الآلات الهيدروليكية



تستخدم الآلات الهيدروليكية الطاقة السائلة لأداء العمل. وتُعدّ مركبات البناء الثقيلة مثالاً شائعاً على ذلك. في هذا النوع من الآلات، يُضخّ السائل الهيدروليكي إلى محركات وأسطوانات هيدروليكية مختلفة موزعة في جميع أنحاء الآلة، ويتم ضغطه وفقاً للمقاومة الموجودة. ويتم التحكم في السائل بشكل مباشر أو تلقائي بواسطة صمامات تحكم ، ثم يُوزّع عبر خراطيم أو أنابيب.
تعتمد الأنظمة الهيدروليكية، مثل الأنظمة الهوائية ، على قانون باسكال الذي ينص على أن أي ضغط يُطبق على سائل داخل نظام مغلق سينتقل بالتساوي في جميع الاتجاهات. ويستخدم النظام الهيدروليكي سائلاً غير قابل للانضغاط بدلاً من غاز قابل للانضغاط.
يعود انتشار الآلات الهيدروليكية إلى القدرة الكبيرة التي يمكن نقلها عبر أنابيب صغيرة وخراطيم مرنة، وكثافة الطاقة العالية، وتنوع المشغلات التي تستفيد من هذه الطاقة، بالإضافة إلى القدرة الهائلة على مضاعفة القوى بتطبيق ضغوط على مساحات واسعة نسبيًا. ومن عيوبها، مقارنةً بالآلات التي تستخدم التروس والأعمدة، أن أي عملية نقل للطاقة ينتج عنها بعض الفاقد بسبب مقاومة تدفق السوائل عبر الأنابيب.
تاريخ
حصل جوزيف براما على براءة اختراع المكبس الهيدروليكي عام ١٧٩٥. [ ١ ] أثناء عمله في ورشة براما، اقترح هنري مودسلي استخدام حشوة جلدية للأكواب. [ ٢ ] نظرًا لتفوق نتائجه، حلّ المكبس الهيدروليكي في نهاية المطاف محل مطرقة البخار في تشكيل المعادن. [ ٣ ]
لتوفير طاقة واسعة النطاق لم يكن من العملي توفيرها لمحركات البخار الفردية، طُوّرت أنظمة هيدروليكية مركزية. استُخدمت الطاقة الهيدروليكية لتشغيل الرافعات وغيرها من الآلات في الموانئ البريطانية وأماكن أخرى في أوروبا. وكان أكبر نظام هيدروليكي في لندن. كما استُخدمت الطاقة الهيدروليكية على نطاق واسع في إنتاج فولاذ بسمر . واستُخدمت أيضًا للمصاعد ولتشغيل أهوسة القنوات والأجزاء الدوارة من الجسور. [ 1 ] [ 3 ] وظلت بعض هذه الأنظمة قيد الاستخدام حتى القرن العشرين.
أطلق عليه اتحاد المهندسين الميكانيكيين الأمريكيين ( ASME) لقب "أبو الهيدروليكا الصناعية" .
مضاعفة القوة وعزم الدوران
من السمات الأساسية للأنظمة الهيدروليكية القدرة على مضاعفة القوة أو عزم الدوران بسهولة، بغض النظر عن المسافة بين المدخل والمخرج، دون الحاجة إلى تروس أو روافع ميكانيكية، وذلك إما بتغيير المساحات الفعالة في أسطوانتين متصلتين أو الإزاحة الفعالة (سم مكعب/دورة) بين المضخة والمحرك. في الحالات العادية، تُدمج النسب الهيدروليكية مع نسب القوة أو عزم الدوران الميكانيكية لتحقيق التصميم الأمثل للآلات، مثل حركات ذراع الرافعة وأنظمة الجنزير في الحفارات.
أمثلة
أسطوانتان هيدروليكيتان متصلتان ببعضهما البعض
يبلغ نصف قطر الأسطوانة C1 بوصة واحدة، بينما يبلغ نصف قطر الأسطوانة C2 عشر بوصات. إذا كانت القوة المؤثرة على C1 تساوي 10 أرطال ، فإن القوة المؤثرة على C2 تساوي 1000 رطل، لأن مساحة C2 أكبر بمئة ضعف من مساحة C1 ( S = πr² ) . لكن يعيب هذه الطريقة أنه يجب تحريك C1 مسافة مئة بوصة لتحريك C2 بوصة واحدة. يُستخدم هذا النوع من الرافعات عادةً في الرافعات الهيدروليكية التقليدية ، حيث تُوصل أسطوانة ضخ صغيرة القطر بأسطوانة رفع كبيرة القطر.
مضخة ومحرك
إذا تم توصيل مضخة هيدروليكية دوارة ذات إزاحة 10 سم مكعب/دورة بمحرك هيدروليكي دوار ذي إزاحة 100 سم مكعب/دورة، فإن عزم الدوران المطلوب لتشغيل المضخة يساوي عُشر عزم الدوران المتاح على عمود المحرك، ولكن سرعة دوران المحرك (دورة/دقيقة) تساوي أيضًا عُشر سرعة دوران المضخة. هذا التركيب يُمثل في الواقع نفس نوع مضاعفة القوة كما في مثال الأسطوانة، إلا أن القوة الخطية في هذه الحالة هي قوة دورانية، تُعرف بعزم الدوران.
يُشار عادةً إلى كلا هذين المثالين باسم ناقل الحركة الهيدروليكي أو ناقل الحركة الهيدروستاتيكي الذي يتضمن "نسبة تروس" هيدروليكية معينة.
