تحقیق مقاله سیستم های هیدرولیک

فصل اول

 

اصول اولیه هیدرولیک و معرفی المان های هیدرولیکی

 

1-1 انرژی سیال

1-1-1- انرژی

هیدرولیک برای کاربردهایی مناسب است که در آنها نیروهای زیاد، دقت حرکتی بالا و حرکت یکنواخت مورد نیاز باشد. سیستمهای هیدرولیکی نوعاً با فشارهای  500-5000 psi (35-350bar) کار می کنند و قادرند هزاران پوند نیرو( چندین تن) ایجاد نمایند دو مزیت عمده انتقال انرژی از طریق سیال، قابلیت افزایش نیرو و قابلیت تغییر جهت سریع انتقال می باشد.

قانون پاسکال اصل اساسی حاکم بر انرژی سیالات است این قانون درباره هیدروستاتیک یا انتقال نیرو از طریق یک مایع تحت فشار است در سیستمهای هیدروستاتیک اغلب سیالات در حال حرکت هستند، ولی فشار سیال است که نیرو و انرژی را انتقال می دهد، نه حرکت سیال. سیستمهایی که در آنها حرکت سیال باعث انتقال نیرو می شود، سیستمهای هیدرودینامیک نام دارند. در این سیستمها، سرعت سیال یا انرژی جنبشی آن تبدیل به انرژی مکانیکی ( معمولاً به فرم حرکت دورانی) می شود. در سیستمهای هیدرودینامیک سیال فشار قابل ملاحظه ای ندارد ( برعکس سیستمهای هیدروستاتیک) مثال سیستم هیدرودینامیک، توربین بخار است که در آن با عبور بخار از بین پره های توربین با سرعت زیاد، الکتریسیته تولید می شود اغلب سیستمهای هیدرولیکی صنعتی، از سیال تحت فشار استفاده کرده و بنابراین جزو سیستمهای هیدروستاتیک محسوب می گردند.

1-2  انتقال نیرو و تغییر مقدار نیرو

یکی از ویژگیهای کاربردی انرژی سیالات، قابلیت تغییر میزان نیرو به هنگام انتقال نیرو است که به آسانی قابل انجام می باشد. چنین سیستمی در شکل 1-1 نشان داده شده است در این شکل سطح پیستون ورودی برابر با in2 10 و سطح پیستون خروجی برابر با  in2   100 است. نیروی اعمالی بر پیستون ورودی 100lbs می باشد. با توجه به سطح این پیستون  که10 است,فشار ایجاد شده در سیال 10psi خواهد بود این فشار درسیلندر خروجی نیز ایجاد می شود که بر پیستون خروجی اعمال می گردد. در اثر اعمال فشار 10psi بر پیستونی با سطح in2 100 نیروی خروجی برابراست با:

F=p.A=10*100=1000lbs

 همانطور که ملاحظه می شود، نیروی خارجی به اندازه نسبت سطح دو پیستون تقویت شده است. به عبارت بهتر سطح پیستون خروجی ده برابر پیستون ورودی است و بنابراین نیروی خروجی نیز ده برابر نیروی ورودی خواهد بود.

طبق قوانین مکانیک انرژی خروجی یک سیستم نمی تواند بیش از انرژی وارد شده به آن باشد و بنابراین اگر در این سیستم یا انتقال انرژی اتلافی وجود نداشته باشد، کار انجام شده ثابت باقی می ماند. در سیستم نشانداده شده در شکل 1-1 نیرو در سیستم ده برابر شده است. بنابراین با ثابت در نظر گرفتن کار ورودی و خروجی مسافت طی شده در خروجی باید به همان نسبت ( در مقایسه با مسافت طی شده در ورودی) کاهش یابد. پیستونهای ورودی و خروجی در زمان برابر، این مسافتها را طی می کنند، بنابراین رابطه

سرعتهای ورودی و خروجی به صورت زیر خواهد بود:

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل 1-1 چند برابر کردن نیرو [3]

 

1-3 جریان سیال

شدت جریان سیال عبارت است از حجم سیال که در واحد زمان از یک سیستم عبور می کند. شدت جریان سیال تعیین کننده سرعت عملکرد یک قطعه خروجی در سیستم هیدرولیک ( مثلاً یک سیلندر) است سرعت حرکت سیال، مسافتی است که یک سیال در واحد زمان طی می کند

 (1-2)Q=v.A[3]                                                                                        که با تعیین قطر مناسب برای لوله، در یک شدت جریان معین، سرعت سیال کنترل می‌شود. در یک سیسیتم که جریان سیال در آن پیوسته و یکنواخت است مطابق معادله پیوستگی کاهش سطح گذر ( سطح مقطع لوله) سبب افزایش سرعت، به همان نسبت می شود برعکس،اگر سطح لوله افزایش یابد، سرعت سیال به همان نسبت کاهش خواهد یافت. فهم این نکته خیلی مهم است، زیرا در یک سیستم هیدرولیک واقعی، سطح گذر سیال به هنگام عبور از قطعات مختلف سیستم، مثلاً شیلنگها، اتصالات، شیرها و ... دائما تغییر می کند. افزایش سرعت سیال در نقاطی که سطح گذر کاهش می یابد، نشاندهنده افزایش انرژی است اما چون انرژی به سیستم اضافه نشده است، بنابراین باید در نقطه دیگری از سیستم انرژی کاهش یافته باشد.

