کتاب- اصول طراحی سیستمهای هیدرولیک- در 31 صفحه-docx

1- پرسهای هیدرولیکی

پرسهای هیدرولیک نیروی خود را از حرکت یک پیستون در داخل یک سیلندر به دست می آورند. این حرکت زمانی ایجاد میشود که یک سیال تحت فشار وارد محفظه سیلندر شود. وضعیت سیال توسط پمپ و شیرهائی جهت افزایش، کاهش و یا حفظ فشار به صورت مورد نیاز درآمده و میتواند نیروی لازم برای به حرکت درآوردن پیستون را فراهم کند. بنابراین نیروی موجود در پرس هیدرولیک با حداکثر فشار موجود در سیلندر تعیین میشود.

پرسهای هیدرولیک قادرند تناژ کامل خود را در هر وضعیتی از حرکت سیلندرها به قطعه کار اعمال نمایند. همچنین طول حرکت سیلندرها را میتوان در هر حدی از مسیر حرکت محدود ساخت. این در حالی است که در پرس های مکانیکی تناژ کامل را تنها در انتهای مسیر حرکت ضربه زدن میتوان کسب نمود. همچنین مسیر حرکت ضربه زدن در این پرس ها مقدار ثابتی است.

ویژگیهای پرسهای هیدرولیک را به صورت ذیل میتوان خلاصه نمود:

تغییر و تنظیم سرعت کورس در حالت ایجاد نیروی ثابتتنظیم نیروی وارده به میزان مورد نیازاندازه گیری و کنترل الکترونیکی نیروی وارده طی فاصله کورس

تناژ پرس

تناژ یک پرس هیدرولیکی عبارت است از حداکثر نیروئی که سیلندر اصلی آن میتواند به قطعه کار اعمال نماید. معمولاً برای تعیین تناژ مورد نیاز پرس باید روی رفتار قطعه کار و فرآیند اعمالی روی آن مطالعه نمود. برای مثال در برشکاری ورق، جنس آن و سطح برش نقش مهمی را در حداکثر نیروی لازم برشکاری ایفا میکنند. در پرس کمپاکت پودر، نوع پودر، دانسیته و استحکام نهائی قطعه فاکتورهای مهم تعیین کننده حداکثر نیروی مورد نیاز میباشند.

تعیین فشار کاری سیستم

برای تعیین سطح فشار در یک سیستم هیدرولیک باید در نظر داشت که با بالا بردن فشار میتوان از المانهای هیدرولیکی کوچکتری برای رسیدن به تناژ مورد نظر، استفاده نمود. همچنین قطر لوله ها را میتوان کوچکتر انتخاب نمود. در نتیجه، هزینه ساخت پرس کاهش می یابد. از طرف دیگر با افزایش فشار، روغن در سیستم زودتر داغ میکند، نشتی ها بیشتر و اصطکاک و سایش نیز افزایش می یابد. در نتیجه فاصله انجام سرویس ها باید کوتاهتر شود. همچنین نویز و پیکهای فشاری نیز افزایش یافته و خواص مطلوب دینامیکی سیستم کاهش می یابد.

در مجموع پس از برآوردهای اولیه نوع کارکرد پرس، برای دستیابی به یک شرایط مطلوب کاری انتخاب یکی از فشارهای 160, 100 یا 200 bar معمول میباشد.

اجزاء اصلی سیستم هیدرولیک پرس

سیستم هیدرولیک پرسها شامل اجزاء اصلی ذیل میباشد:

سیلندرهای هیدرولیکپمپموتور الکتریکیروغن هیدرولیکلوله و اتصالاتشیرهای راه دهنده روغنشیرآلات کنترل دبی و فشار روغنمخزن روغن

در ادامه نکات مهم مربوط به طراحی، انتخاب و تعیین نوع المانهای هیدرولیک شرح داده میشود:

نحوه انتخاب سیلندرهای هیدرولیک

در انتخاب سیلندرهای هیدرولیک موارد ذیل باید در نظر گرفته شود:

1-حداکثر فشار کاری سیستم

رنج فشار کاری استاندارد برای المانهای هیدرولیک به صورت 600bar,500,400,315,250,200,160,100,63,40,25  میباشد. با اینحال سازنده های مختلف بعضا رنجهای محدودتر یا متنوع تری را انتخاب میکنند. برای مثال رکسروت محدوده فشار کاری سیلندرهای خود را به صورت 350bar,250,105  قرار داده است. فشارهای مذکور حداکثر فشاریست که مصرف کننده مجاز است به سیلندر اعمال نماید.

