Jak fungují hydraulické systémy: Komponenty, obvody, výpočty a odstraňování problémů

Hydraulický systém převádí mechanický vstup na výkon kapaliny a poté převádí tuto energii kapaliny zpět na sílu nebo pohyb. Díky této kombinaci kompaktních komponent a vysokého výstupního výkonu je hydraulika běžnáprůmyslové lisy, obráběcí stroje, stavební a zemědělská technika, zvedací systémy a mobilní stroje.

Pochopení systému vyžaduje více než jen vědět, že čerpadlo dopravuje olej. Tlak se vyvíjí v reakci na odpor, průtok řídí rychlost pohonu, ventily řídí a regulují energii a stav kapaliny ovlivňuje spolehlivost. Tato příručka vysvětluje tyto vztahy a sleduje systém od Pascalova zákona přes provoz obvodu, dimenzování, údržbu a odstraňování problémů.

Pascalův zákon a přenos síly

Hydraulická síla je založena na Pascalově zákonu: tlak aplikovaný na uzavřenou tekutinu se přenáší rovnoměrně do všech směrů.

Hydraulický tlak je:

Tlak=Síla ÷ Oblast

nebo:

P = F ÷ A

V amerických obvyklých jednotkách:

P= tlak v librách na čtvereční palec (psi)

F= síla v librách-síla (lbf)

A= plocha ve čtverečních palcích (in²)

Přeuspořádání vzorce dává:

F = P × A

Tento vztah vysvětluje násobení hydraulické síly. Uvažujme dva spojené válce. Malý píst má plochu 1 in² a větší píst má plochu 10 in². Pokud operátor aplikuje 10 lbf na malý píst:

P=10 lbf ÷ 1 in²=10 psi

Přibližně 10 psi také působí na větší píst a vytváří teoretickou sílu:

F=10 psi × 10 in²=100 lbf

Výstup je desetinásobek vstupu, protože plocha pístu je desetkrát větší.

Skutečné systémy nejsou 100% účinné. Tření těsnění, vnitřní netěsnost, ztráty ventily a hadicemi a mechanické tření snižují dostupnou sílu. Při 90% kombinované hydraulické a mechanické účinnosti:

Skutečná síla=100 lbf × 0.90=90 lbf

Stejná metoda platí pro průmyslová a mobilní zařízení. Válec s efektivní plochou 20 in² při měřeném tlaku 2 500 psi produkuje:

Teoretická síla=2,500 × 20=50,000 lbf

Při odhadované účinnosti 92 procent:

Užitná síla ≈ 46 000 lbf

Když je známa efektivní plocha pístu, údaj na tlakoměru- může poskytnout přibližnou sílu válce.

Tlak a průtok spolu souvisí, ale nejsou zaměnitelné. Tlak určuje dostupnou sílu nebo točivý moment, zatímco průtok určuje hlavně rychlost pohonu.

Hlavní hydraulické komponenty

Každá součást má specifickou roli při generování, řízení nebo využívání hydraulické energie.

Hydraulická čerpadla

Čerpadlo vytváří průtok. Tlak se vyvíjí, když tento proud narazí na odpor.

Pevné-čerpadlo s pevným objemem dodává přibližně stejný objem s každou otáčkou a vyhovuje systémům s relativně konstantní poptávkou.

Objemové-čerpadlo mění svůj výkon podle toho, jak se mění poptávka. Často se používá tam, kde záleží na energetické účinnosti, přesném ovládání nebo měnících se požadavcích na pohon.

Výběr čerpadla by měl brát v úvahu výtlak, jmenovitý tlak, maximální rychlost, požadovaný průtok v GPM, objemovou účinnost, kompatibilitu s kapalinami a montážní uspořádání.

