5 componente de bază ale unui sistem hidraulic explicate

Cele 5 componente de bază ale unui sistem hidraulic sunt: ​​pompa hidraulică, actuatorul (cilindrul sau motorul), supapele de control, rezervorul de lichid hidraulic și conductele și fitingurile hidraulice. Fiecare sistem hidraulic - de la un simplu cric pentru sticle la o presă industrială de 500 de tone - funcționează pe aceeași arhitectură cu cinci componente. Fiecare parte joacă un rol specific, neinterschimbabil în generarea, direcționarea, stocarea, transmiterea și transformarea energiei fluide în lucru mecanic.

Acest articol explică ce face fiecare componentă, cerințele de performanță impuse acesteia și de ce metoda de fabricație - în special forjarea - determină dacă piese hidraulice supraviețui presiunilor și ciclurilor de funcționare din lumea reală. Înțelegerea acestor componente este esențială pentru oricine care specifică, aprovizionează sau întreține sisteme hidraulice în construcții, producție, agricultură sau aplicații aerospațiale.

Componenta 1: Pompa hidraulica

Pompa hidraulică este sursa de energie a sistemului. El transformă energia mecanică - de la un motor electric, motor sau intrare manuală - în energie hidraulică prin presurizarea fluidului și împingerea acestuia prin sistem. Pompa nu creează presiune direct; creează flux. Presiunea se dezvoltă ca o consecință a rezistenței la acel flux în aval.

Există trei tipuri principale de pompe utilizate în sistemele hidraulice:

• Pompe cu viteze — cel mai simplu și mai rentabil tip; utilizat în mod obișnuit la presiuni de până la 3.000 psi în echipamente mobile, mașini agricole și despicatoare de bușteni.
• Pompe cu palete — funcționare mai silențioasă și debit mai consistent; utilizat în mașini industriale și sisteme de precizie la până la 2.500 psi.
• Pompe cu piston — tipul cel mai performant; capabil de presiuni de funcționare susținute de 5.000 până la 10.000 psi în aplicații solicitante precum aerospațiale, construcții grele și prese de formare a metalelor.

Carcasele pompelor și componentele interne sunt printre cele mai solicitante părți hidraulice din orice sistem. Ele trebuie să reziste la sarcini constante de presiune ciclică, eroziune fluidă și variații termice. Carcase de pompe și blocuri de supape forjate sunt standard în aplicațiile pompelor cu piston de înaltă presiune, deoarece structura granulară produsă de forjare oferă o rezistență superioară la oboseală în comparație cu alternativele turnate - critică atunci când o pompă poate ciclă de milioane de ori pe parcursul duratei sale de viață.

Parametrii cheie de performanță ai pompelor hidraulice

Componenta 2: Actuatorul — Cilindri și motoare hidraulice

Actuatorul este locul unde energia hidraulică este convertită înapoi în lucru mecanic - este componenta care realizează ridicarea, presarea, prinderea, rotirea sau împingerea. Există două tipuri principale de actuatoare:

• Cilindri hidraulici (actuatori liniari) — convertiți presiunea fluidului în forță și mișcare în linie dreaptă. Un cilindru care funcționează la 3.000 psi cu un alezaj de 4 inci generează aproximativ 37.700 de lire sterline de forță — suficient pentru a ridica osia unui basculant încărcat. Cilindrii sunt utilizați la excavatoare, basculante, ascensoare agricole, mașini de turnat prin injecție și trenuri de aterizare a aeronavelor.
• Motoare hidraulice (motoare rotative) — convertiți energia fluidului în ieșire de rotație continuă. Folosit la troliuri, transportoare, melci și roți de transmisie pe miniîncărcătoare și sisteme de antrenare hidraulice.

Componentele cilindrilor hidraulici - inclusiv capacele de capăt, piulițele presetupei, capete de piston și butoaiele cilindrilor - sunt printre cele mai frecvent forjate piese hidraulice din industrie. Motivul este simplu: un cilindru hidraulic experimentează în mod obișnuit tensiuni dinamice de tracțiune și compresiune care depășesc 30.000 psi în timpul sarcinilor de vârf, combinate cu încărcarea laterală din munca în curs de executare. Capacele cilindrului forjate și tijele pistonului asigură structura densă, fără defecte, necesară pentru a rezista propagării fisurilor sub aceste sarcini ciclice - o calitate pe care piesele din țagle turnate sau prelucrate nu se pot potrivi în mod fiabil la o greutate echivalentă.

Referință pentru calculul forței cilindrului hidraulic

Forța pe care o generează un cilindru hidraulic se calculează astfel: Forța (lbs) = Presiune (psi) × Suprafața pistonului (in²) . Un cilindru cu un alezaj de 6 inchi la 3.000 psi produce aproximativ 84.823 de lire sterline de forță de împingere. Acesta este motivul pentru care integritatea componentelor cilindrului este atât de critică - forțele implicate în aplicațiile hidraulice industriale tipice sunt enorme în raport cu dimensiunea componentelor.

