علت آن دمای زیاد روغن در سیستم می باشد. در یک سیستم سالم ممکن است دمای بدنه تا 10 درجه بیشتر از مخزن باشد ولی در صورتی که روغن به داخل اجزای پمپ مکش شود باعث می شود دمای بدنه خیلی بیشتر از دمای مخزن شود در نتیجه باعث آسیب به پمپ می شود.
• در بخش سوم به این مورد اشاره شد که ممکن است ایراد از فشار شکن باشد که راحت ترین کار برای عیب یابی، تعویض فشار شکن می باشد، برای چک کردن و اطمینان از سالم یا معیوب بودن شیر فشار شکن پیلوتی بخش گلویی آن را بررسی می کنیم، گلویی بخش کوچکی است که ممکن می باشد با ذرات خارجی مسدود شده است که به راحتی به وسیله ی هوای پر فشار یا توسط سیم کوچکی تمیز می شود. در مرحله ی بعد بهتر است حرکت اسپول چک شود زیرا در شیر های فشار شکن رزوه ای ممکن است به دلیل محکم بسته شدن لوله و اتصالات اسپول گیر کند.
• در این بخش اگر با انجام دادن مراحل قبل، ایراد سیستم پیدا نشد در نتیجه ممکن است ایراد در قسمت های پایینی مدار باشد. ابتدا پکینگ های سیلندر را چک می کنیم و پیستون را به یک سمت حرکت داده و در همان حالت آن را فشار می دهیم سپس اتصالات را در آن بخش باز نموده و نشتی روغن را چک می کنیم و این کا را دوباره تکرار می کنیم، اگر نشتی روغن در قسمت های پورت جلو یا عقب مشاهده شود در نتیجه پکینگ سیلندر معیوب است و باید تعویض شود همچنین وجود خراش هایی در طول سیلندر هم نمی تواند باعث ایجاد مشکل در سیلندر شود.

 توان هیدرولیک

توان هیدرولیک را می توان به سه بخش تولید، کنترل و استفاده از آن تقسیم کنیم. تولید توان به معنای تبدیل انرژی و هم چنین مراقبت از سیال است مواردی که در تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی و سپس به انرژی هیدرولیک موثر است شامل پمپ، موتور الکتریکی، موتور احتراق داخلی و نشانگر فشار است و فیلتر، خنک کن، گرم کن و دماسنج برای مراقبت از سیال مورد استفاده هستند.

روغن هیدرولیک

سیستم هیدرولیک بسیار پرکاربرد و متنوع است و کلمه ی ((روغن هیدرولیک)) به معنای فقط یک روغن نیست، بلکه به دلیل کارکردهای متنوع در سیستم های مختلف هیدرولیک، روغن های بسیار متنوعی هم وجود دارد که با توجه به نیاز هر سیستم از نوع مشخصی از آن استفاده می شود. اصولا سیالات یا روغن های هیدرولیک باید بتواند نیرو را انتقال دهد، اجزای متحرک را روغن کاری کند تا از ساییدگی و فرسودگی آنها جلوگیری کند و هم چنین گرمای تولید شده در سیستم را به خود انتقال دهد.

