ZAsilnikw prostych terminach fizycznych jest to wszystko, co zamienia energię w poruszanie częściami jakiejś maszyny, czy to samochodu, prasy drukarskiej czy karabinu. Silniki są potrzebne do poruszania rzeczy w tak wielu codziennych sytuacjach, że świat natychmiast by się zgrzytał do nierozpoznawalnego, nieco komicznego przestoju, gdyby wszystkie pracujące silniki zamilkły w tym samym czasie czas.
Ponieważ silniki są wszechobecne we współczesnym społeczeństwie ludzkim, inżynierowie ziemscy na przestrzeni wieków wyprodukowali wiele różnych typów, odpowiadających dzisiejszym standardom technologicznym. Na przykład, zanim ludzie byli w stanie okiełznać i wykorzystać energię elektryczną na skalę globalną od początku XX wieku, wielkie lokomotywy pociągów były napędzane parą ze spalania węgla.
- Silniki są podzbiorem silników, ale nie wszystkie silniki są silnikami.
Wiele silników jestsiłowniki, co oznacza, że wywołują ruch poprzez zastosowanie momentu obrotowego. Przez długi czas napędzana cieczą moc siłowników hydraulicznych była standardem. Jednak wraz z postępem w XXI wieku w dziedzinie siłowników elektrycznych, w połączeniu z dużą ilością energii elektrycznej i łatwością jej sterowania, silniki elektryczne tego typu zyskują na popularności. Czy jedno jest wyraźnie lepsze od drugiego i czy zależy to od sytuacji?
Przegląd systemów hydraulicznych
Jeśli kiedykolwiek korzystałeś z podnośnika podłogowego lub prowadziłeś pojazd ze wspomaganiem hamulców lub wspomaganiem kierownicy, mogłeś się zdziwić z łatwością, z jaką możesz przenieść ilości masy zaangażowane w te fizyczne transakcje z pozornie niewielkimi wysiłek. (Z drugiej strony mogłeś być zbyt pochłonięty zmianą opony na poboczu drogi, aby zajmować się takimi pomysłami w czasie rzeczywistym).
Te i wiele innych typowych zadań jest możliwych dzięki zastosowaniuukłady hydrauliczne. Hydraulikato dział fizyki zajmujący się właściwościami mechanicznymi i praktycznym zastosowaniem płynów dynamicznych (płynów w ruchu). Układy hydrauliczne nie „tworzą” mocy, lecz przekształcają ją w pożądaną formę ze źródła zewnętrznego, zwanego agłówny poruszyciel.
Studium hydrauliki składa się z dwóch głównych obszarów.Hydrodynamikajest stosowanie płynów wwysoki przepływ(dynamiczny oznacza „ruchomy”)i niskie ciśnieniewykonywać pracę. Młyny „oldschoolowe” wykorzystują energię płynącego prądu wody do mielenia w ten sposób ziarna.Hydrostatyka, w przeciwieństwie, jest stosowanie płynów wwysokie ciśnienie i niski przepływ(statyczny oznacza „stojący”) do wykonywania pracy. Jaka jest podstawa tego kompromisu w języku fizyki?
Siła, praca i obszar
Fizyka leżąca u podstaw strategicznego wykorzystania silników hydraulicznych leży w pojęciu mnożenia siły. Praca netto wykonana w układzie jest iloczynem przyłożonej siły wypadkowej i odległości, na jaką porusza się obiekt siły:
W_{sieć}=F_{sieć}d
Oznacza to, że dla danej ilości pracy przydzielonej do zadania fizycznego, siła potrzebna do jego wykonania może być: zmniejszona poprzez zwiększenie odległości potrzebnej do przyłożenia siły, jak można to zrobić za pomocą zwojów a wkręt.
Ta zasada rozciąga się od sytuacji liniowych do sytuacji dwuwymiarowych oraz z zależności
P=\frac{F}{A}
gdzie P = ciśnienie w N/m2, F = siła w niutonach i A = powierzchnia w m2. W układzie hydraulicznym, w którym ciśnienie P jest utrzymywane na stałym poziomie, który ma dwa cylindry tłokowe o polach przekroju A1 i A2, to prowadzi do związku
\frac{F_1}{A_1}=\frac{F_2}{A_2}\text{ lub }F_1=\frac{A_1}{A_2}F_2
Oznacza to, że gdy tłok wyjściowy A2 jest większa niż tłok wejściowy A1, siła wejściowa będzie proporcjonalnie mniejsza niż siła wyjściowa. Chociaż nie jest to równoznaczne z otrzymaniem czegoś za darmo, jest to wyraźny atut w wielu współczesnych konfiguracjach silników.
