هیدرولیک(تاریخچه-علم هیدرولیک-طرز کار فرمان های هیدرولیکی)

تاریخچه هیدرولیک

انسان کشاورزی را از گذشته های دورآغاز نموده و به علت نیاز به مواد غذایی حاصل از آن نمی تواند ارتباط خود را با این حرفه قطع نماید، با توجه به اینکه کشاورزی وابستگبی مطلق به آب داشته  و استفاده بهتر از آب ، آبادانی و محصول بیشتری را در پی خواهد داشت، انسانها همواره در پی یافتن راههایی برای استفاده بهینه از آب  و انرژی آبی بوده اند. در قرن هشتم میلادی بشر موفق به کشف چرخ آبی گردید. بکارگیری چرخ آبی توشط مصریان جهت آبیاری مزارع اولین گامها در آشنایی و استفاده از علم هیدرولیک بود با این حال تا قرن 16 میلادی هنوز قدمهای جدی در این راه برداشته نشده بود تا اینکه توریچلی دانشمند ایتالیایی توانست مقدار فشار اتمسفر را توسط بارومتر اندازه گیری نماید

در قرن هفدهم میلادی  یک دانشمند اروپایی به نام پاسکال قوانین اولیه هیدرولیک را پایه ریزی نمود. بر اساس قانون پاسکال فشار وارده بر هر نقطه از یک مایع محبوس بطور مساوی در تمام جهات منتقل شده و با نیروی مساوی بر روی سطوح مساوی اثر می کند. به عبارت دیگر فشار وارده بر مایعات داخل ظروف بسته در تمام نقاط برابر است.

پرس های هیدرولیکی برای اولین بار بر پایه این قانون ساخته شدند.

در قرن نوزدهم میلادی پرسهای هیدرولیک آبی اختراع شدند و در قرن بیستم میلادی هیدرولیک روغنی در صنایع بطور وسیعی مورد استفاده قرار گرفت.

مزایا و معایب سیستمهای هیدرولیکی روغنی

مزایای سیستمهای هیدرولیک

1)      سادگی طراحی و نصب آسان قطعات هیدرولیک به دلیل استاندارد بودن آنها.

2)      تولید و انتقال نیروهای بزرگ توسط قطعات کوچک هیدرولیکی.

3)      افزایش عمر قطعات بدلیل استفاده از روغن در داخل سیستم های هیدرولیک و کاهش میزان فرسایش.

4)      امکان بدست آوردن نیرو، فشار، گشتاور و سرعتهای غیر پله ای و یا اصطلاحا"

داشتن تعداد بی نهایت سرعت، فشار و نیرو.

5)      انعطاف پذیری بسیار زیاد سیستم  با استفاده از لوله و شلنگ ها.

6)      سرویس و نگهداری آسان و امکان کنترل سیستم توسط تعدادی فشار سنج و حرارت سنج.

7)      امکان تعویض جهت حرکت با سرعت زیاد.

8)      بکارگیری نیروی  کم کارگری و امکان اتوماسیون کامل سیستم.

9)      اقتصادی بودن بکارگیری سیستمهای هیدرولیک.

معایب سیستمهای هیدرولیک

1)      درصورت استفاد از روغن نا مناسب و یا اشکال در طراحی مسیر ها ، افت فشار و در نتیجه اتلاف انرژی وجود خواهد داشت.

2)   فشار در سیستم های هیدرولیک زیاد بوده و به همین دلیل لوله و شلنگهای قوی و بست های بسیار دقیق جهت آب بندی مورد نیاز می باشد.

3)   بدلیل حساسیت بسیار زیاد سیستمهای هیدرولیک، وجود کوچک ترین مقدار گرد و خاک ، زندگ زدگی و آشغال در داخل سیستم باعث خرابی آن می گردد.

ساختار یک سیستم هیدرولیک

اگر دو جک هیدرولیک توسط یک لوله به یکدیگر ارتباط دهیم و بر روی یکی از جکها یک وزنه یک کیلوگرمی قرار دهیم ، جک ئوم به سمت بالا خرکت خواهد کرد. مقدار جابجایی ،جک دوم معادل مقدار مایع هم وزن  با وزنه روی جک اول

می باشد. به عبارت دیگر وزن مایع جابجا شده نیز یک کیلوگرم خواهد بود.

یک وزن یک کیلوگرمی بر روی سطحی با سطح مقطع 10cm و یک وزنه 10

 کیلوگرمی بر روی سطحی با سطح مقطع 100cm قرار گیرد می تواند وزنه ی

1 کیلوگرمی ، وزنه ی 10 کیلوگرمی را با حرکت خود به حرکت در آورد.

