هیدرولیک و پنوماتیک چیست

توسعه علم هیدرولیک زمانی شروع شد كه پاسكال دانشمند فرانسوي قوانین مربوط به فشار را كشف كرد) ۱۵۶۱ میلادي( و
هیدرولیک را به عنوان يک علم نوين پايه گذاري نمود. از آن تاريخ به بعد دوران شكوفايی هیدرولیک پديد آمد و اين علم به
نحو چشمگیري وارد بازار گرديد. امروزه هیدرولیک در ساختمان ماشین آلات صنعتی، كشاورزي، راهسازي، هواپیمايی، كشتی
سازي، اتوموبیل سازي، ماشینهاي ابزار، تاسیسات صنايع سنگین، معدن و . . . در مقیاس وسیعی استفاده میشود و روز به روز نیز
افزايش میابد.
امروزه در بسیاري از فرآيندهاي صنعتی ، انتقال قدرت آن هم به صورت كم هزينه و با دقت زياد مورد نظر است در همین راستا
بكارگیري سیال تحت فشار در انتقال و كنترل قدرت در تمام شاخه هاي صنعت رو به گسترش است. استفاده از قدرت سیال به دو
شاخه مهم هیدرولیک و نیوماتیک ) كه جديدتر است ( تقسیم میشود .
از نیوماتیک در مواردي كه نیروهاي نسبتا پايین )حدود يک تن( و سرعت هاي حركتی بالا مورد نیاز باشد )مانند سیستمهايی كه
در قسمتهاي محرک رباتها بكار می روند( استفاده میكنند در صورتیكه كاربردهاي سیستمهاي هیدرولیک عمدتا در مواردي است
كه قدرتهاي بالا و سرعت هاي كنترل شده دقیق مورد نظر باشد)مانند جک هاي هیدرولیک ، ترمز و فرمان هیدرولیک و…(.
حال اين سوال پیش میايد كه مزاياي يک سیستم هیدرولیک يا نیوماتیک نسبت به ساير سیستمهاي مكانیكی يا الكتريكی
چیست؟در جواب می توان به موارد زير اشاره كرد:
۱٫طراحی ساده ۲٫قابلیت افزايش نیرو ۳٫ سادگی و دقت كنترل
۴٫ انعطاف پذيري ۶٫ راندمان بالا ۵٫اطمینان
در سیستم هاي هیدرولیک و نیوماتیک نسبت به ساير سیستمهاي مكانیكی قطعات محرک كمتري وجود دارد و میتوان در هر نقطه
به حركتهاي خطی يا دورانی با قدرت بالا و كنترل مناسب دست يافت ، چون انتقال قدرت توسط جريان سیال پر فشار در خطوط
انتقال )لوله ها و شیلنگ ها( صورت میگیرد ولی در سیستمهاي مكانیكی ديگر براي انتقال قدرت از اجزايی مانند بادامک ، چرخ
دنده ، گاردان ، اهرم ، كلاچ و… استفاده میكنند.

در اين سیستمها میتوان با اعمال نیروي كم به نیروي بالا و دقیق دست يافت همچنین میتوان نیرو هاي بزرگ خروجی را با اعمال
نیروي كمی )مانند بازو بسته كردن شیرها و …( كنترل نمود.
استفاده از شیلنگ هاي انعطاف پذير ، سیستم هاي هیدرولیک و نیوماتیک را به سیستمهاي انعطاف پذيري تبديل میكند كه در
آنها از محدوديتهاي مكانی كه براي نصب سیستمهاي ديگر به چشم می خورد خبري نیست. سیستم هاي هیدرولیک و نیوماتیک
به خاطر اصطكاک كم و هزينه پايین از راندمان بالايی برخوردار هستند همچنین با استفاده از شیرهاي اطمینان و سوئیچهاي فشاري
و حرارتی میتوان سیستمی مقاوم در برابر بارهاي ناگهانی ، حرارت يا فشار بیش از حد ساخت كه نشان از اطمینان بالاي اين
سیستمها دارد.
اكنون كه به مزاياي سیستم هاي هیدرولیک و نیوماتیک پی برديم به توضیح ساده اي در مورد طرز كار اين سیستمها خواهیم
پرداخت.

