Cum funcționează sistemele hidraulice: componente, circuite, calcule și depanare

Un sistem hidraulic transformă intrarea mecanică în putere fluidă, apoi transformă acea putere fluidă înapoi în forță sau mișcare. Această combinație de componente compacte și putere mare face hidraulica obișnuită înprese industriale, mașini-unelte, echipamente de construcții și agricole, sisteme de ridicare și mașini mobile.

Înțelegerea sistemului necesită mai mult decât a ști că o pompă mișcă uleiul. Presiunea se dezvoltă ca răspuns la rezistență, debitul controlează viteza actuatorului, supapele direcționează și reglează energia, iar starea fluidului afectează fiabilitatea. Acest ghid explică aceste relații și urmează sistemul din legea lui Pascal prin funcționarea circuitului, dimensionarea, întreținerea și depanarea.

Legea lui Pascal și transmiterea forței

Puterea hidraulică se bazează pe legea lui Pascal: presiunea aplicată unui fluid închis este transmisă în mod egal în toate direcțiile.

Presiunea hidraulica este:

Presiune=Forță ÷ Arie

sau:

P = F ÷ A

În unitățile uzuale din SUA:

P= presiune în lire pe inch pătrat (psi)

F= forță în lire-forță (lbf)

A= zonă în inchi pătrați (in²)

Rearanjarea formulei dă:

F = P × A

Această relație explică multiplicarea forțelor hidraulice. Luați în considerare doi cilindri conectați. Pistonul mic are o suprafață de 1 inch, iar pistonul mai mare are o suprafață de 10 in². Dacă un operator aplică 10 lbf pistonului mic:

P=10 lbf ÷ 1 in²=10 psi

Aproximativ 10 psi acționează și asupra pistonului mai mare, producând o forță teoretică de:

F=10 psi × 10 in²=100 lbf

Ieșirea este de zece ori mai mare decât cea de intrare, deoarece aria pistonului este de zece ori mai mare.

Sistemele reale nu sunt 100% eficiente. Frecarea etanșării, scurgerile interne, pierderile prin supape și furtunuri și frecarea mecanică reduc forța disponibilă. La 90% eficiență hidraulică și mecanică combinată:

Forța reală=100 lbf × 0.90=90 lbf

Aceeași metodă se aplică și echipamentelor industriale și mobile. Un cilindru cu o suprafață efectivă de 20 in² la o presiune măsurată de 2.500 psi produce:

Forța teoretică=2,500 × 20=50,000 lbf

La o eficiență estimată de 92 la sută:

Forța utilizabilă ≈ 46.000 lbf

Atunci când aria efectivă a pistonului este cunoscută, o citire-manometrului poate furniza, prin urmare, o forță aproximativă a cilindrului.

Presiunea și debitul sunt legate, dar nu sunt interschimbabile. Presiunea determină forța sau cuplul disponibil, în timp ce debitul determină în principal viteza actuatorului.

Principalele componente hidraulice

Fiecare componentă are un rol specific în generarea, controlul sau utilizarea energiei hidraulice.

Pompe hidraulice

Pompa produce debit. Presiunea se dezvoltă atunci când acel flux întâmpină rezistență.

O pompă-cu cilindree fixă ​​furnizează aproximativ același volum la fiecare rotație și se potrivește sistemelor cu cerere relativ constantă.

O pompă-de deplasare variabilă își modifică puterea pe măsură ce cererea se modifică. Este adesea folosit acolo unde contează eficiența energetică, controlul precis sau cerințele variabile ale actuatorului.

Selectarea pompei trebuie să țină cont de deplasare, presiunea nominală, viteza maximă, debitul necesar în GPM, eficiența volumetrică, compatibilitatea fluidelor și aranjamentul de montare.