الدوائر الهيدروليكية
الدائرة الهيدروليكية هي نظام يتألف من مجموعة مترابطة من مكونات منفصلة تنقل السوائل . قد يكون الغرض من هذا النظام هو التحكم في مسار تدفق السوائل (كما هو الحال في شبكة أنابيب التبريد في نظام ديناميكي حراري ) أو التحكم في ضغط السوائل (كما هو الحال في مضخمات الضغط الهيدروليكية). على سبيل المثال، تستخدم الآلات الهيدروليكية دوائر هيدروليكية (حيث يُدفع السائل الهيدروليكي ، تحت ضغط، عبر مضخات هيدروليكية ، وأنابيب، وخراطيم، ومحركات هيدروليكية ، وأسطوانات هيدروليكية ، وما إلى ذلك) لتحريك الأحمال الثقيلة. إن منهجية وصف نظام السوائل من حيث المكونات المنفصلة مستوحاة من نجاح نظرية الدوائر الكهربائية . فكما أن نظرية الدوائر الكهربائية تعمل بكفاءة عندما تكون العناصر منفصلة وخطية، فإن نظرية الدوائر الهيدروليكية تعمل على أفضل وجه عندما تكون العناصر (المكونات السلبية مثل الأنابيب أو خطوط النقل أو المكونات النشطة مثل وحدات الطاقة أو المضخات ) منفصلة وخطية. وهذا يعني عادةً أن تحليل الدوائر الهيدروليكية يكون أكثر فعالية مع الأنابيب الطويلة والرفيعة المزودة بمضخات منفصلة، كما هو الحال في أنظمة تدفق العمليات الكيميائية أو الأجهزة متناهية الصغر. [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]
تتكون الدائرة من المكونات التالية:
- المكونات النشطة
- خطوط النقل
- خراطيم هيدروليكية
- المكونات السلبية
لكي يؤدي السائل الهيدروليكي وظيفته، يجب أن يتدفق إلى المشغل و/أو المحركات، ثم يعود إلى الخزان. بعد ذلك، يُرشح السائل ويُعاد ضخه. يُطلق على المسار الذي يسلكه السائل الهيدروليكي اسم الدائرة الهيدروليكية، والتي تتنوع أنواعها.
- تستخدم الدوائر ذات المركز المفتوح مضخات توفر تدفقًا مستمرًا. يعود التدفق إلى الخزان عبر المركز المفتوح لصمام التحكم ؛ أي عندما يكون صمام التحكم في المنتصف، فإنه يوفر مسار عودة مفتوحًا إلى الخزان، ولا يتم ضخ السائل إلى ضغط عالٍ. أما عند تشغيل صمام التحكم، فإنه يوجه السائل من وإلى المشغل والخزان. سيرتفع ضغط السائل لمواجهة أي مقاومة، نظرًا لأن المضخة ذات خرج ثابت. إذا ارتفع الضغط بشكل مفرط، يعود السائل إلى الخزان عبر صمام تخفيف الضغط . يمكن توصيل عدة صمامات تحكم على التوالي.يمكن لهذا النوع من الدوائر استخدام مضخات إزاحة ثابتة وغير مكلفة.
- تُزوّد الدوائر المغلقة مركزياً صمامات التحكم بضغط كامل، سواءً تم تشغيل أي صمام أم لا. وتُغيّر المضخات معدل تدفقها، حيث تضخ كمية قليلة جداً من السائل الهيدروليكي حتى يقوم المشغل بتشغيل أحد الصمامات. ولذلك، لا يحتاج بكرة الصمام إلى مسار عودة مفتوح مركزياً إلى الخزان. ويمكن توصيل عدة صمامات على التوازي، ويكون ضغط النظام متساوياً لجميع الصمامات.

الدوائر ذات الحلقة المفتوحة
الدائرة المفتوحة: يتم توصيل مدخل المضخة ومسار عودة المحرك (عبر صمام التوجيه) بخزان الزيت الهيدروليكي. يُستخدم مصطلح "الدائرة" للإشارة إلى التغذية الراجعة، بينما يُعدّ مصطلح "الدائرة المفتوحة" أكثر دقةً من مصطلح "الدائرة المغلقة". تستخدم دوائر المركز المفتوح مضخات تُزوّد بتدفق مستمر. يعود التدفق إلى الخزان عبر مركز صمام التحكم المفتوح؛ أي عندما يكون صمام التحكم في المنتصف، فإنه يُوفّر مسار عودة مفتوحًا إلى الخزان، ولا يتم ضخ السائل إلى ضغط عالٍ. أما عند تشغيل صمام التحكم، فإنه يُوجّه السائل من وإلى المُشغّل والخزان. سيرتفع ضغط السائل لمواجهة أي مقاومة، نظرًا لأن المضخة ذات خرج ثابت. إذا ارتفع الضغط بشكل كبير، يعود السائل إلى الخزان عبر صمام تخفيف الضغط. يمكن توصيل عدة صمامات تحكم على التوالي. يُمكن استخدام مضخات إزاحة ثابتة وغير مكلفة في هذا النوع من الدوائر.
