คำจำกัดความของระบบไฮดรอลิกและนิวเมติก

อัปเดตเมื่อ 08 กุมภาพันธ์ 2019

โดย จิม วูดรัฟฟ์

บทวิจารณ์โดย: Michelle Seidel, B.Sc., LL.B., MBA

อุปกรณ์ไฮดรอลิกและนิวแมติกอยู่รอบตัวเรา ใช้ในการผลิต การขนส่ง อุปกรณ์ขนย้ายดิน และยานพาหนะทั่วไปที่เราเห็นทุกวัน

เบรกบนรถของคุณทำงานด้วยระบบไฮดรอลิก รถขนขยะที่ผ่านบ้านคุณทุกสัปดาห์ใช้พลังงานไฮดรอลิกเพื่ออัดขยะ ช่างของคุณใช้ลิฟต์ไฮดรอลิกเมื่อทำงานใต้ท้องรถของคุณ

ระบบนิวเมติกก็แพร่หลายไม่แพ้กัน รถบรรทุกและรถโดยสารใช้เบรกกระตุ้นด้วยลม ช่างพ่นสีใช้ลมอัดในการพ่นสี เคยหงุดหงิดในตอนเช้าด้วยเสียงของแม่แรงหรือไม่? นั่นเป็นเครื่องจักรลมที่ทำงานหนักโดยใช้ลมอัด

ในปี ค.ศ. 1647 นักคณิตศาสตร์ชาวฝรั่งเศส แบลส ปาสกาล ได้พัฒนาหลักการของกลศาสตร์ของไหลที่เรียกว่ากฎของปาสกาล โดยระบุว่าเมื่อใช้แรงดัน ณ จุดใดๆ ในของเหลวที่กักเก็บ แรงดันจะเพิ่มขึ้นเท่าๆ กันที่ทุกจุดในภาชนะ แม้ว่าหลักการนี้อาจฟังดูซับซ้อน แต่ก็เป็นพื้นฐานสำหรับการทำงานของระบบไฮดรอลิก

สมมติว่าคุณมีกระบอกสูบกลวงที่มีลูกสูบที่มีพื้นที่ 2 ตารางนิ้วและได้รับแรงป้อนเข้า 100 ปอนด์ ส่งผลให้มีความดัน 50 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (100 ปอนด์/2 ตารางนิ้ว)

แรงดันนี้จะถูกส่งผ่านโดยระบบส่งกำลังไฮดรอลิกไปยังอีกกระบอกหนึ่ง เรียกว่าแอคทูเอเตอร์ ซึ่งมีลูกสูบที่มีพื้นที่ 6 ตารางนิ้ว ที่ 50 psi ตอนนี้กระบอกสูบนี้มีกำลังส่งออกที่ 300 ปอนด์ (50 psi X 6 ตารางนิ้ว)

กฎของปาสกาลทำให้ระบบไฮดรอลิกได้เปรียบ อินพุตที่น้อยที่สุดไปยังอุปกรณ์ขนาดเล็กอาจส่งผลให้มีเอาต์พุตแรงที่มากขึ้นในแอคทูเอเตอร์ที่ใหญ่ขึ้น เป็นวิธีง่ายๆ ในการคูณกำลังส่งออกที่เพียงพอเพื่อรองรับปริมาณงานที่หนัก

เนื่องจากระบบไฮดรอลิกสามารถทำงานที่ความดันสูงถึงหลายพัน psi แรงขับที่แอคชูเอเตอร์จึงมีมาก ด้วยแรงขับที่สูงขึ้นนี้ แอคทูเอเตอร์เชิงกลจึงมีกำลังในการยกของหนัก ดัน และเคลื่อนย้ายงาน เช่น ขนย้ายดิน

