5 جزء اساسی یک سیستم هیدرولیک توضیح داده شده است

5 جزء اساسی یک سیستم هیدرولیک عبارتند از: پمپ هیدرولیک، محرک (سیلندر یا موتور)، شیرهای کنترل، مخزن سیال هیدرولیک و خطوط و اتصالات هیدرولیک. هر سیستم هیدرولیک - از جک بطری ساده گرفته تا پرس صنعتی 500 تنی - بر اساس همان معماری پنج جزئی کار می کند. هر قطعه نقشی خاص و غیرقابل تعویض در تولید، هدایت، ذخیره، انتقال و تبدیل نیروی سیال به کار مکانیکی دارد.

این مقاله توضیح می‌دهد که هر جزء چه کاری انجام می‌دهد، نیازهای عملکردی که بر روی آن اعمال می‌شود، و چرا روش ساخت - به ویژه آهنگری - تعیین می‌کند که آیا قطعات هیدرولیک از فشارها و چرخه های عملیات در دنیای واقعی جان سالم به در ببرید. درک این اجزا برای هر کسی که سیستم های هیدرولیک را در ساخت و ساز، تولید، کشاورزی یا هوافضا مشخص می کند، منبع آن را تامین می کند یا نگهداری می کند، ضروری است.

جزء 1: پمپ هیدرولیک

پمپ هیدرولیک منبع تغذیه سیستم است. این انرژی مکانیکی - از موتور الکتریکی، موتور یا ورودی دستی - را با فشار دادن سیال و فشار دادن آن از طریق سیستم به انرژی هیدرولیک تبدیل می کند. پمپ به طور مستقیم فشار ایجاد نمی کند. جریان ایجاد می کند. فشار در نتیجه مقاومت در برابر جریان پایین دست ایجاد می شود.

سه نوع پمپ اصلی مورد استفاده در سیستم های هیدرولیک وجود دارد:

• پمپ های دنده ای - ساده ترین و مقرون به صرفه ترین نوع؛ معمولاً در فشارهای تا 3000 psi در تجهیزات متحرک، ماشین آلات کشاورزی و جداکننده های چوب استفاده می شود.
• پمپ های پره ای - عملکرد آرام تر و جریان سازگارتر؛ در ماشین آلات صنعتی و سیستم های دقیق تا 2500 psi استفاده می شود.
• پمپ های پیستونی - نوع با بالاترین عملکرد؛ قادر به فشارهای عملیاتی پایدار از 5000 تا 10000 psi در کاربردهای سخت مانند هوافضا، ساخت و سازهای سنگین و پرس های شکل دهی فلز.

محفظه پمپ و اجزای داخلی از جمله پرتنش ترین قطعات هیدرولیک در هر سیستمی هستند. آنها باید بارهای فشار چرخه ای ثابت، فرسایش سیال و تغییرات حرارتی را تحمل کنند. محفظه های پمپ آهنگری و بلوک های شیر در کاربردهای پمپ پیستونی فشار بالا استاندارد هستند زیرا ساختار دانه‌ای که با آهنگری تولید می‌شود، مقاومت خستگی بالاتری را در مقایسه با جایگزین‌های ریخته‌گری ارائه می‌دهد – زمانی که یک پمپ ممکن است میلیون‌ها بار در طول عمر خود چرخه بزند، حیاتی است.

پارامترهای کلیدی عملکرد پمپ های هیدرولیک

جزء 2: محرک - سیلندرها و موتورهای هیدرولیک

محرک جایی است که انرژی هیدرولیک دوباره به کار مکانیکی تبدیل می شود - این جزء است که عملاً بلند کردن، فشار دادن، بستن، چرخش یا هل دادن را انجام می دهد. دو نوع محرک اصلی وجود دارد:

• سیلندرهای هیدرولیک (محرک خطی) - تبدیل فشار سیال به نیروی و حرکت خط مستقیم. یک سیلندر با 3000 psi با سوراخ 4 اینچی تقریباً تولید می کند 37700 پوند نیرو - برای بلند کردن محور کامیون کمپرسی بارگیری شده کافی است. سیلندرها در بیل مکانیکی، کامیون کمپرسی، بالابر کشاورزی، ماشین های قالب گیری تزریقی و ارابه فرود هواپیما استفاده می شود.
• موتورهای هیدرولیک (عملگرهای دوار) - تبدیل انرژی سیال به خروجی چرخشی پیوسته. در وینچ‌ها، نوار نقاله‌ها، مارپیچ‌ها و محرک‌های چرخ بر روی لودرهای اسکیت فرمان و سیستم‌های محرک هیدرولیک استفاده می‌شود.