الدوائر ذات الحلقة المغلقة
الدائرة المغلقة: يتم توصيل عودة الزيت من المحرك مباشرةً بمدخل المضخة. وللحفاظ على الضغط في جانب الضغط المنخفض، تحتوي الدوائر على مضخة شحن (مضخة تروس صغيرة) تُزود جانب الضغط المنخفض بزيت مُبرد ومُرشح. تُستخدم دوائر الدائرة المغلقة عمومًا في أنظمة النقل الهيدروستاتيكية في التطبيقات المتنقلة. المزايا: لا حاجة لصمام توجيه، واستجابة أفضل، وإمكانية عمل الدائرة بضغط أعلى. تغطي زاوية دوران المضخة اتجاهي التدفق الموجب والسالب. العيوب: لا يمكن استخدام المضخة لأي وظيفة هيدروليكية أخرى بسهولة، وقد يُمثل التبريد مشكلةً بسبب محدودية تبادل تدفق الزيت. تتطلب أنظمة الدائرة المغلقة عالية الطاقة عادةً صمام تدفق مُركبًا في الدائرة لتبادل تدفق أكبر بكثير من تدفق التسريب الأساسي من المضخة والمحرك، وذلك لزيادة التبريد والترشيح. يُدمج صمام التدفق عادةً في غلاف المحرك لتوفير تأثير تبريد للزيت الدوار داخله. قد تكون الخسائر في غلاف المحرك الناتجة عن تأثيرات الدوران والخسائر في محامل الكرات كبيرة، حيث تصل سرعة المحرك إلى 4000-5000 دورة/دقيقة أو حتى أكثر عند أقصى سرعة للمركبة. يجب أن توفر مضخة الشحن تدفق التسريب بالإضافة إلى تدفق التنظيف الإضافي. لذا، تُعد مضخة الشحن الكبيرة ضرورية للغاية إذا صُممت ناقلة الحركة للعمل تحت ضغوط عالية وسرعات محرك عالية. عادةً ما تُشكل درجة حرارة الزيت المرتفعة مشكلة رئيسية عند استخدام ناقلات الحركة الهيدروستاتيكية بسرعات عالية للمركبة لفترات طويلة، على سبيل المثال عند نقل الآلة من مكان عمل إلى آخر. تُقلل درجات حرارة الزيت المرتفعة لفترات طويلة بشكل كبير من عمر ناقلة الحركة. وللحفاظ على انخفاض درجة حرارة الزيت، يجب خفض ضغط النظام أثناء النقل، مما يعني ضرورة تحديد الحد الأدنى لإزاحة المحرك بقيمة معقولة. يُوصى بأن يكون ضغط الدائرة أثناء النقل حوالي 200-250 بار.
تُستخدم أنظمة الحلقة المغلقة في المعدات المتنقلة عمومًا لنقل الحركة كبديل لأنظمة النقل الميكانيكية والهيدروديناميكية (المحولة). وتتمثل ميزتها في نسبة تروس متغيرة باستمرار (سرعة/عزم دوران متغيران باستمرار) وتحكم أكثر مرونة في نسبة التروس تبعًا للحمل وظروف التشغيل. عادةً ما تكون قدرة النقل الهيدروستاتيكي محدودة بحوالي 200 كيلوواط كحد أقصى، نظرًا لارتفاع التكلفة الإجمالية عند القدرات الأعلى مقارنةً بالنقل الهيدروديناميكي. ولذلك، تُجهز اللوادر ذات العجلات الكبيرة، على سبيل المثال، والآلات الثقيلة عادةً بأنظمة نقل محولة. وقد ساهمت التطورات التقنية الحديثة في تحسين كفاءة أنظمة النقل المحولة، كما حسّنت التطورات في البرمجيات خصائصها، مثل برامج تغيير التروس القابلة للتحديد أثناء التشغيل، وزيادة عدد خطوات التروس، مما يمنحها خصائص قريبة من النقل الهيدروستاتيكي.
أنظمة استشعار الضغط والحمل الثابتة
غالبًا ما تُجهز ناقلات الحركة الهيدروستاتيكية لآلات نقل التربة، مثل الجرافات المجنزرة، بدواسة "زيادة السرعة " المنفصلة، والتي تُستخدم لزيادة سرعة دوران محرك الديزل مؤقتًا مع خفض سرعة المركبة، وذلك لزيادة القدرة الهيدروليكية المتاحة للأنظمة الهيدروليكية العاملة عند السرعات المنخفضة، وبالتالي زيادة قوة الجر. وتشبه هذه الوظيفة إيقاف علبة تروس المحول عند سرعات دوران المحرك العالية. وتؤثر وظيفة "زيادة السرعة" على الخصائص المُسبقة لنسبة التروس الهيدروستاتيكية مقابل سرعة دوران محرك الديزل.
أنظمة الضغط الثابت
توجد الدوائر ذات المركز المغلق في تكوينين أساسيين، يرتبطان عادةً بمنظم المضخة المتغيرة التي تزود الزيت:
- أنظمة الضغط الثابت (CP)، قياسية . يتساوى ضغط المضخة دائمًا مع قيمة الضغط المضبوطة لمنظم ضغط المضخة. يجب أن يغطي هذا الإعداد أقصى ضغط مطلوب للحمل. توفر المضخة التدفق وفقًا لمجموع التدفق المطلوب للمستهلكين. يُولّد نظام الضغط الثابت خسائر كبيرة في الطاقة إذا عملت الآلة مع تقلبات كبيرة في ضغط الحمل وكان متوسط ضغط النظام أقل بكثير من قيمة الضغط المضبوطة لمنظم ضغط المضخة. يتميز نظام الضغط الثابت ببساطة تصميمه، ويعمل كنظام هوائي. يمكن إضافة وظائف هيدروليكية جديدة بسهولة، كما يتميز النظام بسرعة الاستجابة.
