Гідравлічна система перетворює механічне введення в енергію рідини, а потім перетворює цю енергію рідини назад у силу або рух. Ця комбінація компактних компонентів і високої потужності робить гідравліку загальноприйнятоюпромислові преси, верстати, будівельне та сільськогосподарське обладнання, підйомні системи та мобільна техніка.
Для розуміння системи потрібно більше, ніж знати, що насос переміщує масло. Тиск розвивається у відповідь на опір, потік контролює швидкість приводу, клапани спрямовують і регулюють енергію, а стан рідини впливає на надійність. Цей посібник пояснює ці взаємозв’язки та розглядає систему від закону Паскаля через роботу схеми, розміри, обслуговування та усунення несправностей.
Закон Паскаля і передача сили
Гідравлічна потужність базується на законі Паскаля: тиск, що прикладається до рідини, що обмежена, передається однаково в усіх напрямках.
Гідравлічний тиск дорівнює:
Тиск=Сила ÷ Площа
або:
P = F ÷ A
У звичайних одиницях США:
P= тиск у фунтах на квадратний дюйм (psi)
F= сила у фунтах-сила (фунт-сила)
A= площа в квадратних дюймах (in²)
Перестановка формули дає:
F = P × A
Це співвідношення пояснює множення гідравлічної сили. Розглянемо два сполучені циліндри. Маленький поршень має площу 1 дюйм², а більший поршень має площу 10 дюймів². Якщо оператор прикладає 10 фунт-сила до малого поршня:
P=10 фунт-сила ÷ 1 дюйм²=10 psi
Приблизно 10 psi також діє на більший поршень, створюючи теоретичну силу:
F=10 psi × 10 дюймів²=100 фунт-сила
Вихід у десять разів перевищує вихід, оскільки площа поршня у десять разів більша.
Фактичні системи не є ефективними на 100 відсотків. Тертя ущільнення, внутрішній витік, втрати через клапани та шланги та механічне тертя зменшують доступну силу. При 90-відсотковому комбінованому гідравлічному та механічному ККД:
Фактична сила=100 фунт-сила × 0.90=90 фунт-сила
Цей же метод застосовується до промислового та мобільного обладнання. Циліндр з ефективною площею 20 дюймів при виміряному тиску 2500 фунтів на квадратний дюйм виробляє:
Теоретична сила=2,500 × 20=50,000 фунт-сила
При розрахунковій ефективності 92 відсотки:
Корисна сила ≈ 46 000 фунт-сила
Коли ефективна площа поршня відома, показ-манометра може забезпечити приблизну силу циліндра.
Тиск і потік пов’язані, але не взаємозамінні. Тиск визначає доступну силу або крутний момент, тоді як потік головним чином визначає швидкість приводу.
Основні гідравлічні компоненти
Кожен компонент виконує певну роль у створенні, управлінні або використанні гідравлічної енергії.
Гідравлічні насоси
Насос створює потік. Тиск виникає, коли цей потік зустрічає опір.
| Тип насоса | Типова характеристика | Загальні програми |
|---|---|---|
| Шестеренчастий насос | Простий, економічний, міцний, фіксованого об’єму | Мобільне обладнання, змащення, загальна гідравліка |
| Лопастний насос | Плавний потік, відносно тихий, хороший ККД | Промислове обладнання, системи-помірного тиску |
| Поршневий насос | Високий тиск, висока ефективність, доступний змінний об'єм | Важке обладнання, преси, прецизійні системи |
Насос із постійним-об’ємом забезпечує приблизно однаковий об’єм із кожним обертом і підходить для систем із відносно постійним попитом.
Насос із змінною продуктивністю-змінює свою продуктивність відповідно до змін попиту. Він часто використовується там, де важливі енергоефективність, точне керування або різні вимоги до приводу.
При виборі насоса слід враховувати робочий об’єм, номінальний тиск, максимальну швидкість, необхідний потік у галлонах за хвилину, об’ємний ККД, сумісність із рідиною та схему монтажу.
Водосховище
Резервуар зберігає рідину та дає бульбашкам повітря час відокремитися, забруднювачам час осісти та нагріти шлях для розсіювання. Добре спроектоване-резервуар може включати:
Заливний і вентиляційний фільтри
Дифузори-зворотної лінії
Всмоктувальні фільтри, де це необхідно
Індикатори рівня і температури
Внутрішні перегородки
Доступ до дренажу та очищення
Для мобільного обладнання може знадобитися компактний резервуар під тиском або спеціальна перегородка, оскільки воно працює на схилах і в умовах вібрації.
