Ako fungujú hydraulické systémy: komponenty, obvody, výpočty a odstraňovanie problémov

Hydraulický systém premieňa mechanický vstup na energiu tekutiny a potom túto energiu tekutiny premieňa späť na silu alebo pohyb. Táto kombinácia kompaktných komponentov a vysokého výkonu robí hydrauliku bežnou vpriemyselné lisy, obrábacie stroje, stavebné a poľnohospodárske zariadenia, zdvíhacie systémy a mobilné stroje.

Pochopenie systému si vyžaduje viac než len vedieť, že čerpadlo hýbe olejom. Tlak sa vyvíja v reakcii na odpor, prietok riadi rýchlosť pohonu, ventily riadia a regulujú energiu a stav kvapaliny ovplyvňuje spoľahlivosť. Táto príručka vysvetľuje tieto vzťahy a sleduje systém od Pascalovho zákona cez prevádzku obvodu, dimenzovanie, údržbu a riešenie problémov.

Pascalov zákon a prenos sily

Hydraulická sila je založená na Pascalovom zákone: tlak aplikovaný na uzavretú kvapalinu sa prenáša rovnako vo všetkých smeroch.

Hydraulický tlak je:

Tlak=Sila ÷ Oblasť

alebo:

P = F ÷ A

V amerických obvyklých jednotkách:

P= tlak v librách na štvorcový palec (psi)

F= sila v librách-sila (lbf)

A= plocha v štvorcových palcoch (v²)

Preusporiadanie vzorca dáva:

F = P × A

Tento vzťah vysvetľuje násobenie hydraulickej sily. Zvážte dva spojené valce. Malý piest má plochu 1 in² a väčší piest má plochu 10 in². Ak operátor aplikuje 10 lbf na malý piest:

P=10 lbf ÷ 1 in²=10 psi

Približne 10 psi pôsobí aj na väčší piest a vytvára teoretickú silu:

F=10 psi × 10 in²=100 lbf

Výstup je desaťkrát väčší ako vstup, pretože plocha piesta je desaťkrát väčšia.

Skutočné systémy nie sú 100 percentne účinné. Trenie tesnenia, vnútorné presakovanie, straty cez ventily a hadice a mechanické trenie znižujú dostupnú silu. Pri 90 percentnej kombinovanej hydraulickej a mechanickej účinnosti:

Skutočná sila=100 lbf × 0.90=90 lbf

Rovnaká metóda platí pre priemyselné a mobilné zariadenia. Valec s účinnou plochou 20 in² pri nameranom tlaku 2 500 psi produkuje:

Teoretická sila=2 500 × 20=50 000 lbf

Pri odhadovanej účinnosti 92 percent:

Využiteľná sila ≈ 46 000 lbf

Keď je známa efektívna plocha piesta, údaj na tlakomere- môže poskytnúť približnú silu valca.

Tlak a prietok spolu súvisia, ale nie sú vzájomne zameniteľné. Tlak určuje dostupnú silu alebo krútiaci moment, zatiaľ čo prietok určuje hlavne rýchlosť pohonu.

Hlavné hydraulické komponenty

Každý komponent má špecifickú úlohu pri výrobe, riadení alebo využívaní hydraulickej energie.

Hydraulické čerpadlá

Čerpadlo vytvára prietok. Tlak sa vyvíja, keď tento prúd narazí na odpor.

Pevné-objemové čerpadlo dodáva pri každej otáčke približne rovnaký objem a vyhovuje systémom s relatívne konštantným dopytom.

Výtlakové čerpadlo s premenlivým objemom{0} mení svoj výkon podľa toho, ako sa mení dopyt. Často sa používa tam, kde záleží na energetickej účinnosti, presnom ovládaní alebo rôznych požiadavkách na pohon.

Výber čerpadla by mal brať do úvahy výtlak, menovitý tlak, maximálnu rýchlosť, požadovaný prietok v GPM, objemovú účinnosť, kompatibilitu s kvapalinou a montážne usporiadanie.