Componenta 3: Supape de control

Supapele de control sunt inteligența de direcție a sistemului hidraulic. Acestea reglează direcția, presiunea și debitul fluidului hidraulic, determinând cum și când se mișcă actuatoarele, cât de multă forță este aplicată și modul în care sistemul răspunde la schimbările de sarcină. Fără supape de control, o pompă hidraulică ar împinge pur și simplu fluidul într-o direcție la presiune necontrolată - făcând imposibilă munca precisă și controlată.

Cele trei categorii funcționale de supape de control hidraulic sunt:

Supape de control direcțional (DCV)

DCV-urile direcționează fluidul către partea corectă a unui cilindru sau a unui motor pentru a controla direcția de mișcare - extinde sau retrage, în sensul acelor de ceasornic sau în sens invers acelor de ceasornic. Cea mai comună configurație este Supapă cu bobină 4/3 (4 porturi, 3 poziții: extindere, neutru, retragere), utilizat în brațele excavatoarelor, brațele încărcătorului și practic fiecare piesă de echipament de construcții cu funcții hidraulice multiple.

Supape de control al presiunii

Aceste supape protejează sistemul de suprapresiune. The supapă de siguranţă este cea mai critică componentă de siguranță din orice circuit hidraulic - se deschide atunci când presiunea sistemului depășește un prag stabilit (de obicei cu 10-15% peste presiunea maximă de funcționare) și redirecționează excesul de lichid înapoi în rezervor. Fără o supapă de siguranță, un blocaj în sistem ar duce la creșterea presiunii până la ruperea unei conducte, a fitingului sau a unei componente - o defecțiune potențial catastrofală. Supapele de reducere a presiunii și supapele de secvență sunt tipuri suplimentare de control al presiunii utilizate pentru sistemele cu mai multe circuite mai complexe.

Supape de control al debitului

Supapele de control al debitului reglează viteza de mișcare a actuatorului prin controlul volumului de fluid care ajunge sau iese dintr-un cilindru sau motor. O supapă cu ac sau o supapă de control proporțională a debitului permite operatorului să seteze cu precizie viteza cursei de extindere a unui cilindr hidraulic - critică în aplicații precum operațiunile de presare, unde controlul vitezei afectează calitatea produsului și în aplicațiile de macara și de ridicare în care vitezele de coborâre controlate sunt o cerință de siguranță.

Corpurile de supape pentru supape de înaltă presiune direcționale și de control al presiunii sunt una dintre cele mai solicitante aplicații pentru piese hidraulice forjate. Corpurile supapelor trebuie să mențină toleranțe dimensionale precise în condiții de încărcare ciclică de presiune - vârfurile de presiune din circuitele hidraulice industriale pot depăși presiunea nominală a sistemului cu 200-400% în timpul acționării rapide a supapei (tranzitorii de presiune). Corpurile de supape turnate, care conțin micro-porozitate și defecte de contracție potențiale, sunt mult mai susceptibile la inițierea fisurilor de oboseală la aceste concentrații de solicitare decât corpurile de supape forjate cu o structură de granule continuă.

Componenta 4: Rezervorul de lichid hidraulic

Rezervorul stochează fluidul hidraulic de care sistemul are nevoie pentru funcționare. Este mai mult decât un simplu rezervor - un rezervor proiectat corespunzător îndeplinește simultan patru funcții: stocarea fluidelor, reglarea termică, separarea aerului și a contaminanților și stabilizarea presiunii în sistem.

• Depozitarea fluidelor : Majoritatea rezervoarelor țin De 2 până la 3 ori debitul pe minut al pompei ca linie de bază - un sistem cu o pompă de 20 GPM ar trebui să aibă un rezervor de minim 40-60 galoane. Acest lucru oferă timp pentru ca fluidul să elibereze aerul antrenat și să depună contaminanții.
• Management termic : Fluidul returnat disipează căldura prin pereții rezervorului. În sistemele în care managementul termic este critic, schimbătoarele de căldură (răcitoarele de ulei) sunt integrate în conducta de retur înaintea rezervorului.
• Separarea contaminanților : Deflectoarele din interiorul rezervorului încetinesc viteza fluidului și permit particulelor să se depună în loc să recircule. Contaminarea sistemului hidraulic este responsabilă până la 80% din defecțiuni hidraulice conform datelor din industrie de la grupul de cercetare a energiei fluide Parker Hannifin — proiectarea rezervorului este prima linie de apărare.
• Stabilizarea presiunii : Rezervorul menține un cap de aspirație atmosferic stabil sau ușor presurizat pentru pompă, prevenind cavitația care deteriorează interiorul pompei.