Nádrž

Zásobník uchovává tekutinu a poskytuje vzduchovým bublinám čas na oddělení, kontaminantům čas na usazení a ohřev cesty k rozptýlení. Dobře{1}}navržená nádrž může zahrnovat:

Plnicí a odvzdušňovací filtry

Vraťte-linkové difuzory

Tam, kde je to vhodné, sací sítka

Indikátory hladiny a teploty

Vnitřní přepážky

Přístup k odtoku a čištění

Mobilní zařízení může potřebovat kompaktní tlakovou nádrž nebo speciální přepážku, protože pracuje na svazích a při vibracích.

Hydraulické ventily

Ventily řídí, kam proudí hydraulická energie a jak pohon reaguje.

Pojistný ventil chrání čerpadla, hadice, válce a další součásti před nadměrným tlakem.

Akční členy

Hydraulické pohony převádějí výkon kapaliny na mechanický výstup. Ahydraulický válecvytváří lineární pohyb, protože tlak působí na plochu pístu. Hydraulický motor vytváří rotační pohyb: průtok ovlivňuje rychlost otáčení, zatímco tlakový rozdíl určuje dostupný točivý moment.

Těsnění musí odpovídat chemii kapaliny, tlaku, rychlosti a teplotě. Nitrilkaučuk je běžný v systémech minerálních-olejů. FKM se často používá při vyšších teplotách nebo v chemicky náročném provozu, zatímco prvky na bázi PTFE- mohou vyhovovat aplikacím vyžadujícím nízké tření nebo širší chemickou kompatibilitu. Ověřte konečný materiál podle skutečné kapaliny a provozních podmínek.

Typický hydraulický okruh

Základní průmyslový obvod může být zobrazen jako:

Nádrž → Čerpadlo → Tlakoměr → Pojistný ventil → Směrový ventil → Válec → Zpětný filtr → Nádrž

1. Spuštění

Elektromotor nebo motor spustí čerpadlo. Čerpadlo čerpá kapalinu z nádrže a posílá ji do tlakového potrubí.

Když je směrový ventil v otevřeném -středu nebo v poloze pro vyprázdnění, může se tok vrátit do zásobníku při relativně nízkém tlaku. Mezi užitečné monitorovací body patří výstupní tlak čerpadla, průtok v hlavním-vedení, teplota v nádrži a rozdílový tlak ve vratném-filtru.

2. Vývoj tlaku

Když směrový ventil posílá proud do pohonu, odpor se zvyšuje. Tlak stoupá pouze natolik, aby překonal vnější zatížení a vnitřní ztráty.

Pokud válec potřebuje například 1 800 psi k přesunu zátěže, tlak se může zvýšit z nízké pohotovostní úrovně na přibližně 1 800 psi plus ztráty v okruhu.

3. Prodloužení válce

Směrový ventil směruje tok čerpadla do uzávěru válce. Olej opouštějící konec tyče se vrací přes ventil do zásobníku a válec se vysune. Průtokový-ventil může omezit průtok a nastavit rychlost vysouvání.

4. Konec zdvihu a omezení tlaku

Když válec dosáhne konce svého zdvihu, přestane se pohybovat. Pokud čerpadlo nadále dodává průtok, tlak rychle stoupá.

Při svém přednastaveném tlaku se pojistný ventil otevře a odvede přebytečný průtok směrem k nádrži. Tím se zabrání tomu, aby systém překročil svůj bezpečný tlakový limit. Nepřetržitý provoz přes pojistný ventil plýtvá energií a produkuje značné teplo.

5. Zatažení

Směrový ventil reverzuje a posílá stlačený olej na stranu tyče, zatímco olej ze strany uzávěru se vrací do nádrže.

Tyč zmenšuje účinnou plochu pístu během zatahování, takže běžný válec s jednou tyčí vytváří menší zatahovací sílu při stejném tlaku. Při stejném vstupním průtoku se může také rychleji zatahovat.

6. Vyložení a vypnutí

Po operaci se obvod vrátí do neutrální polohy. V závislosti na konstrukci se čerpadlo může odlehčit, zničit nebo zastavit.

Před údržbou uvolněte uložený tlak v souladu s postupy uzamčení/označení a odtlakování výrobcem stroje.