Гідравлічні клапани
Клапани контролюють, куди йде гідравлічна енергія та як реагує привід.
| Тип клапана | Основна функція |
|---|---|
| Запобіжний клапан | Обмежує максимальний тиск в системі |
| Напрямний регулюючий клапан | Встановлює напрямок приводу |
| Клапан регулювання потоку | Контролює швидкість приводу |
| Зворотний клапан | Дозволяє текти в одному напрямку |
| Редукційний-клапан тиску | Підтримує низький тиск у відгалужуваному контурі |
| Послідовний клапан | Починає другу операцію після досягнення порогового значення тиску |
Запобіжний клапан захищає насоси, шланги, циліндри та інші компоненти від надмірного тиску.
Актуатори
Гідравлічні приводи перетворюють потужність рідини в механічну потужність. Агідроциліндрстворює лінійний рух, оскільки тиск діє на площу поршня. Гідравлічний двигун створює обертовий рух: потік впливає на швидкість обертання, тоді як перепад тиску визначає доступний крутний момент.
Ущільнення мають відповідати хімічному складу рідини, тиску, швидкості та температурі. Нітрильний каучук поширений у системах мінеральних-олив. FKM часто використовується при високих температурах або в хімічно складних умовах, тоді як елементи на основі PTFE- можуть підійти для застосувань, які вимагають низького тертя або ширшої хімічної сумісності. Перевірте кінцевий матеріал щодо фактичної рідини та робочих умов.
Типовий гідравлічний контур
Основну промислову схему можна показати так:
1. Запуск
Електродвигун або двигун запускає насос. Насос забирає рідину з резервуара і направляє її в напірну лінію.
Якщо напрямний клапан у відкритому-центрі або в положенні розвантаження, потік може повертатися в резервуар за відносно низького тиску. Корисні точки моніторингу включають тиск на виході насоса, магістральну-потік, температуру резервуару та-перепад тиску на зворотному фільтрі.
2. Розвиток тиску
Коли напрямний клапан направляє потік до приводу, опір збільшується. Тиск підвищується настільки, щоб подолати зовнішнє навантаження і внутрішні втрати.
Наприклад, якщо циліндр потребує 1800 фунтів на квадратний дюйм, щоб перемістити навантаження, тиск може зрости від низького рівня очікування до приблизно 1800 фунтів на квадратний дюйм плюс втрати в контурі.
3. Подовжувач циліндра
Напрямний клапан направляє потік насоса в кришку циліндра. Масло, що виходить із штока, повертається через клапан у резервуар, а циліндр висувається. Клапан-регулювання потоку може обмежити потік, щоб встановити швидкість розширення.
4. Кінець ходу та обмеження тиску
Коли циліндр досягає кінця свого ходу, він припиняє рух. Якщо насос продовжує подавати потік, тиск швидко зростає.
При попередньо встановленому тиску запобіжний клапан відкривається і перенаправляє надлишковий потік у резервуар. Це запобігає перевищенню безпечного тиску в системі. Безперервна робота через запобіжний клапан витрачає енергію та виділяє значну кількість тепла.
5. Ретракція
Напрямний клапан реверсує, надсилаючи масло під тиском на бік штока, а масло з боку кришки повертається в бак.
Шток зменшує ефективну площу поршня під час втягування, тому звичайний одно{0}}штоковий циліндр створює меншу силу втягування за того самого тиску. За однакового вхідного потоку він також може швидше втягуватися.
6. Розвантаження і відключення
Після операції ланцюг повертається в нейтральне положення. Залежно від конструкції насос може розвантажуватися, руйнуватися або зупинятися.
Перед обслуговуванням скиньте накопичений тиск відповідно до процедур блокування/маркування та скидання тиску виробника машини.
Електрогідравлічні системи дозволяють технікам порівнювати електричну команду з гідравлічною реакцією. Обсяг або діагностичний інтерфейс може підтвердити команду, надіслану на електромагнітний або пропорційний клапан, тоді як манометри та витратоміри показують, що сталося в ланцюзі.
Якщо ПЛК надсилає команду на клапан, але тиск не змінюється, перевірте соленоїд, рух золотника, керуючий контур і гідравлічне живлення. Якщо команди немає, почніть з контролера, датчика, проводки або блокування.
Гідравлічна рідина, втрата тиску та обслуговування
Гідравлічна рідина передає потужність, змащує компоненти, відводить тепло, транспортує забруднення до фільтрів і захищає поверхні від зносу та корозії.
Мінеральні гідравлічні оливи зазвичай ідентифікуються за класами в’язкості ISO, такими як ISO VG 32, 46 і 68. Правильний клас залежить від вимог насоса та робочої температури.
Охолоджене масло стає більш в'язким. Якщо він занадто товстий, система може запуститися важко, високі втрати всмоктування, повільна реакція приводу, кавітація або обхід фільтра.
Висока температура знижує в'язкість і може збільшити внутрішній витік, послабити мастильну плівку, прискорити окислення та пошкодити ущільнення.
