Hydraulijärjestelmien toiminta: komponentit, piirit, laskelmat ja vianetsintä

Hydraulijärjestelmä muuntaa mekaanisen syötön nestevoimaksi ja muuntaa sitten nestetehon takaisin voimaksi tai liikkeeksi. Tämä kompaktien komponenttien ja suuren tehon yhdistelmä tekee hydrauliikasta yleistäteolliset puristimet, työstökoneet, rakennus- ja maatalouskoneet, nostojärjestelmät ja liikkuvat koneet.

Järjestelmän ymmärtäminen vaatii enemmän kuin tietää, että pumppu siirtää öljyä. Paine kehittyy vasteena vastukseen, virtaus ohjaa toimilaitteen nopeutta, venttiilit ohjaavat ja säätelevät energiaa ja nesteen tila vaikuttaa luotettavuuteen. Tämä opas selittää nämä suhteet ja seuraa järjestelmää Pascalin laista piirien toiminnan, mitoituksen, ylläpidon ja vianetsinnän kautta.

Pascalin laki ja voimansiirto

Hydraulivoima perustuu Pascalin lakiin: suljettuun nesteeseen kohdistettu paine välittyy tasaisesti kaikkiin suuntiin.

Hydraulinen paine on:

Paine=Voima ÷ Alue

tai:

P = F ÷ A

Yhdysvaltain tavanomaisissa yksiköissä:

P= paine paunaa neliötuumaa kohti (psi)

F= voima punnissa-voima (lbf)

A= alue neliötuumina (in²)

Kaavan uudelleenjärjestely antaa:

F = P × A

Tämä suhde selittää hydraulisen voiman kertomisen. Harkitse kahta yhdistettyä sylinteriä. Pienen männän pinta-ala on 1 in² ja suuremman männän pinta-ala 10 in². Jos käyttäjä painaa 10 lbf pieneen mäntään:

P=10 lbf ÷ 1 in²=10 psi

Noin 10 psi vaikuttaa myös suurempaan mäntään, mikä tuottaa teoreettisen voiman:

F=10 psi × 10 in²=100 lbf

Lähtö on kymmenen kertaa tuloon verrattuna, koska männän pinta-ala on kymmenen kertaa suurempi.

Todelliset järjestelmät eivät ole 100-prosenttisesti tehokkaita. Tiivisteiden kitka, sisäinen vuoto, häviöt venttiilien ja letkujen kautta sekä mekaaninen kitka vähentävät käytettävissä olevaa voimaa. 90 prosentin yhdistetty hydraulinen ja mekaaninen hyötysuhde:

Todellinen voima=100 lbf × 0.90=90 lbf

Sama menetelmä koskee teollisuus- ja mobiililaitteita. Sylinteri, jonka tehollinen pinta-ala on 20 in² mitatulla 2500 psi:n paineella tuottaa:

Teoreettinen voima=2,500 × 20=50,000 lbf

Arvioidulla 92 prosentin tehokkuudella:

Käytettävä voima ≈ 46 000 lbf

Kun männän tehollinen pinta-ala tunnetaan, painemittarin lukema{0}}voi siis antaa likimääräisen sylinterin voiman.

Paine ja virtaus liittyvät toisiinsa, mutta eivät keskenään vaihdettavissa. Paine määrää käytettävissä olevan voiman tai vääntömomentin, kun taas virtaus määrää pääasiassa toimilaitteen nopeuden.

Tärkeimmät hydrauliset komponentit

Jokaisella komponentilla on erityinen rooli hydraulienergian tuottamisessa, ohjauksessa tai käytössä.

Hydrauliset pumput

Pumppu tuottaa virtauksen. Paine kehittyy, kun tämä virtaus kohtaa vastuksen.

Kiinteä-tilavuuspumppu tuottaa suunnilleen saman tilavuuden jokaisella kierroksella ja sopii järjestelmiin, joissa kysyntä on suhteellisen tasaista.

Muuttuva{0}}tilavuuspumppu muuttaa tehoaan kysynnän muuttuessa. Sitä käytetään usein, kun energiatehokkuudella, tarkalla ohjauksella tai vaihtelevilla toimilaitevaatimuksilla on merkitystä.

Pumpun valinnassa tulee ottaa huomioon iskutilavuus, nimellispaine, enimmäisnopeus, vaadittu virtaus GPM:ssä, tilavuustehokkuus, nesteen yhteensopivuus ja asennusjärjestely.