ระบบไฮดรอลิกใช้เครือข่ายส่งกำลังเพื่อบรรทุกของเหลวที่มีแรงดันซึ่งขับเคลื่อนตัวกระตุ้นไฮดรอลิก น้ำมันไฮดรอลิกได้รับแรงดันจากปั๊มที่ขับเคลื่อนโดยตัวขับเคลื่อนหลัก เช่น มอเตอร์ไฟฟ้าหรือเครื่องยนต์แก๊ส/ดีเซล น้ำมันที่มีแรงดันจะถูกกรอง วัด และผลักออกผ่านระบบส่งกำลังไปยังแอคทูเอเตอร์เพื่อดำเนินการบางอย่าง หลังจากนั้น ของเหลวจะส่งกลับภายใต้แรงดันต่ำไปยังอ่างเก็บน้ำ ซึ่งจะทำความสะอาดและกรองก่อนที่จะส่งกลับไปยังปั๊ม

ระบบไฮดรอลิกใช้ในโรงงานผลิตและการผลิต เช่น อุตสาหกรรมเหล็กและรถยนต์ เพื่อใช้งานอุปกรณ์เครื่องกลทุกประเภท ใช้ในการเคลื่อนย้าย ผลัก และยกวัสดุในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น การขุด ขนย้ายดิน และการก่อสร้าง

น้ำมันไฮดรอลิก – น้ำมันไฮดรอลิกไม่สามารถบีบอัดได้และมีจุดวาบไฟต่ำ

อ่างเก็บน้ำ – อ่างเก็บน้ำเก็บของเหลวสำหรับระบบ มีพื้นที่สำหรับการขยายตัวของของไหล ช่วยให้อากาศไหลผ่านเข้าไปในของเหลวได้ และช่วยให้ของเหลวเย็นลง ของไหลไหลจากอ่างเก็บน้ำไปยังปั๊ม ซึ่งบังคับให้ไหลผ่านเครือข่ายท่อและสุดท้ายกลับไปที่อ่างเก็บน้ำ

อุปกรณ์กรอง – อนุภาคโลหะขนาดเล็กและสิ่งแปลกปลอมอื่นๆ มักจะเข้าไปในของเหลว ระบบไฮดรอลิกใช้ตัวกรองและตัวกรองหลายตัวเพื่อขจัดอนุภาคแปลกปลอมเหล่านี้ การปนเปื้อนของไหลเป็นหนึ่งในสาเหตุของปัญหาที่พบบ่อยที่สุดในระบบไฮดรอลิก

ผู้เสนอญัตติสำคัญ – ใช้มอเตอร์ไฟฟ้าหรือเครื่องยนต์ดีเซลที่ขับเคลื่อนด้วยแก๊สเพื่อขับเคลื่อนปั๊มของเหลว

ปั๊ม – ปั๊มดึงของเหลวจากอ่างเก็บน้ำและบังคับผ่านวาล์วควบคุมแรงดันและออกจากเครือข่ายส่งกำลังไปยังแอคทูเอเตอร์

ตัวเชื่อมต่อ – โครงข่ายประกอบด้วยท่อ ท่อ และท่ออ่อนที่ลำเลียงของเหลวไปยังตัวกระตุ้นเชิงกล

วาล์ว – วาล์วต่างๆ ควบคุมปริมาณการไหลของของไหล ความดัน และทิศทาง

แอคทูเอเตอร์ – แอคทูเอเตอร์เป็นอุปกรณ์ที่เคลื่อนไหวในการทำงาน สามารถหมุนได้ เช่น มอเตอร์ไฮดรอลิก หรือเชิงเส้น เช่น กระบอกสูบ

ระบบไฮดรอลิกมีข้อดีหลายประการเหนือระบบขับเคลื่อนด้วยลมและระบบขับเคลื่อนเชิงกลประเภทอื่นๆ เนื่องจาก:

• ใช้ส่วนประกอบขนาดเล็กเพื่อถ่ายเทกำลังขนาดใหญ่ด้วยเอาต์พุตกำลังที่สม่ำเสมอ
• มีตัวกระตุ้นที่สามารถกำหนดตำแหน่งได้อย่างแม่นยำ
• สามารถสตาร์ทได้ภายใต้การโหลดเริ่มต้นที่หนักหน่วง
• ให้การเคลื่อนไหวที่สม่ำเสมอและราบรื่นภายใต้ภาระที่แตกต่างกัน เนื่องจากของเหลวไม่สามารถบีบอัดได้ และสามารถควบคุมอัตราการไหลได้อย่างแม่นยำด้วยวาล์ว
• ให้กำลังสม่ำเสมอที่ความเร็วปานกลางเมื่อเทียบกับระบบนิวแมติก
• ควบคุมและควบคุมได้ง่ายด้วยวาล์วควบคุมแรงดัน ทิศทาง และการไหล
• กระจายความร้อนได้ง่ายและรวดเร็ว
• ทำงานได้ดีในสภาพแวดล้อมที่ร้อน

• ปั๊ม วาล์ว เครือข่ายส่งกำลัง และแอคทูเอเตอร์มีราคาแพง
• พวกเขาสามารถก่อให้เกิดมลพิษในสถานที่ทำงานด้วยการรั่วไหลซึ่งอาจทำให้เกิดอุบัติเหตุหรือไฟไหม้ได้
• ไม่เหมาะสำหรับการขี่จักรยานด้วยความเร็วสูง
• น้ำมันไฮดรอลิกมีความไวต่อการปนเปื้อนสิ่งสกปรกและต้องได้รับการทดสอบอย่างสม่ำเสมอ
• เส้นแรงดันสูงอาจทำให้เกิดการบาดเจ็บได้
• สมรรถนะของของไหลไฮดรอลิกคือหน้าที่ของการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ซึ่งอาจทำให้ความหนืดเปลี่ยนแปลงได้

น้ำมันไฮดรอลิกส่วนใหญ่มีพื้นฐานมาจากน้ำมันแร่ โพลีอัลฟาโอเลฟินส์ และเอสเทอร์ฟอสเฟต เนื่องจากมีการอัดตัวต่ำ น้ำไม่เหมาะสมเพราะสามารถแข็งตัวได้ในอุณหภูมิที่เย็นจัดและเดือดในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง น้ำยังสามารถทำให้เกิดการกัดกร่อนและการเกิดสนิมได้

1. ส่งกำลังและแรงผ่านสายตัวนำไปยังแอคทูเอเตอร์เพื่อดำเนินการเคลื่อนไหว
2. หล่อลื่นส่วนประกอบ อุปกรณ์ วาล์ว และแอคทูเอเตอร์ในวงจร
3. ทำหน้าที่เป็นสารหล่อเย็นโดยการถ่ายเทความร้อนออกจากจุดร้อนใดๆ ในระบบ
4. ปิดผนึกช่องว่างระหว่างชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและลดความร้อนจากการรั่วซึมที่มากเกินไป

คุณสมบัติและคุณลักษณะบางประการของของไหลไฮดรอลิกมีดังนี้:

ความหนืด - ความหนืดคือความต้านทานภายในของของไหลต่อการไหล มันเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น น้ำมันไฮดรอลิกที่ยอมรับได้จะต้องสามารถให้การซีลที่ดีที่ลูกสูบ วาล์ว และปั๊ม แต่ไม่หนาจนขัดขวางการไหลของของเหลว

ของเหลวที่มีความหนืดสูงอาจทำให้สูญเสียพลังงานและอุณหภูมิในการทำงานสูงขึ้น ของเหลวที่บางเกินไปอาจทำให้ชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวสึกหรอมากเกินไป

ความคงตัวทางเคมี - น้ำมันไฮดรอลิกต้องมีความเสถียรทางเคมี ต้องทนต่อการเกิดออกซิเดชันและมีเสถียรภาพภายใต้สภาวะการทำงานที่รุนแรง เช่น อุณหภูมิสูง การทำงานเป็นเวลานานที่อุณหภูมิสูงอาจทำให้อายุการใช้งานของของเหลวสั้นลง

จุดวาบไฟ - จุดวาบไฟคืออุณหภูมิเมื่อของเหลวกลายเป็นไอในปริมาณที่เพียงพอต่อการจุดไฟหรือวาบเมื่อสัมผัสกับเปลวไฟ น้ำมันไฮดรอลิกต้องมีจุดวาบไฟสูงเพื่อต้านทานการเผาไหม้และมีการระเหยในระดับต่ำที่อุณหภูมิปกติ

จุดไฟ - จุดไฟ คือ อุณหภูมิที่ของไหลกลายเป็นไอในปริมาณที่พอเหมาะที่จะจุดไฟเมื่อถูกเปลวไฟและเผาไหม้ต่อไป เช่นเดียวกับจุดวาบไฟ น้ำมันไฮดรอลิกที่ยอมรับได้ต้องมีจุดไฟสูง

ระบบนิวเมติกเป็นเหมือนระบบไฮดรอลิก แต่ใช้อากาศอัดแทนของไหลเพื่อส่งกำลัง พวกเขาพึ่งพาแหล่งอากาศอัดคงที่เพื่อควบคุมพลังงานและกระตุ้นอุปกรณ์การเคลื่อนไหว

โรงงานผลิตใช้อากาศอัดในการขับเคลื่อนสว่านและเครื่องอัดลม และเพื่อยกสิ่งของและเคลื่อนย้ายวัสดุ โรงผลิตใช้เครื่องนิวแมติกเพื่อเก็บผลิตภัณฑ์ที่ยังไม่เสร็จสำหรับการเชื่อม การประสาน และการขึ้นรูป

เครื่องอัดอากาศ - เครื่องอัดอากาศดึงอากาศจากบรรยากาศ อัดอากาศ และเก็บอากาศอัดไว้ในถังเพื่อปล่อยสู่ระบบส่งกำลัง

ไพร์มไดรเวอร์ - ตัวขับหลัก เช่น มอเตอร์ไฟฟ้าหรือเครื่องยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยแก๊ส ให้กำลังแก่เครื่องอัดอากาศ

อุปกรณ์ควบคุม - วาล์วควบคุมแรงดันและควบคุมการไหลและทิศทาง

ถังลม - ถังเก็บอากาศอัดเพื่อส่งไปยังอุปกรณ์ทางกล

แอคทูเอเตอร์ - เป็นอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานจากอากาศอัดและแปลงเป็นการเคลื่อนไหวทางกล

ระบบส่งกำลัง - เครือข่ายท่อและท่อลำเลียงอากาศอัดไปยังแอคทูเอเตอร์

ประสิทธิภาพ - การจัดหาอากาศนั้นฟรีและไม่จำกัด อากาศอัดนั้นง่ายต่อการจัดเก็บ ขนส่ง และสามารถปล่อยสู่สิ่งแวดล้อมได้โดยไม่ต้องใช้ค่ารักษาที่แพง

การออกแบบที่เรียบง่าย - โครงสร้างและส่วนประกอบของระบบนิวแมติกมีการออกแบบที่เรียบง่ายและบำรุงรักษาง่าย มีความทนทานและไม่เสียหายง่าย

ความสามารถในการทำงานด้วยความเร็วสูงขึ้น - ระบบนิวเมติกสามารถสั่งงานแอคทูเอเตอร์ในวงจรที่เร็วขึ้น เช่น ในสายการผลิตบรรจุภัณฑ์ การเคลื่อนไหวเชิงเส้นและการแกว่งนั้นปรับได้ง่ายโดยใช้วาล์วควบคุมแรงดันเพื่อควบคุมอัตราการไหลและแรงดัน