Fitingurile pentru rezervor, flanșele de montare și șuruburile de port pe rezervoarele de înaltă presiune sunt adesea produse ca piese hidraulice forjate pentru a rezista la solicitările mecanice ale conexiunilor de montare sub presiune, în special în echipamentele mobile unde încărcarea vibrațiilor este constantă.

Componenta 5: Linii hidraulice, furtunuri și fitinguri

Conductele și fitingurile hidraulice sunt sistemul circulator al unui circuit hidraulic - transportă fluid sub presiune între toate celelalte componente. Ele sunt, de asemenea, din punct de vedere statistic, cea mai comună sursă de defecțiuni ale sistemului hidraulic în domeniu, reprezentând o mare parte atât a scurgerilor, cât și a pierderilor de presiune catastrofale.

În sistemele hidraulice se folosesc trei tipuri de conductori:

• Tuburi de oțel (linii rigide) — utilizat pentru conexiuni fixe, permanente în circuite de înaltă presiune. Tubul din oțel fără sudură, evaluat la 5.000–10.000 psi este standard în sistemele hidraulice industriale și aerospațiale. Liniile rigide nu se îndoaie și nu se degradează sub ciclul de presiune.
• Furtun hidraulic (conducte flexibile) — utilizat în cazul în care componentele se mișcă unele față de altele (de exemplu, între caroseria tractorului și brațul încărcătorului). Furtunurile împletite cu sârmă sau înfăşurate în spirală sunt evaluate de la 3.000 la 6.000 psi, în funcţie de construcţie. Furtunurile au o durată de viață limitată - majoritatea producătorilor recomandă înlocuirea la fiecare 2 ani sau la fiecare 2.000 de ore de utilizare , oricare survine primul.
• Conductă (schedul 80 sau mai mare) — utilizat în sistemele industriale staționare pentru circuite de diametru mare, cu presiune mai mică, cum ar fi racordurile rezervoarelor și conductele de retur.

De ce fitingurile hidraulice forjate sunt standardul industrial

Fitingurile hidraulice - inclusiv adaptoare, blocuri în T, conectori coti, blocuri colectoare și dopuri de port - sunt printre cele mai forjate piese hidraulice produse la nivel global. Motivele sunt bine stabilite și cuantificate:

• Fitingurile forjate rezistă Presiuni de spargere cu 20 până la 40% mai mari decât fitingurile turnate echivalente din același material, datorită eliminării porozității turnării și alinierii fluxului de cereale cu geometria fitingului.
• Standardele SAE și ISO care reglementează fitingurile hidraulice pentru presiuni peste 3.000 psi se referă în mod specific la construcția forjată ca metodă de fabricație necesară sau preferată.
• Fitingurile forjate mențin stabilitatea dimensională — forma filetului și geometria suprafeței de etanșare — în timpul ciclurilor repetate de asamblare și dezasamblare mai bine decât alternativele turnate sau prelucrate.

De ce forjarea este metoda de fabricație preferată pentru piesele hidraulice

Sistemele hidraulice funcționează în condiții care expun fiecare componentă la solicitări extreme, aplicate ciclic. Combinația de presiuni mari de lucru (adesea 3.000 până la 10.000 psi), tranzitorii rapide de presiune, ciclurile termice și vibrațiile creează un mediu solicitant care diferențiază piesele hidraulice fabricate prin modul în care au fost fabricate - nu doar din materialul din care sunt fabricate.

Forjarea este un proces de fabricație în care metalul este modelat prin forță de compresiune - fie prin ciocanire, fie prin presare - la temperaturi ridicate. Acest proces produce o structură de cereale rafinată cu linii de curgere a granulelor care urmează conturul geometriei piesei, mai degrabă decât să fie aleatoriu (ca în turnare) sau tăiat (ca în țaglele prelucrate). Rezultatul este o piesă măsurabil mai puternică, mai rezistentă la oboseală.

Forjare vs. turnare vs. Billet prelucrat: o comparație directă

Testele independente efectuate de Asociația Industriei Forjare au documentat că piesele din oțel forjate demonstrează rezistență la tracțiune cu până la 26% mai mare și rezistență la oboseală cu 37% mai mare comparativ cu echivalentele turnate cu compoziție identică a materialului. Pentru componentele hidraulice în care defecțiunea este măsurată în scurgeri catastrofale, pierderi de producție sau incidente de siguranță, această marjă nu este academică - este baza de inginerie pentru preferința la nivel de industrie pentru piesele hidraulice forjate în aplicații de înaltă presiune.