Säiliö

Säiliö varastoi nestettä ja antaa ilmakuplille aikaa erottua, epäpuhtauksille aikaa laskeutua ja lämmittää polun haihtuakseen. Hyvin-suunniteltu säiliö voi sisältää:

Täyttö- ja tuuletussuodattimet

Paluu{0}}hajottimet

Imusuodattimet tarvittaessa

Tason ja lämpötilan osoittimet

Sisäiset välilevyt

Viemäriin ja siivoukseen pääsy

Siirrettävät laitteet saattavat tarvita kompaktin paineistetun säiliön tai erityisen häikäisysuojan, koska ne toimivat rinteissä ja tärinän alaisena.

Hydrauliset venttiilit

Venttiilit ohjaavat, minne hydraulienergia menee ja kuinka toimilaite reagoi.

Varoventtiili suojaa pumppuja, letkuja, sylintereitä ja muita osia liialliselta paineelta.

Toimilaitteet

Hydrauliset toimilaitteet muuttavat nesteen tehon mekaaniseksi tehoksi. Ahydraulisylinteriluo lineaarista liikettä paineen vaikutuksesta männän alueelle. Hydraulimoottori luo pyörivää liikettä: virtaus vaikuttaa pyörimisnopeuteen, kun taas paine-ero määrittää käytettävissä olevan vääntömomentin.

Tiivisteiden on vastattava nesteen kemiaa, painetta, nopeutta ja lämpötilaa. Nitriilikumi on yleinen -mineraaliöljyjärjestelmissä. FKM:ää käytetään usein korkeammissa lämpötiloissa tai kemiallisesti vaativassa käytössä, kun taas PTFE--pohjaiset elementit voivat sopia sovelluksiin, jotka vaativat pientä kitkaa tai laajempaa kemiallista yhteensopivuutta. Tarkista lopullinen materiaali todellisia nesteitä ja käyttöolosuhteita vastaan.

Tyypillinen hydraulipiiri

Teollisuuden peruspiiri voidaan esittää seuraavasti:

Säiliö → Pumppu → Painemittari → Ylipaineventtiili → Suuntaventtiili → Sylinteri → Paluusuodatin → Säiliö

1. Käynnistys

Sähkömoottori tai moottori käynnistää pumpun. Pumppu imee nestettä säiliöstä ja lähettää sen painelinjaan.

Kun suuntaventtiili on auki-keski- tai tyhjennysasennossa, virtaus voi palata säiliöön suhteellisen alhaisella paineella. Hyödyllisiä valvontapisteitä ovat pumpun ulostulopaine, pää-linjan virtaus, säiliön lämpötila ja paluu-suodattimen paine-ero.

2. Paineen kehittyminen

Kun suuntaventtiili lähettää virtauksen toimilaitteeseen, vastus kasvaa. Paine nousee vain sen verran, että se voi voittaa ulkoisen kuormituksen ja sisäiset häviöt.

Jos sylinteri tarvitsee esimerkiksi 1 800 psi:n kuorman siirtämiseen, paine voi nousta matalalta valmiustilatasolta noin 1 800 psi:iin plus piirihäviöt.

3. Sylinterin jatke

Suuntaventtiili ohjaa pumpun virtauksen sylinterin kannen päähän. Tangon päästä lähtevä öljy palaa venttiilin kautta säiliöön ja sylinteri ulottuu ulos. Virtauksen-säätöventtiili voi rajoittaa virtausta asetetulla laajennusnopeudella.

4. Iskun loppu ja paineenrajoitus

Kun sylinteri saavuttaa iskunsa lopun, se pysähtyy. Jos pumppu jatkaa virtauksen syöttämistä, paine nousee nopeasti.

Varoventtiili avautuu ennalta asetetussa paineessa ja ohjaa ylimääräisen virtauksen säiliötä kohti. Tämä estää järjestelmää ylittämästä sen turvallisen painerajan. Jatkuva käyttö ylipaineventtiilin yli tuhlaa energiaa ja tuottaa huomattavaa lämpöä.

5. Takaisinveto

Suuntaventtiili kääntyy ja lähettää paineistettua öljyä varren puolelle, kun taas korkin puolelta öljy palaa säiliöön.

Tanko pienentää männän tehollista pinta-alaa vetäytymisen aikana, joten perinteinen yksitankoinen{0}}sylinteri tuottaa vähemmän takaisinvetovoimaa samalla paineella. Samalla tulovirtauksella se voi myös vetäytyä nopeammin.

6. Purku ja sammutus

Toimenpiteen jälkeen piiri palaa nollatilaan. Suunnittelusta riippuen pumppu voi tyhjentyä, tuhoutua tai pysähtyä.

