اتصالات هیدرولیک

تاریخچه هیدرولیک

باگذشت زمان علم و دانش مربوط به نیروهای هیدرولیکی بیشتر رشد کرده و راه های موثرتری برای تبدیل انرژی هیدرولیکی به کار مفید کشف شده است.

موضوع نیروهای هیدرولیکی در اصل با رفتار فیزیکی آب و سایر مایعات در حال سکون یا در حال حرکت سروکار دارد. این زمینه از قبل یکی از مسائل مربوط به مهندسی شهری بوده است. به هرحال بعد از اختراع موتور بخار توسط جیمز وات، تبدیل نیروی تولید شده توسط این موتورها به کار مفید، مورد اهمیت بسیاری واقع شد و نیاز به ابزاری بود که قادر باشد نیروی تولید شده را از نقطه ای که تولید می شود به نقطه ای که باید مورد استفاده قرار گیرد منتقل کند.

انواع وسایلی چون شافت های میله ای، سیستم های انتقال نیرو مانند جعبه دنده ها، تسمه و زنجیر ها یکی پس از دیگری اختراع شدند.

بعد از آنها توجه ویژه ای به خاصیت مایعات در انتقال نیرو داده شد. این کار عمدتا توسط اعمال فشار به مایعات ( فشار به صورت نیرو در واحد سطح تعریف می شود) صورت می پذیرد.

در واقع این موضوع خود به حوزه ای نوین در رفتار هیدرولیک مایعات تبدیل شد که به شاخه هایی چون انتقال نیرو و کنترل حرکت از طریق مایعات تحت فشار تقسیم می شد. در هر حال این شاخه ها نیز خود بر اساس خصوصیات هیدرولیکی مایعات تحت فشار کار می کنند.

برای اینکه وجه تمایزی بین این شاخه جدید با هیدرولیک مربوط به آب قائل شویم از نام هایی چون “هیدرولیک صنعتی” یا “هیدرولیک  روغنی” استفاده می‌کنیم. دلیل انتخاب این نام نیز بیشتر به این خاطر است که در صنعت هیدرولیک بیشتر از روغن ها به عنوان ماده ای که قرار است فشار یا نیرو را منتقل کند ، استفاده می شود. اما آب نیز به خاطر اینکه مایع بوده و همانند سایر مایعات خاصیت تراکم ناپذیری دارد، همچنان در برخی تکنولوژی های مربوط به نیروهای هیدرولیکی کاربرد دارد.

اصطلاح هیدرولیک آبی نیز در مورد همین کاربردهای آب در صنایع هیدرولیک بود که به کار رفت. البته انواع روغن ها به خاطر مواد شیمیایی یا معدنی که در خود دارند دارای خاصیت ضد اصطکاک بسیار بالایی بوده و تا حد زیادی از بروز پوسیدگی در ماشین آلات جلوگیری می کنند. به همین دلیل است که اغلب استفاده از آنها به عنوان ماده ای که قرار است نیرو را منتقل کند، ارجحیت داده می شود.

مطالعه هیدرولیک روغنی به اواخر قرن ۱۷ ام برمی‌گردد؛ زمانی که پاسکال قانونی را کشف کرد که تقریبا شالوده تمام علم مربوط به هیدرولیک را تشکیل می داد. در قانون پاسکال می توان این جنبه از مایعات را درک کرد که هنگامی به نقطه ای از حجم آنها فشاری وارد می شود، این فشار بدون کم شدن از میزانش به کلیه ی قسمت های دیگر مایع منتقل می شود.

سپس جوزف براما ابزاری بر اساس قانون پاسکال ساخت که به عنوان پرس براما شناخته می شد. این در حالی بود که برنولی نیز از سوی دیگر قانون دیگری را در مورد مایعات کشف کرده بود. قانون برنولی بیان کننده واقعیت های مربوط به پایستگی انرژی در مورد مایع در حال جربان از لوله ها بود.

