Aktualizované 8. februára 2019
Autor: Jim Woodruff
Recenzoval: Michelle Seidel, B.Sc., LL.B., MBA
Hydraulické a pneumatické zariadenia sú všade okolo nás. Používajú sa vo výrobe, doprave, zemných strojoch a bežných vozidlách, ktoré vidíme každý deň.
Aké sú príklady hydraulických a pneumatických systémov?
Brzdy vášho vozidla sú ovládané hydraulicky; smetiarske auto, ktoré každý týždeň prechádza okolo vášho domu, využíva hydraulickú energiu na zhutňovanie odpadu. Pri práci na spodnej strane vášho vozidla používa váš mechanik hydraulický zdvih.
Rovnako rozšírené sú aj pneumatické systémy. Nákladné vozidlá a autobusy používajú brzdy ovládané vzduchom. Maliari v spreji používajú na nanášanie farby stlačený vzduch. Boli ste niekedy ráno podráždení zvukom zbíjačky? Jedná sa o pneumatický stroj tvrdo pracujúci s použitím stlačeného vzduchu.
Čo je to hydraulický systém?
V roku 1647 francúzsky matematik Blaise Pascal vyvinul princíp mechaniky tekutín známy ako Pascalov zákon. Uvádza sa v ňom, že keď sa na uzatvorený roztok v ktoromkoľvek mieste aplikuje tlak, tlak sa zvýši rovnako v každom bode zásobníka. Akokoľvek tento princíp môže znieť, môže to znieť, je to základ pre činnosť hydraulického systému.
Predpokladajme, že máte dutý valec, ktorý má piest s plochou 2 štvorcové palce a prijíma vstupnú silu 100 libier. To má za následok tlak 50 libier na štvorcový palec (100 libier / 2 štvorcové palce).
Tento tlak prechádza hydraulickým prevodovým systémom do iného valca, známeho ako ovládač, ktorý má piest s plochou 6 štvorcových palcov. Pri tlaku 50 psi má tento valec výstupnú silu 300 libier (50 psi x 6 štvorcových palcov).
Ako sa Pascalov zákon uplatňuje na hydraulický systém?
Pascalov zákon poskytuje hydraulickým systémom ich výhody. Minimálny vstup do malého zariadenia môže mať za následok väčší výstup sily vo väčšom akčnom člene. Je to jednoduchý spôsob znásobenia výstupnej sily dostatočnej na zvládnutie veľkého pracovného zaťaženia.
Pretože hydraulické systémy môžu pracovať pri tlakoch až niekoľko tisíc psi, môže byť výstupná sila na pohon obrovská. S týmto vyšším výstupom sily má teraz mechanický pohon silu na vykonávanie ťažkých zdvíhacích, tlačiacich a pohybových úloh, ako napríklad zemné práce.
Ako funguje hydraulický systém?
Hydraulický systém využíva na prenos tlakovej kvapaliny, ktorá poháňa hydraulické akčné členy, prenosovú sieť. Hydraulická kvapalina získava tlak z čerpadla poháňaného hnacím strojom, ako je elektrický motor alebo plynový / naftový motor. Stlačený olej sa filtruje, meria a tlačí cez prevodový systém do aktuátora, aby vykonal nejakú činnosť. Potom sa kvapalina vracia pod nízkym tlakom do nádrže, kde je vyčistená a filtrovaná pred návratom do čerpadla.
Hydraulické systémy sa používajú vo výrobných a výrobných závodoch, ako je oceliarsky a automobilový priemysel, na prevádzku všetkých druhov mechanických zariadení. Používajú sa na premiestňovanie, tlačenie a zdvíhanie materiálov v priemysle, ako je ťažba, zemné práce a stavebníctvo.
Čo sú základné súčasti hydraulického systému?
Hydraulický olej - Hydraulické kvapaliny nie sú stlačiteľné a majú nízke body vzplanutia.
Nádrž - Nádrž drží kvapalinu pre systém. Má priestor na expanziu kvapaliny, umožňuje únik vzduchu unášaného kvapalinou a pomáha kvapaline ochladiť sa. Kvapalina prúdi zo zásobníka do čerpadla, ktoré ho vytláča potrubnou sieťou a nakoniec späť do zásobníka.
Filtračné zariadenia - Drobné kovové častice a iné cudzie látky sa zvyčajne dostanú do kvapaliny. Hydraulický systém používa na odstránenie týchto cudzích častíc niekoľko filtrov a sít. Znečistenie kvapalinou je jedným z najbežnejších zdrojov problémov v hydraulickom systéme.
Hybná sila - Na pohon kvapalinového čerpadla sa používajú elektromotory alebo naftové motory na plyn.
Čerpadlo - Čerpadlo nasáva kvapalinu zo zásobníka a tlačí ju cez regulačný ventil tlaku von z prenosovej siete k aktuátorom.
