نقش سیال هیدرولیکی (1)

بطور کلی یک سیال هیدرولیکی چهار نقش عمده دارد:

1.انتقال نیرو با رادمان بالا: ویژگی تراکم ناپذیر بودن سیال عامل اصلی انتقال توان از قسمت ورودی به قسمت خروجی می باشد.

  1. روغن کاری قطعات متحرک: خاصیت روانکاری سیال میزان اصطکاک و فرسایش را به حداقل می رساند.
  2. آب بندی لقی بین قطعات متصل به هم: سیال بین پیستون و دیواره به عنوان یک بند عمل می کند
  3. انتقال حرارت تولیدی در سیستم به خارج از سیستم: کاهش گرمای تولیدی در سیستم به واسطه ویژگی انتقال حرارت سیال هیدرولیک می باشد ( شکل 1-4) یکی از ویژگی های اصلی سیالات هیدرولیکی قابلیت انتقال حرارت تولیدی به خارج از سیستم های هیدرولیکی می باشد.

برای اینکه سیال هیدرولیکی بتواند به درستی این نقشهای مهم را ایفا کند داشتن مشخصه های زیر کاملا ضروری می باشند.

  • روغنکاری خوب
  • غلظت مناسب
  • پایداری خواص فیزیکی و شیمیایی
  • مدول حجمی بزرگ
  • مقاومت در مقابل آتش
  • توانایی انتقال گرما
  • چگالی مناسب
  • مقاومت در مقابل کف کردن
  • عدم ایجاد مسمومیت
  • خاصیت فراریت کم

آخرین و مهمترین مطلب اینکه، سیال انتخاب شده باید از نظر اقتصادی مقرون به صرفه و در عین حال در دسترس باشد. کاملا مشخص است برای درک بهتر ویژگی های مطلوب یک سیال هیدرولیک، ابتدا لازم است با مفاهیم اصلی آن اشنا شویم.

1-4-1 سیا لات

مایع بعنوان یک سیال است که دارای جرم ثابت و حجم مشخصی می باشد اما شکل ان بستگی به شکل ظرفی دارد که در آن قرار می گیرد.بعبارتی حجم آبی که در داخل ظرف قرار می گیرد متناسب شکل ظرفی دارد که در ان قرار می گیرد. به عبارتی حجم آبی که در داخل گیرد متناسب است با حجم آن قسمت از ظرف که پر از مایع می شود، بنابراین فرض می شود که شکل مایع یکسان است. برای مثال اگر آب در یک ظرف ریخته شود و حجم آب برای پر کردن ظرف کافی نباشد سپس یک سطح آزاد همانطور که در شکل (1-5) نشان داده شده است شکل خواهد گرفت.

مایعات علیرغم گازها تراکم پذیر نیستند به همین دلیل است که حجم آنها در اثر فشار تغییر نمی کند. البته باید در نظر داشت که این موضوع کاملاً قطعی نیست، در واقع مایعات کاملاً غیر قابل تراکم نیستند بعبارتی در اثر فشار وارد بر آنها، مایعات دچار تغییر حجم می شوند هر چند که این تغییرات بسیار اندک هستند و در شرایط ایده آل از این تغییرات صرفنظر می شود.

گازها نمونه دیگری از سیلات هستند که قابلیت تراکم پذیری بالایی دارند و علیرغم مایعات که برای یک جرم ثابت حجم مشخصی دارند گازها دارای حجم متغیری هستند. با افزایش فشار وارد بر گازها، از حجم آنها کاسته می شود و بالعکس با کاهش فشار حجم آنها افزایش خواهد یافت. هوا گازی است که معمولا در سیستمهای پنوماتیک استفاده می شود، زیرا ارزان و به آسانی دردسترس است. البته باید توجه داشت در بعضی موارد از گاز نیتروژن نیز بعنوان سیال در سیستمهای پنوماتیکی استفاده می شود.