اجزای سیلندر هیدرولیک - از جمله درپوش های انتهایی، مهره های گلند، سر پیستون و بشکه های سیلندر - از متداول ترین قطعات هیدرولیک آهنگری در صنعت هستند. دلیل آن ساده است: یک سیلندر هیدرولیک به طور معمول تجربه می کند تنش های کششی و فشاری دینامیکی بیش از 30000 psi در طول بارهای اوج، همراه با بارگذاری جانبی از کار انجام شده. کلاهک های انتهایی سیلندر آهنگری و میله های پیستون ساختار دانه ای متراکم و بدون عیب مورد نیاز برای مقاومت در برابر انتشار ترک تحت این بارهای چرخه ای را فراهم می کنند - کیفیتی که قطعات شمش ریخته گری شده یا ماشینکاری شده نمی توانند به طور قابل اعتماد با وزن معادل مطابقت داشته باشند.

مرجع محاسبه نیروی سیلندر هیدرولیک

نیرویی که یک سیلندر هیدرولیک ایجاد می کند به صورت زیر محاسبه می شود: نیرو (پوند) = فشار (psi) × ناحیه پیستون (در مربع) . یک سیلندر با سوراخ 6 اینچی در 3000 psi تقریباً 84823 پوند نیروی فشار تولید می کند. به همین دلیل است که یکپارچگی اجزای سیلندر بسیار حیاتی است - نیروهای درگیر در کاربردهای هیدرولیک صنعتی معمولی نسبت به اندازه قطعه بسیار زیاد است.

جزء 3: شیرهای کنترل

شیرهای کنترل، هوش هدایت کننده سیستم هیدرولیک هستند. آنها جهت، فشار و سرعت جریان سیال هیدرولیک را تنظیم می کنند، تعیین می کنند که چگونه و چه زمانی محرک ها حرکت می کنند، چه مقدار نیرو اعمال می شود و چگونه سیستم به تغییرات بار پاسخ می دهد. بدون دریچه های کنترل، یک پمپ هیدرولیک به سادگی سیال را با فشار کنترل نشده به یک جهت فشار می دهد - کار دقیق و کنترل شده را غیرممکن می کند.

سه دسته عملکردی شیرهای کنترل هیدرولیک عبارتند از:

شیرهای کنترل جهت (DCV)

DCV ها سیال را به سمت صحیح سیلندر یا موتور هدایت می کنند تا جهت حرکت را کنترل کنند - امتداد یا جمع شدن، در جهت عقربه های ساعت یا خلاف جهت عقربه های ساعت. رایج ترین پیکربندی این است شیر قرقره 4/3 (4 پورت، 3 موقعیت: گسترش، خنثی، جمع کردن)، در بازوهای بیل مکانیکی، بوم های لودر و تقریباً هر قطعه از تجهیزات ساختمانی با عملکردهای هیدرولیکی متعدد استفاده می شود.

شیرهای کنترل فشار

این شیرها سیستم را از فشار بیش از حد محافظت می کنند. را شیر تسکین حیاتی ترین مؤلفه ایمنی در هر مدار هیدرولیکی است - زمانی که فشار سیستم از حد آستانه تعیین شده (معمولاً 10 تا 15 درصد بالاتر از حداکثر فشار عملیاتی) فراتر رود باز می شود و سیال اضافی را به مخزن منحرف می کند. بدون دریچه تسکین، انسداد در سیستم باعث ایجاد فشار تا پاره شدن یک خط، اتصالات یا جزء می شود - یک شکست بالقوه فاجعه بار. شیرهای کاهنده فشار و شیرهای ترتیبی انواع کنترل فشار اضافی هستند که برای سیستم‌های چند مداری پیچیده‌تر استفاده می‌شوند.

شیرهای کنترل جریان

شیرهای کنترل جریان، سرعت حرکت محرک را با کنترل حجم سیال ورودی یا خروج از سیلندر یا موتور تنظیم می کنند. یک سوپاپ سوزنی یا شیر کنترل جریان متناسب به اپراتور اجازه می دهد تا به طور دقیق سرعت حرکت امتداد سیلندر هیدرولیک را تنظیم کند - در کاربردهایی مانند عملیات فشار دادن، که در آن کنترل سرعت بر کیفیت محصول تأثیر می گذارد، و در برنامه های جرثقیل و بالابر که سرعت فرود کنترل شده یک الزام ایمنی است، حیاتی است.