Rezervor

Rezervorul stochează fluid și oferă bulelor de aer timp să se separe, contaminanților timp să se depună și încălzirii o cale de disipare. Un rezervor bine proiectat-poate include:

Filtre de umplere și de aerisire

Difuzoare de-linie de întoarcere

Filtre de aspirare acolo unde este cazul

Indicatori de nivel și temperatură

Deflectoare interne

Acces de scurgere și curățare

Echipamentele mobile pot avea nevoie de un rezervor compact presurizat sau de deflectoare speciale, deoarece funcționează pe pante și sub vibrații.

Supape hidraulice

Supapele controlează unde merge energia hidraulică și cum răspunde actuatorul.

Supapa de siguranță protejează pompele, furtunurile, cilindrii și alte componente de presiunea excesivă.

Actuatoare

Actuatoarele hidraulice transformă puterea fluidului în putere mecanică. Ocilindru hidrauliccreează o mișcare liniară pe măsură ce presiunea acționează asupra zonei pistonului. Un motor hidraulic creează mișcare de rotație: debitul afectează viteza de rotație, în timp ce diferența de presiune determină cuplul disponibil.

Garniturile trebuie să se potrivească cu chimia fluidului, presiunea, viteza și temperatura. Cauciucul nitrilic este obișnuit în sistemele cu ulei-mineral. FKM este adesea folosit la temperaturi mai ridicate sau în servicii solicitante din punct de vedere chimic, în timp ce elementele pe bază de PTFE-se pot potrivi aplicațiilor care necesită frecare scăzută sau compatibilitate chimică mai largă. Verificați materialul final în raport cu fluidul și condițiile reale de funcționare.

Un circuit hidraulic tipic

Un circuit industrial de bază poate fi prezentat astfel:

Rezervor → Pompă → Manometru → Supapă de siguranță → Supapă direcțională → Cilindru → Filtru de retur → Rezervor

1. Pornire

Un motor sau un motor electric pornește pompa. Pompa atrage fluidul din rezervor și îl trimite în conducta de presiune.

Cu supapa direcțională într-un centru deschis-sau în poziție de descărcare, debitul se poate întoarce în rezervor la o presiune relativ scăzută. Punctele de monitorizare utile includ presiunea de ieșire a pompei, debitul-principal, temperatura rezervorului și presiunea diferențială-filtrului de retur.

2. Dezvoltarea presiunii

Când supapa direcțională trimite fluxul către actuator, rezistența crește. Presiunea crește doar suficient pentru a depăși sarcina externă și pierderile interne.

Dacă un cilindru are nevoie de 1.800 psi pentru a-și muta sarcina, de exemplu, presiunea poate crește de la un nivel scăzut de așteptare la aproximativ 1.800 psi plus pierderile din circuit.

3. Prelungirea cilindrului

Supapa direcțională direcționează debitul pompei către capătul capacului cilindrului. Uleiul care părăsește capătul tijei se întoarce prin supapă în rezervor, iar cilindrul se extinde. O supapă de control-debit poate restricționa debitul pentru a seta viteza de extindere.

4. Sfârșitul cursei și limitarea presiunii

Când cilindrul ajunge la capătul cursei sale, se oprește din mișcare. Dacă pompa continuă să furnizeze debit, presiunea crește rapid.

La presiunea sa prestabilită, supapa de siguranță se deschide și deviază debitul în exces către rezervor. Acest lucru împiedică sistemul să depășească limita de presiune sigură. Funcționarea continuă prin supapa de siguranță risipește energie și produce căldură substanțială.

5. Retragere

Supapa direcțională se inversează, trimițând ulei sub presiune pe partea tijei, în timp ce uleiul din partea capacului revine în rezervor.

Tija reduce aria efectivă a pistonului în timpul retragerii, astfel încât un cilindru convențional cu o singură tijă produce mai puțină forță de retragere la aceeași presiune. Cu același debit de admisie, se poate retrage și mai repede.

6. Descărcare și oprire

După operare, circuitul revine la neutru. În funcție de designul său, pompa se poate descărca, distruge sau opri.

Înainte de întreținere, eliberați presiunea stocată conform procedurilor de blocare/etichetare și depresurizare ale producătorului mașinii.