Vapauta varastoitu paine ennen huoltoa koneen valmistajan lukitus-/merkintä- ja paineenalennusohjeiden mukaisesti.

Sähköhydraulisten järjestelmien avulla teknikot voivat verrata sähköistä komentoa hydrauliseen vasteeseen. Kiikari- tai diagnostiikkaliitäntä voi vahvistaa solenoidille tai suhteelliselle venttiilille lähetetyn komennon, kun taas mittarit ja virtausmittarit näyttävät, mitä piirissä tapahtui.

Jos PLC lähettää venttiilikomennon, mutta paine ei muutu, tarkasta solenoidi, kelan liike, ohjauspiiri ja hydrauliikkasyöttö. Jos komentoa ei ole, aloita ohjaimesta, anturista, johdotuksesta tai lukituksesta.

Hydraulineste, painehäviö ja huolto

Hydraulineste siirtää voimaa, voitelee komponentteja, kuljettaa lämpöä pois, kuljettaa epäpuhtaudet suodattimiin ja suojaa pintoja kulumiselta ja korroosiolta.

Mineraalihydrauliöljyt tunnistetaan yleisesti ISO-viskositeettiluokilla, kuten ISO VG 32, 46 ja 68. Oikea laatu riippuu pumpun vaatimuksista ja käyttölämpötilasta.

Kylmä öljy muuttuu viskoosimmaksi. Jos se on liian paksu, järjestelmässä voi esiintyä vaikeaa käynnistystä, suurta imuhäviötä, hidasta toimilaitteen vastetta, kavitaatiota tai suodattimen ohitusta.

Korkea lämpötila alentaa viskositeettia ja voi lisätä sisäistä vuotoa, heikentää voitelukalvoa, nopeuttaa hapettumista ja vaurioittaa tiivisteitä.

Laitteet Yhdysvaltojen kylmissä pohjoisissa ilmastoissa saattavat tarvita alhaisemman-viskositeettisen nesteen tai nesteen, jolla on korkea viskositeettiindeksi. Jatkuvasti kuumassa eteläilmastossa toimivat koneet saattavat tarvita parempaa lämpöstabiilisuutta tai korkeampaa käyttöviskositeettiluokkaa. Tarkista pumpun valmistajan sallima viskositeettialue ennen öljyn vaihtoa.

Painehäviö piirissä

Neste menettää painetta kulkiessaan letkujen, putkien, liittimien, suodattimien, jäähdyttimien ja venttiilien läpi. Häviö kasvaa virtausnopeuden, linjan pituuden, nesteen viskositeetin, rajoitusten ja riittämättömän letkun halkaisijan myötä.

Painehäviö nousee nopeasti virtausnopeuden kasvaessa. Imu-, paine- ja paluulinjat tulee siksi mitoittaa sopivan nopeuden mukaan, ja häviöt on tarkistettava valmistajan tietojen tai hydraulipaine{1}}pudotuslaskelmien perusteella.

Yleisiä ulkoisia vuotokohtia ovat letkuliitännät, tankojen tiivisteet, venttiilien jakoputket, pumpun akselitiivisteet, liittimet ja vaurioituneet letkut.

Huoltokäytännöt

Käytännön huolto-ohjelman tulee sisältää seuraavat työt:

Tarkista nesteen taso, lämpötila, epätavallinen ääni ja näkyvät vuodot rutiinitarkastusten aikana.

Käytä suodattimen rajoitusilmaisimia sen sijaan, että luottaisit vain kalenteriin{0}} perustuvaan korvaamiseen.

Ota öljynäytteitä yhdenmukaisista paikoista tasaisissa käyttöolosuhteissa.

Testaa hiukkasten kontaminaatio, viskositeetti, vesipitoisuus, hapettumiskyky ja kulumismetallit tarvittaessa.

Tutki hiukkasmäärän merkittäviä muutoksia sen sijaan, että vaihtaisit vain komponentteja.

Tarkista letkujen hankausta, halkeamia, rakkuloita ja liikkeitä liittimissä.

Varmista kemiallinen yhteensopivuus nestettä tai tiivisteitä vaihtaessasi.

Öljyn ja suodattimen vaihdon tulee noudattaa laitevalmistajan suosituksia, kontaminaatiovalvontaa, käytön vakavuutta ja öljyn{0}}analyysituloksia yhden yleisen käyttötunnin{1}}välin sijaan.

