الهيدروليك
الهيدروليك تخصص هندسي يستخدم الموائع المضغوطة لنقل القدرة والتحكم في الحركة. ويُطبق على نطاق واسع في أنظمة السيارات والزراعة والطيران والصناعة التي تتطلب قوة عالية وتحكمًا فعالًا.
كل ما تحتاج إلى معرفته عن الهيدروليك
الهيدروليك، (باللغة الفرنسية: Hydraulique، Hydraulique) (وباللغة الإنجليزية: Hydraulics، Hydraulics) هو مجال يهتم بالاستخدام التطبيقي لـالموائع تحت الضغط.
تعريف الهيدروليك
الهيدروليك تخصص هندسي يهتم بالاستخدام العملي للموائع المضغوطة.
تطبيقات الهيدروليك
تُستخدم الأنظمة الهيدروليكية في أجزاء عديدة من صناعة السيارات. ومن الأمثلة الشائعة أنظمة المكابح، وتوجيه المركبات، وضبط المقاعد هوائيًا. كما تُستخدم الأنظمة الهيدروليكية في تصنيع المركبات لإنتاج هياكل السيارات وتشكيل الصفائح المعدنية.
الزراعة
تُستخدم الأنظمة الهيدروليكية في الجرارات، حيث تُوظَّف القدرة المائعة في مجموعة واسعة من الوظائف. وتشمل أمثلة أخرى آلات الدراس، والحصادات، وآلات قطف الفاكهة، وآلات الحفر، والحفارات والمعدات المشابهة.
الطائرات
تُستخدم الأنظمة الهيدروليكية في مكونات الطائرات مثل معدات الهبوط، والجنيحات، وأسطح الارتفاع. وقد يُدخل ضغط الهواء بين ألواح جسم الطائرة أثناء الاختبارات لاكتشاف التسربات أو الفتحات؛ إذ يمكن أن يشير انخفاض الضغط إلى وجود عيب.
تشمل اختبارات الطائرات مراحل ومكونات عديدة، ومن أمثلتها ما يلي:
اختبار إطارات الطائرات، والذي يذكر المصدر أنه يتطلب ضغطًا قدره 300 بار.
اختبار الأقسام الهيدروليكية المختلفة في الطائرة.
اختبار جسم الطائرة للكشف عن الفتحات أو التسربات.
في طائرات F-14، يذكر المصدر استخدام وحدة Mule لاختبار النظام الهيدروليكي.
تشمل التطبيقات الأخرى للهيدروليك في طيف واسع من الصناعات ما يلي:
في الصناعات الغذائية، لأعمال التعليب وتصنيع العبوات أحادية الاستخدام.
في الصناعات الدفاعية، للتحكم في الدبابات وناقلات الجنود المدرعة والصواريخ والسفن البحرية.
في صناعة الأخشاب، لقطع الخشب وتشطيب أسطح الأثاث.
في الطباعة والتعدين والسكك الحديدية والنفط والبلاستيك وغيرها من الصناعات.
تسعى الصناعة الحديثة إلى طرق لنقل القدرة تجمع بين التكلفة المنخفضة والدقة العالية، وتُستخدم الموائع المضغوطة على نطاق واسع لتلبية هذه الحاجة في نقل القدرة والتحكم بها. وتنقسم تقنية القدرة المائعة عادةً إلى الهيدروليك والأنظمة الهوائية. تُستخدم الأنظمة الهوائية للقوى الأقل، المذكورة هنا بنحو طن واحد، وللسرعات الأعلى، بينما تكون الأنظمة الهيدروليكية أنسب للقدرات العالية والسرعات المتحكم بها.
مزايا الأنظمة الهيدروليكية والهوائية
1. تصميم بسيط وفعّال
يمكن للأنظمة الهيدروليكية والهوائية استخدام عدد أقل من المكونات المتحركة مع توفير حركة خطية ودورانية عالية القدرة وتحكم دقيق. تنتقل القدرة عبر الأنابيب والخراطيم، بينما تعتمد الأنظمة الميكانيكية على مكونات مثل التروس والكامات والقوابض وغيرها من العناصر الميكانيكية.