Sistemele electrohidraulice permit tehnicienilor să compare comanda electrică cu răspunsul hidraulic. Un scop sau o interfață de diagnosticare poate confirma comanda trimisă unui solenoid sau unei supape proporționale, în timp ce manometrele și debitmetrele arată ce s-a întâmplat în circuit.

Dacă PLC trimite o comandă de supapă, dar presiunea nu se modifică, inspectați solenoidul, mișcarea bobinei, circuitul pilot și alimentarea hidraulică. Dacă nu există nicio comandă, începeți cu controlerul, senzorul, cablarea sau interblocarea.

Lichid hidraulic, pierderi de presiune și întreținere

Lichidul hidraulic transmite puterea, lubrifiază componentele, transportă căldura, transportă contaminanții la filtre și protejează suprafețele împotriva uzurii și coroziunii.

Uleiurile hidraulice minerale sunt identificate în mod obișnuit prin gradele de vâscozitate ISO, cum ar fi ISO VG 32, 46 și 68. Calitatea corectă depinde de cerințele pompei și de temperatura de funcționare.

Uleiul rece devine mai vâscos. Dacă este prea gros, sistemul poate avea o pornire dificilă, pierderi mari de aspirație, răspuns lent al actuatorului, cavitație sau ocolire a filtrului.

Temperatura ridicată reduce vâscozitatea și poate crește scurgerea internă, poate slăbi filmul de lubrifiere, accelerează oxidarea și poate deteriora garniturile.

Echipamentele din climatele reci din nordul SUA pot avea nevoie de un fluid cu vâscozitate mai mică-sau unul cu un indice de vâscozitate ridicat. Mașinile care funcționează continuu în climă caldă din sud pot necesita o stabilitate termică mai mare sau un grad de vâscozitate de funcționare-mai mare. Verificați intervalul de vâscozitate permis de producătorul pompei înainte de a schimba uleiul.

Pierderea de presiune în circuit

Fluidul pierde presiune pe măsură ce trece prin furtunuri, țevi, fitinguri, filtre, răcitoare și supape. Pierderea crește odată cu debitul, lungimea conductei, vâscozitatea fluidului, restricțiile și diametrul inadecvat al furtunului.

Căderea de presiune crește rapid pe măsură ce viteza curgerii crește. Prin urmare, conductele de aspirație, presiune și retur ar trebui să fie dimensionate pentru o viteză adecvată, pierderile verificate în funcție de datele producătorului sau calculele de-căderi hidraulice de presiune.

Punctele de scurgere externe comune includ conexiunile furtunurilor, etanșările tijei, colectoarele supapelor, etanșările arborelui pompei, fitingurile și tubulatura deteriorată.

Practici de întreținere

Un program practic de întreținere ar trebui să includă următoarele lucrări:

Verificați nivelul lichidului, temperatura, zgomotul neobișnuit și scurgerile vizibile în timpul inspecțiilor de rutină.

Folosiți indicatori de restricție de filtrare în loc să vă bazați numai pe înlocuirea bazată pe calendar-.

Prelevați probe de ulei din locații consecvente în condiții de funcționare constante.

Testați contaminarea cu particule, vâscozitatea, conținutul de apă, oxidarea și metalele de uzură, acolo unde este cazul.

Investigați modificările semnificative ale numărului de particule în loc să înlocuiți pur și simplu componentele.

Inspectați furtunurile pentru uzură, crăpare, bășici și mișcare la fitinguri.

Confirmați compatibilitatea chimică atunci când înlocuiți fluidul sau garniturile.

Schimbarea uleiului și a filtrului trebuie să urmeze recomandările producătorului echipamentului, monitorizarea contaminării, severitatea funcționării și rezultatele analizei-de ulei, mai degrabă decât un interval de oră-universal de funcționare.

Dimensionarea și controlul hidraulic

Dimensionarea începe de obicei cu forța de sarcină și viteza necesară a actuatorului.