قانون برنولی به همراه قانون پاسکال اساس تمام کاربردهای موجود در زمینه هیدرولیک را تشکیل می دادند و برای تجزیه و تحلیل رفتار مایعات در محیط های مختلف به کار می روند. اما به هر حال این قوانین تا هنگام وقوع انقلاب صنعتی بریتانیا در سال های ۱۸۵۰ قابل به کار رفتن در حوزه صنعت نبودند.

پیشرفت های بعدی در این زمینه در مورد توسعه شبکه های لوله کشی آب برای فشارهای بالا رخ داد. این شبکه های لوله کشی از یک سو بین ایستگاه های تولید آب فشار بالا که توسط ماشین های بخار کار می کردند و از سوی دیگر آسیاب هایی که برای چرخیدن نیاز به نیروی محرکه داشتند ، کشیده می شدند. در این میان تعدادی از ابزارهایی چون شیر و فلکه های کنترل شار مایعات و همچنین برخی از انباشتگر ها اختراع شدند. به هر حال این پروژه ناخواسته و به دو دلیل باید تا مدت ها کنار گذاشته می شد؛ ۱- موجود نبودن بسیاری از مولفه های هیدرولیکی در آن زمان بود ۲- پیشرفت های چشم گیری که در حوزه الکترونیک اتفاق می افتادند و باعث می شدند که تجهیزات الکتریکی تا حد بسیار زیادی برای کاربردهای مختلف نسبت به تجهیزات هیدرولیکی مناسب تر به نظر برسند.

اما به هر حال اتفاقاتی که در اواخر قرن بیستم روی داد گواه آن است که ظاهر شدن شاخه ای جدید در حوزه هیدرولیک موجب شد که سیستم های هیدرولیکی به طور چشمگیری جایگزین سیستم های الکترونی شوند.

این رویدادها نقطه عطفی در مسیر پیشرفت سیستم های هیدرولیکی به شمار می روند. بعد از جنگ جهانی دوم دنیای سیستم های هیدرولیکی به کلی متحول شده و پیشرفت های عظیمی را شاهد بوده است. در حال حاضر تعداد بیشماری از ماشین های مکانیکی بر اساس هیدرولیک روغنی کار می کنند. این موارد در زمینه هایی چون انتقال نیرو از نقطه ای به نقطه دیگر و یا تقویت نیرو به کار گرفته می شوند.

آشنایی باسیستم های هیدرولیک

امروزه در بسیاری از فرآیندهای صنعتی ، انتقال قدرت آن هم به صورت کم هزینه و با دقت زیاد مورد نظر است در همین راستا بکارگیری سیال تحت فشار در انتقال و کنترل قدرت در تمام شاخه های صنعت رو به گسترش است. استفاده از قدرت سیال به دو شاخه مهم هیدرولیک و نیوماتیک ( که جدیدتر است ) تقسیم می‌شود .

از نیوماتیک در مواردی که نیروهای نسبتا پایین (حدود یک تن) و سرعت های حرکتی بالا مورد نیاز باشد (مانند سیستمهایی که در قسمتهای محرک رباتها بکار می روند) استفاده می‌کنند در صورتیکه کاربردهای سیستمهای هیدرولیک عمدتا در مواردی است که قدرتهای بالا و سرعت های کنترل شده دقیق مورد نظر باشد(مانند جک های هیدرولیک ، ترمز و فرمان هیدرولیک و.(…

حال این سوال پیش می‌آید که مزایای یک سیستم هیدرولیک یا نیوماتیک نسبت به سایر سیستمهای مکانیکی یا الکتریکی چیست؟در جواب می توان به موارد زیر اشاره کرد:

۱) طراحی ساده

۲) قابلیت افزایش نیرو

۳) سادگی و دقت کنترل

۴) انعطاف پذیری

۵) راندمان بالا

۶) اطمینان

در سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک نسبت به سایر سیستمهای مکانیکی قطعات محرک کمتری وجود دارد و می‌توان در هر نقطه به حرکتهای خطی یا دورانی با قدرت بالا و کنترل مناسب دست یافت ، چون انتقال قدرت توسط جریان سیال پر فشار در خطوط انتقال (لوله ها و شیلنگ ها) صورت می‌گیرد ولی در سیستمهای مکانیکی دیگر برای انتقال قدرت از اجزایی مانند بادامک ، چرخ دنده ، گاردان ، اهرم ، کلاچ و… استفاده می‌کنند.