Для обладнання в холодному північному кліматі США може знадобитися рідина з нижчою-в’язкістю або рідина з високим індексом в’язкості. Машини, які безперервно працюють у жаркому південному кліматі, можуть потребувати більшої термічної стабільності або вищого робочого-класу в’язкості. Перед заміною масла перевірте допустимий діапазон в'язкості виробника насоса.
Втрата тиску в контурі
Рідина втрачає тиск під час проходження через шланги, труби, фітинги, фільтри, охолоджувачі та клапани. Втрати збільшуються зі швидкістю потоку, довжиною лінії, в’язкістю рідини, обмеженнями та невідповідним діаметром шланга.
Падіння тиску швидко зростає зі збільшенням швидкості потоку. Таким чином, лінії всмоктування, тиску та зворотної лінії мають бути розраховані на відповідну швидкість, з перевіркою втрат за даними виробника або розрахунками-падіння гідравлічного тиску.
Звичайні зовнішні точки витоку включають шлангові з’єднання, ущільнення штоків, колектори клапанів, ущільнення валу насоса, фітинги та пошкоджені трубки.
Практика технічного обслуговування
Практична програма технічного обслуговування повинна включати такі роботи:
Перевірте рівень рідини, температуру, незвичний шум і видимі витоки під час планових перевірок.
Використовуйте індикатори обмеження фільтрів замість того, щоб покладатися лише на-заміну на основі календаря.
Візьміть проби масла з узгоджених місць за незмінних умов експлуатації.
Перевірте забруднення частинками, в'язкість, вміст води, окислення та зношування металів, де це необхідно.
Досліджуйте значні зміни в кількості частинок замість простої заміни компонентів.
Перевірте шланги на предмет стирання, тріщин, пухирів і руху на фітингах.
Перевірте хімічну сумісність при заміні рідини або ущільнень.
Заміну масла та фільтрів слід виконувати відповідно до рекомендацій виробника обладнання, моніторингу забруднення, тяжкості роботи та результатів-аналізу масла, а не через один універсальний робочий-інтервал.
Гідравлічний розмір і контроль
Розмір зазвичай починається з сили навантаження та необхідної швидкості приводу.
Припустімо, що машині потрібно 30 000 фунт-сил з циліндра при максимальному робочому тиску 2500 psi. Необхідна площа поршня:
A = F ÷ P
A=30,000 ÷ 2,500=12 дюймів²
Розрахуйте діаметр отвору за допомогою:
A = πD² ÷ 4
Тому:
D = √(4A ÷ π)
Для площі 12 дюймів²:
D ≈ 3,91 дюйма
Стандартний отвір 4-дюймів є розумною відправною точкою, залежно від коефіцієнта міцності, тертя, номінального тиску, монтажних навантажень і вимог щодо прогину стрижня.
4-дюймовий отвір має площу приблизно:
= 12.57 дюймів²
При 2500 psi його теоретична сила розтягування становить:
F=2,500 × 12,57 ≈ 31425 фунт-сила
Якщо необхідна швидкість розширення становить 4 дюйми/с, необхідний потік становить:
Q=Площа × Швидкість
Q=12.57 × 4=50.28 дюйм³/с
Один галон США містить приблизно 231 дюйм³, отже:
GPM=50.28 × 60 ÷ 231 ≈ 13,1 GPM
Насос повинен забезпечувати приблизно 13,1 галлонів на хвилину при необхідному тиску, перш ніж забезпечити ефективність і будь-який одночасний попит на потік.
Налаштування запобіжного клапана
Запобіжний клапан має захищати найнижчий-критичний компонент, дозволяючи машині розвивати необхідну робочу силу.
Не обертайте регулювальний гвинт, поки машина не почне працювати інтенсивніше. Визначте розрахунковий тиск, перевірте параметри компонентів, підключіть відповідний калібрований манометр, навантажте контур відповідно до затвердженої процедури обслуговування та відрегулюйте клапан відповідно до специфікацій виробника.
Електрогідравлічне управління
Сучасні системи можуть використовувати пропорційні або сервоклапани, керовані ПЛК, контролером руху або електронним підсилювачем.
Пропорційні клапани забезпечують регулювання потоку або тиску. Сервоклапани, як правило, використовуються, коли потрібна дуже швидка і точна реакція, хоча вони вимагають чистішої рідини та більш складного керування.
Гідравліка, як правило, забезпечує вищу щільність сили та краще утримання навантаження, ніж пневматика. Пневматичні системи можуть бути чистішими, простішими й економічнішими для високо-автоматизації з меншими вимогами до зусилля, але стиснене повітря набагато легше стискається, ніж гідравлічне масло.
Контрольний список для усунення несправностей гідравліки
Виконайте вимірювання перед заміною компонентів.
Низька сила або втрата тиску
Перевірте рівень рідини.
Виміряйте тиск на виході насоса.