ویژگی های روغن هیدرولیک

• مقاومت بخش نازک روغن روانکاری یا همان فیلم روغن باید به صورتی باشد که خللی در آن ایجاد نشود زیرا باعث ساییدگی در بخش های متحرک می شود.
• دارای قابلیت روانکاری مناسبی باشد و بتواند در دما و فشار های بالا هم این ویژگی خود را حفظ کند.
• برای ایجاد امولسیون باید روغن فقط با مقدار کمی از آب ترکیب شود تا در میزان لزجت (ویسکوزیته) روغن تاثیر نگذارد.
• روغن باید تحمل دمای بالا را داشته باشد و در دما های بالا بخار های زیان آور متساعد نکند و بهتر است با مواد دیگری که باعث این بخارات می شود مخلوط نگردد.
• ترکیبات روغن باید از نظر شیمیایی ثابت باشد و بتواند این ویژگی را تحت هر شرایطی حفظ کند. روغن نباید در ترکیب با اکسیژن تغییر در لزجت (ویسکوزیته) دهد زیرا در هر نوع سیستمی میزان لزجت مشخصی از روغن مورد نیاز است. به عنوان مثال اگر روغن ترکیب ثابتی نداشته باشد و غلیظ شود، باعث افت فشار در سیستم شده و توان بخش های محرک سیستم کم می شود که باعث ایراد در کارکرد سیستم می شود.
• روغن نباید در بخش های مهم سیستم هیدرولیک نظیر شیلنگ ها و بخش آب بندی حالت خورندگی داشته باشد.
• روغن باید در دما های بالا و همچنین در صورت اکسیداسیون خاصیت مکانیکی خود را حفظ کند.
• روغن نباید روی سلامتی کارگران تاثیرات منفی بگذارد.
• نقطه ی ریزش روغن ها باید پایین باشد تا در جاهای سرد عملکرد آن دچار مشکل نشود، به عنوان مثال روغن هایی که در سیستم هیدرولیک هواپیما به کار برده می شوند نقطه ی ریزش آنها معمولا 60- درجه است که ترکیبات آن اصولا روغن های معدنی، گلیسیرین، نفت چراغ و الکل می باشند.

انواع روغن هیدرولیک

روغن های هیدرولیک بر اساس ترکیبات و نوع کاربرد به چند دسته تقسیم می شوند

• روغن های استاندارد و با ترکیبات معدنی که کاربرد معمولی دارند مثل موتور، سیلندر و مبدل های برقی.
• ترکیبات روغن و امولسیون های آبی مثل امولسیون روغن در آب و امولسیون آب در روغن.
• سیالاتی که بر پایه ی سنتیتیک هستند و بدون آب می باشند به صورت روغن هیدرولیک کاربرد دارند مانند دی استر، استرهالوژنه و هیدروکربن های کلره.

روغن های هیدرولیک بر اساس نوع کاربرد به سه دسته ی روغن هایی برای مصارف در دماهای پایین، روغن هایی مقاوم در دماهای بالا و آتش و همچنین روغن هایی برای موارد مصرف معمولی و استاندارد مورد استفاده قرار می گیرند.

در روغن های هیدرولیک نباید ترکیبات شیمیایی ای که باعث متصاعد شدن بخارهای سمی شود اضافه کرد ولی مواردی که در این روغن ها مجاز است تا افزوده شود عبارتند از مواد ضد کف، مواد ضد خوردگی و سایش و همچنین موادی که باعث شود روانکاری و استحکام روغن زیاد شود.

انتخاب نوع روغن هیدرولیک

برای انتخاب نوع روغن هیدرولیک و میزان لزجت مورد نیاز باید به نوع عملکرد سیستم هیدرولیک دقت کرد و با توجه به آن روغن مورد نیاز انتخاب شود ولی به طور کلی هر چه لزجت روغن کمتر باشد بهتر است زیرا اصطکاک کمتر می شود و اتلاف انرژی صورت نمی گیرد و همچنین کنترل و دقت در سیستم بالا می رود. روغن هایی با لزجت پایین معایبی هم دارند که می توان به زیاد شدن نشتی روغن اشاره کرد ولی این روغن ها باعث افت فشار نمی شوند و در نتیجه اصطکاک کمتر صورت می گیرد پس با این تفاسیر باز هم این روغن ها ترجیح داده می شوند. برای انتخاب این نوع روغن باید به موارد زیر توجه کرد

• قابلیت روانکاری بالایی داشته باشد تا بتواند از سایش در سیستم جلو گیری کند، بعضا در سیستم ها نوعی تنش های سطحی قابل ملاحظه ای ایجاد می شود که باعث افزوده شدن موادی به روغن می شود که باعث بالا رفتن تحمل بار روغن می شود.
• کم کردن نشتی در سیستم تا فضاهای خالی بین اجزای متحرک و ثابت و همچنین درزها در سیستم آب بندی می شود و بدین ترتیب روغن باید لزجت مناسبی داشته باشد

در نهایت برای انتخاب لزجت مناسب برای هر نوع سیستم باید موارد زیر مد نظر قرار داده شود

• لزجت نباید خیلی کم باشد زیرا آب بندی کردن سیستم با روغن هایی که بزجت پایینی دارند دشوار است
• لزجت نباید خیلی زیاد باشد زیرا اتلاف انرژی درون سیستم زیاد می شود و همچنین باعث افت فشار می شود.
• باید با انواع پمپ ها سازگاری داشته باشد.
• لزجت باید نوعی باشد که دستگاه هایی که در فضای باز قرار دارند دچار مشکل نشوند و در تغییر فصل سرما و گرما نیاز به تعویض روغن نداشته باشیم.