هیدرولیک فن آوري تولید، كنترل و انتقال قدرت توسط سیال تحت فشار است. بطور كلی يک سیستم هیدرولیک چهار كار
اساسی انجام میدهد:
 تبديل انرژي مكانیكی به قدرت سیال تحت فشار بوسیله پمپها
 انتقال سیال تا نقاط مورد نظر توسط لوله ها و شلنگها
 كنترل فشار، جهت و جريان سیال توسط شیرها
 انجام كار توسط عملگرها

براي انتقال قدرت به يک سیال تحت فشار )تراكم پذير يا تراكم ناپذير( احتیاج داريم كه توسط پمپ هاي هیدرولیک میتوان
نیروي مكانیكی را تبديل به قدرت سیال تحت فشار نمود. مرحله بعد انتقال نیرو به نقطه دلخواه است كه اين وظیفه را لوله ها،
شیلنگ ها و بست ها به عهده میگیرند .
بعد از كنترل فشار و تعیین جهت جريان توسط شیرها سیال تحت فشار به سمت عملگرها )سیلندرها يا موتور هاي هیدرولیک (
هدايت میشوند تا قدرت سیال به نیروي مكانیكی مورد نیاز)به صورت خطی يا دورانی ( تبديل شود.
اساس كار تمام سیستم هاي هیدرولیكی و نیوماتیكی بر قانون پاسكال استوار است.

نیرو:
عاملی كه باعث ايجاد حركت يک جسم و يا حركت اجزاي ان شود . كه واحد اندازه گیري آن در سیستم متريک ،
برحسب نیوتن با علامت اختصاري ) N ( می باشد.
فشار:
نیرويی كه بر واحد سطح وارد می گردد فشار نامیده می شود و به عبارت ديگر می توان نوشت:

نیرو= فشار ÷ سطح

نكته حائز اهمیت در رابطه فوق اينست كه چنانچه نیرو ثابت باشد ولی سطح تغییر نمايد ، به تناسب
آن فشار نیز تغییر خواهد كرد .
براي اندازه گیري فشار از واحد پاسكال ) Pa ( كه برابر با ۱ نیوتن بر متر مربع است ، استفاده می گردد.

  ۴paوارد نماییم فشار حاصل برابر باA=5m2 دمثلا اگر نیروي ثابت N 21 را بر سطح

و اگر همین مقدار نیرو را به
سطح B = 2 اعمال كنیم مقدار فشار Pa 11 خواهد شد.

فشار نتیجه مقاومت در مقابل حركت سیال میباشد. براي محاسبه رياضی فشار، نیرو را بر سطح تقسیم مینمايند. واحد فشار “بار”
میباشد. در هیدرولیک عملی معمولا كیلوگرم بر سانتی متر مربع برابر يک بار است. براي مثال اگر نیروي مقاوم در يک سیلندر
هیدرولیک با قطر پیستون ۲۱ cm برابر ۶۱۱۱ kgf باشد، فشار ايجاد شده در پشت سیلندر از رابطه زير حساب میشود:

Pressure (bar)=Force( kgf)/Area (cm2)

Diameter=10cm >> Area=314cm2 >>

pressure= 5000/314=15.9 bar

براي تعیین سطح فشار در يک سیستم هیدرولیک بايد در نظر داشت كه با بالا بردن فشار میتوان از المانهاي هیدرولیكی كوچكتري
براي رسیدن به تناژ مورد نظر، استفاده نمود. همچنین قطر لوله ها را میتوان كوچكتر انتخاب نمود. در نتیجه، هزينه ساخت سیستم
كاهش می يابد. از طرف ديگر با افزايش فشار، دماي روغن در سیستم زودتر افزايش میابد، نشتی ها بیشتر و اصطكاک و سايش
نیز افزايش میابد. در نتیجه فاصله انجام سرويس ها بايد كوتاهتر شود. همچنین نويز و پیكهاي فشاري نیز افزايش يافته و خواص
مطلوب دينامیكی سیستم كاهش می يابد.