Підтвердьте налаштування-запобіжного клапана.
Перевірте, чи не застряг запобіжний клапан відкритим.
Виконайте перевірку витрати насоса.
Перевірте циліндр або двигун на внутрішні витоки.
Перевірте напрямні клапани для внутрішнього байпасу.
Повільний рух приводу
Виміряйте фактичну витрату в системі.
Перевірте обмеження фільтра.
Перевірити швидкість насоса.
Перевірте налаштування -керування потоком.
Перевірте внутрішній витік.
Виміряйте перепад тиску на шлангах і клапанах.
Перегрів
Перевірте, чи потік постійно проходить через запобіжний клапан.
Перевірте рівень і в'язкість масла.
Перевірте продуктивність кулера.
Виміряйте внутрішній витік.
Перевірте наявність занижених ліній або обмежувальних клапанів.
Перевірте ефективність насоса та клапана.
Шум або кавітація
Перевірте рівень резервуару.
Перевірте всмоктувальні шланги на наявність перешкод і витоків повітря.
Перевірте в'язкість масла під час запуску.
Перевірте всмоктувальний фільтр.
Перевірте тиск на вході насоса.
Шукайте пінисте або газоподібне масло.
Використання манометрів, датчиків температури та витратомірів у логічній послідовності зазвичай усуває несправність швидше, ніж заміна насоса чи клапана лише на основі симптомів.
Інженерна та системна підтримка
Калькулятор розмірів насоса та циліндра з робочими прикладами, повний пакет САПР для гідравлічної схеми та структурована оцінка продуктивності можуть допомогти інженерній групі або групі технічного обслуговування оцінити існуючу або запропоновану установку.
Типові інженерні результати включають випробування навантаженням і тиском, відбір проб масла, аналіз забруднення, перевірку-розмірів компонентів, оптимізацію схеми та перевірку системи на основі відповідних вказівок ISO 4413 і SAE.
На комерційному веб-сайті дайте інженерам три прямі шляхи: завантажте калькулятор розмірів, замовте креслення схеми або заплануйте оцінку обладнання за допомогою форми, контактного телефону або місцевого дистриб’ютора. Вкажіть очікуваний час відповіді та вкажіть, які файли чи звіти про тестування отримає клієнт.
Часті запитання
Як закон Паскаля примножує силу і як вона обчислюється в psi та in²?
Тиск, прикладений до замкнутої гідравлічної рідини, передається по всій рідині. використанняP = F ÷ Aрозрахувати тиск іF = P × Aдля розрахунку вихідної сили. Прикладання 10 фунт-сил до поршня розміром 1 дюйм² створює тиск 10 фунтів на квадратний дюйм. Цей тиск, що діє на поршень розміром 10 дюймів, теоретично створює 100 фунт-сил.
Яка різниця між зубчастими, лопатевими та поршневими насосами?
Шестеренні насоси є міцними, економічними та поширеними в системах із фіксованим-об’ємом. У промислових системах пластинчасті насоси зазвичай працюють плавніше та тихіше. Поршневі насоси забезпечують високий тиск і ефективність і часто використовуються там, де потрібен змінний робочий об’єм або більш досконалий контроль.
Як працює типовий гідравлічний контур?
Насос забирає масло з резервуара, а напрямний клапан направляє потік до приводу. Тиск підвищується у відповідь на навантаження, коли циліндр висувається або втягується. Запобіжний клапан обмежує надлишковий тиск. Після операції клапан повертається в нейтральне положення, а насос розвантажується, руйнується або зупиняється відповідно до схеми.
Як вибрати гідравлічну рідину?
Почніть з вимог виробника обладнання до в'язкості. Потім враховуйте мінімальну температуру запуску, нормальну робочу температуру, індекс в’язкості, вимоги проти -зношування, стійкість до окислення, вплив води, сумісність ущільнювачів та умови навколишнього середовища. Тільки класу в’язкості ISO недостатньо.
Які найпоширеніші несправності гідравлічної системи?
Поширені проблеми включають перегрів, кавітацію, надмірний шум, повільний рух приводу, неможливість створити тиск, внутрішній або зовнішній витік, забруднене масло та несправності клапана. Почніть усунення несправностей із вимірювання стану рідини, тиску, потоку та температури.
Як визначити розмір насоса та циліндра за силою та швидкістю?
Обчисліть площу циліндра сA = F ÷ P, потім перетворіть цю область на діаметр отвору за допомогоюD = √(4A ÷ π). Після вибору циліндра обчисліть потік, необхідний для цільової швидкості:
GPM=Площа (дюйми²) × Швидкість (дюйми/с) × 60 ÷ 231
Перш ніж вибрати насос і циліндр, врахуйте ККД, робочий цикл, одночасну вимогу приводу, втрату тиску, параметри компонентів і відповідний запас міцності.