Podstawy silników elektrycznych
Silnik elektryczny wykorzystuje fakt, że pole magnetyczne wywiera siłę na poruszające się ładunki elektryczne, czyli prąd. Obracająca się cewka z drutu przewodzącego jest umieszczona pomiędzy biegunami elektromagnesu w taki sposób, że pole magnetyczne indukuje moment obrotowy, który powoduje obrót cewki wokół własnej osi. Ten obracający się wał może być używany do wykonywania różnego rodzaju prac, a ogólnie silniki elektryczne przekształcają energię elektryczną w energię mechaniczną.
Silniki hydrauliczne: rodzaje dyskusji
Głównym napędem silnika hydraulicznego jest pompa, która popycha ciecz (często olej) w rurach układu. Płyn ten jest nieściśliwy i naciska z kolei na tłok wewnątrz cylindra, który ma po obu stronach płyn hydrauliczny.
Tłok porusza się i jest przekształcany „w dół” w ruch obrotowy, podczas gdy płyn po stronie wyjściowej tłoka jest stale zawracany do zbiornika. Ciśnienie w układzie jest utrzymywane na stałym poziomie (chyba, że trzeba je zmienić, aby wpłynąć na moc silnika) dzięki strategicznemu rozmieszczeniu i rozrządowi zaworów.
Typy silników hydraulicznych stosowanych w różnych sytuacjach obejmują silniki z przekładnią zewnętrzną, silniki z tłokami osiowymi i silniki z tłokami promieniowymi. Silniki hydrauliczne są również stosowane w niektórych rodzajach obwodów elektrycznych, a także w kombinacjach pompa-silnik.
Hydrauliczny vs. Silnik elektryczny: plusy i minusy
Dlaczego warto używać silnika hydraulicznego vs. silnik gazowy czy silnik elektryczny? Zalety i wady każdego typu silnika są tak liczne, że należy wziąć pod uwagę każdą zmienną w Twoim unikalnym scenariuszu.
Zalety silników hydraulicznych:
Główną zaletą silników hydraulicznych jest to, że mogą być wykorzystywane do generowania ekstremalnie dużych sił w stosunku do sił wejściowych. Jest to analogiczne do sytuacji w zwykłej (niehydraulicznej) mechanice, gdzie geometria dźwigni i kół pasowych może być „obrabiana” z podobną korzyścią.
Silniki hydrauliczne pracują na nieściśliwych cieczach, co pozwala na ściślejszą kontrolę silnika, a tym samym na większą dokładność ruchu. Są bardzo przydatne w przypadku ciężkiego sprzętu mobilnego (np. ciężarówki).
Wady silników hydraulicznych:
Silniki hydrauliczne są zwykle najdroższą opcją. Ponieważ cały olej jest zwykle w użyciu, są one brudne w działaniu, a ich różne filtry, pompy i olej wymagają kontroli, wymiany, czyszczenia i wymiany. Wycieki mogą powodować zagrożenia bezpieczeństwa i środowiska.
Zalety silników elektrycznych:
Większość zestawów hydraulicznych nie działa szybko. Silniki elektryczne są znacznie szybsze (do 10 m/s). Mają programowalne prędkości i pozycje zatrzymania, w przeciwieństwie do hydrauliki, i zapewniają wysoką dokładność pozycjonowania w razie potrzeby. Elektroniczne czujniki mogą zapewnić precyzyjne informacje zwrotne na temat ruchu i zastosowanej siły, co pozwala na doskonałą kontrolę ruchu.
Wady silników elektrycznych:
Silniki te są skomplikowane w instalacji i rozwiązywaniu problemów w porównaniu z innymi silnikami. Przeważnie ich wadą jest to, że jeśli potrzebujesz dużo więcej siły, potrzebujesz znacznie większego i cięższego silnika, w przeciwieństwie do silników hydraulicznych.
Uwaga na temat aktywatorów pneumatycznych
Kwestia pneumatyki vs. w niektórych sytuacjach pojawiają się również siłowniki elektryczne lub hydrauliczne. Różnica między siłownikami pneumatycznymi i hydraulicznymi polega na tym, że silniki hydrauliczne wykorzystują ciecze, podczas gdy siłowniki pneumatyczne wykorzystują gazy, zwykle zwykłe powietrze. (Zarówno ciecze, jak i gazy, dla porównania, są klasyfikowane jakopłyny.)
Aktywatory pneumatyczne są korzystne, ponieważ powietrze jest zasadniczo wszędzie (lub przynajmniej wszędzie, gdzie ludzie pracują wygodnie), więc sprężarka powietrza jest wszystkim, czego potrzeba do głównego napędu. Z drugiej strony silniki te są bardzo nieefektywne ze względu na stosunkowo duże straty ciepła w porównaniu z innymi typami silników.