Elektrohydraulické systémy umožňují technikům porovnat elektrický příkaz s hydraulickou odezvou. Rozsah nebo diagnostické rozhraní může potvrdit příkaz odeslaný do solenoidového nebo proporcionálního ventilu, zatímco měřidla a průtokoměry ukazují, co se stalo v okruhu.

Pokud PLC odešle příkaz ventilu, ale tlak se nezmění, zkontrolujte solenoid, pohyb šoupátka, pilotní okruh a hydraulické napájení. Pokud neexistuje žádný příkaz, začněte s ovladačem, snímačem, kabeláží nebo blokováním.

Hydraulická kapalina, ztráta tlaku a údržba

Hydraulická kapalina přenáší výkon, maže součásti, odvádí teplo, přenáší nečistoty do filtrů a chrání povrchy před opotřebením a korozí.

Minerální hydraulické oleje jsou běžně identifikovány třídami viskozity ISO, jako je ISO VG 32, 46 a 68. Správná třída závisí na požadavcích čerpadla a provozní teplotě.

Studený olej se stává viskóznějším. Pokud je příliš silný, systém může zaznamenat obtížné spuštění, vysokou sací ztrátu, pomalou odezvu pohonu, kavitaci nebo bypass filtru.

Vysoká teplota snižuje viskozitu a může zvýšit vnitřní netěsnost, oslabit mazací film, urychlit oxidaci a poškodit těsnění.

Zařízení v chladném podnebí na severu USA může potřebovat kapalinu s nižší-viskozitou nebo kapalinu s vysokým indexem viskozity. Stroje běžící nepřetržitě v horkém jižním klimatu mohou vyžadovat vyšší tepelnou stabilitu nebo vyšší provozní-stupeň viskozity. Před výměnou oleje zkontrolujte povolený rozsah viskozity výrobce čerpadla.

Ztráta tlaku v okruhu

Kapalina ztrácí tlak, když prochází hadicemi, potrubím, armaturami, filtry, chladiči a ventily. Ztráta se zvyšuje s průtokem, délkou vedení, viskozitou kapaliny, omezeními a nedostatečným průměrem hadice.

Pokles tlaku rychle stoupá s rostoucí rychlostí proudění. Sací, tlakové a vratné potrubí by proto mělo být dimenzováno na vhodnou rychlost, přičemž ztráty by měly být porovnány s údaji výrobce nebo s výpočty -poklesu hydraulického tlaku.

Mezi běžná místa vnějšího úniku patří hadicové spoje, těsnění tyčí, ventilové potrubí, těsnění hřídele čerpadla, fitinky a poškozené potrubí.

Praktiky údržby

Praktický program údržby by měl zahrnovat následující práce:

Během běžných kontrol kontrolujte hladinu kapaliny, teplotu, neobvyklý hluk a viditelné netěsnosti.

Používejte indikátory omezení filtru místo toho, abyste se spoléhali pouze na výměnu{0}}na základě kalendáře.

Odebírejte vzorky oleje z konzistentních míst za stálých provozních podmínek.

V případě potřeby otestujte kontaminaci částicemi, viskozitu, obsah vody, oxidaci a opotřebení kovů.

Prozkoumejte významné změny v počtu částic namísto pouhé výměny součástí.

Zkontrolujte hadice, zda nevykazují otěr, praskliny, puchýře a pohyb na armaturách.

Při výměně kapaliny nebo těsnění ověřte chemickou kompatibilitu.

Výměna oleje a filtru by se měla řídit doporučeními výrobce zařízení, sledováním kontaminace, provozní náročností a výsledky -analýzy oleje, nikoli intervalem jednoho univerzálního-hodinového intervalu.

Hydraulické dimenzování a ovládání

Dimenzování obvykle začíná zatěžovací silou a požadovanou rychlostí pohonu.