سیالات هیدرولیک تقریباً غیر قابل تراکم هستند، بنابراین می توان معادله برنولی را در مدارهای هیدرولیک به کاربرد. انرژی در یک سیال به سه فرم ظاهر می شود:

1- انرژی پتانسیل ( به واسطه ارتفاع سیال و نیروی جاذبه) w.h=

2- انرژی فشار( به واسطه ایجاد فشار در سیستم) =و

3- انرژی جنبشی ( به واسطه سرعت سیال)=.

اگر انرژی اضافی به سیستم وارد نشود یا هیچ انرژی از سیستم خارج نگردد، بنابراین انرژی در دو نقطه مختلف از یک سیستم باید برابرباشد. به زبان ریاضی:

چون W در تمام جملات معادله وجود دارد می توان آن را حذف کرد، بنابراین:

(1-3)                                                      [3]

این معادله بیان کننده میزان انرژی است که در واحد وزن یک سیال وجود دارد. با دقت در این معادله معلوم می شود که هرگونه افزایش انرژی در هر یک از سه فرم انرژی بیان شده فوق با کاهش انرژی در فرمهای دیگر و به میزان مساوی، متعادل می شود.

کاهش سطح گذر سیال، سبب افزایش سرعت و کاهش فشار می شود. همانطور که قبلاً اشاره شد. این اصل مهم باید بخوبی فرا گرفته شود، زیرا در یک سیستم هیدرولیک واقعی سطح گذر سیال در قسمتهای مختلف با هم تفاوت دارد.

 

1-4 تئوری توریچلی

تئوری توریچلی، یک مورد خاص از معادله برنولی است که در بررسی یک مایع که از یک مخرن تخلیه می شود، به کار می رود ( شکل 1-2) در این وضعیت برای تعیین سرعت خروج از مخزن می توان با استفاده از معادله برنولی، سطح مخزن را سطح 1 و سطح سوراخ خروجی را سطح نقطه 2 را در نظر گرفت. فشار در این دو نقطه برابر است  (o psi), بنابراین جملات مربوط به فشار در معادله برنولی حذف می شوند. همچنین اگر سطح مخزن بزرگ باشد، سرعت سیال در مخزن نسبت به سرعت خروجی سیال از مخزن قابل صرف نظر کردن است (0 = (v1   با این فرضیات معادله برنولی به صورت زیر در می آید:

با تغییر فرم معادله، v2 به صورت زیر به دست می آید:

 

شکل1-2تئوری توریچلی

می توان عبارت را بسادگی با h ارتفاع سطح سیال نسبت به دریچه خروجی، نشان داد. بدین ترتیب فرم ساده معادله قبل که به تئوری توریچلی معروف است به دست می آید:

(1-4)

(معادله در فایل اصلی موجود است)

طبق این تئوری سرعت خروج سیال از یک مخزن فقط به ارتفاع سطح سیال در مخزن بستگی دارد و نه به ابعاد دیگر مخزن. به هنگام خروج سیال از مخزن، ارتفاع سیال رفته رفته کم می شود و به همین دلیل سرعت خروج سیال نیز پیوسته کم خواهد شد. بنابراین با استفاده از معادله فوق تنها می توان سرعت خروج سیال را در یک لحظه خاص از زمان محاسبه کرد.

 

1-5 افت فشار

طبق قانون پاسکال، فشار درون یک سیال تحت فشار در همه نقاط برابر است و به صورت عمودی بر سطح مخزن وارد می شود. وقتی سیال جریان داشته باشد. فشار در سیستم به دلیل افت انرژی کاهش می یابد. افت انرژی در  درجه اول به علت ویسکوزیته سیال است که در برابر جریان یافتن سیال مقاومت می کند. هر گاه سیال از حرکت متوقف شود. فشار سیال سریعاً افزایش یافته و به همان حد قانون پاسکال می رسد و مجدداً به صورت عمودی بر دیوارها وارد خواهد شد.

افت فشار یک اشکال اصلی محسوب می شود، نه فقط به دلیل اینکه انرژی به هدر می رود و بازده سیستم افت می کند. بلکه به این دلیل که این انرژی به کجا می رود. انرژی از دست رفته به حرارت تبدیل می شود که باعث افزایش دمای سیال خواهد شد. هنگامی که دمای سیال افزایش می یابد ویسکوزیته آن کاهش می یابد (رقیق تر می شود). وقتی که سیال رقیق تر شود، توانایی روانکاری آن افت کرده و در نتیجه آن سایش بین قطعات افزایش یافته وعمر این قطعات کمتر خواهد شد.