2-قطر پیستون و میله پیستون

میزان نیرویی که یک سیلندر هیدرولیکی میتواند تولید کند، تابع فشار کاری و سطح پیستون آن میباشد. هر چه قطر پیستون بزرگتر در نظر گرفته شود نیرویی که سیلندر میتواند تولید کند بزرگتر خواهد بود. این موضوع برای سطح میله پیستون به صورت معکوس است یعنی هر چه قطر میله پیستون بیشتر باشد سطح موثر اعمال نیرو در جلوی سیلندر کاهش میابد و سیلندر در برگشت نیروی کمتری تولید میکند.

در جدول(1) محدوده قطرهای مختلف برای پیستون و میله پیستون مربوط به محصولات رکسروت نشان داده شده است. برای مثال سیلندری که قطر پیستون آن 63mm و قطر میله پیستون آن 28mm میباشد در جدول به صورت 63/28  نمایش داده شده است.

جدول(1)- محدوده قطر پیستون و قطر میله پیستون (رکسروت)

Ratio of dia.

Piston rod dia.

Piston dia.

32/18

18

32

40/18

18

40

40/20

20

40/25

25

40/28

28

50/22

22

50

50/28

28

50/36

36

63/28

28

63

63/36

36

63/45

45

80/36

36

80

80/45

45

80/56

56

100/45

45

100

100/56

56

100/70

70

125/56

56

125

125/70

70

125/90

90

140/90

90

140

140/100

100

150/70

70

150

150/100

100

160/100

100

160

160/110

110

200/90

90

200

200/125

125

200/140

140

220/160

160

220

250/180

180

250

3-نسبت سطح

این ضریب به صورت زیر تعریف میگردد:

که در آن Ap  سطح پیستون و ASt  سطح میله پیستون میباشد. برای ابعاد استاندارد پیستون و میله پیستون ها، شش خانواده مختلف  تعیین شده است. یعنی با تعریف شش مقدار مختلف برای ارزش اسمی   به صورت 5,2.5,2,1.6,1.4,1.25  میتوان قطر پیستون و میله پیستون را نسبت به هم محاسبه نمود. البته باید توجه داشت که با اختیار نمودن دو عدد مشخص برای قطر پیستون و میله پیستون الزاما به اعداد ذکر شده برای   دست نمی یابیم، بلکه مقادیر واقعی  اعدادی نزدیک به ارزش اسمی   میباشند. برای مثال در خانواده  ، ارزش واقعی  به صورت 1.3,1.25,1.24  میباشد. در جدول (2) مقادیر مربوط به ارزش اسمی  بهمراه قطر پیستون و میله پیستون سیلندرهای مختلف نشان داده شده است.

جدول(2)-مقادیر اسمی ضریب نسبت سطح

125

100

80

63

60

50

40

32

25

dp

j

56

45

36

28

25

22

18

14

12

dSt

25

70

56

45

36

32

28

22

18

14

dSt

4

80

63

50

40

36

32

25

20

16

dSt

6

90

70

56

45

40

36

28

22

18

dSt

2

100

80

63

50

45

40

32

25

20

dSt

5

110

90

70

56

55

45

-

-

-

dSt

5

4-حداکثر نیروی سیلندر

اگرچه ظرفیت کاری سیلندرها را معمولا از رابطه  محاسبه میکنند، با اینحال باید در نظر داشت که تنها عوامل تعیین کننده نیروی سیلندر، فشار و سطح پیستون نمی باشند بلکه فاکتور مهمی که آنرا نیز باید در نظر داشت امکان ایجاد کمانش در سیلندر می باشد. نیرویی که تحت آن در یک سیلندر کمانش رخ می دهد را از رابطه زیر میتوان محاسبه نمود:

که در آن :

K : نیرویی است که تحت آن کمانش اتفاق می افتد(N )

Lk : طول آزاد تحت کمانش سیلندر (mm )

E : مدول الاستیسیته که برای فولاد  2.1e5 میباشد (N/mm2 )

I : ممان اینرسی سطح دایروی میله پیستون که از رابطه  محاسبه میشود.