Předpokládejme, že stroj potřebuje 30 000 lbf z válce při maximálním pracovním tlaku 2 500 psi. Požadovaná plocha pístu je:

A = F ÷ P

= 30 000 ÷ 2,500=12 in²

Vypočítejte vrtání z:

A = πD² ÷ 4

Proto:

D = √(4A ÷ π)

Pro plochu 12 in²:

D ≈ 3,91 palce

Standardní 4{1}} vrtání je rozumným výchozím bodem v závislosti na bezpečnostním faktoru, tření, jmenovitém tlaku, montážním zatížení a vzpěru tyče.

4palcový vývrt má plochu přibližně:

= 12.57 in²

Při 2 500 psi je jeho teoretická tažná síla:

F=2 500 × 12,57 ≈ 31 425 lbf

Pokud je požadovaná rychlost vysouvání 4 palce/s, požadovaný průtok je:

Q=Plocha × rychlost

Q=12.57 × 4=50.28 in³/s

Jeden americký galon obsahuje přibližně 231 in³, takže:

GPM=50.28 × 60 ÷ 231 ≈ 13,1 GPM

Čerpadlo musí dodávat přibližně 13,1 GPM při požadovaném tlaku, než umožní účinnost a jakýkoli současný požadavek na průtok.

Nastavení pojistného ventilu

Pojistný ventil musí chránit kritickou součást s nejnižší{0}}hodnotou a zároveň umožnit stroji vyvinout požadovanou pracovní sílu.

Neotáčejte seřizovacím šroubem, dokud se nebude zdát, že stroj pracuje silněji. Zjistěte návrhový tlak, ověřte jmenovité hodnoty komponentů, připojte vhodný kalibrovaný manometr, zatížte okruh podle schváleného servisního postupu a nastavte ventil podle specifikace výrobce.

Elektrohydraulické ovládání

Moderní systémy mohou používat proporcionální nebo servoventily řízené PLC, pohybovým ovladačem nebo elektronickým zesilovačem.

Proporcionální ventily zajišťují regulaci průtoku nebo tlaku. Servoventily se obecně používají, když je vyžadována velmi rychlá a přesná odezva, ačkoli vyžadují čistší kapalinu a sofistikovanější ovládání.

Hydraulika obecně poskytuje vyšší hustotu síly a lepší držení nákladu než pneumatika. Pneumatické systémy mohou být čistší, jednodušší a hospodárnější pro vysokorychlostní{1}}automatizaci s nižšími požadavky na sílu, ale stlačený vzduch je mnohem stlačitelnější než hydraulický olej.

Kontrolní seznam pro odstraňování závad hydrauliky

Před výměnou součástí proveďte měření.

Nízká síla nebo ztráta tlaku

Zkontrolujte hladinu kapaliny.

Změřte výstupní tlak čerpadla.

Potvrďte nastavení přepouštěcího-ventilu.

Zkontrolujte, zda je pojistný ventil otevřený.

Proveďte test průtoku čerpadla.

Zkontrolujte vnitřní netěsnost válce nebo motoru.

Zkontrolujte vnitřní obtok směrových ventilů.

Pomalý pohyb ovladače

Změřte skutečný průtok systémem.

Zkontrolujte omezení filtru.

Ověřte rychlost čerpadla.

Zkontrolujte nastavení{0}}řízení toku.

Zkontrolujte vnitřní netěsnost.

Změřte tlakovou ztrátu na hadicích a ventilech.

Přehřívání

Zkontrolujte, zda průtok plynule prochází přes pojistný ventil.

Zkontrolujte hladinu a viskozitu oleje.

Zkontrolujte výkon chladiče.

Změřte vnitřní únik.

Zkontrolujte poddimenzované vedení nebo omezující ventily.

Ověřte účinnost čerpadla a ventilu.

Hluk nebo kavitace

Zkontrolujte hladinu nádrže.

Zkontrolujte sací hadice z hlediska omezení a úniku vzduchu.

Ověřte viskozitu oleje při spuštění.

Zkontrolujte sací sítko.

Zkontrolujte vstupní tlak čerpadla.