- أنظمة الضغط الثابت ، بدون حمل . نفس التكوين الأساسي لنظام الضغط الثابت "القياسي"، ولكن يتم تفريغ المضخة إلى ضغط احتياطي منخفض عندما تكون جميع الصمامات في وضع محايد. استجابة أقل سرعة من نظام الضغط الثابت القياسي، ولكن عمر المضخة أطول.
أنظمة استشعار الأحمال
تُنتج أنظمة استشعار الحمل (LS) فقدًا أقل للطاقة، حيث يمكن للمضخة تقليل كل من التدفق والضغط لمطابقة متطلبات الحمل، ولكنها تتطلب ضبطًا أكثر دقة من نظام التحكم الكهروكيميائي (CP) فيما يتعلق باستقرار النظام. كما يتطلب نظام استشعار الحمل صمامات منطقية إضافية وصمامات تعويض في صمامات التوجيه، مما يجعله أكثر تعقيدًا من الناحية التقنية وأعلى تكلفة من نظام التحكم الكهروكيميائي. ويُنتج نظام استشعار الحمل فقدًا ثابتًا للطاقة مرتبطًا بانخفاض الضغط التنظيمي لمنظم المضخة .
المتوسطيبلغ ضغط التشغيل حوالي 2 ميجا باسكال (290 رطل لكل بوصة مربعة). إذا كان تدفق المضخة مرتفعًا، فقد يكون الفقد الإضافي كبيرًا. كما يزداد فقد الطاقة إذا تغيرت ضغوط الحمل بشكل كبير. يجب تصميم مساحات الأسطوانات وإزاحات المحرك وأذرع عزم الدوران الميكانيكية لتتناسب مع ضغط الحمل لتقليل فقد الطاقة. يساوي ضغط المضخة دائمًا أقصى ضغط للحمل عند تشغيل عدة وظائف في وقت واحد، وتساوي الطاقة المدخلة إلى المضخة (أقصى ضغط للحمل + ΔpLS ) مضروبًا في مجموع التدفق.
خمسة أنواع أساسية من أنظمة استشعار الحمل
- استشعار الحمل بدون معوضات في صمامات التوجيه. مضخة LS يتم التحكم فيها هيدروليكيًا.
- استشعار الحمل مع مُعَوِّض في اتجاه التيار لكل صمام اتجاهي متصل. مضخة LS يتم التحكم فيها هيدروليكيًا.
- استشعار الحمل مع مُعَوِّض في اتجاه التدفق لكل صمام اتجاهي متصل. مضخة LS يتم التحكم فيها هيدروليكيًا.
- استشعار الحمل باستخدام مجموعة من المعوضات في اتجاهي المنبع والمصب . مضخة LS يتم التحكم فيها هيدروليكيًا.
- نظام استشعار الحمل المتزامن، الذي يتحكم فيه كل من إزاحة المضخة الكهربائية ومساحة تدفق الصمام الكهربائي، يوفر استجابة أسرع، واستقرارًا أكبر، وفقدانًا أقل في النظام. هذا نوع جديد من أنظمة استشعار الحمل، لم يكتمل تطويره بعد.
من الناحية الفنية، يمكن تركيب المعوض المثبت في اتجاه مجرى التيار في كتلة الصمامات فعليًا "في اتجاه مجرى التيار"، ولكنه يعمل كمعوض في اتجاه مجرى التيار.
يُتيح النظام من النوع (3) ميزة تزامن الوظائف المُفعّلة بغض النظر عن سعة تدفق المضخة. وتبقى علاقة التدفق بين وظيفتين أو أكثر مُفعّلتين مستقلة عن ضغوط الحمل، حتى عند وصول المضخة إلى أقصى زاوية دوران. تُعدّ هذه الميزة مهمة للآلات التي تعمل غالبًا مع المضخة عند أقصى زاوية دوران، ومع وجود عدة وظائف مُفعّلة يجب أن تكون متزامنة في السرعة، كما هو الحال في الحفارات. أما في النظام من النوع (4)، فتكون الأولوية للوظائف المزودة بمُعوضات في اتجاه التدفق ، مثل وظيفة التوجيه في اللودر ذي العجلات. عادةً ما يحمل النظام المزود بمُعوضات في اتجاه التدفق علامة تجارية فريدة تختلف باختلاف الشركة المُصنّعة للصمامات، مثل "LSC" (ليندي هيدروليكس)، و"LUDV" ( بوش ريكسروث هيدروليكس)، و"Flowsharing" (باركر هيدروليكس)، وغيرها. لم يتم اعتماد اسم رسمي موحد لهذا النوع من الأنظمة، ولكن "Flowsharing" هو اسم شائع له.
عناصر
مضخة هيدروليكية

تقوم المضخات الهيدروليكية بتزويد مكونات النظام بالسوائل. ويتولد الضغط في النظام كرد فعل للحمل. لذا، فإن المضخة المصممة لتحمل ضغط 5000 رطل لكل بوصة مربعة قادرة على الحفاظ على التدفق في مواجهة حمل مقداره 5000 رطل لكل بوصة مربعة.
تتمتع المضخات بكثافة طاقة تفوق كثافة طاقة المحرك الكهربائي بعشرة أضعاف تقريبًا (من حيث الحجم). وهي تعمل بواسطة محرك كهربائي أو محرك احتراق داخلي، متصل عبر تروس أو أحزمة أو وصلة مطاطية مرنة لتقليل الاهتزاز.