در این سیستم‌ها می‌توان با اعمال نیروی کم به نیروی بالا و دقیق دست یافت همچنین می‌توان نیرو‌های بزرگ خروجی را با اعمال نیروی کمی (مانند بازو بسته کردن شیرها و …) کنترل نمود.

استفاده از شیلنگ های انعطاف پذیر ، سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک را به سیستمهای انعطاف پذیری تبدیل می‌کند که در آنها از محدودیتهای مکانی که برای نصب سیستم‌های دیگر به چشم می‌خورد خبری نیست. سیستم‌های هیدرولیک و نیوماتیک به خاطر اصطکاک کم و هزینه پایین از راندمان بالایی برخوردار هستند همچنین با استفاده از شیرهای اطمینان و سوئیچهای فشاری و حرارتی می‌توان سیستمی مقاوم در برابر بارهای ناگهانی ، حرارت یا فشار بیش از حد ساخت که نشان از اطمینان بالای این سیستمها دارد.

اکنون که به مزایای سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک پی بردیم به توضیح ساده ای در مورد طرز کار این سیستمها خواهیم پرداخت.

برای انتقال قدرت به یک سیال تحت فشار (تراکم پذیر یا تراکم ناپذیر) احتیاج داریم که توسط پمپ های هیدرولیک می‌توان نیروی مکانیکی را تبدیل به قدرت سیال تحت فشار نمود. مرحله بعد انتقال نیرو به نقطه دلخواه است که این وظیفه را لوله ها، شیلنگ ها و بست ها به عهده می‌گیرند.

بعد از کنترل فشار و تعیین جهت جریان توسط شیرها سیال تحت فشار به سمت عملگرها (سیلندرها یا موتور های هیدرولیک ) هدایت می‌شوند تا قدرت سیال به نیروی مکانیکی مورد نیاز(به صورت خطی یا دورانی ) تبدیل شود.

اساس کار تمام سیستم های هیدرولیکی و نیوماتیکی بر قانون پاسکال استوار است.

قانون پاسکال:

      ●شار سرتاسر سیال در حال سکون یکسان است .(با صرف نظر از وزن سیال)

      ●در هر لحظه فشار استاتیکی در تمام جهات یکسان است.