در زیر به عنوان مثال سیستم فرمان هیدرولیکی و انواع آن و طرز کارکرد هر یک  را مورد بررسی قرار می دهیم:

 سیستمهای فرمان هیدرولیکی

در ماشین های  امروزی سه نوع سیستم فرمان وجود دارد:

1-سیستم فرمان دستی 2- سیستم فرمان نیمه هیدرولیکی 3- سیستم فرمان هیدرولیکی شامل:

الف- فرمان هیدرولیکی با اتصالات مکانیکی

ب- فرمان هیدرواستاتیک

ج- فرمان هیدرولیک با پمپ مقیاس

سیستم فرمان دستی

غربیلک فرمان در این نوع سیستم مستقیما" به چرخها اتصال یافته و اپراتور تمام عملیات فرمان گیری را انجام می دهد. در این جا از سیستمهای هیدرولیک استفاده نشده و کار بصورت مکانیکی صورت می پذیرد.

فرمان هیدرولیکی

در سیستم تمام هیدرولیکی نیروی اعمالی از سوی اپراتور به غربیلک فرمان تنها برا ی باز کردن شیرهای هیدرولیک به کار می رود.

تمام نیروی لازم برای فرمان گیری چرخها توسط پمپ در سیستم هیدرولیک تأمین می گردد. این سیستمها به سه دسته تقسیم می شوند.

الف- فرمان هیدرولیک با اتصالات مکانیکی

برای فرمان دهی ماشین به سمت راست اپراتور غربیلک را به سمت راست می چرخاند. بدلیل وجود مقاومت در مقابل چرخش از جانب چرخها ، شفت فرمان از داخل مهره حلزونی به بیرون رانده می شود. با حرکت اسپول شیر فرمان روغن به سمت چپ پیستون جک راه می یابد.

حرکت پیستون جک باعث حرکت یک پینیون و شانه و نهایتا" چرخها به سمت مورد نظر می گردد.روغن سمت دیگر جک از طریق شیر قرقره ای به مخزن باز می گردد.

تا زمانیکه غربیلک فرمان گردانده می شود،روغن به حرکت دادن جک فرمان ادامه

می دهد . با متوقف شدن غربیلک،فشار هیدرولیک باعث می شود چرخها کمی بیشتر به سمت راست گردش کنند و این باعث می شود اتصالات مکانیکی فرمان به سمت جلو حرکت کرده و شیر قرقره ای را به حالت خلاص بر گردانند.

ب- فرمان هیدرو استاتیک

در این نوع سیستم فرمان هیچ گونه اتصال مکانیکی بین شیر فرمان و جک فرمان وجود ندارد. اساس کار مانند حالت قبل است با این تفاوت که بجای اتصالات مکانیکی از شلنگهای هیدرولیک استفاده شده است.

وقتی اپراتور غربیلک فرمان متصل می باشد را به سمت راست می چرخاند،شفت فرمان که بصورت رزوه دار به صورت مکانیکی به پیستونی فرمان متصل می باشدسعی دارد پیستون را به سمت بالا بکشد. بدلیل محبوس بودن روغن در این زمان ، بجای بالا آمدن، پیستون شفت به سمت پایین حرکت کرده و حلقه اتصالی را نیز هل می دهد.

در این حالت صفحه محوری حول محور چرخیده و باعث رانش میله باز کننده شیر فشار و شیر برگشت می شود.

وقتی شیرها باز شدند، روغن پر فشار وارد شیرفرمان شده و پیستون آن را به سمت بالا

 می راند.به این ترتیب روغن سمت دیگر پیستون به جک سمت راست فرمان انتقال یافته ،چرخهای جلو را به سمت راست می گرداند.

زمانیکه چرخها به سمت راست می گردند، روغن جک سمت چپ تخلیه شده و از طریق شیر برگشت روغن به مخزن ویا ورودی پمپ باز می گردد.

وقتی اپراتور غربیلک فرمان را متوقف می کند، شفت فرمان بوسیله پیستون شیر فرمان به سمت بالا رانده شده و با خود حلقه اتصالی را نیز بالا می برد. در این زمان صفحه محوری به حالت اول برگشته و شیرها را مسدود می سازد.با فرمان گیری به سمت چپ همین عملیات بصورت معکوس رخ می دهد.

ج- فرمان هیدرولیکی با پمپ مقیاس

این سیستم فرمان شامل سه قسمت عمده می باشد که عبارتند از:

1-     پمپ مقیاس  2- شیر فرمان  3- موتورفرمان 

در این نوع فرمان نیز مانند فرمان هیدرواستاتیک، هیچ اتصال مکانیکی بین اجزاء وجود ندارد.وقتی اپراتور غربیلک فرمان را به سمت راست می گرداند،چرخ دنده های پمپ مقیاس روغن را به پوسته شیر فرمان  و به انتهای سمت چپ پیستون باز خورد هدایت می کند. این روغن ( با فشارکم) شیر فرمان را به سمت راست می راند.

حرکت شیر فرمان مدار روغن پر فشار را به انتهای سمت چپ پیستون جک فرمان باز

 می کند. روغن سمت راست پیستون به راهگاه روغن در شیر فرمان رفته و از آنجا  به مخزن باز می گردد.

