هیدرولیک علمی است که به مطالعه قوانین تعادل و حرکت مکانیکی سیالات می‌پردازد و روش‌هایی را برای اعمال این قوانین برای حل مسائل مختلف کاربردی ایجاد می‌کند. هیدرولیک، مکانیک فنی سیالات است که در حل مسائل عملی، فرضیات خاصی به طور گسترده ای برای ساده کردن موضوع مورد بررسی استفاده می شود. بنابراین، راه حل‌های هیدرولیک اغلب تقریبی هستند. اغلب آن‌ها بر اساس نتایج آزمایشات هستند و از فرمول‌های تجربی و نیمه تجربی استفاده می‌شود. در عین حال، آن‌ها تمایل دارند که فقط ویژگی‌های اصلی پدیده‌های مورد مطالعه را ارزیابی کنند و اغلب با یک یا مقدار میانگین دیگر عمل می‌کنند.
تحقیقات تجربی در هیدرولیک از اهمیت بالایی برخوردار است. حتی «لئوناردو داوینچی» نیز در این باره اظهار داشت: «هرگاه با آب سروکار داشتید، اول از همه به تجربه روی آورده و سپس بحث کنید». علاوه بر هیدرولیک (مکانیک فنی سیالات)، مسائل سکون و حرکت سیالات نیز توسط هیدرومکانیک نظری مورد مطالعه قرار می‌گیرد که دارای ویژگی کاملاً ریاضی است. این راه حل‌ها ممکن است همیشه برای محاسبات قابل استفاده نباشند، اما به آشکار کردن الگوهای کلی پدیده‌های مورد مطالعه کمک می‌کنند.
فهرست مطالب
سیستم هیدرولیک چیست؟
سیستم هیدرولیکی به سیستم انتقال قدرتی گفته می شود که برای انتقال نیرو از سیالات تحت فشار استفاده می گردد. سیستم‌های هیدرولیکی با هدف ایجاد و انتقال نیروهای مکانیکی در مکانیزم‌ها و تجهیزات مختلف استفاده می‌شوند. مبنای عملکرد این سیستم‌ها، قانون انتقال فشار هیدرولیکی و قابلیت عدم فشردگی مایعات است. پمپ هیدرولیک، شیرآلات، سیلندر و مخزن از اجزای اصلی تشکیل دهنده یک سیستم هیدرولیکی هستند. وظایف این اجزا را در موارد زیر خلاصه کرده‌ایم. در ادامه به تفصیل در مورد هر کدام صحبت خواهیم کرد.
- پمپ: انتقال سیال از یک نقطه به نقطه ای دیگر
- شیرآلات: کنترل جریان سیال
- سیلندر: وظیفه تبدیل انرژی سیال به حرکت مکانیکی
قابلیت انتقال نیرو در فواصل بلند به دلیل قدرت و دقت بالا و استفاده آسان در مکان های مختلف از مزایای سیستم‌های هیدرولیکی است. این سیستم ها در صنایع مختلف مانند صنایع خودروسازی، ساختمان سازی، ماشین آلات صنعتی و… کاربرد دارند. در ادامه در مورد کاربردهای آن‌ها صحبت خواهیم نمود.
اصول پایه و اساس کار سیستم هیدرولیکی چگونه است؟
اساس کار یک سیستم هیدرولیکی بر طبق قانون پاسکال است. طبق این قانون، فشاری که یک سیال محبوس در یک ظرف بسته به ظرف وارد می‌کند، در تمام نقاط ظرف یکسان است. البته قوانین برنولی و ونتوری نیز جزو اصول پایه سیستم هیدرولیکی به حساب می‌آیند. اصول پایه یک سیستم هیدرولیکی شامل موارد زیر است:
قانون پاسکال: فشاری که یک سیال محبوس در یک ظرف بسته به ظرف وارد می‌کند، در تمام نقاط ظرف یکسان است.
قانون برنولی: فشار سیال با کاهش سرعت، افزایش می‌یابد.
قانون ونتوری: با کاهش سطح مقطع لوله، سرعت سیال افزایش می‌یابد.