• ●شار سیال در تماس با سطوح بصورت عمودی وارد میگردد.
  کار سیستمهای نیوماتیک مشابه سیستم های هیدرولیک است فقط در آن به جای سیال تراکم ناپذیر مانند روغن از سیال تراکم پذیر مانند هوا استفاده می کنند . در سیستمهای نیوماتیک برای دست یافتن به یک سیال پرفشار ، هوا را توسط یک کمپرسور فشرده کرده تا به فشار دلخواه برسد سپس آنرا در یک مخزن ذخیره می کنند، البته دمای هوا پس از فشرده شدن بشدت بالا می‌رود که می تواند به قطعات سیستم آسیب برساند لذا هوای فشرده قبل از هدایت به خطوط انتقال قدرت باید خنک شود. به دلیل وجود بخار آب در هوای فشرده و پدیده میعان در فرایند خنک سازی باید از یک واحد بهینه سازی برای خشک کردن هوای پر فشار استفاده کرد.
  اکنون بعد از آشنایی مختصر با طرز کار سیستمهای هیدرولیکی و نیوماتیکی به معرفی اجزای یک سیستم هیدرولیکی و نیوماتیکی می پردازیم.
  اجزای تشکیل دهنده سیستم های هیدرولیکی:
  ۱)مخزن : جهت نگهداری سیال
  ۲) پمپ : جهت به جریان انداختن سیال در سیستم که توسط الکترو موتور یا
  ۳) موتور های احتراق داخلی به کار انداخته می شوند.
  ۴)شیرها : برای کنترل فشار ، جریان و جهت حرکت سیال
  ۵) عملگرها : جهت تبدیل انرژی سیال تحت فشار به نیروی مکانیکی مولد کار(سیلندرهای هیدرولیک برای ایجاد حرکت خطی و موتور های هیدرولیک برای ایجاد حرکت دورانی.
  ● اجزای تشکیل دهنده سیستم های نیوماتیکی:
  ۱)کمپرسور
  ۲) خنک کننده و خشک کننده هوای تحت فشار
  ۳) مخزن ذخیره هوای تحت فشار
  ۴) شیرهای کنترل
  ۵) عملگرها
  ● یک مقایسه کلی بین سیستم‌های هیدرولیک و نیوماتیک:
  ۱)در سیستمهای نیوماتیک از سیال تراکم پذیر مثل هوا و در سیستمهای هیدرولیک از سیال تراکم ناپذیر مثل روغن استفاده می کنند.
  ۲)در سیستمهای هیدرولیک روغن علاوه بر انتقال قدرت وظیفه روغن کاری قطعات داخلی سیستم را نیز بر عهده دارد ولی در نیوماتیک علاوه بر روغن کاری قطعات، باید رطوبت موجود در هوا را نیز از بین برد ولی در هر دو سیستم سیال باید عاری از هر گونه گرد و غبار و نا خالصی باشد
  ۳) فشار در سیستمهای هیدرولیکی به مراتب بیشتر از فشار در سیستم‌های نیوماتیکی می باشد ، حتی در مواقع خاص به ۱۰۰۰ مگا پاسکال هم می‌رسد ، در نتیجه قطعات سیستم‌های هیدرولیکی باید از مقاومت بیشتری برخوردار باشند.
  ۴) در سرعت های پایین دقت محرک های نیوماتیکی بسیار نامطلوب است در صورتی که دقت محرک های هیدرولیکی در هر سرعتی رضایت بخش است .
  ۵)در سیستم‌های نیوماتیکی با سیال هوا نیاز به لوله های بازگشتی و مخزن نگهداری هوا نمی باشد.
  ۶)سیستم‌های نیوماتیک از بازده کمتری نسبت به سیستم‌های هیدرولیکی برخوردارند.

اتصالات هیدرولیک

هیدرولیک به موضوعی در علوم کاربردی و مهندسی‌گفته می‌شودکه با ویژگیهای مکانیکی سیالات ارتباط دارد و به روش‌های کاربردی استفاده از سیالات تحت فشار می‌پردازد.

سامانه‌های هیدرولیک برای انتقال انرژی استفاده می‌شوند. مزیت هیدرولیک نسبت به روش‌های دیگر انتقال انرژی (مکانیکی و الکتریکی)، قابلیت افزایش نیرو در حین انتقال و تغییرسریع جهت حرکت است. از آنجا که در هیدرولیک انتقال انرژی با کمک یک سیال هیدرولیک انجام می‌شود و سیالات به طورکلی قابلیت شکل‌پذیری دارند می‌توان آن‌ها را از مسیرهای دلخواه عبور داد. مکانیک سیالات پایه نظری علم هیدرولیک است که روی کاربردهای مهندسی ویژگیهای سیالات تاکید دارد.  

موضوعات علم هیدرولیک در زمینه های مختلفی است و مفاهیمی همچون جریان مایعات در لوله ها، طراحی سد، انرژی آبها، مدار کنترل سیالات، پمپ ها، توربین ها، دینامیک محاسباتی سیالات، اندازه گیری جریانات، کانال های رودخانه و فرسایش را در برمی‌گیرد. هیدرولیک سطح آزاد با جریان آزاد آب در رودخانه ها، کانالها و دریاچه ها و دریاها سروکار دارد.

در دنیای صنعت امروز، انرژی سیالات به ویژه هیدرولیک دنیایی جادویی از انتقال انرژی است و کاربرد انرژی سیالات تغییرات مثبت زیادی را موجب شده است. کاربرد کنترل هیدرولیکی و سیستم انتقال هیدرولیکی موجب خلق طرحهای جدید و بهبود کارایی ماشینها و تاسیسات شده است.