نحوه ی نگهداری روغن هیدرولیک

روغن های هیدرولیک جزو روغن های گران قیمت هستند و همچنین درون سیستم اگر روغن ها آلوده شوند شرایط تعویض آن سخت است و هم هزینه ی بالایی دارد به همین دلیل باید در نگهداری آن دقت کرد.

در انبار ها بهتر است بشکه ها را به پهلو گذاشته و آنها را در انبارهای مسقف نگهداری کرد یا روی آنها پارچه ای کشیده شود، قبل از باز کردن بشکه ها آنها را کاملا تمیز کنیم تا آلودگی وارد روغن نشود، همچنین برای انتقال روغن از بشکه به سیستم از ظروف و شیلنگ های تمیز استفاده شود یا اگر با پمپ این کار انجام می شود از فیلتر 25 میکرونی استفاده گردد. در زمان استفاده هر چند وقت یکبار نمونه ای از روغن در آزمایشگاه چک شود تا از آلوده بودن یا نبودن آن اطمینان حاصل شود در سیستم ها اگر متوجه نشت روغن شدیم سریعا عمل نشت را ترمیم کنیم.

سیستم هیدرولیک مرکزی

معمولا در کارخانه ها از یک سیستم مرکزی پنوماتیک برای هوای فشرده برای کل کارخانه استفاده می شود. در صورتی که بخواهیم سیستم هیدرولیک مرکزی در کارخانه استفاده کنیم باعث مشکلاتی از قبیل نشتی و استفاده از فشار بالا و ایجاد لوله های برگشتی می شود. این سیستم برای کارخانه هایی که تعدادی ماشین مرتبط به هم دارند می تواند کاربرد مناسبی داشته باشد.

طراحان برای استفاده از سیستم مرکزی یا جداگانه اختلاف نظر دارند که ما در این بخش به بررسی مزایا و معایب هر سیستم می پردازیم

سیستم مرگزی جداگانه

مزایا: 1- مدارها از هم جدا هستند. 2- برای هر مدار می توان از سیال متفاوتی استفاده نمود. 3- در هر مدار می توان از میزان فشار متفاوتی استفاده کرد. 4- اگر یکی از مدارها دچار مشکل یا خرابی شود در روند کار مدارهای دیگر تاثیر نمی گذارد. 5- موتور پمپ می تواند در کنار ماشین هم قرار بگیرد.

معایب: 1- نیاز به چند پمپ می باشد که بالطبع سرویس کردن آن مشکل تر و همچنین هزینه بالایی هم دارند. 2- به فضای زیادی نیاز است به این دلیل که جاگیر می باشند. 3- توان و انرژی بیشتری مصرف می کنند.

سیستم هیدرولیک مرکزی

مزایا: 1- یک مخزن در آن وجود دارد. 2- هزینه نگهداری و تهیه ی آن کمتر می باشد. 3- فضای کمتری را اشغال می کند. 4- به دلیل مرکزی بودن در آن از یک نوع روغن استفاده می گردد که در نتیجه هزینه ی کمتری برای روغن صرف می شود. 5- توان و انرژی کمتری مصرف می شود.

معایب: 1- اگر در یکی از مدارها مشکلی ایجاد شود کل سیستم دچار مشکل می گردد. 2- از لوله ها با حجم و تعداد زیادی در این سیستم استفاده می شود. 3- اگر نیاز به فشار های مختلف در سیستم باشد باید از شیرهای تنظیم فشار در سیستم استفاده کرد. 4- به دلیل اینکه تمام مدار های سیستم در یک بخش قرار دارند ممکن است تداخل بین آنها ایجاد شود.