Priehrada

Zásobník ukladá tekutinu a poskytuje vzduchovým bublinám čas na oddelenie, kontaminantom čas na usadzovanie a ohrev cesty na rozptýlenie. Dobre{1}}navrhnutá nádrž môže zahŕňať:

Plniace a odvzdušňovacie filtre

Vráťte-difúzory

Ak je to vhodné, sacie sitá

Indikátory úrovne a teploty

Vnútorné priehradky

Prístup na odtok a čistenie

Mobilné zariadenia môžu potrebovať kompaktnú tlakovú nádrž alebo špeciálne tlmiče, pretože fungujú na svahoch a pri vibráciách.

Hydraulické ventily

Ventily riadia, kam ide hydraulická energia a ako pohon reaguje.

Poistný ventil chráni čerpadlá, hadice, valce a ďalšie komponenty pred nadmerným tlakom.

Akčné členy

Hydraulické pohony premieňajú výkon kvapaliny na mechanický výstup. Ahydraulický valecvytvára lineárny pohyb, keď tlak pôsobí na plochu piesta. Hydraulický motor vytvára rotačný pohyb: prietok ovplyvňuje rýchlosť otáčania, zatiaľ čo tlakový rozdiel určuje dostupný krútiaci moment.

Tesnenia musia zodpovedať chémii kvapaliny, tlaku, rýchlosti a teplote. Nitrilový kaučuk je bežný v systémoch minerálnych-olejov. FKM sa často používa pri vyšších teplotách alebo v chemicky náročnej prevádzke, zatiaľ čo prvky na báze PTFE- môžu vyhovovať aplikáciám vyžadujúcim nízke trenie alebo širšiu chemickú kompatibilitu. Overte konečný materiál vzhľadom na aktuálnu kvapalinu a prevádzkové podmienky.

Typický hydraulický okruh

Základný priemyselný obvod môže byť znázornený ako:

Zásobník → Čerpadlo → Tlakomer → Poistný ventil → Smerový ventil → Valec → Spätný filter → Zásobník

1. Spustenie

Elektromotor alebo motor spúšťa čerpadlo. Čerpadlo nasáva kvapalinu zo zásobníka a posiela ju do tlakového potrubia.

Keď je smerový ventil v otvorenom -strede alebo v polohe bez zaťaženia, prúd sa môže vrátiť do zásobníka pri relatívne nízkom tlaku. Užitočné monitorovacie body zahŕňajú výstupný tlak čerpadla, prietok v hlavnom-potrubí, teplotu v nádrži a rozdielový tlak spiatočky-filtra.

2. Vývoj tlaku

Keď smerový ventil posiela prúd do pohonu, odpor sa zvyšuje. Tlak stúpa len natoľko, aby prekonal vonkajšie zaťaženie a vnútorné straty.

Ak napríklad valec potrebuje 1 800 psi na pohyb svojho zaťaženia, tlak môže stúpnuť z nízkej pohotovostnej úrovne na približne 1 800 psi plus straty v okruhu.

3. Predĺženie valca

Smerový ventil smeruje tok čerpadla do uzáveru valca. Olej opúšťajúci koniec tyče sa vracia cez ventil do zásobníka a valec sa vysúva. Prietokový-ventil môže obmedziť prietok a nastaviť rýchlosť vysúvania.

4. Koniec zdvihu a obmedzenie tlaku

Keď valec dosiahne koniec zdvihu, prestane sa pohybovať. Ak čerpadlo naďalej dodáva prietok, tlak rýchlo stúpa.

Pri svojom prednastavenom tlaku sa poistný ventil otvorí a odvedie prebytočný prietok smerom k nádrži. Tým sa zabráni tomu, aby systém prekročil svoj bezpečný tlakový limit. Nepretržitá prevádzka cez poistný ventil plytvá energiou a vytvára značné teplo.

5. Stiahnutie

Smerový ventil reverzuje a posiela stlačený olej na stranu tyče, zatiaľ čo olej zo strany uzáveru sa vracia do nádrže.

Tyč zmenšuje efektívnu plochu piesta počas zaťahovania, takže bežný valec s jednou tyčou vytvára pri rovnakom tlaku menšiu silu zaťahovania. Pri rovnakom vstupnom prietoku sa môže tiež rýchlejšie stiahnuť.

6. Vyloženie a vypnutie

Po operácii sa obvod vráti do neutrálnej polohy. V závislosti od konštrukcie sa čerpadlo môže vyprázdniť, zničiť alebo zastaviť.