مواحد PSI
از واحدهاي متداول فشار PSI میباشد. يک PSI معادل يک پوند نیرو بر اينچ مربع میباشد.
 براي تبديل PSI به bar ، مقدار فشار مورد نظر را در ۱۶۱۵۰ ) تقريبا ۱۶۱۰ (ضرب نمائید. براي مثال ۱۱۱۱ PSI معادل
۵۰ bar میباشد.
 براي تبديل bar به PSI ، مقدار فشار را در ۱۴۶۰ ضرب نمائید. براي مثال ۱۱۱ bar معادل ۱۴۰۱ PSI میباشد

دبی :
مقدار حجمی از مايع كه در واحد زمان از يک نقطه عبور می كند دبی نامیده می شود.
بنابر اين براي پمپ كردن حجم معینی از روغن ، هر چقدر زمان كمتري مصرف شود ، دبی بیشتر خواهد بود.
سرعت:
اندازه جابجايی پیستون ، در واحد زمان را سرعت می نامند.

قانون پاسكال پايه هیدرولیک نوين است. اين قانون بیان میكند كه فشار وارده به هر نقطه از يک مايع محدود بطور مساوي در تمام
جهات منتقل شده و با نیروي مساوي بر رو سطوح مساوي اثر میكند.

فشاري كه در يک مدار بسته ، به يک مايع وارد می شود ، در تمام نقاط مايع بطور يكسان و مساوي می باشد.
با توجه به تعريف فوق می توان نتیجه گرفت : بوسیله مايعات تحت فشار می توان نیرو را منتقل و يا تبديل و يا كنترل نمود.
بنابر اين از آنجايی كه مايعات تقريبا تراكم ناپذير می باشند و نمی توان حجمشان را با فشردن ، كم كرد ، و با توجه به قانون
فوق ، هر فشاري كه بر آنها وارد شود، آنرا منتقل می كنند.

در اواسط قرن ۱۰ میلادي ، پاسكال فرضیه خودرا با ساخت و آزمايش دستگاه ” بالانس هیدرولیک ” به اثبات رساند.
نتايج حاصل از قانون پاسكال:
۱٫ فشار سرتاسر سیال در حال سكون يكسان است .)با صرف نظر از وزن سیال(
۲٫ در هر لحظه فشار استاتیكی در تمام جهات يكسان است.
۳٫ فشار سیال در تماس با سطوح بصورت عمودي وارد میگردد.

كار سیستمهاي نیوماتیک مشابه سیستم هاي هیدرولیک است فقط در آن به جاي سیال تراكم ناپذير مانند روغن از سیال تراكم
پذير مانند هوا استفاده می كنند . در سیستمهاي نیوماتیک براي دست يافتن به يک سیال پرفشار ، هوا را توسط يک كمپرسور
فشرده كرده تا به فشار دلخواه برسد سپس آنرا در يک مخزن ذخیره می كنند، البته دماي هوا پس از فشرده شدن بشدت بالا میرود
كه می تواند به قطعات سیستم آسیب برساند لذا هواي فشرده قبل از هدايت به خطوط انتقال قدرت بايد خنک شود. به دلیل وجود
بخار آب در هواي فشرده و پديده میعان در فرايند خنک سازي بايد از يک واحد بهینه سازي براي خشک كردن هواي پر فشار
استفاده كرد.

اجزاي تشكیل دهنده سیستم هاي نیوماتیكی:
۱ كمپرسور –
۲ خنک كننده و خشک كننده هواي تحت فشار –
۳ مخزن ذخیره هواي تحت فشار –
۴ شیرهاي كنترل