2. قدرة عالية على ضبط القوة والتحكم بها
من أبرز خصائص هذه الأنظمة قدرتها على توليد قوة كبيرة انطلاقًا من قوة دخل صغيرة نسبيًا. كما يمكن التحكم في القوة المتولدة بضغط وقدرة منخفضين نسبيًا، ما يحسن دقة التشغيل.
3. المرونة في التركيب والتنفيذ
تجعل الخراطيم المرنة تركيب هذه الأنظمة أسهل في ظروف مختلفة. وهذا يقلل القيود الميكانيكية ويوفر مرونة أكبر في التصميم والتنفيذ.
4. كفاءة عالية وتكلفة صيانة منخفضة
يمكن للأنظمة الهيدروليكية والهوائية تحقيق كفاءة تشغيل عالية بفضل الاحتكاك المنخفض نسبيًا، ومتطلبات الصيانة المحدودة، والتكلفة الاقتصادية. كما تعمل صمامات تنفيس الضغط ومفاتيح الضغط والحرارة على تحسين السلامة ومقاومة الأحمال المفاجئة والتغيرات الشديدة في الحرارة والضغط.
5. الفروق بين الأنظمة الهيدروليكية والهوائية
تتشابه مبادئ تشغيل النظامين، لكن الاختلاف الرئيسي يكمن في مائع التشغيل. تستخدم الأنظمة الهيدروليكية موائع شبه غير قابلة للانضغاط مثل الزيت، بينما تستخدم الأنظمة الهوائية موائع قابلة للانضغاط مثل الهواء. في النظام الهوائي، يضغط الضاغط الهواء ويخزنه في خزان؛ ويؤدي الانضغاط إلى رفع درجة حرارة الهواء، ما قد يؤثر في النظام إذا لم تتم إدارة الحرارة بشكل صحيح.
6. إدارة الحرارة والرطوبة في الأنظمة الهوائية
للحد من المشكلات الناتجة عن ارتفاع درجة الحرارة في الأنظمة الهوائية، يُبرَّد الهواء المضغوط قبل دخوله الخزان. وبما أن الهواء يحتوي على بخار ماء، فقد يؤدي التبريد إلى التكاثف، لذلك تُستخدم أنظمة التجفيف لإزالة الرطوبة وتحسين الأداء.
7. تسمية المكونات وتعريفها لتسهيل التصميم
مع تطور التكنولوجيا والصناعة، جرى توحيد مكونات الأنظمة الهيدروليكية والهوائية وتعريفها وتسميتها لتبسيط التصميم والتنفيذ. يساعد ذلك المصممين على إعداد المخططات بسرعة أكبر، كما يسهّل على الفنيين تنفيذها.
ضبط الضغط في الأنظمة الهيدروليكية
بحسب المصدر، قد يسمح الضغط الأعلى في الأنظمة الهيدروليكية باستخدام مكونات أصغر وأنابيب بأقطار أقل لتحقيق الحمولة المطلوبة، ما يقلل تكلفة تصنيع المكبس. كما أن زيادة الضغط ترفع درجة حرارة الزيت، وقد تزيد الاحتكاك والتآكل؛ لذلك قد يلزم تقصير فترات الصيانة للحد من خطر الأعطال.
تأثير زيادة لزوجة المائع في الأنظمة الهيدروليكية
تحدد لزوجة المائع مقاومته للتدفق، ولذلك تؤثر في الحركة والاحتكاك داخل النظام الهيدروليكي. ومن المهم اختيار مائع بلزوجة مناسبة للنظام المحدد. ويمكن للزوجة المفرطة أن تسبب المشكلات التالية:
زيادة مقاومة تدفق المائع في النظام الهيدروليكي.
زيادة الحاجة إلى القدرة، وبالتالي ارتفاع خسائر الاحتكاك.
فقدان الضغط في النظام.
ارتفاع درجة الحرارة بسبب الاحتكاك.
تأثير انخفاض لزوجة المائع في الأنظمة الهيدروليكية
حدوث تسرب عند نقاط الإحكام.
تآكل وانهيار طبقة الزيت على المكونات المتحركة.