مدول بالک: نشانگر حسایت حجم سیال در برابر تغییر فشار است و به صورت نسبت تغییر حجم به تغییر فشار در یک سیال بیان می‌گردد. واحد آن هم به صورت فشار بر واحد حجم نوشته می‌شود. برای اندازه گیری مدول بالک از رابطه زیر استفاده می‌گردد:
مقدار مدول بالک نشانگر مقاومت سیال در برابر تغییر حجم در پاسخ به تغییر فشار است. این مقدار برحسب پاسخ غیرقابل فشردن بودن مایعات، معمولاً به ازای فشارهای بالا اعلام می‌شود. به عنوان مثال، روغن‌های هیدرولیک، که از نظر عملکردی به عنوان مایعات غیرقابل فشردن در نظر گرفته می‌شوند، مقدار مدول بالک بالایی دارند. این ویژگی مهم در تحلیل و طراحی سیستم‌های هیدرولیک و انتقال نیرو با استفاده از مایعات، از اهمیت بسزایی برخوردار است.
کاویتاسیون: کاویتاسیون یک پدیده فیزیکی در سیستم‌های هیدرولیک و مکانیکی است که در نتیجه تشکیل حباب‌ها یا شکاف‌های جوش در مایعات به وجود می‌آید. این پدیده ممکن است باعث آسیب و خرابی در اجزای سیستم شود. کاویتاسیون معمولاً در مواقعی رخ می‌دهد که فشار به طور ناگهانی کاهش پیدا می‌کند و مایع به فشار نرمال برمی‌گردد. این کاهش ناگهانی فشار می‌تواند در نقاط مختلف سیستم، به ویژه در نواحی با قطرات فشار، اتفاق بیافتد.
ویسکوزیته سیال: ویسکوزیته یک خاصیت مهم در مورد سیالات است و به توانایی یک سیال در مقاومت در برابر جریان و حرکت داخلی ذراتش اطلاق می‌شود. سطوح داخلی سیالات برخوردهایی بین ذرات آن دارند و این تداخل‌ها باعث مقاومت سیال در برابر حرکت می‌شوند. ویسکوزیته میزان این مقاومت را نشان می‌دهد.
فشار هیدرولیکی: فشار هیدرواستاتیک یا فشار هیدرولیکی فشاری است که به وسیله گرانش به سیال وارد می‌شود. هیدرواستاتیک شاخه‌ای از هیدرولیک است که قوانین تعادل سیالات را مطالعه می‌کند و کاربرد عملی این قوانین را در نظر می‌گیرد. مایعات نیز مانند گازها به دلیل وزن خود فشار ایجاد می‌کنند. مشخص است که فردی که در آب شیرجه می‌زند، فشار آب اطراف را تجربه می‌کند. همین اتفاق برای هر جسمی که در هر مایعی غوطه‌ور باشد، اتفاق می‌افتد. فشار سیال بر جسمی که در آن قرار دارد را فشار هیدرواستاتیک می‌گویند. تجربه نشان می‌دهد که هر چه غواص به عمق بیش‌تری می‌رود، فشار بیش‌تری را تجربه می‌کند. فشار هیدرواستاتیک در یک نقطه از یک سیال توسط وزن سیال بالای آن نقطه و وزن جو بالای سطح سیال ایجاد می‌شود. ماشین‌های هیدرولیک اصولاً کارشان بر اساس اعمال قانون پاسکال است که می‌گوید فشار تولید شده روی سیال در تمام جهات با نیروی یکسان به داخل آن منتقل می‌شود.
انواع سیستم هیدرولیک
یک سیستم هیدرولیکی را می توان در حالت کلی به ثابت و متحرک تقسیم بندی کرد. در ادامه به توضیح هر کدام می پردازیم.
سیستم هیدرولیک ثابت
به دسته ای از سیستم های هیدرولیک، ثابت گفته می شود که در آن ها جابجایی وجود ندارد. مانند دستگاه پرس هیدرولیک، بالابرهای هیدرولیکی و جک های هیدرولیک.
سیستم هیدرولیک متحرک
برعکس سیستم های ثابت، در سیستم های متحرک جابجایی باید وجود داشته باشد و نیروی هیدرولیکی ایجاد شده سبب جابجایی گردد. مانند سیستم های هیدرولیکی بکار رفته در ماشین آلات راهسازی.