Să presupunem că o mașină are nevoie de 30.000 lbf dintr-un cilindru la o presiune maximă de lucru de 2.500 psi. Suprafața necesară a pistonului este:

A = F ÷ P

A=30,000 ÷ 2,500=12 in²

Calculați alezajul din:

A = πD² ÷ 4

Prin urmare:

D = √(4A ÷ π)

Pentru o suprafață de 12 in²:

D ≈ 3,91 in

Un orificiu standard de 4-inchi este un punct de pornire rezonabil, în funcție de factorul de siguranță, frecare, presiunea nominală, sarcinile de montare și cerințele privind flambajul tijei.

Un orificiu de 4 inci are o suprafață de aproximativ:

A=12.57 in²

La 2.500 psi, forța sa de extensie teoretică este:

F=2,500 × 12,57 ≈ 31.425 lbf

Dacă viteza de extensie necesară este de 4 in/s, debitul necesar este:

Q=Arie × Viteză

Q=12.57 × 4=50.28 in³/s

Un galon SUA conține aproximativ 231 in³, deci:

GPM=50.28 × 60 ÷ 231 ≈ 13,1 GPM

Pompa trebuie să furnizeze aproximativ 13,1 GPM la presiunea necesară înainte de a permite eficiența și orice cerere simultană de debit.

Reglarea supapei de siguranță

Supapa de siguranță trebuie să protejeze componenta critică cu cel mai mic-evaluare, permițând în același timp mașinii să își dezvolte forța de lucru necesară.

Nu rotiți șurubul de reglare până când mașina pare să lucreze mai mult. Identificați presiunea de proiectare, verificați valorile nominale ale componentelor, conectați un manometru calibrat adecvat, încărcați circuitul conform procedurii de service aprobate și reglați supapa conform specificațiilor producătorului.

Comenzi electrohidraulice

Sistemele moderne pot folosi supape proporționale sau servo controlate de un PLC, controler de mișcare sau amplificator electronic.

Supapele proporționale asigură controlul variabil al debitului sau al presiunii. Servovalvele sunt utilizate în general atunci când este necesar un răspuns foarte rapid și precis, deși necesită un fluid mai curat și controale mai sofisticate.

Hidraulica oferă, în general, o densitate mai mare a forței și o mai bună reținere a sarcinii decât pneumatica. Sistemele pneumatice pot fi mai curate, mai simple și mai economice pentru automatizarea cu viteză mare-cu cerințe de forță mai mici, dar aerul comprimat este mult mai compresibil decât uleiul hidraulic.

Lista de verificare pentru depanarea hidraulică

Faceți măsurători înainte de a înlocui componentele.

Forță scăzută sau pierdere de presiune

Verificați nivelul lichidului.

Măsurați presiunea de evacuare a pompei.

Confirmați setarea-supapei de siguranță.

Verificați dacă supapa de siguranță este blocată deschisă.

Efectuați un test de debit al pompei.

Verificați cilindrul sau motorul pentru scurgeri interne.

Inspectați supapele direcționale pentru bypass intern.

Mișcare lentă a actuatorului

Măsurați debitul real al sistemului.

Verificați restricția de filtrare.

Verificați viteza pompei.

Inspectați setările-de control al fluxului.

Verificați dacă există scurgeri interne.

Măsurați căderea de presiune între furtunuri și supape.

Supraîncălzire

Verificați dacă fluxul trece continuu peste supapa de siguranță.

Confirmați nivelul uleiului și vâscozitatea.

Verificați performanța răcitorului.

Măsurați scurgerea internă.

Verificați dacă nu există linii subdimensionate sau supape restrictive.

Verificați eficiența pompei și a supapei.

Zgomot sau cavitație

Verificați nivelul rezervorului.

Inspectați furtunurile de aspirație pentru restricții și scurgeri de aer.

Confirmați vâscozitatea uleiului la pornire.

Verificați sita de aspirație.

Inspectați presiunea de admisie a pompei.