الطاقة والقدرة في الأنظمة الهيدروليكية
يُعد المحرك الرئيسي، سواء كان كهربائيًا أو يعمل بالاحتراق، مصدر الطاقة في النظام الهيدروليكي. فهو يدير عمود المضخة وينقل الطاقة إلى النظام. ووفق قانون حفظ الطاقة، لا تُخلق الطاقة ولا تفنى؛ بل تظهر داخل النظام بصور منها طاقة الوضع والطاقة الحركية. وإذا حُسبت طاقة النظام بصورة صحيحة، يمكن تحقيق توازن للطاقة. ويستند هذا التوازن إلى مبدأ برنولي، ولا يأخذ في الاعتبار طاقة المائع فقط، بل أيضًا خسائر الطاقة الناتجة عن الاحتكاك في الأنابيب والصمامات والوصلات، إضافة إلى الخسائر الميكانيكية في المحرك والمضخة.
المشكلات الشائعة في الأنظمة الهيدروليكية وطرق معالجتها
1. التجويف في المضخات
التجويف مشكلة شائعة في الأنظمة الهيدروليكية ويمكن أن يحدث في المضخات القديمة والحديثة على حد سواء. وقد يسبب ضوضاء مفرطة وانخفاضًا في ضغط النظام وسرعته. وفي هذه الظروف، قد يضيق مسار مرشح السحب تدريجيًا، ما يعطل أداء النظام.
2. تنظيف المرشح وفحص أداء المضخة
بعد تنظيف المرشح والمصفاة، إذا استمرت المشكلة، فينبغي فحص المضخة وصمام تنفيس الضغط. يصف المصدر فصل مخرج المضخة عن الصمام الاتجاهي، وتشغيل المضخة، ثم إحكام ضبط صمام التنفيس حتى يظهر الضغط على المقياس. وإذا لم يتولد ضغط كافٍ، فيجب فحص أجزاء أخرى من النظام.
3. فحص عمل صمام التنفيس وتدفق الزيت
إذا لم يتولد ضغط كافٍ، فينبغي فحص قسم التصريف في صمام التنفيس. وإذا لم يؤدِ إرخاء مسمار الضبط وإحكامه إلى تغيير تدفق الزيت، فقد يكون هناك عطل في المضخة. ويشير المصدر إلى أنه في مثل هذه الظروف قد يتسرب الزيت إلى أجزاء داخلية من المضخة، ومع ارتفاع الحرارة قد يسهم ذلك في التآكل.
4. تشخيص عطل صمام تنفيس الضغط
إحدى طرق استكشاف الأعطال البسيطة هي استبدال صمام تنفيس الضغط. وللفحص، ينبغي التحقق من منطقة العنق أو الفتحة في الصمام بحثًا عن جسيمات غريبة وتنظيفها عند الحاجة. وفي الصمامات الملولبة، يجب أيضًا فحص حركة البكرة للتأكد من عدم انحشارها.
5. فحص أختام الأسطوانة وتسرب الزيت
إذا استمرت المشكلة، فيجب فحص الأجزاء الواقعة في اتجاه المصب من الدائرة، مثل أختام الأسطوانة. يمكن تحريك المكبس إلى أحد الجانبين وتطبيق الضغط؛ ثم يُستخدم التسرب عند المنافذ الأمامية أو الخلفية لتقييم حالة الأختام واستبدال التالف منها عند الحاجة. كما يشير المصدر إلى أن الخدوش السطحية البسيطة في الأسطوانة لا تؤثر عادةً بصورة كبيرة في التشغيل.
القدرة الهيدروليكية
يمكن النظر إلى القدرة الهيدروليكية في ثلاث مراحل: التوليد والتحكم والاستخدام. يشمل توليد القدرة تحويل الطاقة إلى جانب تهيئة المائع. وتشمل المكونات المشاركة في تحويل الطاقة الكهربائية إلى ميكانيكية ثم إلى طاقة هيدروليكية المضخة والمحرك الكهربائي ومحرك الاحتراق الداخلي ومؤشر الضغط. وتُستخدم المرشحات والمبردات والسخانات وموازين الحرارة لتهيئة المائع ومراقبته.