وقتی در صنایع هوایی از هیدرولیک صحبت می‌شود به معنای انتقال انرژی از یک مکان به مکان دیگر از طریق یک جریان محدود می‌باشد. عملکرد هیدرولیک در صنایع هوایی شامل کمک به کنترل پرواز، بازکردن و جمع کردن دنده فرود، مکان یابی فلپ ها، بالا بردن و پایین آوردن درهای مخزن بار و موتورهای راه اندازی هواپیما است. همچنین در سیستم های ترمز و ارابه فرود (سازه‌ای که هواپیما در هنگام توقف یا حرکت بر روی زمین بر آن تکیه دارد) هیدرولیک نقش اساسی دارد.

کاربرد سیستم های هیدرولیک

سیستم های هیدرولیک در ۴ دسته کلی دسته بندی می‌شوند:

۱- سیستم های صنعتی

۲- سیستم های سیار

۳- سیستم های دریایی

۴- سیستم های هوا فضا

کاربردهای صنعتی

– ماشین آلات پردازش پلاستیک

– صنعت ساخت فولاد و استخراج فلز

– سایر تجهیزات کوره، ماشین آلات لاستیک سازی، ماشین آلات نساجی، مکانیک عمومی

سیتم های انتقال حرکت

– تراکتورهای کشاورزی

– تجهیزات گود برداری

– تجهیزات مدیریت مواد

– سایر تجهیزات حفاری، جاده سازی و صنعت ساخت و ساز، سکوهای حفاری، ماشین آلات بازرگانی تجاری، تراکتورهای صنعتی

کاربردهای دریایی

– اقیانوس پیماها، قایق های ماهی گیری و تجهیزات نیروی دریایی

کاربردهای هوافضا

– در تجهیزات و سیستم هایی مانند سیستم کنترل فرمان هواپیما و مخابره در  هواپیماها، راکتها و کشتی های فضایی

 

آنچه باید درباره اتصالات هیدرولیک بدانیم

انواع رزوه‌ها

رزوه‌ها در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. برخی از رزوه ها مانند NPT، NPTF، BSP، BSPT، SAE، METRIC و UN/UNF در صنعت هیدرولیک پرکاربردتر می‌باشند. هر کدام از انواع رزوه‌هایی که نام برده شد با توجه به زاویه و مشخصات دیگر رزوه‌ها می‌توانند در آب‌بندی و استقرار قطعات نقش بسزایی داشته باشند.

آب‌بندی خشک و درگیری معمولی رزوه‌ها

زاویه قرارگیری و تراش برای چند نمونه از انواع رزوه‌ها

 

• ارتباط بین اتصالات و پورت‌ها چگونه برقرار می‌شود؟

قطعات هیدرولیک شامل پمپ‌ها، موتورها، شیرها، سیلندرها و … دارای چندین پورت ورود و خروج روغن و پورت‌های کنترلی می‌باشند که توسط انواع اتصالات به صورت رزوه‌ای یا فلنجی با لوله‌ها و شلنگ‌ها به هم مرتبط می‌گردند. نحوه اتصال مناسب به بهترین شکل نه تنها باعث کاهش هزینه‌ها و سهولت نصب می‌گردد بلکه امکان ایجاد نشتی را نیز کاهش می‌دهد.

سه نوع از اتصالات برای ارتباط بین لوله، تیوب و شیلنگ و اتصال آن‌ها به پورت‌های قطعات هیدرولیک:

• اتصال با رزوه‌های موازی
• اتصال با رزوه‌های مخروطی
• اتصال فلنجی

 

• اتصالات رزوه‌ای (NPT وBSPT و BSP)

منظور از رزوه‌های مخروطی، شیب‌دار بودن وضعیت قرار‌ گیری رزوه‌ها می‌باشد.

رزوه‌های موازی به راحتی بسته می شود وآب‌بندی در آن‌ها توسط اورینگ انجام می‌شود.

اتصال با دنده‌های موازی و مخروطی

اتصال و آب‌بندی تیوب‌ها

• اتصالات فلنجی (بغل پمپی)

بهترین انتخاب برای پورت‌های بزرگ و جریان‌های زیاد اتصالات فلنجی می‌باشد.