یک سیستم هیدرولیکی از چه اجزایی تشکیل شده‌اند؟
یک سیستم هیدرولیکی از اجزای مختلفی تشکیل شده است که هر کدام وظیفه‌ای را انجام می‌دهند. اجزای اصلی تشکیل دهنده سیستم هیدرولیک به قرار زیر است:
- پمپ هیدرولیک : ایجاد فشار در سیال هیدرولیکی بر عهده پمپ هیدرولیک است. نیروی محرکه پمپ هیدرولیک برای ایجاد نیروی مکانیکی، یک موتور الکتریکی یا موتور احتراق داخلی است. به طور کلی این پمپ نوعی دستگاه است که انرژی مکانیکی را به انرژی هیدرولیکی تبدیل می‌کند. هنگامی که پمپ‌های هیدرولیک کار می‌کند، دو عملکرد را همزمان انجام می‌دهد:
ابتدا، عمل مکانیکی آن، خلاء در ورودی پمپ ایجاد می‌کند که به فشار اتمسفر اجازه می‌دهد تا سیال را از مخزن به پمپ فشار دهد. ثانیاً، مجدداً به دلیل عملکرد مکانیکی، پمپ این مایع را به خروجی پمپ آورده و آن را مجبور می‌کند تا از سیستم هیدرولیک عبور کند تا کار خود را انجام دهد.
- سیال هیدرولیک: انتقال نیرو در یک سیستم هیدرولیک به واسطه سیال یا مایع هیدرولیک انجام می پذیرد. با استفاده از خاصیت فشرده ناپذیری سیالات، از آن ها برای انتقال نیرو به بازوها و دیگر اجزای متحرک سیستم هیدرولیک استفاده می شود. مقاومت به دما و ویسکوزیته مناسب از ویژگی های سیال هیدرولیک باید باشد.
- ولو یا شیرآلات: از ولو یا شیرآلات با هدف کنترل جریان سیال و حرکت اجزای سیستم استفاده می شود. شیرهای کنترل فشار، شیرهای کنترل جهت و ولوهای شیاری از انواع شیرآلات هیدرولیک هستند.
- سیلندر: سیلندرها به وسیله فشار اعمال شده توسط مایع هیدرولیکی، حرکت مکانیکی ایجاد می‌کنند. این سیلندر هیدرولیک معمولاً دارای پیستون هستند که با حرکت در داخل سیلندر، نیرو و جابجایی ایجاد می‌کنند.
- پیستون و میله متصل به آن: پیستون‌های هیدرولیک، دیسک‌های استوانه‌ای کوتاهی هستند که در داخل سیلندرها قرار می‌گیرند تا فضای بسته را جدا کنند. سیلندرهای هیدرولیک به دو محفظه مجزا تقسیم می‌شوند که می‌توانند سیال هیدرولیک را در فشارهای مختلف نگه دارند. تقسیم ارائه شده توسط پیستون برای تبدیل انرژی هیدرولیک به انرژی مکانیکی قابل استفاده ضروری است. هنگامی که سیال هیدرولیک تحت فشار با سطح پیستون و میله متصل به آن تماس پیدا می‌کند، نیروی خطی و حرکتی بسیار بیش از نیروی ورودی اولیه ایجاد می‌کند. چنین پمپ‌ها و سیلندرهایی حتی با هزینه سیلندرهای هیدرولیک کوچک ده‌ها تن کار ایجاد می‌کنند. به همین دلیل، این دستگاه‌های هیدرولیک و پیستون‌های مورد نیاز برای راه‌اندازی آن‌ها برای بهره‌وری در تعدادی از صنایع حیاتی هستند. پیستون‌های هیدرولیک از سه قسمت اصلی تشکیل شده‌اند. بدنه یا سطح پیستون یک دیسک استوانه‌ای است که دقیقاً با سطح مقطع سیلندر مطابقت دارد.
میله پیستون به پیستون متصل است. این عنصری است که تا حدی در داخل سیلندر قرار دارد اما خارج از سیلندر امتداد می‌یابد، جایی که انتهای مخالف به اجزای ماشین و بارهای کاری که قرار است رانده شوند، متصل می‌شود. سومین و آخرین جزء مهر و موم است. در واقع در اطراف انتهای پیستون و میله آب بندهای متعددی وجود دارد. محیط بیرونی پیستون اغلب دارای شیارهایی است که در آن‌ها مهر و موم‌های الاستومری یا فلزی قرار می‌گیرد. مهر و موم اطمینان حاصل می‌کند که مایعات هیدرولیک تحت فشار به داخل، خارج یا از یک محفظه به محفظه دیگر نشت نمی‌کند، زیرا این امر می‌تواند باعث کاهش فشار و در نتیجه کاهش عملکرد و عملکرد شود.