بدنه شیر برای شیرهای فشار بالا جهت و کنترل فشار یکی از پرکاربردترین کاربردها برای قطعات هیدرولیک فورج شده است. بدنه شیر باید تحمل ابعادی دقیق را تحت بارگذاری فشار چرخه ای حفظ کند - نوک فشار در مدارهای هیدرولیک صنعتی می تواند 200 تا 400 درصد از فشار نامی سیستم در هنگام فعال سازی سریع شیر فراتر رود. (گذرا فشار). بدنه‌های دریچه‌های ریخته‌گری، که حاوی ریزتخلخل و نقص‌های بالقوه انقباض هستند، نسبت به بدنه‌های دریچه‌ای آهنگری با ساختار دانه‌ای پیوسته، به‌مراتب مستعد شروع ترک‌های خستگی در این غلظت‌های تنش هستند.

جزء 4: مخزن سیال هیدرولیک

مخزن سیال هیدرولیکی را که سیستم برای کار به آن نیاز دارد ذخیره می کند. این بیش از یک مخزن ساده است - یک مخزن با طراحی مناسب چهار عملکرد را به طور همزمان انجام می دهد: ذخیره سازی سیال، تنظیم حرارتی، جداسازی هوا و آلاینده ها، و تثبیت فشار سیستم.

• ذخیره سازی مایعات : اکثر مخازن نگهداری می شوند 2 تا 3 برابر دبی پمپ در دقیقه به عنوان یک پایه - یک سیستم با پمپ 20 GPM باید حداقل مخزن 40-60 گالن داشته باشد. این زمان ماندگاری را برای سیال فراهم می کند تا هوای وارد شده را آزاد کند و آلاینده ها را ته نشین کند.
• مدیریت حرارتی : سیال برگشتی گرما را از طریق دیواره های مخزن دفع می کند. در سیستم هایی که مدیریت حرارتی حیاتی است، مبدل های حرارتی (کولرهای نفتی) در خط برگشت قبل از مخزن یکپارچه می شوند.
• جداسازی آلاینده ها : بافل های داخل مخزن سرعت سیال را کاهش می دهند و اجازه می دهند ذرات به جای چرخش مجدد، ته نشین شوند. آلودگی سیستم هیدرولیک مسئول آن است تا 80 درصد از خرابی های هیدرولیک با توجه به داده های صنعت از گروه تحقیقاتی انرژی سیال پارکر هانیفین - طراحی مخزن اولین خط دفاعی است.
• تثبیت فشار : مخزن یک هد مکش اتمسفر پایدار یا کمی تحت فشار را برای پمپ حفظ می کند و از ایجاد حفره که به داخل پمپ آسیب می زند جلوگیری می کند.

اتصالات مخزن، فلنج های نصب و باس های پورت در مخازن فشار قوی اغلب به عنوان قطعات هیدرولیک فورج شده برای مقاومت در برابر تنش های مکانیکی اتصالات نصب تحت فشار، به ویژه در تجهیزات متحرک که بار ارتعاشی ثابت است، تولید می شوند.

جزء 5: خطوط هیدرولیک، شیلنگ ها و اتصالات

خطوط و اتصالات هیدرولیک سیستم گردش خون یک مدار هیدرولیک هستند - آنها سیال تحت فشار را بین هر جزء دیگر حمل می کنند. آنها همچنین از نظر آماری رایج‌ترین منبع خرابی سیستم هیدرولیک در این زمینه هستند که بخش بزرگی از نشت و تلفات فشار فاجعه‌بار را تشکیل می‌دهند.

سه نوع هادی در سیستم های هیدرولیک استفاده می شود:

• لوله های فولادی (خطوط صلب) - برای اتصالات ثابت و دائمی در مدارهای فشار قوی استفاده می شود. لوله فولادی بدون درز با درجه بندی 5000 تا 10000 psi در سیستم های هیدرولیک صنعتی و هوافضا استاندارد است. خطوط صلب تحت فشار چرخه خم نمی شوند یا تخریب نمی شوند.
• شیلنگ هیدرولیک (خطوط انعطاف پذیر) - برای جابجایی اجزا نسبت به یکدیگر (مثلاً بین بدنه تراکتور و بازوی لودر) استفاده می شود. شیلنگ های سیم بافته یا مارپیچی بسته به ساختار از 3000 تا 6000 psi درجه بندی می شوند. شیلنگ ها عمر مفید محدودی دارند - اکثر سازندگان توصیه می کنند هر 2 سال یا هر 2000 ساعت استفاده تعویض شود ، هر کدام که زودتر بیاید.
• لوله (برنامه 80 یا بالاتر) - در سیستم های صنعتی ثابت برای مدارهای با قطر زیاد و فشار کمتر مانند اتصالات مخزن و خطوط برگشت استفاده می شود.