Pred údržbou uvoľnite uložený tlak podľa postupov uzamknutia/označenia a odtlakovania od výrobcu stroja.

Elektrohydraulické systémy umožňujú technikom porovnať elektrický príkaz s hydraulickou odozvou. Rozsah alebo diagnostické rozhranie môže potvrdiť príkaz odoslaný na solenoidový alebo proporcionálny ventil, zatiaľ čo meradlá a prietokomery ukazujú, čo sa stalo v okruhu.

Ak PLC odošle príkaz ventilu, ale tlak sa nezmení, skontrolujte solenoid, pohyb cievky, pilotný okruh a hydraulické napájanie. Ak neexistuje žiadny príkaz, začnite s ovládačom, snímačom, kabelážou alebo blokovaním.

Hydraulická kvapalina, strata tlaku a údržba

Hydraulická kvapalina prenáša energiu, maže komponenty, odvádza teplo, prenáša nečistoty do filtrov a chráni povrchy pred opotrebovaním a koróziou.

Minerálne hydraulické oleje sú bežne identifikované triedami viskozity ISO, ako sú ISO VG 32, 46 a 68. Správna trieda závisí od požiadaviek čerpadla a prevádzkovej teploty.

Studený olej sa stáva viskóznejším. Ak je príliš hrubý, systém môže zaznamenať ťažké spustenie, vysokú stratu sania, pomalú odozvu pohonu, kavitáciu alebo obtok filtra.

Vysoká teplota znižuje viskozitu a môže zvýšiť vnútornú netesnosť, oslabiť mazací film, urýchliť oxidáciu a poškodiť tesnenia.

Zariadenia v chladnom podnebí na severe USA môžu potrebovať kvapalinu s nižšou-viskózou alebo kvapalinu s vysokým indexom viskozity. Stroje pracujúce nepretržite v horúcom južnom podnebí môžu potrebovať vyššiu tepelnú stabilitu alebo vyšší stupeň prevádzkovej-viskózy. Pred výmenou oleja skontrolujte povolený rozsah viskozity výrobcu čerpadla.

Strata tlaku v okruhu

Kvapalina stráca tlak, keď prechádza cez hadice, potrubia, armatúry, filtre, chladiče a ventily. Strata sa zvyšuje s prietokom, dĺžkou potrubia, viskozitou kvapaliny, obmedzeniami a neadekvátnym priemerom hadice.

Pokles tlaku rýchlo stúpa so zvyšujúcou sa rýchlosťou prúdenia. Nasávacie, tlakové a spätné potrubie by preto mali byť dimenzované na primeranú rýchlosť, pričom straty by sa mali kontrolovať podľa údajov výrobcu alebo výpočtov hydraulického -poklesu tlaku.

Bežné vonkajšie miesta úniku zahŕňajú hadicové spoje, tesnenia tyčí, ventilové potrubia, tesnenia hriadeľa čerpadla, armatúry a poškodené hadičky.

Postupy údržby

Praktický program údržby by mal zahŕňať tieto práce:

Počas bežných kontrol skontrolujte hladinu kvapaliny, teplotu, nezvyčajný hluk a viditeľné netesnosti.

Namiesto toho, aby ste sa spoliehali iba na výmenu{0}}na základe kalendára, použite indikátory obmedzenia filtra.

Odoberajte vzorky oleja zo stálych miest za stálych prevádzkových podmienok.

V prípade potreby otestujte kontamináciu častíc, viskozitu, obsah vody, oxidáciu a opotrebovanie kovov.

Skúmajte významné zmeny v počte častíc namiesto jednoduchej výmeny komponentov.

Skontrolujte hadice, či nie sú opotrebované, prasknuté, pľuzgiere a či sa nepohybujú na spojkách.

Pri výmene kvapaliny alebo tesnení skontrolujte chemickú kompatibilitu.

Výmena oleja a filtra by sa mala riadiť odporúčaniami výrobcu zariadenia, monitorovaním kontaminácie, prevádzkovou náročnosťou a výsledkami -analýzy oleja, a nie jedným univerzálnym{1}}hodinovým intervalom prevádzky.

Hydraulické dimenzovanie a ovládanie

Dimenzovanie zvyčajne začína zaťažovacou silou a požadovanou rýchlosťou pohonu.