برای محافظت بیشتر در برابر نشتی، تمام اجزای پیستون هیدرولیک باید با سیال خاص مورد استفاده سازگار باشند. کامپوزیت‌های معدنی، روغنی، ضروری یا آبی رایج‌ترین محلول‌ها هستند. سطوح پیستون و میله اغلب از فلزات سخت ساخته شده‌اند، که همچنین باید در برابر سایش و پارگی استفاده طولانی مدت و اصطکاک ذاتی حرکت مقاومت کنند. مواد متداول عبارتند از برنز، برنج، فولاد، فولاد ضد زنگ، آلیاژهای آهن و نیکل. میله‌های نورد سرد اغلب برای محافظت بیشتر قبل از رزوه کاری یا جوشکاری به بدنه پیستون، روکش کروم دارند. گاهی از سرامیک‌های سخت مانند کاربید سیلیکون و اکسید آلومینیوم نیز استفاده می‌شود.
- مخازن: جهت ذخیره سیال هیدرولیکی از مخازن استفاده می کنند. این مخازن معمولاً دارای فیلترها برای تصفیه مایع و همچنین سیستم‌های خنک‌کننده برای کنترل دمای مایع هستند.
- لوله ها و اتصالات: لوله‌ها و اتصالات برای ایجاد مسیرهای جریان مایع هیدرولیک و اتصال بین اجزاء به‌کار می‌روند. این لوله‌ها معمولاً از جنس فولاد یا مواد دیگر با مقاومت مناسب ساخته می‌شوند.
- سنسورها: سنسورها برای اندازه‌گیری فشار، دما و ویژگی‌های دیگر مایع هیدرولیکی به‌کار می‌روند. ابزارهای کنترلی نظیر کنترلرها و ولوهای خودکار برای مدیریت و کنترل دقیق سیستم به کار می‌روند.
- فیلتر: فیلترها برای حذف ذرات جامد و آلودگی‌های دیگر از مایع هیدرولیکی به‌کار می‌روند تا از آسیب به اجزاء سیستم جلوگیری شود.
این اجزاء با هم تعامل می‌کنند تا سیستم هیدرولیک به درستی عمل کند و نیرو و انرژی را به طور موثر انتقال دهد. هر یک از این اجزاء نقش مهمی در کارکرد سیستم ایفا می‌کنند و هرگونه مشکل یا نقص در یکی از این اجزاء ممکن است عملکرد کل سیستم را تحت تأثیر قرار دهد.
کاربرد هیدرولیک و سیستم هیدرولیکی
در حال حاضر تقریبا در تمامی حوزه‌های فناوری از جمله صنایع غذایی از دستگاه‌های هیدرولیک مختلفی استفاده می‌شود. بدون هیدرولیک، طراحی و استفاده از دستگاه‌ها، ماشین‌ها و مکانیزم‌های مختلف عملا غیرممکن خواهد بود. هیدرولیک یکی از قدیمی‌ترین علومی است که بیش از قرن بیستم در حال توسعه بوده است. اولین اثر علمی در زمینه هیدرولیک، رساله ارشمیدس (قرن سوم قبل از میلاد) “درباره اجسام شناور …” است. تئوری مطرح شده در این کار هنوز زیربنای تعادل اجسام شناور است، اگرچه اطلاعات در مورد برخی از قوانین هیدرولیک قبلاً شناخته شده بود، زیرا کانال‌ها، لوله‌های آب و غیره قبل از آن ساخته شده بودند. در مصر باستان، هند، چین، کانال‌ها و مخازن با اندازه‌های بزرگ برای آن زمان ساخته شد. سیستم های هیدرولیکی به دلیل قدرت، دقت و قابلیت کنترل بالا در صنایع مختلفی مانند صنایع خودروسازی، صنایع غذایی، ساختمانی، ماشین آلات صنعتی، ایمنی و کنترل انرژی و… کاربرد دارند.