1-4-2جرم

جرم یک جسم با یک شی ء مقدار ماده تشکیل دهنده آن است که همواره مقداری ثابت می باشد، باید توجه داشت که جرم یک جسم ثابت و مستقل از شرایط محیط و موقعیت ان است . جرم یک لیتر اب در دمای 4 درجه سانتی گراد یک گیلو گرم اندازه گیری شده است. واحد دیگری که برای اندازه گیری جرم استفاده می شود تن می باشد، که یک تن برابر با 1000کیلوگرم است.

1-4-3حجم

فضایی که به وسیله یک شیء اشغال می شود را حجم جسم می نامند. حجم معمولابرحسبمتر مکعب یا فوت مکعب یا لیتر است. یک لیتر برابر است با 1000 سانتی متر مکعب و معادل با حجم یک گیلو گرم آب در دمای 4 درجه سانتی گراد می باشد. ارتباط بین واحدهای حجم در زیر نشان داده شده است.

1-4-4 چگالی (جرم مخصوص)

منظور از چگالی جسم، جرم واحدحجم یک جسم می باشد که با نماد p(رو) نشان داده می شود. اگر جرم یکسانی از پنبه و کربن را داشته باشیم (یک کیلو گرم از هر کدام) خواهید فهمید که حجم پنبه به مراتب بزرگتر از حجم کربن است. به همین خاطر چگالی کربن از چگالی پنبه بیشتر است و ذرات کربن به صورت نزدیک با هم تجمع یافته اند در حالی که ذرات پنبه بیشتر از هم فاصله گرفته اند

جرم یک سانتی متر مکعب از آهن 8/7گرم است بنابراین چگالی آهن 8/7 گرم بر سانتی متر مکعب می باشد مقدار چگالی با تغییرات درجه حرارت تغییر می کند

برای مثال

هنگامی که آب تا 4 درجه سانتی گراد سرد می شود، حجم آن کاهش می یابد، بنابراین چگالی آن افزایش خواهد یافت. اما اگر دمای آب پایین تر از دمای 4 درجه سانتیگرا د برسد یعنی سردتر شود آب شروع به انبساط می کند، یعنی حجم آن افزایش یافته و بنابراین چگالی آب در دمای 4 درجه سانتیگراد بیشترین مقدار را دارد و برابر با یک گرم بر سانتی متر مکعب با 1000گیلوگرم بر متر مکعب می باشد.

1-4-5 چگالی نسبی

منظور از چگالی نسبی یک ماده نسبت چگالی آن جسم به چگالی چند ماده استاندارد می باشد.  که با حرف(s) نشان داده می شود. ماده استاندارد برای جامدات و مایعات معمولا آب می باشد (در 4درجه سانتی گراد) در حالی که برای گازها معمولا هوا در نظر گرفته می شود

چگالی نسبی ماده× چگالی آب در دمای 4 درجه سانتی گراد=چگالی ماده مورد نظر

(جامد یا مایع)

S × 29/1 = گازها ) P

بنابراین چگالی نسبی یک ضریب خالص است و هیچ واحدی ندارد.

1-4-6 سرعت

مسافت پیموده شده توسط یک جسم در واحد زمان و در یک جهت مشخص را سرعت جسم گویند. اگر جسم مسافتهای یکسانی را در فواصل زمانی یکسان و در امتداد یک مسیر مشخص طی کند گفته می شود که جشم با یک سرعت ثابت در حال حرکت است. اما اگر جسم مسافتهای متفاوتی را در یک مسیر مشخص در فاصله های زمانی یکسان طی نکند و یا اگر جسم مسافتهای یکسانی را در فاصله های زمانی ثابت با تغییر در جهتش حرکت کند، گفته می شود سرعت جسم متغییر است. ÞV=S

واحد سرعت بر حسب متر بر ثانیه (m/s)  یا گیلو متر بر ساعت(km/h) می باشد.