Predpokladajme, že stroj potrebuje 30 000 lbf z valca pri maximálnom pracovnom tlaku 2 500 psi. Požadovaná plocha piesta je:

A = F ÷ P

= 30 000 ÷ 2,500=12 v²

Vypočítajte vŕtanie z:

A = πD² ÷ 4

Preto:

D = √(4A ÷ π)

Pre plochu 12 in²:

D ≈ 3,91 palca

Štandardné 4{1}} palcové vŕtanie je primeraným východiskovým bodom vzhľadom na bezpečnostný faktor, trenie, menovitý tlak, montážne zaťaženie a požiadavky na vzpieranie tyče.

4-palcový vývrt má plochu približne:

= 12.57 v²

Pri 2 500 psi je jeho teoretická sila natiahnutia:

F=2 500 × 12,57 ≈ 31 425 lbf

Ak je požadovaná rýchlosť vysúvania 4 palce/s, požadovaný prietok je:

Q=Plocha × rýchlosť

Q=12.57 × 4=50.28 in³/s

Jeden americký galón obsahuje približne 231 palcov, takže:

GPM=50.28 × 60 ÷ 231 ≈ 13,1 GPM

Čerpadlo musí dodávať približne 13,1 GPM pri požadovanom tlaku predtým, ako umožní účinnosť a akýkoľvek súčasný dopyt po prietoku.

Nastavenie poistného ventilu

Poistný ventil musí chrániť kritický komponent s najnižším{0}}hodnotením a zároveň umožniť stroju vyvinúť požadovanú pracovnú silu.

Neotáčajte nastavovacou skrutkou, kým sa nezdá, že stroj pracuje silnejšie. Identifikujte návrhový tlak, overte menovité hodnoty komponentov, pripojte vhodný kalibrovaný manometer, zaťažte okruh podľa schváleného servisného postupu a nastavte ventil podľa špecifikácií výrobcu.

Elektrohydraulické ovládanie

Moderné systémy môžu využívať proporcionálne alebo servoventily riadené PLC, pohybovým regulátorom alebo elektronickým zosilňovačom.

Proporcionálne ventily poskytujú variabilnú reguláciu prietoku alebo tlaku. Servoventily sa vo všeobecnosti používajú, keď sa vyžaduje veľmi rýchla a presná odozva, hoci vyžadujú čistejšiu kvapalinu a sofistikovanejšie ovládanie.

Hydraulika vo všeobecnosti poskytuje vyššiu hustotu sily a lepšie držanie záťaže ako pneumatika. Pneumatické systémy môžu byť čistejšie, jednoduchšie a hospodárnejšie pre vysokorýchlostnú{1}}automatizáciu s nižšími požiadavkami na silu, ale stlačený vzduch je oveľa stlačiteľnejší ako hydraulický olej.

Kontrolný zoznam na riešenie problémov s hydraulikou

Pred výmenou komponentov vykonajte merania.

Nízka sila alebo strata tlaku

Skontrolujte hladinu kvapaliny.

Zmerajte výstupný tlak čerpadla.

Potvrďte nastavenie prepúšťacieho-ventilu.

Skontrolujte, či je poistný ventil zaseknutý otvorený.

Vykonajte test prietoku čerpadla.

Skontrolujte vnútorný netesnosť valca alebo motora.

Skontrolujte smerové ventily, či nemajú vnútorný obtok.

Pomalý pohyb ovládača

Zmerajte skutočný prietok v systéme.

Skontrolujte obmedzenie filtra.

Skontrolujte rýchlosť čerpadla.

Skontrolujte nastavenia{0}}riadenia toku.

Skontrolujte vnútorný únik.

Zmerajte pokles tlaku na hadiciach a ventiloch.

Prehrievanie

Skontrolujte, či prietok neustále prechádza cez poistný ventil.

Skontrolujte hladinu a viskozitu oleja.

Skontrolujte výkon chladiča.

Zmerajte vnútorný únik.

Skontrolujte poddimenzované vedenia alebo obmedzujúce ventily.

Skontrolujte účinnosť čerpadla a ventilu.

Hluk alebo kavitácia

Skontrolujte hladinu nádrže.

Skontrolujte sacie hadice, či nie sú obmedzené a či nedochádza k úniku vzduchu.

Pri štarte skontrolujte viskozitu oleja.