مهمترین موارد کاربرد هیدرولیک در صنعت شامل موارد زیر است:
صنعت خودروسازی:
از هیدرولیک معمولا در سیستم های ترمز، فرمان و تعلیق استفاده می شود. همچنین در خودروهای با گیربکس اتوماتیک نیز از هیدرولیک در سیستم گیربکس بهره گرفته شده است. هر بار که فرمان ماشین خود را می‌چرخانید، یک پمپ هیدرولیک مایع تحت فشار (هیدرولیک) را به میله اتصال می‌دهد. از آن جایی که این اتصال هم به فرمان و هم به دنده‌ای که چرخ‌ها را به حرکت در می‌آورد متصل است، می‌توانید فرمان را بدون هیچ مشکلی بچرخانید و رانندگی را آسان کنید. آن‌ها همچنین در سیستم تعلیق هیدرولیک استفاده می‌شوند؛ تعلیق هیدرولیک نوعی سیستم تعلیق است که از کمک فنرهای مستقل استفاده می‌کند. این نوع تعلیق توسط یک پنل مرکزی در داخل دستگاه کنترل می‌شود، اما مهم‌تر از آن، کمک فنرهای تعلیق مستقل از پمپ‌های هیدرولیک برای افزایش و کاهش فشار استفاده می‌کنند. برای مطالعه بیشتر مقاله “کاربرد پمپ هیدرولیک در خودرو” را مطالعه نمایید.
ماشین‌آلات صنعتی:
با هدف جلوگیری از لرزش، کنترل حرکت اجزا، ایجاد نیرو و جایجایی در ماشین آلات صنعتی، از سیستم های هیدرولیک می توان بهره برد.
صنعت ساختمان:
از سیستم هیدرولیک در تمام ماشین آلات ساختمانی مانند لودر، بیل مکانیکی، چرثقیل و… استفاده می شود. در سیستم های آسانسور، برخی سیتسم های کنترلی در پی ساختمان با هدف دفع لرزش های ناشی از زلزله نیز از سیستم های هیدرولیک استفاده می شود.
صنعت نفت و گاز:
در صنعت نفت و گاز، سیستم‌های هیدرولیک برای کنترل و جابجایی اجزاء در دیاگرافها، جک‌های هیدرولیک، و سیستم‌های جابجایی از جمله ابزارهای حفاری استفاده می‌شوند.
صنعت هوایی و نظامی:
کنترل فرمان هواپیما، تنظیم بال ها و پره ها و… از کاربرد هیدرولیک در هواپیما است.
سیستم‌های هیدرولیک به دلیل قدرت بالا، دقت، کنترل قابل اطمینان، و امکان انجام کارهای سنگین و پیچیده، در اکثر صنایع به عنوان یک فناوری مهم و اساسی شناخته می‌شوند. برای مطالعه بیشتر مقاله “کاربرد هیدرولیک در هواپیما” را مطالعه کنید.
سیستم های هیدرولیکی چه مزایا و معایبی دارند؟
از جمله مزایا و معایب سیستم های هیدرولیکی، میتوان به موارد زیر به طور خلاصه اشاره کرد:
مزایا:
- انعطاف پذیری بالا
- طراحی ساده و کم صدا بودن
- دقت کنترل بسیار بالا
- بازدهی بالا
- اصطکاک پایین
- قدرت و راندمان بالاتر نسبت به سیستم های الکتریکی و مکانیکی مشابه
معایب:
- داغ شدن
- امکان آتش سوزی و صدمات فیزیکی با نشتی روغن
- آلودگی محیط زیست
نتیجه گیری
در این مقاله سعی شد تا اطلاعاتی مفید و مختصر در مورد هیدرولیک و سیستم های هیدرولیکی در اختیار شما قرار گیرد. متوجه شدیم که دقت، قدرت و قابلیت کنترل بالا مهمترین مزیت های یک سیستم هیدرولیکی است. همچنین این سیستم ها از گذشته تا به امروز در بسیاری از صنایع و جنبه های زندگی انسان استفاده شده اند.
صنعت هیدرولیک وارد کننده معتبر ترین برندهای ماشین آلات هیدرولیک و تمام لوازم جانبی سیستم های هیدرولیک و ماشین آلات راهسازی است. برای کسب اطلاعات و مشاوره با کارشناسان تماس بگیرید.