۵ عملگرها

۱ در سیستمهاي نیوماتیک از سیال تراكم پذير مثل هوا و در سیستمهاي هیدرولیک از سیال تراكم ناپذير مثل روغن استفاده می –
كنند.
۲ در سیستمهاي هیدرولیک روغن علاوه بر انتقال قدرت وظیفه روغن كاري قطعات داخلی سیستم را نیز بر عهده دارد ولی در –
نیوماتیک علاوه بر روغن كاري قطعات، بايد رطوبت موجود در هوا را نیز از بین برد ولی در هر دو سیستم سیال بايد عاري از هر
گونه گرد و غبار و نا خالصی باشد
۳ فشار در سیستمهاي هیدرولیكی بمراتب بیشتر از فشار در سیستمهاي نیوماتیكی می باشد ، حتی در مواقع خاص به ۱۱۱۱ مگا –
پاسكال هم میرسد ، در نتیجه قطعات سیستمهاي هیدرولیكی بايد از مقاومت بیشتري برخوردار باشند.
۴ در سرعت هاي پايین دقت محرک هاي نیوماتیكی بسیار نامطلوب است در صورتی كه دقت محرک هاي هیدرولیكی در هر –
سرعتی رضايت بخش است .
۶ در سیستمهاي نیوماتیكی با سیال هوا نیاز به لوله هاي بازگشتی و مخزن نگهداري هوا نمی باشد. –
۵ سیستمهاي نیوماتیک از بازده كمتري نسبت به سیستمهاي هیدرولیكی برخوردارند.

روغن هیدرولیک:

ماده اصلی مورد نیاز براي بهره برداري از سیستم هاي هیدرولیک ، روغن هیدرولیک است كه می تواند منشاء آلی داشته و يا
بطور مصنوعی تهیه گردد كه در اينصورت آنرا روغن سنتتیک می نامند.
مهمترين نكته در باره استفاده از روغن هیدرولیک در ماشین آلات مختلف ، رعايت توصیه هاي كارخانه سازنده ماشین، در مورد
مشخصات روغن می باشد. در غیر اينصورت هیچ تضمینی براي كاركرد صحیح و بدون اشكال سیستم وجود نخواهد داشت و عمر
مفید سیل ها و اورينگ ها را كاهش داده و به دنبال آن نشت داخلی و خارجی بوجود خواهد آمد.
نگهداري از روغن در داخل ظروف در بسته و به دور از الودگی هاي آب و هوا و محیط و هم چنین طرز انباشتن بشكه هاي روغن
، در كاركرد سیستم ، اهمیت فوق العاده اي خواهد داشت.
انتخاب نوع سیال هیدرولیک و نحوه استفاده از آن توسط متخصصین و طراحان تجهیزات هیدرولیک تعیین میگردد و به
پارامترهاي ذيل وابسته میباشد:
 روغنكاري و مشخصه هاي ضد سايش
 تحمل بار
 ضريب اصطكاک
 دانسیته
 ويسكوزيته و تغییرات آن ناشی از دما و فشار

پايداري برشی
 سازگاري )با آببندها، ساير سیالات، موارد افزودنی، آب، ذرات فلز(
 پايداري در برابر حرارت، اكسید شدن ، آتش
 تراكم پذيري
 میزان جذب و دفع هوا
 قابلیت فیلتر شدن خوب
 ارزان يا گران بودن
چهار قدم اساسی بمنظور انتخاب سیال هیدرولیک به شرح ذيل میباشد:
 تعیین محدوده عملكرد مناسب سیال با استفاده از پارامترهاي ويسكوزيته، دانسیته، حلالیت هوا در روغن، مددول بالدک،
مقاومت به آتش، محدوده دمايی، انبساط حرارتی و روانكاري
 بررسی جداول و منحنی هاي حاوي اطلاعات مربوط به اندواع سدیالات هیددرولیک بمنظدور يدافتن بهتدرين سدیال داراي
شرائط مورد نیاز
 بررسی امكان تغییر شرائط سیستم جهت ايجاد سازگاري با سیال هیدرولیک
 استفاده از توصیه هاي تولیدكنندگان سیالات
ويسكوزيته سیال عبارتست از اصطكاک داخلی سیال و يا بعبارت ديگر، مقاومت سیال در مقابل جريان يافتن. اصولاً ويسكوزيته
نشان دهنده كیفیت روغن نیست بلكه معیاري است براي رفتار روغن در دما و فشار بخصوص.
مقدار ويسكوزيته كاملا تابع دما و فشار میباشد براي مثال روغن هیدرولیک ISO VG 68 داراي ويسكوزيته اي بین ۶۱ تا
۷۵ در دماي ۴۱ درجه سانتیگراد است.در حالی كه دردماي ۱۱۱ درجه سانتیگراد ويسكوزيته اين روغن (cst) 7.5-8.5
خواهد بود. با افزايش فشار اين روغن از ۲۰۰ به ۴۰۰ bar ، ويسكوزيته آن دو برابر می شود.