Ce piese hidraulice sunt cel mai frecvent forjate

Nu orice piesă hidraulică este sau trebuie forjată. Decizia de a specifica piesele hidraulice forjate depinde de clasa de presiune, ciclul de funcționare și consecința defecțiunii. Următoarele piese sunt cel mai frecvent produse prin forjare în industria hidraulică:

• Corpuri de supape și blocuri colectoare — Corpurile supapelor direcționale, de degajare și de control al debitului care funcționează peste 3.000 psi sunt aproape universal forjate în oțel sau aliaj de aluminiu.
• Capacele cilindrului și piulițele presetupei — componentele care etanșează capetele cilindrilor hidraulici și rețin ansamblul etanșării tijei pistonului. Acestea văd atât presiunea completă a sistemului, cât și sarcinile de încovoiere de pe tijă.
• Carcase pompe și plăci de capăt — în special pentru pompele cu piston axial în care integritatea carcasei este critică pentru menținerea jocurilor interne sub presiune.
• Fitinguri și adaptoare hidraulice — Fitingurile JIC, ORFS, BSP și NPT din oțel și oțel inoxidabil pentru conexiuni de conducte de înaltă presiune sunt produse în volume enorme prin forjare cu matriță închisă.
• Îmbinări pivotante și îmbinări rotative — utilizat acolo unde conductele hidraulice trebuie să se rotească sau să se articuleze; carcasa caroseriei trebuie să reziste atât la presiune, cât și la solicitarea de torsiune simultan.
• Învelișuri ale acumulatorului și închideri de capăt — acumulatorii hidraulici stochează energia fluidului sub presiune (până la 5.000 psi) într-un vas sub presiune, iar carcasele forjate asigură integritatea de reținere a presiunii cerută de standardele ASME și ISO.

Materiale utilizate la forjarea pieselor hidraulice

Materialul ales pentru piesele hidraulice forjate depinde de presiunea de funcționare, cerințele de compatibilitate cu fluidul, constrângerile de greutate și mediul de coroziune. Cele patru materiale dominante în forjarea pieselor hidraulice sunt:

Aliajele de oțel domină piesele hidraulice forjate pentru majoritatea aplicațiilor de echipamente industriale și mobile datorită combinației lor de rezistență, prelucrabilitate și cost. Piesele forjate din aluminiu sunt din ce în ce mai folosite acolo unde economia de greutate justifică costul mai mare pe piesă - în special în sistemele hidraulice aerospațiale, unde fiecare kilogram de greutate a componentei are o consecință directă a costurilor de operare.

Cum funcționează cele cinci componente: integrarea sistemului

Înțelegerea fiecărei componente individual este doar o parte a imaginii. Un sistem hidraulic funcționează ca un circuit în buclă închisă în care toate cele cinci componente interacționează continuu și interdependent. Următoarea secvență descrie un ciclu complet de putere hidraulică într-o aplicație tipică de cilindru cu dublă acțiune, cum ar fi o presă hidraulică sau un braț de excavator:

1. Rezervorul furnizează fluid hidraulic curat, cu temperatură reglată la admisia pompei sub un cap de aspirație pozitiv.
2. Pompa atrage fluidul din rezervor și îl presurizează la presiunea de funcționare a sistemului - de obicei 1.500 până la 5.000 psi în aplicații industriale - și îl livrează în circuitul supapei de control.
3. Supapa de control direcțională primește o comandă a operatorului (pârghie manuală, solenoid sau semnal electronic) și direcționează fluidul sub presiune către o parte a cilindrului în timp ce deschide o cale de întoarcere din cealaltă parte înapoi la rezervor.
4. Supapa de limitare a presiunii monitorizează continuu presiunea sistemului. Dacă rezistența la sarcină face ca presiunea să se apropie de limita sistemului, supapa de siguranță se deschide și ocolește debitul în exces înapoi în rezervor, protejând fiecare componentă a circuitului.
5. actuatorul (cilindrul) transformă fluidul sub presiune în forță liniară, efectuând lucrul mecanic dorit - presare, ridicare, strângere sau tăiere.
6. Retur lichidul curge înapoi prin supapa de control, printr-un filtru de linie de retur și înapoi în rezervor pentru a finaliza ciclul - trecând adesea printr-un schimbător de căldură pentru a elimina energia termică generată de ineficiența sistemului.

Fiabilitatea întregului circuit depinde de integritatea fiecărei piese hidraulice individuale - și în special de capacitatea fitingurilor, corpurilor de supape, componentelor cilindrilor și carcaselor pompelor de a-și menține integritatea dimensională și structurală sub milioane de cicluri de presiune. Acesta este motivul pentru care forjare piese hidraulice mai degrabă decât turnarea lor nu este o preferință, ci o cerință de inginerie pentru orice sistem care funcționează peste 3.000 psi sau este supus utilizării ciclului greu. Investiția din amonte în componente forjate elimină defecțiunile mult mai costisitoare din aval cauzate de fisurarea prin oboseală, scurgerile inițiate de porozitate și defecțiunile fitingurilor sub presiune.