Căutați ulei spumant sau aerat.

Utilizarea manometrelor, a senzorilor de temperatură și a debitmetrelor într-o secvență logică, de obicei, izolează o defecțiune mai rapid decât înlocuirea unei pompe sau supape numai pe baza simptomelor.

Inginerie și suport de sistem

Un calculator de dimensionare a pompei și a cilindrilor cu exemple lucrate, un pachet CAD complet al circuitului hidraulic și o evaluare structurată a performanței pot ajuta o echipă de inginerie sau de întreținere să evalueze o instalație existentă sau propusă.

Produsele de inginerie tipice includ testarea sarcinii și a presiunii, prelevarea de probe de ulei, analiza de contaminare, o revizuire a dimensionării-a componentelor, optimizarea circuitelor și revizuirile sistemului bazate pe ghidurile ISO 4413 și SAE aplicabile.

Pe un site web comercial, oferiți inginerilor trei rute directe: descărcați calculatorul de dimensionare, solicitați desene de circuit sau programați o evaluare a echipamentului printr-un formular, contact telefonic sau distribuitor local. Indicați timpul de răspuns așteptat și specificați ce fișiere sau rapoarte de testare va primi clientul.

Întrebări frecvente

Cum înmulțește forța legea lui Pascal și cum se calculează în psi și in²?

Presiunea aplicată fluidului hidraulic închis este transmisă prin fluid. UtilizareP = F ÷ Apentru a calcula presiunea șiF = P × Apentru a calcula forța de ieșire. Aplicarea a 10 lbf la un piston de 1 in² creează 10 psi. Acea presiune care acționează asupra unui piston de 10 in² produce teoretic 100 lbf.

Care este diferența dintre pompele cu roți dințate, cu palete și cu piston?

Pompele cu angrenaje sunt robuste, economice și comune în aplicațiile cu deplasare fixă-. Pompele cu palete funcționează în general mai lin și mai silențios în sistemele industriale. Pompele cu piston oferă presiune și eficiență ridicate și sunt adesea folosite acolo unde este nevoie de o deplasare variabilă sau un control mai avansat.

Cum funcționează un circuit hidraulic tipic?

Pompa extrage ulei din rezervor, iar supapa direcțională trimite fluxul către servomotor. Presiunea crește ca răspuns la sarcină pe măsură ce cilindrul se extinde sau se retrage. Supapa de limitare limitează presiunea excesivă. După funcționare, supapa revine la neutru și pompa se descarcă, se distruge sau se oprește conform designului circuitului.

Cum aleg lichidul hidraulic?

Începeți cu cerințele de vâscozitate ale producătorului de echipamente. Apoi luați în considerare temperatura minimă de pornire, temperatura normală de funcționare, indicele de vâscozitate, cerințele anti-uzură, rezistența la oxidare, expunerea la apă, compatibilitatea etanșării și condițiile de mediu. Numai gradul de viscozitate ISO nu este suficient.

Care sunt cele mai frecvente defecțiuni ale sistemului hidraulic?

Problemele comune includ supraîncălzirea, cavitația, zgomotul excesiv, mișcarea lentă a actuatorului, incapacitatea de a crea presiune, scurgerile interne sau externe, uleiul contaminat și defecțiunile supapei. Începeți depanarea cu măsurători ale stării fluidului, presiunii, debitului și temperaturii.

Cum dimensionez o pompă și un cilindru pentru forță și viteză?

Calculați aria cilindrului cuA = F ÷ P, apoi convertiți acea zonă în diametrul alezajului folosindD = √(4A ÷ π). După selectarea cilindrului, calculați debitul necesar pentru viteza țintă:

GPM=Suprafață (in²) × Viteză (in/s) × 60 ÷ 231

Înainte de a selecta pompa și cilindrul, luați în considerare eficiența, ciclul de funcționare, cererea simultană a actuatorului, pierderea de presiune, valorile nominale ale componentelor și o marjă de siguranță adecvată.