تشمل الأنواع الشائعة للمضخات الهيدروليكية المستخدمة في تطبيقات الآلات الهيدروليكية ما يلي:
- مضخة التروس : رخيصة، متينة (خاصة في شكل دوار التروس)، بسيطة. أقل كفاءة، لأنها ذات إزاحة ثابتة، ومناسبة بشكل أساسي للضغوط الأقل من 20 ميجا باسكال (3000 رطل لكل بوصة مربعة).
- مضخة ريشية : رخيصة وبسيطة وموثوقة. مناسبة لتدفقات عالية وضغط منخفض.
- مضخة المكبس المحورية : صُممت العديد منها بآلية إزاحة متغيرة، لتغيير معدل التدفق الخارج للتحكم التلقائي في الضغط. توجد تصاميم متنوعة لمضخات المكبس المحورية، منها مضخة اللوحة المائلة (تُسمى أحيانًا مضخة لوحة الصمام) ومضخة الكرة الراجع (تُسمى أحيانًا مضخة لوحة التذبذب). تُعد مضخة اللوحة المائلة الأكثر شيوعًا . تتسبب اللوحة المائلة ذات الزاوية المتغيرة في حركة المكابس ذهابًا وإيابًا لمسافة أكبر أو أقل لكل دورة، مما يسمح بتغيير معدل التدفق الخارج والضغط (زاوية الإزاحة الأكبر تؤدي إلى معدل تدفق أعلى وضغط أقل، والعكس صحيح).
- مضخة المكبس الشعاعية : تستخدم عادة للضغط العالي جداً عند التدفقات الصغيرة.
تُعدّ المضخات المكبسية أغلى ثمناً من المضخات الترسية أو الريشية، لكنها تتميز بعمر أطول عند التشغيل بضغط أعلى، ومع السوائل الصعبة، ودورات تشغيل متواصلة أطول. وتشكل المضخات المكبسية نصف ناقل الحركة الهيدروستاتيكي .
صمامات التحكم

تقوم صمامات التحكم الاتجاهي بتوجيه السائل إلى المشغل المطلوب. وهي تتكون عادةً من بكرة داخل غلاف من الحديد الزهر أو الفولاذ . تنزلق البكرة إلى مواضع مختلفة داخل الغلاف، وتقوم الأخاديد والقنوات المتقاطعة بتوجيه السائل بناءً على موضع البكرة.
يحتوي البكرة على وضع مركزي (محايد) يتم تثبيته بواسطة نوابض؛ في هذا الوضع، يتم حجب سائل الإمداد، أو إعادته إلى الخزان. يؤدي تحريك البكرة إلى أحد الجانبين إلى توجيه السائل الهيدروليكي إلى المشغل وتوفير مسار عودة من المشغل إلى الخزان. عند تحريك البكرة في الاتجاه المعاكس، يتم تبديل مساري الإمداد والعودة. عند السماح للبكرة بالعودة إلى الوضع المحايد (المركزي)، يتم حجب مسارات سائل المشغل، مما يثبته في مكانه.
عادة ما يتم تصميم صمامات التحكم الاتجاهي لتكون قابلة للتكديس، مع وجود صمام واحد لكل أسطوانة هيدروليكية، ومدخل سائل واحد يزود جميع الصمامات في المجموعة.
تُراعى معايير دقيقة للغاية لتحمّل الضغط العالي وتجنّب التسريب، حيث لا تتجاوز الخلوصات بين البكرات والهيكل عادةً 25 ميكرومترًا . يُثبّت صمام الكتلة على هيكل الآلة بثلاث نقاط تثبيت لتجنّب تشويهه أو تعطل مكوناته الحساسة.
يمكن تحريك البكرة بواسطة أذرع ميكانيكية، أو ضغط هيدروليكي، أو ملفات لولبية تدفع البكرة يمينًا أو يسارًا. يسمح مانع التسرب ببروز جزء من البكرة خارج الغلاف، حيث يمكن للمشغل الوصول إليه.
تتكون وحدة الصمامات الرئيسية عادةً من مجموعة من صمامات التحكم الاتجاهية الجاهزة، والتي يتم اختيارها بناءً على سعة التدفق والأداء. بعض هذه الصمامات مصممة لتكون متناسبة (معدل التدفق يتناسب مع موضع الصمام)، بينما قد تكون صمامات أخرى ثنائية الوضع (فتح/إغلاق). يُعد صمام التحكم من أغلى وأكثر أجزاء الدائرة الهيدروليكية حساسية.
- تُستخدم صمامات تخفيف الضغط في عدة مواضع في الآلات الهيدروليكية؛ في دائرة الإرجاع للحفاظ على ضغط منخفض للمكابح وخطوط التوجيه، وما إلى ذلك؛ وفي الأسطوانات الهيدروليكية لمنع التحميل الزائد وتمزق خطوط/أختام الزيت الهيدروليكي؛ وفي خزان الزيت الهيدروليكي للحفاظ على ضغط موجب منخفض يمنع دخول الرطوبة والملوثات.
- تعمل منظمات الضغط على تقليل ضغط إمداد السوائل الهيدروليكية حسب الحاجة لمختلف الدوائر.
- تتحكم صمامات التسلسل في تسلسل الدوائر الهيدروليكية؛ لضمان تمدد أسطوانة هيدروليكية واحدة بالكامل قبل أن تبدأ أخرى شوطها، على سبيل المثال. يمكن للدوائر الهيدروليكية تنفيذ سلسلة من العمليات تلقائيًا، مثل فصل وإعادة توصيل الدائرة ثلاث مرات، ثم قفلها، في قاطع إعادة التوصيل الذي يقطع التيار بالزيت . [ 7 ]
- توفر صمامات التحويل وظيفة منطقية أو وظيفية.