Konektory - Sieť pozostávajúca z rúrok, potrubí a pružných hadíc prenáša kvapalinu do mechanických ovládačov.
Ventily - Rôzne ventily riadia množstvo prietoku kvapaliny, jej tlak a smer.
Aktuátory - Aktuátory sú zariadenia, ktoré vykonávajú pracovné pohyby. Môžu byť otočné, napríklad hydraulický motor, alebo lineárne ako valec.
Aké sú výhody hydraulického systému?
Hydraulický systém má oproti pneumatickým a iným typom mechanických pohonov mnoho výhod, pretože:
- Používa malé komponenty na prenos veľkých síl s konzistentným výkonom.
- Má akčné členy, ktoré sú schopné presného polohovania.
- Je schopný naštartovať sa pri veľkom počiatočnom zaťažení.
- Produkuje rovnomerné a plynulé pohyby pri rôznych zaťaženiach, pretože kvapaliny nie sú stlačiteľné a prietoky je možné presne regulovať pomocou ventilov.
- V porovnaní s pneumatickými systémami poskytuje stály výkon pri miernych rýchlostiach.
- Ľahko sa ovláda a reguluje pomocou tlakových, smerových a prietokových regulačných ventilov.
- Ľahko a rýchlo odvádza teplo.
- Podáva dobrý výkon v horúcom prostredí.
Aké sú nevýhody hydraulických systémov?
- Čerpadlá, ventily, prenosové siete a ovládače sú drahé.
- Môžu znečistiť pracovisko únikmi, ktoré môžu spôsobiť úrazy alebo požiare.
- Nie sú vhodné na jazdu na bicykli pri vysokých rýchlostiach.
- Hydraulické kvapaliny sú citlivé na znečistenie nečistotami a musia sa pravidelne kontrolovať.
- Pretrhnutie vysokotlakového vedenia môže spôsobiť zranenie.
- Výkon hydraulických kvapalín je funkciou zmien teploty, ktoré môžu spôsobiť zmeny viskozity.
Aké sú druhy hydraulických kvapalín?
Najbežnejšie hydraulické kvapaliny sú založené na minerálnych olejoch, polyalfaolefínoch a fosfátových esteroch kvôli ich nízkej stlačiteľnosti. Voda nie je vhodná, pretože môže zamrznúť pri nízkych teplotách a variť vo vysokoteplotných prostrediach. Voda môže tiež spôsobiť koróziu a hrdzavenie.
Hydraulické kvapaliny majú štyri účely
- Na vykonávanie pracovného pohybu prenášajte výkon a silu cez vodivé vedenia do akčných členov.
- Namažte komponenty, zariadenia, ventily a akčné členy v okruhu.
- Pôsobte ako chladiaca kvapalina odovzdávaním tepla z horúcich miest v systéme.
- Medzi pohyblivými časťami utesnite medzery, aby ste zvýšili účinnosť a znížili teplo z nadmerných únikov.
Aké sú vlastnosti hydraulickej kvapaliny?
Niektoré z vlastností a charakteristík hydraulickej kvapaliny sú nasledujúce:
Viskozita - Viskozita je vnútorný odpor kvapaliny proti prúdeniu. Zvyšuje sa s rastúcou teplotou. Prijateľná hydraulická kvapalina musí byť schopná dobre utesniť piest, ventily a čerpadlá, ale nesmie byť taká hustá, aby bránila prietoku kvapaliny.
Kvapaliny s vysokou viskozitou môžu viesť k strate výkonu a vyšším prevádzkovým teplotám. Príliš riedka tekutina môže spôsobiť nadmerné opotrebenie akýchkoľvek pohyblivých častí.
Chemická stabilita - Hydraulická kvapalina musí byť chemicky stabilná. Musí odolávať oxidácii a byť stabilný za náročných prevádzkových podmienok, ako sú vysoké teploty. Dlhodobá prevádzka pri vysokých teplotách môže skrátiť životnosť kvapaliny.
Bod vzplanutia - Bod vzplanutia je teplota, keď sa kvapalina zmení na paru v dostatočnom objeme, aby sa vznietila alebo vzplala v kontakte s plameňom. Hydraulické kvapaliny potrebujú vysoký bod vzplanutia, aby odolali horeniu a pri normálnych teplotách vykazovali nízky stupeň odparovania.
Bod ohňa - Bod vzplanutia je teplota, pri ktorej sa kvapalina odparí v dostatočnom objeme, aby sa vznietila pri vystavení plameňu a pokračovala v horení. Rovnako ako v prípade bodu vzplanutia musí mať prijateľná hydraulická kvapalina vysoký bod horenia.
Čo je to pneumatický systém?
Pneumatické systémy sú ako hydraulické systémy, ale na prenos energie používajú namiesto kvapaliny stlačený vzduch. Pri riadení energie a aktivácii pohybových zariadení sa spoliehajú na konštantný zdroj stlačeného vzduchu.