Hydraulinen mitoitus ja ohjaus

Mitoitus alkaa yleensä kuormitusvoimasta ja tarvittavasta toimilaitteen nopeudesta.

Oletetaan, että kone tarvitsee 30 000 lbf sylinteristä maksimikäyttöpaineella 2500 psi. Vaadittu männän pinta-ala on:

A = F ÷ P

A=30,000 ÷ 2,500=12 in²

Laske poraus:

A = πD² ÷ 4

Siksi:

D = √(4A ÷ π)

12 in²:n alueelle:

D ≈ 3,91 tuumaa

Normaali 4-tuuman reikä on kohtuullinen lähtökohta turvatekijän, kitkan, paineluokituksen, asennuskuormituksen ja tangon nurjahdusvaatimusten mukaisesti.

4 tuuman reiän pinta-ala on noin:

A=12.57 in²

2500 psi:n paineella sen teoreettinen laajennusvoima on:

F=2,500 × 12,57 ≈ 31 425 lbf

Jos vaadittu laajennusnopeus on 4 tuumaa/s, vaadittu virtaus on:

Q=Pinta-ala × Nopeus

Q=12.57 × 4=50.28 in³/s

Yksi Yhdysvaltain gallona sisältää noin 231 tuumaa, joten:

GPM=50.28 × 60 ÷ 231 ≈ 13,1 GPM

Pumpun on syötettävä noin 13,1 GPM vaaditulla paineella ennen kuin otetaan huomioon hyötysuhde ja samanaikainen virtausvaatimus.

Varoventtiilin säätö

Varoventtiilin on suojeltava alhaisimman{0}}mitoitettua kriittistä komponenttia samalla, kun kone voi kehittää vaaditun työvoimansa.

Älä kierrä säätöruuvia ennen kuin kone näyttää toimivan kovemmin. Tunnista suunnittelupaine, tarkista komponenttien nimellisarvot, kytke sopiva kalibroitu mittari, lataa piiri hyväksytyn huoltomenettelyn mukaisesti ja säädä venttiili valmistajan ohjeiden mukaisesti.

Sähköhydrauliset säätimet

Nykyaikaisissa järjestelmissä voidaan käyttää PLC:n, liikeohjaimen tai elektronisen vahvistimen ohjaamia suhteellisia tai servoventtiilejä.

Suhteelliset venttiilit säätelevät virtausta tai painetta. Servoventtiilejä käytetään yleensä, kun vaaditaan erittäin nopeaa ja tarkkaa vastetta, vaikka ne vaativatkin puhtaampaa nestettä ja kehittyneempiä ohjausta.

Hydrauliikka tarjoaa yleensä suuremman voimatiheyden ja paremman kuormanpidon kuin pneumatiikka. Pneumaattiset järjestelmät voivat olla puhtaampia, yksinkertaisempia ja taloudellisempia nopeassa-automaatiossa pienemmillä voimavaatimuksilla, mutta paineilma on paljon puristuvampaa kuin hydrauliöljy.

Hydrauliikan vianmäärityksen tarkistuslista

Tee mittaukset ennen osien vaihtamista.

Pieni voima tai painehäviö

Tarkista nesteen taso.

Mittaa pumpun ulostulopaine.

Vahvista ylipaineventtiilin-asetus.

Tarkista, onko ylipaineventtiili juuttunut auki.

Suorita pumpun virtaustesti.

Tarkista, ettei sylinterissä tai moottorissa ole sisäisiä vuotoja.

Tarkasta suuntaventtiilit sisäisen ohituksen varalta.

Hidas toimilaitteen liike

Mittaa järjestelmän todellinen virtaus.

Tarkista suodattimen rajoitus.

Tarkista pumpun nopeus.

Tarkista virtauksen{0}}ohjausasetukset.

Tarkista sisäinen vuoto.

Mittaa painehäviö letkuista ja venttiileistä.

Ylikuumeneminen

Tarkista, virtaako virtaus jatkuvasti varoventtiilin yli.

Tarkista öljyn taso ja viskositeetti.

Tarkista jäähdyttimen suorituskyky.

Mittaa sisäinen vuoto.

Tarkasta alimitoitettujen johtojen tai rajoittavien venttiilien varalta.

Tarkista pumpun ja venttiilin tehokkuus.

Melu tai kavitaatio

Tarkista säiliön taso.

Tarkista imuletkut rajoitusten ja ilmavuotojen varalta.

Tarkista öljyn viskositeetti käynnistyksen yhteydessä.

Tarkista imusiivilä.

Tarkista pumpun tulopaine.

Etsi vaahtoavaa tai hiilihapotettua öljyä.