- صمامات الفحص هي صمامات أحادية الاتجاه، تسمح للمراكم بالشحن والحفاظ على ضغطه بعد إيقاف تشغيل الجهاز، على سبيل المثال.
- صمامات الفحص التي يتم التحكم بها بواسطة جهاز تحكم هي صمامات أحادية الاتجاه يمكن فتحها (في كلا الاتجاهين) بواسطة إشارة ضغط خارجية. على سبيل المثال، إذا لم يعد من الضروري أن يتحمل صمام الفحص الحمل. غالبًا ما يأتي الضغط الخارجي من الأنبوب الآخر المتصل بالمحرك أو الأسطوانة.
- صمامات التوازن هي في الواقع نوع خاص من صمامات الفحص التي يتم التحكم فيها بواسطة نظام تحكم تجريبي. فبينما يكون صمام الفحص مفتوحًا أو مغلقًا، يعمل صمام التوازن بشكل مشابه لنظام التحكم في التدفق الذي يتم التحكم فيه بواسطة نظام تحكم تجريبي.
- صمامات الخرطوشة هي في الواقع الجزء الداخلي من صمام عدم الرجوع؛ وهي مكونات جاهزة ذات غلاف قياسي، مما يسهل تركيبها في وحدة صمامات خاصة. تتوفر هذه الصمامات بتكوينات متعددة؛ مثل صمامات التشغيل/الإيقاف، والصمامات النسبية، وصمامات تخفيف الضغط، وغيرها. تُركّب هذه الصمامات عادةً في وحدة الصمامات وتُتحكم بها كهربائيًا لتوفير وظائف منطقية وآلية.
- الصمامات الهيدروليكية هي أجهزة أمان مدمجة مصممة لإغلاق خط هيدروليكي تلقائيًا إذا انخفض الضغط بشكل كبير، أو لتفريغ السائل بأمان إذا ارتفع الضغط بشكل كبير.
- قد تحتوي الصمامات المساعدة في الأنظمة الهيدروليكية المعقدة على وحدات صمامات مساعدة لأداء مهام متنوعة غير مرئية للمشغل، مثل شحن المُراكم، وتشغيل مروحة التبريد، وتزويد مكيف الهواء بالطاقة، وما إلى ذلك. وهي عادةً صمامات مصممة خصيصًا للآلة المعنية، وقد تتكون من كتلة معدنية بها منافذ وقنوات محفورة. تُركّب صمامات الخرطوشة في المنافذ بواسطة لولب، ويمكن التحكم بها كهربائيًا بواسطة مفاتيح أو معالج دقيق لتوجيه الطاقة الهيدروليكية حسب الحاجة.
المحركات
- الأسطوانة الهيدروليكية
- المحرك الهيدروليكي (مضخة موصلة عكسيًا)؛ تستخدم المحركات الهيدروليكية ذات التكوين المحوري لوحات مائلة للتحكم عالي الدقة، وكذلك في آليات تحديد المواقع الدقيقة المستمرة (360 درجة) دون توقف. غالبًا ما يتم تشغيل هذه المحركات بواسطة عدة مكابس هيدروليكية تعمل بالتتابع.
- ناقل الحركة الهيدروستاتيكي
- الفرامل
خزان
يحتوي خزان السائل الهيدروليكي على كمية زائدة من السائل الهيدروليكي لاستيعاب تغيرات الحجم الناتجة عن: تمدد وانكماش الأسطوانة، والتمدد والانكماش الناتج عن تغيرات درجة الحرارة، والتسريبات. كما صُمم الخزان للمساعدة في فصل الهواء عن السائل، ويعمل أيضًا كمخزن حراري لتعويض الفاقد في النظام عند استخدام الطاقة القصوى. ويمكن للخزانات أيضًا أن تساعد في فصل الأوساخ والجسيمات الأخرى عن الزيت، حيث تترسب هذه الجسيمات عادةً في قاع الخزان.
تتضمن بعض التصاميم قنوات تدفق ديناميكية على مسار عودة السائل تسمح باستخدام خزان أصغر.
المراكم
تُعدّ المراكم جزءًا شائعًا من الآلات الهيدروليكية، ووظيفتها تخزين الطاقة باستخدام الغاز المضغوط. أحد أنواعها عبارة عن أنبوب مزود بمكبس عائم، حيث يوجد على أحد جانبي المكبس شحنة من الغاز المضغوط، وعلى الجانب الآخر السائل. وتُستخدم الأغشية في تصاميم أخرى. أما الخزانات، فتُستخدم لتخزين سائل النظام.
ومن أمثلة استخدامات المراكم توفير الطاقة الاحتياطية للتوجيه أو الفرامل، أو العمل كممتص للصدمات للدائرة الهيدروليكية.
السائل الهيدروليكي
يُعرف أيضًا بسائل الجرارات ، وهو سائل هيدروليكي أساسي في الدائرة الهيدروليكية. يتكون عادةً من زيت بترولي مع إضافات متنوعة. تتطلب بعض الآلات الهيدروليكية سوائل مقاومة للحريق، وذلك حسب استخداماتها. في بعض المصانع التي تُحضّر فيها المواد الغذائية، يُستخدم إما زيت الطعام أو الماء كسائل تشغيل لأسباب تتعلق بالصحة والسلامة.