الزيت الهيدروليكي
تُستخدم الأنظمة الهيدروليكية في تطبيقات متنوعة، ولذلك لا يشير مصطلح «الزيت الهيدروليكي» إلى نوع واحد من الزيت. توجد أنواع كثيرة من الزيوت الهيدروليكية، ويُختار النوع المناسب وفق متطلبات كل نظام. وبوجه عام، يجب أن تكون الموائع أو الزيوت الهيدروليكية قادرة على نقل القوة، وتزييت المكونات المتحركة لتقليل التآكل، وامتصاص الحرارة المتولدة داخل النظام.
خصائص الزيت الهيدروليكي
يجب أن تتمتع طبقة زيت التزييت بقوة كافية لتبقى متماسكة، لأن انهيارها قد يؤدي إلى تآكل المكونات المتحركة.
ينبغي أن يوفر الزيت تزييتًا مناسبًا وأن يحتفظ بهذه الخاصية عند درجات الحرارة والضغوط المرتفعة.
لأغراض الاستحلاب، ينبغي ألا يختلط الزيت إلا بكمية محدودة من الماء كي لا تتأثر لزوجته سلبًا.
ينبغي أن يتحمل الزيت درجات الحرارة المرتفعة دون إطلاق أبخرة ضارة، ويفضل ألا يُخلط بمواد قد تولد مثل هذه الأبخرة.
يجب أن يظل تركيب الزيت مستقرًا كيميائيًا في ظروف التشغيل. ولا ينبغي أن تسبب الأكسدة تغيرات غير مقبولة في اللزوجة، لأن كل نظام هيدروليكي يحتاج إلى نطاق لزوجة مناسب. فإذا ازداد سُمك زيت غير مستقر، مثلًا، فقد ترتفع خسائر الضغط وتنخفض القدرة المتاحة للمشغلات، ما يؤدي إلى ضعف أداء النظام.
ينبغي ألا يكون الزيت مسببًا للتآكل في مكونات النظام الهيدروليكي المهمة مثل الخراطيم وعناصر الإحكام.
ينبغي أن يحتفظ الزيت بخصائصه الميكانيكية عند درجات الحرارة المرتفعة وتحت الأكسدة.
ينبغي ألا تكون للزيت آثار ضارة على صحة العاملين.
ينبغي أن تكون نقطة انسكاب الزيت منخفضة حتى لا يتأثر الأداء في البيئات الباردة. وكمثال، يذكر المصدر أن الزيوت المستخدمة في الأنظمة الهيدروليكية للطائرات قد تكون لها نقطة انسكاب تقارب -60°م، وقد تشتمل تركيباتها على زيوت معدنية وغليسرين وكيروسين وكحول.
أنواع الزيت الهيدروليكي
يمكن تقسيم الزيوت الهيدروليكية إلى عدة مجموعات وفق تركيبها واستخدامها.
زيوت معدنية قياسية للاستخدامات التقليدية مثل المحركات والأسطوانات والمحولات الكهربائية.
مخاليط الزيت والماء والمستحلبات المائية، بما فيها مستحلبات الزيت في الماء والماء في الزيت.
موائع صناعية خالية من الماء تُستخدم كموائع هيدروليكية، مثل ثنائيات الإستر والإسترات المهلجنة والهيدروكربونات المكلورة.
حسب الاستخدام، يمكن تصنيف الزيوت الهيدروليكية إلى زيوت للخدمة في درجات الحرارة المنخفضة، وزيوت مقاومة للحرارة العالية والحريق، وزيوت للخدمة التقليدية أو القياسية.
لا ينبغي إضافة مواد كيميائية تطلق أبخرة سامة إلى الزيوت الهيدروليكية. وتشمل الإضافات المسموح بها المذكورة في المصدر عوامل مضادة للرغوة، ومثبطات التآكل والبلى، وإضافات تحسن التزييت وقوة طبقة الزيت.
اختيار الزيت الهيدروليكي
يجب أن يعتمد اختيار نوع الزيت الهيدروليكي واللزوجة المطلوبة على متطلبات تشغيل النظام الهيدروليكي. ويفضل المصدر عمومًا اللزوجة الأقل لأنها تقلل الاحتكاك وفقد الطاقة ويمكن أن تحسن التحكم والدقة. وقد تزيد الزيوت منخفضة اللزوجة التسرب، لكنها تقلل خسائر الضغط والاحتكاك. وينبغي مراعاة النقاط التالية عند اختيار الزيت:
ينبغي أن يوفر تزييتًا قويًا لمنع تآكل النظام. وفي الأنظمة التي تتعرض لإجهادات سطحية كبيرة، يمكن استخدام إضافات لزيادة قدرة الزيت على تحمل الأحمال.