چرا اتصالات هیدرولیک فورج استاندارد صنعت هستند؟

اتصالات هیدرولیک - از جمله آداپتورها، بلوک‌های سه راهی، کانکتورهای زانویی، بلوک‌های منیفولد و دوشاخه‌های پورت - از جمله قطعات هیدرولیک فورج شده‌ای هستند که در سطح جهانی تولید می‌شوند. دلایل به خوبی ثابت شده و کمیت شده است:

• اتصالات آهنگری مقاومت می کنند 20 تا 40 درصد فشار ترکیدگی بیشتر به دلیل حذف تخلخل ریخته گری و همراستایی جریان دانه با هندسه اتصالات، نسبت به اتصالات ریخته گری معادل از همان ماده،.
• استانداردهای SAE و ISO حاکم بر اتصالات هیدرولیک برای فشارهای بالاتر از 3000 psi به طور خاص به ساخت و ساز آهنگری به عنوان روش ساخت مورد نیاز یا ترجیحی اشاره می کنند.
• اتصالات آهنگری پایداری ابعادی - شکل رزوه و هندسه سطح آب بندی - را در سیکل های مکرر مونتاژ و جداسازی بهتر از جایگزین های بیلت ریخته گری یا ماشینکاری شده حفظ می کنند.

چرا آهنگری روش ساخت ترجیحی برای قطعات هیدرولیک است؟

سیستم های هیدرولیک تحت شرایطی کار می کنند که هر جزء را در معرض تنش شدید و چرخه ای اعمال می کند. ترکیبی از فشارهای کاری بالا (اغلب 3000 تا 10000 psi)، فشارهای گذرا سریع، چرخه حرارتی، و ارتعاش محیطی سخت ایجاد می کند که قطعات هیدرولیک ساخته شده را بر اساس نحوه ساخت آنها متمایز می کند - نه فقط از چه موادی ساخته شده اند.

آهنگری فرآیند تولیدی است که در آن فلز با نیروی فشاری - یا با چکش یا فشار - در دماهای بالا شکل می‌گیرد. این فرآیند به جای اینکه تصادفی (مانند ریخته‌گری) یا برش (مانند بیلت ماشین‌کاری شده) باشد، ساختار دانه‌ای تصفیه‌شده با خطوط جریان دانه‌ای ایجاد می‌کند که از خطوط هندسی قطعه پیروی می‌کنند. نتیجه یک قطعه به طور قابل اندازه گیری قوی تر و مقاوم تر در برابر خستگی است.

آهنگری در مقابل ریخته گری در مقابل بیلت ماشینی: مقایسه مستقیم

آزمایش مستقل توسط انجمن صنایع آهنگری نشان می دهد که قطعات فولادی آهنگری نشان می دهد تا 26 درصد استحکام کششی بیشتر و 37 درصد استحکام خستگی بیشتر در مقایسه با معادل های ریخته گری از ترکیب مواد یکسان. برای قطعات هیدرولیک که در آن خرابی در نشت های فاجعه بار، تولید از دست رفته یا حوادث ایمنی اندازه گیری می شود، این حاشیه آکادمیک نیست - این مبنای مهندسی برای ترجیح صنعت برای قطعات هیدرولیک فورج شده در کاربردهای فشار بالا است.

کدام قطعات هیدرولیک معمولاً جعل می شوند

هر قطعه هیدرولیکی ساخته شده یا نیازی به آهنگری ندارد. تصمیم برای تعیین قطعات هیدرولیک آهنگری به کلاس فشار، چرخه کاری و پیامد خرابی بستگی دارد. قطعات زیر بیشتر با آهنگری در صنعت هیدرولیک تولید می شوند:

• بدنه شیر و بلوک های منیفولد - بدنه شیرهای جهت، تسکین و کنترل جریان که بالای 3000 psi کار می کنند تقریباً به طور کلی در فولاد یا آلیاژ آلومینیوم ساخته می شوند.
• درپوش انتهای سیلندر و مهره های غده - اجزایی که انتهای سیلندرهای هیدرولیک را آب بندی می کنند و مجموعه مهر و موم میله پیستون را حفظ می کنند. اینها فشار کامل سیستم و بارهای خمشی را از میله مشاهده می کنند.
• محفظه پمپ و صفحات انتهایی - به ویژه برای پمپ های پیستونی محوری که در آنها یکپارچگی محفظه برای حفظ فاصله های داخلی تحت فشار حیاتی است.
• اتصالات و آداپتورهای هیدرولیک - اتصالات JIC، ORFS، BSP، و NPT در فولاد و فولاد ضد زنگ برای اتصالات خطوط فشار بالا در حجم بسیار زیادی توسط فورج قالب بسته تولید می شوند.
• اتصالات چرخشی و اتحادیه های چرخشی - در جاهایی استفاده می شود که خطوط هیدرولیک باید بچرخند یا مفصل شوند. محفظه بدنه باید هر دو فشار و بار پیچشی را به طور همزمان تحمل کند.
• پوسته های انباشته کننده و بسته های انتهایی - باتری های هیدرولیک انرژی سیال تحت فشار (تا 5000 psi) را در یک مخزن تحت فشار ذخیره می کنند و پوسته های آهنگری یکپارچگی مهار فشار مورد نیاز استانداردهای ASME و ISO را فراهم می کنند.