Skontrolujte sacie sitko.

Skontrolujte vstupný tlak čerpadla.

Hľadajte penový alebo prevzdušnený olej.

Používanie tlakomerov, snímačov teploty a prietokomerov v logickom poradí zvyčajne izoluje poruchu rýchlejšie ako výmena čerpadla alebo ventilu len na základe symptómov.

Inžinierska a systémová podpora

Kalkulačka veľkosti čerpadla a valca so spracovanými príkladmi, kompletný balík CAD hydraulického okruhu a štruktúrované hodnotenie výkonu môže pomôcť tímu inžinierov alebo údržby zhodnotiť existujúcu alebo navrhovanú inštaláciu.

Medzi typické technické výstupy patrí záťažové a tlakové testovanie, odber vzoriek oleja, analýza kontaminácie, kontrola veľkosti komponentov-, optimalizácia okruhu a kontroly systému na základe príslušných noriem ISO 4413 a SAE.

Na komerčnej webovej stránke dajte inžinierom tri priame cesty: stiahnite si kalkulačku veľkosti, vyžiadajte si výkresy obvodov alebo naplánujte posúdenie zariadenia prostredníctvom formulára, telefónneho kontaktu alebo miestneho distribútora. Uveďte očakávaný čas odozvy a špecifikujte, ktoré súbory alebo správy o teste zákazník dostane.

Často kladené otázky

Ako Pascalov zákon násobí silu a ako sa vypočítava v psi a in²?

Tlak aplikovaný na uzavretú hydraulickú kvapalinu sa prenáša cez kvapalinu. PoužiteP = F ÷ Ana výpočet tlaku aF = P × Ana výpočet výstupnej sily. Aplikovaním 10 lbf na piest 1 in² sa vytvorí 10 psi. Tento tlak pôsobiaci na piest 10 in² teoreticky produkuje 100 lbf.

Aký je rozdiel medzi zubovými, lopatkovými a piestovými čerpadlami?

Zubové čerpadlá sú odolné, ekonomické a bežné v aplikáciách s pevným{0}}objemovým objemom. Lopatkové čerpadlá vo všeobecnosti bežia hladšie a tichšie v priemyselných systémoch. Piestové čerpadlá poskytujú vysoký tlak a účinnosť a často sa používajú tam, kde sa vyžaduje variabilný objem alebo pokročilejšie ovládanie.

Ako funguje typický hydraulický okruh?

Čerpadlo čerpá olej zo zásobníka a smerový ventil posiela prúd do pohonu. Tlak stúpa v reakcii na zaťaženie, keď sa valec vysúva alebo zasúva. Poistný ventil obmedzuje nadmerný tlak. Po ukončení činnosti sa ventil vráti do neutrálu a čerpadlo sa odľahčí, zničí alebo zastaví podľa návrhu okruhu.

Ako si vybrať hydraulickú kvapalinu?

Začnite s požiadavkami výrobcu zariadenia na viskozitu. Potom zvážte minimálnu teplotu pri spustení, normálnu prevádzkovú teplotu, index viskozity, požiadavky na-opotrebenie, odolnosť voči oxidácii, vystavenie vode, kompatibilitu tesnenia a podmienky prostredia. Samotný stupeň viskozity ISO nestačí.

Aké sú najčastejšie poruchy hydraulického systému?

Bežné problémy zahŕňajú prehrievanie, kavitáciu, nadmerný hluk, pomalý pohyb pohonu, neschopnosť vytvoriť tlak, vnútorné alebo vonkajšie úniky, kontaminovaný olej a chyby ventilov. Riešenie problémov začnite meraním stavu tekutiny, tlaku, prietoku a teploty.

Ako určím veľkosť čerpadla a valca pre silu a rýchlosť?

Vypočítajte plochu valca sA = F ÷ P, potom preveďte túto oblasť na priemer otvoru pomocouD = √(4A ÷ π). Po výbere valca vypočítajte prietok potrebný pre cieľovú rýchlosť:

GPM=plocha (v²) × rýchlosť (in/s) × 60 ÷ 231

Pred výberom čerpadla a valca zvážte účinnosť, pracovný cyklus, súčasnú požiadavku pohonu, tlakovú stratu, menovité hodnoty komponentov a primeranú bezpečnostnú rezervu.