Výrobné závody používajú stlačený vzduch na pohon pneumatických vŕtačiek a lisov a na zdvíhanie predmetov a premiestňovanie materiálov. Výrobné závody používajú pneumatický stroj na držanie nedokončených výrobkov na zváranie, tvrdé spájkovanie a tvárnenie.
Čo sú súčasti pneumatického systému?
Vzduchový kompresor - Vzduchový kompresor nasáva vzduch z atmosféry, tlakuje ho a skladuje stlačený vzduch v nádrži na uvoľnenie do prevodovej sústavy.
Hlavný vodič - Hlavný vodič, napríklad elektrický motor alebo plynový motor, dodáva energiu vzduchovému kompresoru.
Ovládacie zariadenia - Ventily regulujú tlak a riadia prietok a smer.
Vzduchová nádrž - V nádrži je stlačený vzduch dodávaný do mechanických zariadení.
Aktuátory - Ide o zariadenia, ktoré odoberajú energiu zo stlačeného vzduchu a premieňajú ju na mechanické pohyby.
Prenosový systém - Sieť potrubí a potrubí dopravuje stlačený vzduch k aktuátorom.
Aké sú výhody pneumatických systémov?
Účinnosť - Prívod vzduchu je bezplatný a neobmedzený. Stlačený vzduch sa ľahko skladuje, transportuje a dá sa uvoľniť do životného prostredia bez nákladných úprav.
Jednoduchý dizajn - Konfigurácia a komponenty pneumatického systému majú jednoduchý dizajn a ľahko sa udržiavajú. Sú odolnejšie a nedajú sa ľahko poškodiť.
Schopnosť pracovať pri vyšších rýchlostiach - Pneumatické systémy môžu ovládať akčné členy rýchlejšie, napríklad na výrobných linkách na balenie. Lineárne a oscilačné pohyby sa dajú ľahko nastaviť pomocou ventilu na reguláciu tlaku na reguláciu prietoku a tlaku.
Čistota - Žiadne riziko úniku hydraulických kvapalín, ktoré znečisťujú životné prostredie. Na pracoviskách, ktoré vyžadujú vysokú úroveň čistoty, sa uprednostňujú pneumatické systémy. Zariadenia na odpadový vzduch čistia vzduch, ktorý sa uvoľňuje späť do atmosféry.
Menej nákladné - Pneumatické komponenty sú lacnejšie a stlačený vzduch je vo výrobných priestoroch bežne k dispozícii. Náklady na údržbu sú v porovnaní s hydraulickými systémami nižšie.
Bezpečnejšia pre prevádzku - Pneumatické systémy sa dajú bezpečne používať v horľavých prostrediach bez nebezpečenstva požiaru alebo výbuchu. Pneumatické komponenty sa pri preťažení neprehrejú ani sa nezapália.
Schopný fungovať v drsnom prostredí - Prach, vysoké teploty a korozívne prostredie majú menší vplyv na pneumatické systémy v porovnaní s hydraulikou.
Aké sú nevýhody pneumatických systémov?
Znížený výkon - Pneumatické systémy typicky pracujú pri tlaku nižšom ako 150 psi a poskytujú menšiu celkovú silu na ovládače. Pneumatické valce sú zvyčajne malé a nemajú silu zvládnuť veľké bremená.
Hlučné - Vzduchové kompresory vytvárajú väčší hluk a stlačený vzduch je pri uvoľňovaní z ovládacích prvkov hlučný.
Hrubý pohyb - Pretože je vzduch stlačiteľný, môže byť pohyb pneumatických ovládačov drsný, čo znižuje presnosť pohybov systému. Rýchlosti piestov sú nerovnomerné. Pohyby hydrauliky sú plynulejšie.
Potrebujete predbežnú úpravu vzduchu - Pred použitím je potrebné vyčistiť vzduch, aby sa odstránili častice vody a prachu. Pokiaľ sa tak nestane, zvýšené trenie medzi ovládacími zariadeniami a pohybujúcimi sa súčasťami opotrebuje diel a vyžaduje predčasnú opravu alebo výmenu.
Hydraulické systémy versus pneumatické systémy
Hydraulické pohony sú vhodnejšie pre operácie, ktoré vyžadujú veľkú silu. Sú robustné a môžu vytvárať sily až 25-krát väčšie ako pneumatický pohon s rovnako veľkým piestom. Hydraulické systémy môžu pracovať aj do tlaku 4 000 psi. Pneumatické pohony sú zvyčajne nižšie ako 150 psi.
Stlačiteľnosť vzduchu a tlakové straty znižujú účinnosť pneumatických systémov. Kompresor musí bežať nepretržite, aby sa udržal tlak v potrubí, aj keď sa akčné členy nepohybujú; hydraulické systémy dokážu udržiavať konštantný tlak bez chodu čerpadla.