Hledejte pěnivý nebo provzdušněný olej.

Použití tlakoměrů, teplotních čidel a průtokoměrů v logickém sledu obvykle izoluje poruchu rychleji než výměna čerpadla nebo ventilu pouze na základě příznaků.

Inženýrská a systémová podpora

Kalkulátor velikosti čerpadla a válců se zpracovanými příklady, kompletní CAD balíček hydraulického okruhu a strukturované hodnocení výkonu může pomoci týmu inženýrů nebo údržby vyhodnotit existující nebo navrhovanou instalaci.

Mezi typické technické výstupy patří zátěžové a tlakové zkoušky, odběr vzorků oleje, analýza kontaminace, kontrola velikosti součástí-, optimalizace obvodu a revize systému na základě příslušných norem ISO 4413 a pokynů SAE.

Na komerční webové stránce poskytněte inženýrům tři přímé cesty: stáhněte si kalkulačku velikosti, vyžádejte si výkresy obvodů nebo naplánujte posouzení zařízení prostřednictvím formuláře, telefonního kontaktu nebo místního distributora. Uveďte očekávanou dobu odezvy a určete, které soubory nebo testovací zprávy zákazník obdrží.

Často kladené otázky

Jak Pascalův zákon násobí sílu a jak se počítá v psi a v²?

Tlak aplikovaný na uzavřenou hydraulickou kapalinu se přenáší skrz kapalinu. PoužitíP = F ÷ Apro výpočet tlaku aF = P × Apro výpočet výstupní síly. Aplikace 10 lbf na píst 1 in² vytvoří 10 psi. Tento tlak působící na píst 10 in² teoreticky produkuje 100 lbf.

Jaký je rozdíl mezi zubovým, lamelovým a pístovým čerpadlem?

Zubová čerpadla jsou odolná, ekonomická a běžná v aplikacích s pevným{0}}objemovým objemem. Lamelová čerpadla obecně běží v průmyslových systémech plynuleji a tišeji. Pístová čerpadla poskytují vysoký tlak a účinnost a často se používají tam, kde je vyžadováno proměnlivé množství nebo pokročilejší řízení.

Jak funguje typický hydraulický okruh?

Čerpadlo čerpá olej z nádrže a směrový ventil posílá proud do pohonu. Tlak stoupá v reakci na zatížení, jak se válec vysouvá nebo zasouvá. Pojistný ventil omezuje nadměrný tlak. Po operaci se ventil vrátí do neutrálu a čerpadlo se odlehčí, zničí nebo zastaví podle návrhu okruhu.

Jak vybrat hydraulickou kapalinu?

Začněte s požadavky výrobce zařízení na viskozitu. Poté zvažte minimální spouštěcí teplotu, normální provozní teplotu, viskozitní index, požadavky na-opotřebení, odolnost proti oxidaci, působení vody, kompatibilitu těsnění a podmínky prostředí. Samotný stupeň viskozity ISO nestačí.

Jaké jsou nejčastější poruchy hydraulického systému?

Mezi běžné problémy patří přehřívání, kavitace, nadměrný hluk, pomalý pohyb pohonu, neschopnost vytvořit tlak, vnitřní nebo vnější netěsnosti, kontaminovaný olej a poruchy ventilů. Odstraňování problémů začněte měřením stavu kapaliny, tlaku, průtoku a teploty.

Jak mohu nastavit velikost čerpadla a válce pro sílu a rychlost?

Vypočítejte plochu válce sA = F ÷ P, poté převeďte tuto oblast na průměr otvoru pomocíD = √(4A ÷ π). Po výběru válce vypočítejte průtok potřebný pro cílovou rychlost:

GPM=plocha (in²) × rychlost (in/s) × 60 ÷ 231

Před výběrem čerpadla a válce zvažte účinnost, pracovní cyklus, současný požadavek pohonu, tlakovou ztrátu, jmenovité hodnoty komponent a vhodnou bezpečnostní rezervu.