ينبغي تقليل التسرب عبر الخلوصات بين المكونات المتحركة والثابتة وعبر فجوات الإحكام؛ لذلك يجب أن تكون لزوجة الزيت مناسبة.
في النهاية، ينبغي مراعاة النقاط التالية عند اختيار اللزوجة المناسبة للنظام:
يجب ألا تكون اللزوجة منخفضة جدًا، لأن إحكام النظام بزيت شديد الانخفاض في اللزوجة يكون صعبًا.
يجب ألا تكون اللزوجة مرتفعة جدًا، لأن ذلك يزيد خسائر الطاقة الداخلية وهبوط الضغط.
ينبغي أن يكون الزيت متوافقًا مع أنواع المضخات المستخدمة في النظام.
ينبغي أن تكون اللزوجة مناسبة للمعدات العاملة في الخارج بحيث لا تتطلب تغيرات الحرارة الموسمية استبدال الزيت باستمرار.
كيفية تخزين الزيت الهيدروليكي وصيانته
قد تكون الزيوت الهيدروليكية مرتفعة التكلفة، كما أن استبدال الزيت الملوث داخل النظام قد يكون صعبًا ومكلفًا. لذلك فإن التخزين والمناولة بعناية أمران مهمان.
يفضل في التخزين وضع البراميل على جوانبها وحفظها تحت غطاء أو حمايتها بطريقة أخرى. وقبل فتحها، ينبغي تنظيف البراميل جيدًا لمنع دخول الملوثات إلى الزيت. ويجب استخدام أوعية وخراطيم نظيفة عند نقل الزيت من البرميل إلى النظام؛ وإذا استُخدمت مضخة، يوصي المصدر بمرشح 25 ميكرون. كما ينبغي فحص عينات الزيت دوريًا في المختبر للتحقق من نظافتها، وإصلاح أي تسرب للزيت في النظام على الفور.
النظام الهيدروليكي المركزي
تستخدم المصانع عادةً نظامًا هوائيًا مركزيًا لتوفير الهواء المضغوط في كامل المنشأة. أما النظام الهيدروليكي المركزي فقد يسبب تحديات مثل التسرب وارتفاع ضغوط التشغيل والحاجة إلى خطوط رجوع. ومع ذلك، قد يكون مناسبًا للمصانع التي تضم عدة آلات مترابطة.
يختلف المصممون حول أفضلية النظام المركزي أو الأنظمة المنفصلة؛ وفيما يلي مزايا وعيوب كل منهما.
أنظمة محلية منفصلة
المزايا: 1) الدوائر منفصلة؛ 2) يمكن استخدام موائع مختلفة لدوائر مختلفة؛ 3) يمكن لكل دائرة العمل بضغط مختلف؛ 4) لا يؤثر عطل في دائرة واحدة على تشغيل الدوائر الأخرى؛ و5) يمكن وضع محرك المضخة بجانب الآلة.
العيوب: 1) يلزم استخدام عدة مضخات، ما يصعّب الصيانة ويرفع التكلفة؛ 2) يلزم حيز تركيب أكبر؛ و3) يكون استهلاك القدرة والطاقة أعلى.
النظام الهيدروليكي المركزي
المزايا: 1) يلزم خزان واحد فقط؛ 2) تكاليف الشراء والصيانة أقل؛ 3) يشغل النظام مساحة أقل؛ 4) يمكن استخدام نوع واحد من الزيت في النظام المركزي كله، ما يقلل تكلفة الزيت؛ و5) يكون استهلاك القدرة والطاقة أقل.
العيوب: 1) قد تؤثر مشكلة في دائرة واحدة على النظام كله؛ 2) قد يلزم عدد كبير وحجم كبير من الأنابيب؛ 3) يلزم استخدام صمامات التحكم في الضغط إذا كانت هناك حاجة إلى ضغوط مختلفة؛ و4) لأن جميع دوائر النظام مركزة في قسم واحد، فقد تحدث تداخلات بينها.