بالإضافة إلى نقل الطاقة، يحتاج السائل الهيدروليكي إلى تزييت المكونات، وتعليق الملوثات وبرادة المعادن لنقلها إلى المرشح، والعمل بشكل جيد حتى عدة مئات من درجات فهرنهايت أو مئوية.
الفلاتر
تُعدّ المرشحات جزءًا مهمًا من الأنظمة الهيدروليكية ، حيث تعمل على إزالة الجزيئات غير المرغوب فيها من السائل. وتُنتج المكونات الميكانيكية باستمرار جزيئات معدنية، ويجب إزالتها مع الملوثات الأخرى. [ 8 ]
يمكن وضع المرشحات في مواقع متعددة. قد يكون المرشح بين الخزان ومدخل المضخة. انسداد المرشح سيؤدي إلى حدوث تجويف وربما تعطل المضخة. أحيانًا، يوضع المرشح بين المضخة وصمامات التحكم. هذا الترتيب أكثر تكلفة، نظرًا لضغط غلاف المرشح، ولكنه يمنع مشاكل التجويف ويحمي صمام التحكم من أعطال المضخة. الموقع الشائع الثالث للمرشح هو قبل دخول خط الإرجاع إلى الخزان مباشرةً. هذا الموقع غير حساس نسبيًا للانسداد ولا يتطلب غلافًا مضغوطًا، ولكن الملوثات التي تدخل الخزان من مصادر خارجية لا تُصفّى إلا بعد مرورها عبر النظام مرة واحدة على الأقل. تُستخدم مرشحات بمسامات تتراوح من 7 إلى 15 ميكرون، وذلك حسب لزوجة الزيت الهيدروليكي.
الأنابيب والخراطيم
الأنابيب الهيدروليكية عبارة عن أنابيب فولاذية دقيقة غير ملحومة، مصنعة خصيصًا للاستخدامات الهيدروليكية. تأتي هذه الأنابيب بأحجام قياسية تناسب نطاقات ضغط مختلفة، وبأقطار قياسية تصل إلى 100 مم. تُورّد هذه الأنابيب من قبل الشركات المصنعة بأطوال 6 أمتار، وهي نظيفة ومزيتة ومُحكمة الإغلاق. يتم توصيل الأنابيب ببعضها البعض بواسطة أنواع مختلفة من الفلنجات (خاصةً للأحجام والضغوط الكبيرة)، ومخاريط/حلمات اللحام (مع حلقة مانعة للتسرب)، وأنواع متعددة من وصلات التوهج، بالإضافة إلى حلقات القطع. في الأحجام الكبيرة، تُستخدم أنابيب هيدروليكية. لا يُقبل التوصيل المباشر للأنابيب باللحام نظرًا لعدم إمكانية فحصها من الداخل.
تُستخدم الأنابيب الهيدروليكية في حال عدم توفر الأنابيب الهيدروليكية القياسية. وتُستخدم عادةً للضغط المنخفض. يمكن توصيلها بوصلات ملولبة، ولكن يُفضل استخدام اللحام. وبفضل أقطارها الكبيرة، يُمكن فحص الأنابيب من الداخل بعد اللحام. الأنابيب السوداء غير مجلفنة ومناسبة للحام .
تُصنّف الخراطيم الهيدروليكية حسب الضغط ودرجة الحرارة وتوافقها مع السوائل. تُستخدم الخراطيم عندما يتعذر استخدام الأنابيب، وذلك عادةً لتوفير مرونة في تشغيل الآلات أو صيانتها. يتكون الخرطوم من طبقات من المطاط والفولاذ، حيث تُحاط الطبقة الداخلية المطاطية بطبقات متعددة من الأسلاك المنسوجة والمطاط. صُمم الغلاف الخارجي لمقاومة التآكل. يُراعى تصميم نصف قطر انحناء الخرطوم الهيدروليكي بدقة في الآلة، لأن أعطال الخراطيم قد تكون مميتة، وتجاوز الحد الأدنى لنصف قطر الانحناء سيؤدي إلى تلفها. تحتوي الخراطيم الهيدروليكية عادةً على وصلات فولاذية ملحومة في نهاياتها. يُعدّ موضع اتصال الخرطوم بالوصلة أضعف جزء في خرطوم الضغط العالي. من عيوب الخراطيم الأخرى قصر عمر المطاط، مما يستدعي استبداله دوريًا، عادةً كل خمس إلى سبع سنوات.
تُشحم الأنابيب والمواسير المستخدمة في التطبيقات الهيدروليكية من الداخل قبل تشغيل النظام. عادةً ما تُطلى الأنابيب الفولاذية من الخارج. عند استخدام وصلات التوهج وغيرها من الوصلات، يُزال الطلاء أسفل الصامولة، وهو موضع قد يبدأ فيه التآكل. لهذا السبب، تُصنع معظم الأنابيب في التطبيقات البحرية من الفولاذ المقاوم للصدأ.
الأختام والتركيبات والوصلات
تحتاج مكونات النظام الهيدروليكي [مصادر (مثل المضخات)، وأجهزة التحكم (مثل الصمامات)، والمشغلات (مثل الأسطوانات)] إلى وصلات تحافظ على السائل الهيدروليكي وتوجهه دون تسريب أو فقدان الضغط اللازم لتشغيلها. في بعض الحالات، يمكن ربط المكونات معًا بمسامير مع مسارات مدمجة للسائل. ولكن في أغلب الأحيان، تُستخدم أنابيب صلبة أو خراطيم مرنة لتوجيه التدفق من مكون إلى آخر. يحتوي كل مكون على نقاط دخول وخروج للسائل (تُسمى منافذ) بأحجام تتناسب مع كمية السائل المتوقع مرورها عبره.