مواد مورد استفاده در آهنگری قطعات هیدرولیک

مواد انتخاب شده برای قطعات هیدرولیک آهنگری به فشار عملیاتی، الزامات سازگاری سیال، محدودیت های وزنی و محیط خوردگی بستگی دارد. چهار ماده غالب در آهنگری قطعات هیدرولیک عبارتند از:

آلیاژهای فولادی بر قطعات هیدرولیک آهنگری برای اکثر کاربردهای صنعتی و تجهیزات سیار غالب هستند به دلیل ترکیبی از استحکام، ماشین کاری و هزینه. آهنگری‌های آلومینیومی به طور فزاینده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند که در آن صرفه‌جویی در وزن هزینه بالاتر هر قطعه را توجیه می‌کند - به‌ویژه در سیستم‌های هیدرولیک هوافضا که در آن هر پوند وزن جزء پیامد هزینه عملیاتی مستقیم دارد.

چگونه پنج مؤلفه با هم کار می کنند: یکپارچه سازی سیستم

درک هر جزء به صورت جداگانه تنها بخشی از تصویر است. یک سیستم هیدرولیک به عنوان یک مدار حلقه بسته عمل می کند که در آن هر پنج جزء به طور پیوسته و به هم وابسته اند. دنباله زیر یک چرخه کامل قدرت هیدرولیک را در یک کاربرد معمولی سیلندر دو اثره، مانند پرس هیدرولیک یا بازوی بیل مکانیکی توصیف می کند:

1. مخزن سیال هیدرولیک تمیز و با دمای تنظیم شده را به ورودی پمپ تحت سر مکش مثبت می رساند.
2. پمپ سیال را از مخزن می کشد و آن را به فشار عملیاتی سیستم فشار می دهد - معمولاً 1500 تا 5000 psi در کاربردهای صنعتی - و آن را به مدار شیر کنترل می رساند.
3. شیر کنترل جهت یک فرمان اپراتور (اهرم دستی، شیر برقی یا سیگنال الکترونیکی) را دریافت می کند و سیال تحت فشار را به یک طرف سیلندر هدایت می کند در حالی که مسیر برگشت را از طرف دیگر به مخزن باز می کند.
4. شیر کاهش فشار فشار سیستم را به طور مداوم کنترل می کند. اگر مقاومت بار باعث نزدیک شدن فشار به حد مجاز سیستم شود، شیر تسکین باز می شود و جریان اضافی را به مخزن دور می زند و از هر جزء در مدار محافظت می کند.
5. محرک (سیلندر) سیال تحت فشار را به نیروی خطی تبدیل می کند و کار مکانیکی مورد نظر را انجام می دهد - فشار دادن، بلند کردن، بستن یا برش.
6. مایع برگشتی جریان از طریق شیر کنترل، از طریق فیلتر خط برگشت و بازگشت به مخزن برای تکمیل چرخه - اغلب از یک مبدل حرارتی عبور می کند تا انرژی حرارتی تولید شده توسط ناکارآمدی سیستم را حذف کند.

قابلیت اطمینان کل این مدار به یکپارچگی هر بخش هیدرولیک منفرد بستگی دارد - و به طور خاص به توانایی اتصالات، بدنه سوپاپ، اجزای سیلندر و محفظه پمپ برای حفظ یکپارچگی ابعادی و ساختاری خود تحت میلیون‌ها چرخه فشار. به همین دلیل است آهنگری قطعات هیدرولیک به جای ریختن آنها یک اولویت نیست بلکه یک نیاز مهندسی است برای هر سیستمی که بالاتر از 3000 psi کار می کند یا در معرض استفاده از چرخه کارهای سنگین قرار دارد. سرمایه‌گذاری بالادستی در قطعات آهنگری، خرابی‌های پایین‌دستی بسیار پرهزینه‌تر ناشی از ترک‌خوردگی ناشی از خستگی، نشت‌های ناشی از تخلخل و خرابی اتصالات تحت فشار را حذف می‌کند.