روغن انتهای سمت راست پیستون بازخورد با حرکت پیستون به بیرون رانده شده و از طریق شیر فرمان به پمپ مقیاس باز میگردد.

این حرکت پیستون های باز خورد و جک فرمان از چپ به راست سبب چرخش محور چرخها در جهت عقربه های ساعت و گردش چرخهای جلو به سمت راست می گردد.

وقتی اپراتور گرداندن غربیلک فرمان را متوقف می سازد،چرخ دنده های پمپ مقیاس

راندن روغن را به شیر فرمان قطع می کنند. فشار مدار، از سمت راست پیستون بازخورد به شیر فرمان( ناشی از حرکت پیستون بازخورد) به سمت راست شیر فرمان نیرو وارد می سازد.

شیر به سمت چپ رانده می شود، و راه گاه روغن پر فشار از پمپ اصلی را مسدود ساخته و حرکت گردشی را متوقف می سازد.شیر به حالت مرکزی باز گشته و روغن را در دوسمت پیستون جک فرمان محبوس می کند. روغن محبوس چرخها را رد خالت راست نگه می دارد تا اپراتور مجددا" غربیلک فرمان را بگرداند.

اگر روغن مدار کنترل نشتی داشته باشد ، فشار مدرا افت خواهد کرد. کاهش فشار سبب باز شدن شیر جبران کننده شده و اجازه می دهد روغن برگشتی از پیستون جک فرمان کمبود روغن مدار کنترل را جبران نماید.

فرمان گیری دستی با پمپ مقیاس فرمان

در صورتیکه روغن پر فشار به پوسته شیر فرمان تغذیه نشود، فرمان گیری ماشین

می بایست بصورت دستی انجام گیرد. در صورت نبودن روغن پر فشار ، شیر یکطرفه ورودی مانع ورود روغن سیستم فرمان به مدار فشاری سیستم هیدرولیک می گردد.

وقتی اپراتور فرمان را به سمت راست می چرخاند،روغن سیستم فرمان مجددا" به سمت چپ در شیر فرمان و سمت چپ پیستون باز خورد هدایت می شود.

در این حالت فشار کافی به سمت چپ در شیر فرمان اعمال می شود تا شیر یکطرفه دستی باز شود.سپس روغن از شیر فرمان به سمت چپ پیستون جک فرمان راه می یابد. نیروی روغن موجود برروی پیستون بازخورد و پیستون جک ،هر دو پیستون را به سمت راست رانده و در نتیجه محور چرخها و چرخها به سمت راست گردانده می شوند.

با حرکت پیستون، روغن از سمت راست پیستون بازخورد به خارج رانده شده و از طریق پوسته شیر فرمان به پمپ مقیاس بازمی گردد.

روغن سمت راست پیستون جک فرمان به راهگاه روغن راه می یابد ، اما به مخزن روغن باز نمی گردد. این باعث می شود شیر جبران کننده سمت راست باز شده و روغن راهگاه به روغن برگشتی از پیستون باز خورد متصل شود. به این ترتیب روغن در مدار فرمان یک چرخه را طی می کند.

وقتی اپراتور گرداندن غربیلک فرمان را متوقف می سازد ، جریان روغن از پمپ مقیاس به شیر فرمان قطع می گردد.شیر یکطرفه فرمان گیری دستی در جای خود می نشیند وحرکت گردشی را متوقف می سازد. تمام روغن سیستم فرمان محبوس شده و تا زمانی که اپراتور مجددا" فرمان را بگرداند چرخها در جهت راست باقی می مانند.

فرمان نیمه هیدرولیک

در فرمانهای نیمه هیدرولیک نیروی لازم برای فرمان گیری چرخها بصورت ترکیبی از نیروی دستی و نیروی هیدرولیکی تأمین می گردد. این سیستم ها در ماشین هایی

 بکار میروند که می بایست اپراتور فرمان گیری را کاملا" حس نماید.

در این سیستمها میزان فشاری که در سیستم فرمان بوجود می آید نسبت مستقیمی با نیروی اعمالی از سوی اپراتور دارد. معمول ترین استفاده از این سیستم در تراکتورهای زنجیری می باشد.

فرمان گیری در تمام شرایط

اگر در سیستم های فرمان هیدرولیک فشار روغن از بین برود ، اپراتور میتواند بصورت دستی فرمان گیری نماید. این مسئله در فرمانهای هیدرواستاتیک نیز صادق  می باشد.

این کار با محبوس شدن روغن در شیر فرمان واستفاد از پیستون شیر فرمان بعنوان یک موتور، انجام می گیرد. در گردش به راست ،پیستون شیر فرمان به سمت بالا کشیده

 می شود و روغن را به سمت راست جک فرمان می راند . در گردش به چپ ، پیستون شیر فرمان به سمت پایین رانده شده ،روغن را به سمت چپ جک هدایت می کند.