 

1-6  توان

در سیستم های هیدرولیک، رایج است که توان را با استفاده از فشار و جریان محاسبه می کنند، با جایگزین کردن F=p.A در معادله P=F.v ,معادله زیر بدست می آید:

P=p.A.v

با جایگزینی Q=A.v در معادله قبل، معادله زیر حاصل می شود:

(1-6 )(معادله در فایل اصلی موجود است)

توان هیدرولیکی یک سیال در حال حرکت است. اگر فشار بر حسب و شدت جریان سیال بر حسب باشند, واحد توان in.lbs/min خواهد بود. این واحد را نیز می توان با تبدیل زیر، به اسب بخار تغییر داد:

واحد صنعتی شدت جریان  gpm است و  برای وارد کردن این واحدها در معادله 1-6 باید آن را در 231ضرب و بر  396000 تقسیم کرد. در نتیجه اسب بخار هیدرولیکی به صورت زیر به دست می آید:

(1-7 )(معادله در فایل اصلی موجود است)

در معادله 1-7 باید از واحدهای خاص بدین صورت استفاده کرد. psi برای فشار، gpm برای شدت جریان سیال و  hp برای توان

اگر واحدهای متریک در معادله 1-6 استفاده شود، یعنی یا pa برای فشار و  برای شدت جریان سیال واحد توان N .m/s باید از رابطه تبدیل زیر استفاده کرد:

همانطور که گفته شد واحد رایج صنعتی برای فشار kpa و واحد رایج برای توان kw است. با وارد کردن این دو تبدیل در معادله1-6 معدله مفید زیر به دست می آید:

(1-7    متریک )

  در معادله 1-7 متریک باید از این واحدها استفاده شود: kpa برای فشار، lpm برای شدت جریان سیال و kw برای توان هیدرولیکی.

(معادله در فایل اصلی موجود است)

1-7 معرفی المانهای هدرویکی

اجزاء و المانهای هیدرولیکی بکار رفته در هیدرولیک آنقدر گسترده هستند که بررسی تمامی آنها در این اثر مقدور نمی باشد. در اینجا به طور اجمالی به معرفی اجزاء اصلی سیستم های هیدرولیک و وظایف آنها می پردازیم.

پمپها و شیرهای هیدورلیکی المانهائی هستند که در تمامی سیستمهای هیدرولیک وجود دارند و در دو فصل جداگانه به طور کامل بررسی می شوند.

1-7-1 معرفی سیلندرها و موتورها

عملگرها که توان سیال را مجدداً به توان مکانیکی تبدیل می کنند معمولاً سیلندر یا موتور هیدورلیکی هستند. سیلندرها در دو نوع یکطرفه و دوطرفه تولید می شوند که نوع دو طرفه آنها کاربرد زیادی دارد. سطح داخلی سیلندر و سطح میله پیستون برای جلوگیری از سایش و تخریب زود رس حلقه های آب بندی، با ید کاملاً صیقلی باشند. سیلندر یکطرفه تنها در یک جهت نیرو وارد می کند که می تواند کششی ویا فشاری باشد. انواع دیگر سیلندرها، سیلندرهای تلسکوپی، دو طرفه و دو قلو می باشند نقش یک موتور هیدرولیکی دقیقاً عکس یک پمپ است یعنی با دریافت جریان پمپ و فشار در ورودی، یک حرکت دورانی و گشتاور در خروجی به وجود می آورد. حجم جابجائی یک موتور عبارت است از حجم سیال مورد نیاز برای چرخاندن موتور به اندازه یک دور کامل که دقیقاً مشابه یک پمپ است. دو برتری عمده موتورهای هیدرولیکی نسبت به موتورهای الکتریکی یا مکانیکی عبارتند از 1) به سرعت به تغییرات سرعت و جهت پاسخ می دهند 2) می توان آنها را تا حد وامانده گی تحت بار قرار داد بدون آنکه به موتور یا سیستم آسیبی وارد آید. انواع، روابط و مشخصات موتورها کاملا شبیه پمپ ها می باشد که از تکرار آنها خودداری می شود.

1-7-2 روابط سیلندرها

وقتی که پیستون رو به جلو حرکت می کند، تمام سطح پشت پیستون در معرض فشار قرار می گیرد ولی در برگشت اینطور نیست

 

(1-8)(معادله در فایل اصلی موجود است)

(1-9)(معادله در فایل اصلی موجود است)

با توجه به اینکه سرعت حرکت پیستون برابر سرعت جریان سیال است داریم،

با وارد کردن کامل تبدیل داریم.

(1-10)(معادله در فایل اصلی موجود است)

برای محاسبه سرعت سیلندر در حرکت رو به عقب داریم

(1-11)

Q بر حسب  A    ,gpm بر حسب in2 و v برحسب in/min.

در سیستم آحاد متریک با توجه به عامل تبدیل داریم:

(1-10 متریک)(معادله در فایل اصلی موجود است)

(1-11 متریک)(معادله در فایل اصلی موجود است)

Q بر حسب A  ,lpm بر حسب و V بر حسب m/min