اتصال فلنجی

نکات مهم در مورد انتخاب نوع اتصالات

• در اتصال با دنده‌های موازی، آب‌بندی توسط رزوه‌ها انجام نمی‌شود بلکه وظیفه جلوگیری از نفوذ روغن و نشتی بر عهده انواع اورینگ‌ یا واشر‌های تخت فلزی می‌باشد. در اتصالات مخروطی رزوه‌ها علاوه بر نگه‌داری اتصال، وظیفه آ‌بندی را نیز برعهده دارند.
• برای ارتباط شیری‌ها به صورت متداول اتصال با رزوه‌های موازی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این اتصالات نیاز به گشتاور کمتری برای نصب، نسبت به اتصالات مخروطی دارند. این امر باعث حذف امکان ایجاد اعوجاج و ترک در پوسته قطعات هنگام سفت کردن اتصال می‌شود.
• برعکس اتصالات موازی،‌ اتصالات با رزوه مخروطی ممکن است بر اثر لرزش به مرور زمان شل شوند و ایجاد نشتی نمایند.
• اتصالات با رزوه‌های موازی هنگام نصب تغییر شکل نمی‌دهند و امکان استفاده مجدد آن‌ها وجود دارد در صورتی که اتصالات مخروطی برای استفاده مجدد محدودیت دارند.
• اتصال فلنجی بهترین انتخاب برای پورت‌های بزرگ و جریان‌های زیاد می‌باشند. این اتصالات فلنجی توسط اورینگ فشرده شده در شیار موجود در سطح صاف اطراف اتصالات آب‌بندی می‌شود.

 

• اتصالات شیلنگ‌ها

دو سر شیلنگ‌های فشار قوی به دو مجموعه اتصال رابط متصل می‌گردد. این اتصالات معمولاً به صورت پیچی یا پرسی به شیلنگ متصل می‌شوند. اتصال پرسی که توسط فشردن یک غلاف روی شیلنگ انجام می‌شود قابل استفاده مجدد نیست. در این حالت غلاف فولادی توسط قالب‌ها و پرس مخصوص بر روی شیلنگ فشرده شده به نحوی که بر روی آن اعوجاج ایجاد می‌گردد. این اعوجاج مانع جدا شدن اتصال از سر شیلنگ خواهد شد. نوع پیچی این اتصال را می‌توان دوباره بعد از باز نمودن اتصال مورد استفاده قرار داد.

 

• هدایت کننده‌های روغن

در سیستم‌های هیدرولیک، هدایت کننده‌های روغن، وظیفه انتقال روغن به مصرف کننده‌های مختلف را بر عهده دارند.

هدایت کننده روغن در سه گروه اصلی زیر طبقه بندی می‌شوند:

• اتصالات (فیتینگ‌ها)
• شیلنگ‌ها (فشار قوی و پلاستیکی)
• لوله‌ها (شامل لوله‌های هیدرولیک و تیوب‌ها)

انتقال روغن در خروجی و ورودی قطعات هیدرولیک توسط اتصالات مستقر روی پورت‌ها انجام می‌شود. لوله‌ها و شیلنگ‌ها بخش عمده مسیر انتقال را تشکیل می‌دهند. در ابتدا و انتهای لوله‌ها و شیلنگ‌ها برای ایجاد ارتباط با یکدیگر از اتصالات مختلف استفاده می‌شود. در فرآیند انتقال، این اجزا تحت انواع تنش‌های مکانیکی، حرارتی و خوردگی قرار می‌گیرند. این تنش‌ها مهمترین عوامل در تعیین سایز و جنس هدایت کننده‌های روغن می‌باشند. سایز لوله‌ها، شیلنگ‌ها و اتصالات باید به نحوی معین شود که آن‌ها قادر به انتقال کل دبی بوده و با عبور جریان اصطکاک زیادی تولید نشود.

نمودار تعیین دبی عبوری از لوله‌ها و شیلنگ‌ها