اثرات ویسکوزیته
ويسكوزيته بالا:
 افت فشار بیشتر
 پمپ كردن مشكل تر
 روغنكاري بهتر
 خارج كردن هوا مشكل تر
 انتقال سیگنال كندتر
ويسكوزيته پايین:
 نشت بیشتر
 روغن كاري كمتر
 افت فشار كمتر
 پمپ كردن راحت تر
 انتقال سیگنال سريعتر
 خارج كردن هوا راحتتر

مخزن يا تانک هیدرولیک:

علیرغم ظاهر ساده ، در طراحی و ساخت تانک هیدرولیک نكاتی را بايد رعايت نمود:
– ظرفیت تانک بستگی به مجموع روغن داخل لوله ها ، سیلندرها ، آكومولاتورها ، اويل كولر ، فیلتر ، … + ۱۱ الی ۲۱ درصد
روغن اضافه ، جهت جلوگیري از ريسک خالی شدن تانک و يا ايجاد كف در روغن بدلیل فاصله گرفتن سطح روغن از لوله
هاي برگشتی دارد.
– محل نصب از نظر ارتفاع و هم چنین نزديكی به يونیت هیدرولیک ، دماي محیط ، عدم ممانعت از دسترسی به تجهیزات ديگر و
نیز ايجاد امكان تخلیه و پر كردن آسان تانک مورد بررسی قرار می گیرد.
– طراحی و نصب پلیتهاي موج گیر جهت جلوگیري از توربولانس هیدرولیكی .
– نصب سايت گلس sight glass) ( و يا سطح سنج و الارم جهت مشخص شدن میزان روغن موجود در تانک .
– نصب فیلتر هواكش جهت تهويه هواي داخل تانک و جلوگیري از ايجاد خلاء .

مخزن روغن از لحاظ كاربردي بايد داراي ويژگی هاي ذيل باشد:
 توانايی ذخیره كردن كل روغن سیستم
 جداسازي هواي موجود در روغن
 ته نشین شدن آلودگی ها در مخزن
 دفع حرارت سیستم
مخزن روغن بايد حجم كافی جهت جبران انبساط روغن داخل مخزن داشته باشد. مخازن بهتر است مرتفع و كم عرض ساخته
شوند. در مخازن كم عمق امكان ورود هوا به پورت مكش پمپ وجود دارد.
ابعاد مخزن:
ابعاد مخزن روغن در سیستم صنعتی
حجم مخزن روغن ) lit ( = سه تا پنج برابر دبی پمپ ) lit/min )
ابعاد مخزن روغن در سیستم سیار
به ازاء هر ۱۰۰GPM دبی پمپ، حجم مخزن ۲۰-۳۰ gallon

فيلترها

بسیاري از عملكردهاي نا مناسب در سیستم هیدرولیک ناشی از روغنهاي بسیار كثیف می باشد.
 فیلتر خط مكش
 فیلتر خط فشار
 فیلتر خط برگشت
 فیلتر باي پس

میزان حساسیت اجزاء بكار گرفته شده در سیستم هیدرولیک به ذرات خارجی
 تعیین میزان دبی
 اختلاف فشار مجاز
 سازگاري مواد فیلتر با روغن مورد استفاده
 دماي كاري
 ويسكوزيته روغن
در تعیین سايز فیلتر موارد ذيل در نظر گرفته می شوند:
 میزان آلودگی محیطی كه سیستم در آن قراردارد.
 میزان مراقبت و سرويس سیستم هیدرولیک
 دماي كاري روغن
سايز فیلتر ورودي روغن به پمپ معمولا ۳ تا ۴ برابر دبی پمپ انتخاب میشود.
راههاي ورود آلودگی و ذرات خارجی به سیستم هیدرولیک :
 آلودگیهاي خارجی
 مونتاژ
 راه اندازي
 ذرات داخلی
 سايش
 تعمیرات