با توجه به نیروی کمانش سیلندر، حداکثر بار مجاز که میتوان به یک سیلندر هیدرولیک اعمال نمود از رابطه زیر محاسبه می گردد:

F : حداکثر بار مجاز اعمالی به سیلندر (N )

K : نیروی کمانش سیلندر (N )

S : ضریب اطمینان (3.5 )

5-طول کورس سیلندر

مهمترین عامل در محدود نمودن طول کورس سیلندر امکان ایجاد کمانش در آن میباشد. یعنی به ازاء قطر پیستون ، قطر میله پیستون و فشار کاری مشخص، مجاز به انتخاب محدوده خاصی از طول کورسها می باشیم. در حالت کلی محدوده طول کورس نزدیک به صفر تا حدود 10m را میتوان برگزید. ولی باید توجه داشت که در یک فشار کاری و سایز بخصوص امکان انتخاب هر طول کورسی نخواهد بود و شاید در تعیین قطر سیلندر مجبور به انتخاب سایز بزرگتری باشیم.  مثلا در فشار کاری 80bar برای داشتن طول کورس 1.5m نمی توان سیلندر 63/28 را انتخاب نمود بلکه مثلا باید سیلندر 63/48 را برگزید که این انتخاب روی نیرو و سرعت برگشت سیلندر تاثیر میگذارد.

6-حداکثر سرعت سیلندر

در یک سیلندر بدون بالشتک حداکثر سرعت پیستون به صورت طبیعی 8m/min میباشد. این مقدار برای سیلندرهای بالشتکی تا 12m/min افزایش می یابد. در مجموع، حداکثر سرعت کاری سیلندرها در سیستمهای هیدرولیکی معمولا0.5 m/sec میباشد. البته بسته به نوع کار، ممکن است حداکثر سرعت 0.25 m/sec و یا مقادیر دیگر انتخاب شوند. همچنین باید توجه داشت که سرعت سیلندر تابع اندازه پورتهای ورود و خروج  روغن به آن نیز میباشد.

7-نحوه نصب سیلندر

سیلندرهای هیدرولیکی را بسته به نوع کاربرد به یکی از صورتهای زیر بر روی فریم نصب مینمایند:

1- Swivel clevis at cylinder cap

2- Fork clevis at cylinder cap

3- Rectangular flange at cylinder head

4- Square flange at cylinder head

5- Rectangular flange at cylinder cap

6- Square flange at cylinder cap

7- Trunion mounting at cylinder head

8- Trunion mounting at center of cylinder

9- Trunion mounting at cylinder cap

10- Foot mounting

11- Threaded holes in cylinder head and cap

12- Extended tie rods at cylinder head

13- Extended tie rods at cylinder cap

14-Plain clevis at cylinder cap

8- وجود ضربه گیر

چنانچه طول کورس سیلندر طویل و وزنی که با خود همراه میبرد سنگین و سرعت آن بیش از حدود 0.1 m/sec باشد، وزن موجود در اثر سرعت زیاد باعث تولید انرژی جنبشی شدیدی مینماید. برای آنکه این انرژی باعث خرابی سیلندر نشود بایستی توسط ضربه گیر یا بالشتک در انتهای کورس مانع ایجاد ضربه گردیم.

9- نوع و کاربرد  سیلندر

هیدرو سیلندرها دارای انواع گوناگونی میباشند که بسته به نوع کاربرد باید آنها را انتخاب نمود. انواع سیلندرها به صورت زیر میباشد:

سیلندرهای با حرکت خطی به صورت یککاره (یکطرفه : بدون فنر برگشت، با فنر برگشت، پلانجر وتلسکوپی) و دوکاره(یکطرفه و دو طرفه) میباشند. سیلندرهای با حرکت دورانی به صورت چرخ و دندانه یا پره ای میباشند.

فرمولهای محاسباتی مربوط به سیلندرها

AK : مساحت موثر پیستون (Cm2)

ASt : مساحت موثر دسته پیستون (Cm2)

AR : مساحت حلقوی پیستون (Cm2)

d1 : قطر پیستون (Cm)

d2 : قطر دسته پیستون (Cm)

FE : نیروی فشاری (رفت) (N)

P : فشار کاری (Mpa)

AK : مساحت موثر پیستون (mm2)

FE : نیروی فشاری (رفت) (N)

P : فشار کاری (bar)

AK : مساحت موثر پیستون (Cm2)

FE : نیروی فشاری (رفت) (Kgf)

P : فشار کاری (bar)

AK : مساحت موثر پیستون (Cm2)