توجد عدة طرق قياسية لتوصيل الخرطوم أو الأنبوب بالمكون. بعضها مصمم لسهولة الاستخدام والصيانة، بينما يُفضل استخدام طرق أخرى لضغوط النظام العالية أو للتحكم في التسريب. الطريقة الأكثر شيوعًا، بشكل عام، هي تزويد كل مكون بمنفذ ملولب أنثوي، وتركيب صامولة ملولبة أنثوية على كل خرطوم أو أنبوب، واستخدام وصلة محول منفصلة ذات خيوط ذكرية متطابقة لتوصيلهما. هذه الطريقة عملية واقتصادية في التصنيع وسهلة الصيانة.
تؤدي التركيبات وظائف متعددة؛
- لربط المكونات بمنافذ ذات أحجام مختلفة.
- لربط المعايير المختلفة؛ على سبيل المثال، من حلقة O إلى JIC ، أو من خيوط الأنابيب إلى ختم الوجه .
- لضمان التوجيه الصحيح للمكونات، يتم اختيار وصلة بزاوية 90 درجة أو 45 درجة أو وصلة مستقيمة أو وصلة دوارة حسب الحاجة. وهي مصممة ليتم وضعها في الاتجاه الصحيح ثم ربطها بإحكام.
- لدمج تجهيزات الحاجز لتمرير السائل عبر جدار معيق.
- يمكن إضافة وصلة فصل سريع إلى الآلة دون تعديل الخراطيم أو الصمامات.
قد تحتوي قطعة نموذجية من الآلات أو المعدات الثقيلة على آلاف نقاط التوصيل المغلقة وأنواع مختلفة متعددة:
- في وصلات الأنابيب ، يتم ربط الوصلة حتى تصبح محكمة، ومن الصعب توجيه الوصلة الزاوية بشكل صحيح دون إحكام ربطها بشكل مفرط أو غير كافٍ.
- يتم تثبيت وصلة الحلقة الدائرية في نتوء ويتم توجيهها حسب الحاجة، ثم يتم شد الصامولة الإضافية لتثبيت الوصلة والغسالة والحلقة الدائرية في مكانها.
- وصلات التوهج هي عبارة عن أختام ضغط معدنية يتم تشكيلها بصامولة مخروطية وضغطها في وصلة التوهج.
- يتم تثبيت مانع التسرب الوجهي ، والشفاه المعدنية ذات الأخدود، وحلقة منع التسرب الدائرية معًا.
- تُعدّ موانع التسرب الشعاعية موانع تسرب معدنية باهظة الثمن تُستخدم بشكل أساسي في الطائرات.
- تُستخدم الأختام الملحومة ، والأنابيب، في توصيل الأنابيب بوصلات ملحومة بشكل دائم. وتُستخدم بشكل أساسي في الطائرات.
تُعد الأختام المطاطية (حلقة O وختم الوجه) أكثر أنواع الأختام شيوعًا في المعدات الثقيلة وهي قادرة على منع تسرب أكثر من 6000 رطل لكل بوصة مربعة (41 ميجا باسكال ) من ضغط السوائل بشكل موثوق.
انظر أيضاً
المراجع والملاحظات
- 1 2 ماكنيل ، إيان (1990). موسوعة تاريخ التكنولوجيا . لندن: روتليدج. ص 961. ISBN 978-0-415-14792-7.
- ↑ هاونشيل، ديفيد أ. (1984)، من النظام الأمريكي إلى الإنتاج الضخم، 1800-1932: تطور تكنولوجيا التصنيع في الولايات المتحدة ، بالتيمور، ماريلاند: مطبعة جامعة جونز هوبكنز ، رقم ISBN 978-0-8018-2975-8، LCCN 83016269 ، OCLC 1104810110
- 1 2 هنتر، لويس سي.؛ براينت، لينوود (1991). تاريخ القوة الصناعية في الولايات المتحدة، 1730-1930، المجلد 3: نقل الطاقة . كامبريدج، ماساتشوستس، لندن: مطبعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. ISBN 978-0-262-08198-6.
- ↑ بروس، هـ. (2007). الموائع الدقيقة النظرية .
- ↑ كيربي، بي جيه (2010). ميكانيكا الموائع على المستويين الميكروي والنانوي: النقل في الأجهزة الميكروفلويدية: الفصل 3: تحليل الدوائر الهيدروليكية . مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 978-0-521-11903-0أُرشف من المصدر الأصلي بتاريخ 24 نوفمبر 2020. تم الاطلاع عليه بتاريخ 4 يناير 2020 .
- ↑ فرومنت وبيشوف (1990). تحليل وتصميم المفاعلات الكيميائية .
- ↑ "أجهزة إعادة التوصيل: تعليمات الصيانة" مؤرشف بتاريخ 23-10-2021 في أرشيف الإنترنت . القسم "تشغيل جهاز إعادة التوصيل". الصفحات 3-4.
- ↑ "ما وظيفة المرشحات الهيدروليكية ولماذا هي مهمة؟" . www.flowtech.co.uk . تاريخ الاسترجاع: 1 يونيو 2024 .
- تحليل أنظمة الطاقة الهيدروليكية، تأليف أ. أكيرز، م. غاسمان، و ر. سميث، تايلور وفرانسيس، نيويورك، 2006، رقم ISBN 0-8247-9956-9
روابط خارجية
- الآلات الهيدروليكية
- المركبات الهندسية
- ديناميكا الموائع
- الهيدروليكا