Painemittareita, lämpötila-antureita ja virtausmittareita käyttämällä loogisessa järjestyksessä vika yleensä selviää nopeammin kuin pumpun tai venttiilin vaihtaminen pelkästään oireiden perusteella.

Suunnittelu ja järjestelmätuki

Pumpun ja sylinterin mitoituslaskin, jossa on toimivia esimerkkejä, täydellinen hydraulipiirin CAD-paketti ja jäsennelty suorituskyvyn arviointi voivat auttaa suunnittelu- tai huoltotiimiä arvioimaan olemassa olevaa tai ehdotettua asennusta.

Tyypillisiä suunnittelutoimituksia ovat kuormitus- ja painetestaus, öljynäytteiden otto, kontaminaatioanalyysi, komponenttien -mitoitustarkistus, piirien optimointi ja järjestelmän tarkistukset, jotka perustuvat sovellettavien ISO 4413- ja SAE-ohjeisiin.

Anna kaupallisella verkkosivustolla insinööreille kolme suoraa reittiä: lataa mitoituslaskin, pyydä piiripiirustuksia tai ajoita laitearviointi lomakkeen, puhelimitse tai paikallisen jakelijan kautta. Ilmoita odotettu vasteaika ja määritä, mitkä tiedostot tai testiraportit asiakas saa.

Usein kysytyt kysymykset

Kuinka Pascalin laki kertoo voiman ja miten se lasketaan psi:nä ja in²:nä?

Suljetun hydraulinesteen paine välittyy koko nesteen läpi. KäyttääP = F ÷ Apaineen laskemiseen jaF = P × Alähtövoiman laskemiseen. 10 lbf:n lisääminen 1 in²:n mäntään tuottaa 10 psi:n paineen. Tämä 10 in²:n mäntään vaikuttava paine tuottaa teoriassa 100 lbf.

Mitä eroa on hammaspyörä-, siipi- ja mäntäpumppujen välillä?

Hammaspyöräpumput ovat kestäviä, taloudellisia ja yleisiä kiinteätilavuuksisissa{0}}sovelluksissa. Siipipumput toimivat yleensä tasaisemmin ja hiljaisemmin teollisuusjärjestelmissä. Mäntäpumput tarjoavat korkean paineen ja tehokkuuden, ja niitä käytetään usein paikoissa, joissa vaaditaan muuttuvaa iskutilavuutta tai kehittyneempää ohjausta.

Kuinka tyypillinen hydraulipiiri toimii?

Pumppu imee öljyä säiliöstä ja suuntaventtiili lähettää virtauksen toimilaitteeseen. Paine nousee vasteena kuormitukselle, kun sylinteri ulottuu tai vetäytyy sisään. Varoventtiili rajoittaa liiallista painetta. Toiminnan jälkeen venttiili palaa nolla-asentoon ja pumppu purkaa, iskee tai pysähtyy piirin rakenteen mukaisesti.

Kuinka valitsen hydraulinesteen?

Aloita laitevalmistajan viskositeettivaatimuksista. Harkitse sitten vähimmäiskäynnistyslämpötilaa, normaalia käyttölämpötilaa, viskositeettiindeksiä, kulumisenestovaatimuksia, hapettumisenkestävyyttä, vesialtistusta, tiivisteiden yhteensopivuutta ja ympäristöolosuhteita. ISO-viskositeettiluokka ei yksin riitä.

Mitkä ovat yleisimmät hydraulijärjestelmän viat?

Yleisiä ongelmia ovat ylikuumeneminen, kavitaatio, liiallinen melu, hidas toimilaitteen liike, kyvyttömyys muodostaa painetta, sisäinen tai ulkoinen vuoto, saastunut öljy ja venttiilivirheet. Aloita vianetsintä mittaamalla nesteen tila, paine, virtaus ja lämpötila.

Kuinka mitoitan pumpun ja sylinterin voiman ja nopeuden mukaan?

Laske sylinterin pinta-ala käyttämälläA = F ÷ P, muunna sitten tämä alue porauksen halkaisijaksi käyttämälläD = √(4A ÷ π). Kun olet valinnut sylinterin, laske tavoitenopeudelle tarvittava virtaus:

GPM=Pinta-ala (in²) × nopeus (tuumaa/s) × 60 ÷ 231

Ennen kuin valitset pumpun ja sylinterin, ota huomioon tehokkuus, käyttösuhde, samanaikainen toimilaitteen tarve, painehäviö, komponenttien arvot ja sopiva turvamarginaali.