ความสะอาด - ไม่เสี่ยงการรั่วไหลของของเหลวไฮดรอลิกที่ก่อให้เกิดมลพิษต่อสิ่งแวดล้อม ระบบนิวเมติกเป็นที่ต้องการในสถานที่ทำงานที่ต้องการความสะอาดในระดับสูง อุปกรณ์ระบายอากาศจะทำความสะอาดอากาศที่ถูกปล่อยกลับสู่ชั้นบรรยากาศ

ค่าใช้จ่ายน้อยลง - ส่วนประกอบนิวเมติกมีราคาไม่แพง และอากาศอัดก็มีให้ใช้อย่างแพร่หลายในพื้นที่การผลิต ค่าบำรุงรักษาต่ำกว่าระบบไฮดรอลิก

ปลอดภัยในการใช้งาน - ระบบนิวเมติกปลอดภัยต่อการใช้งานในสภาพแวดล้อมที่ติดไฟได้โดยไม่มีอันตรายจากไฟไหม้หรือการระเบิด ส่วนประกอบนิวเมติกไม่ร้อนเกินไปหรือติดไฟเมื่อโอเวอร์โหลด

สามารถทำงานได้ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง - ฝุ่นละออง อุณหภูมิสูง และสภาพแวดล้อมที่กัดกร่อนมีผลกระทบต่อระบบนิวแมติกน้อยกว่าเมื่อเทียบกับระบบไฮดรอลิกส์

พลังงานลดลง - ระบบนิวเมติกมักจะทำงานที่น้อยกว่า 150 psi และให้แรงรวมที่แอคทูเอเตอร์น้อยกว่า กระบอกสูบนิวเมติกมักมีขนาดเล็กและไม่มีกำลังพอที่จะรองรับงานหนักได้

เสียงดัง - เครื่องอัดอากาศสร้างเสียงรบกวนมากขึ้นและอากาศอัดจะมีเสียงดังเมื่อปล่อยออกจากแอคทูเอเตอร์

การเคลื่อนไหวที่รุนแรง - เนื่องจากอากาศอัดได้ การเคลื่อนที่ของตัวกระตุ้นแบบนิวแมติกอาจหยาบ ซึ่งลดความแม่นยำของการเคลื่อนไหวของระบบ ความเร็วลูกสูบไม่เท่ากัน การเคลื่อนที่ของไฮดรอลิกนั้นราบรื่นกว่า

ต้องการการบำบัดอากาศล่วงหน้า - ก่อนใช้งาน อากาศต้องมีการประมวลผลเพื่อกำจัดน้ำและฝุ่นละออง หากยังไม่เสร็จสิ้น แรงเสียดทานที่เพิ่มขึ้นระหว่างอุปกรณ์ควบคุมและส่วนประกอบที่เคลื่อนที่จะทำให้ชิ้นส่วนสึกหรอและต้องซ่อมแซมหรือเปลี่ยนก่อนเวลาอันควร

แอคทูเอเตอร์ไฮดรอลิกเหมาะสำหรับงานที่ต้องการแรงสูง มีความทนทานและสามารถผลิตแรงได้มากกว่าตัวกระตุ้นแบบนิวแมติกที่มีลูกสูบขนาดเท่ากันถึง 25 เท่า ระบบไฮดรอลิกสามารถทำงานได้ถึง 4,000 psi ตัวกระตุ้นแบบนิวเมติกมักจะน้อยกว่า 150 psi

การบีบอัดของอากาศและการสูญเสียแรงดันลดประสิทธิภาพของระบบนิวแมติก คอมเพรสเซอร์ต้องทำงานอย่างต่อเนื่องเพื่อรักษาแรงดันในท่อแม้ว่าแอคทูเอเตอร์จะไม่เคลื่อนที่ ระบบไฮดรอลิกสามารถเก็บแรงดันคงที่โดยไม่ต้องปั๊มทำงาน