1-4-7 شتاب

معمولاً اجسام با سرعت ثابت حرکت نمی کنند سرعت ممکن است در مقدار یا جهت و یا در هر دو تغییر کند. برای مثال خودرویی را در نظر بگیرید که با سرعت متغییر در یک خیابان شلوغ در حال حرکت است این مثال مفهوم شتاب را برای ما تعیین می کند که همان نرخ تغییرات سرعت یک جسم در حال حرکت تعریف می شود. چنانچه تغییرات سرعت در واحد زمان ثابت باشد جسسم دارای شتاب ثابت است و چنانچه سرعت جسم در حال افزایش باشد شتاب آن مثبت در نظر گرفته می شود و اگر سرعت جسم در حال کاهش باشد شتاب ان منفی می باشد

1-4-8شتاب ثقل یا شتاب جاذبه زمین

شتاب حاصل در جسم هنگامیکه آزادانه در اثر نیروی جاذبه زمین سقوط می کند شتاب جاذبه زمین یا شتاب ثقل نامیده می شود وبه وسیله حرف (g) نشان داده می شود.

چناچه جسمی به طرف پایین سقوط کند شتاب ناشی از نیروی جاذبه زمین مثبت است. در حالی که اگر جسم به صورت عمودی ورو به بالا حرکت کند این شتاب منفی در نظر گرفته می شود. مقدار متوسط شتاب جاذبه زمین 81/9متر مجذور ثانیه است( تقریبا32 فوت برمجذور ثانیه) بنابراین برای یک جسم در حال سقوط آزاد ناشی از نیروی جاذبه زمین، سرعت آن با نرخ 9/81 متر بر مجذور ثانیه افزایش می یابد. یعنی، بعد از یک ثانیه سرعت آن 81/9 متر بر ثانیه، خواهد شد و الی اخر. در واقع، مقدار gاز مکانی به مکان دیگر تغییر می کند. در سطح زمین(g) در قطبها بیشترین مقدار و در خط استوا کمترین مقدار خود را دارد.

1-4-9 نیرو

موارد زیر را در نظر بگیرید:

  • هل دادن در برای باز کردن آن
  • کشاندن یک گاری باری
  • کشش یک فنر به وسیله باری که بر آن وارد شده است.

مثالهای فوق، نمونه ای از نیروهای فشاری و کششی را نشان می دهد. مقدار نیرو در هر مورد متفاوت است و بستگی به اندازه و محتوای جسم دارد. در موارد فوق نیروهای ایجاد شده ناشی از فشار،نیروی تماس نامیده می شود، زیرا نیرو در اثر تماس مستقیم با جسم ایجاد می شود. نیروی اعمال شده بر جسم، موقعیت و ابعاد آن را تغییر می دهد. مقدار نیرو وارد بر جسم ناشی از شتاب جاذبه به جرم جسم بستگی دارد .

در هر موقعیتی، نیروی جاذبه زمین، بطور مستقیم با جرم جسم متناسب است. نیروی ناشی از جاذبه زمین بر روی یک جرم یک کیلوگرم، یک گیلو گرم نیرو نامیده می شود(1kgf)یا اگر بر حسب نیوتن بیان شود معادل، 81/9نیوتون می باشد. با آزمایش می توان نتیجه گرفت اگر، یک نیرو (f)بر روی جسمی با جرم (m)اثرکند، جسم در جهت نیرو شتاب می گیرد. شتاب (g)با نیرو وارد بر جسم رابطه مستقیم و با جرم جسم نسبت عکس دارد (f=ma)این رابطه به قانون دوم حرکت نیوتن معروف است. همانطور که در بالا گفته شد، در سیستم SIواحد نیرو نیوتن است که با حرف (N)نشان داده می شود. یک نیوتن معادل با نیرویی است که بر جسمی به جدم یک کیلوگرم وارد شده و شتاب

را در جسم ایجاد می کند.

1-4-10وزن

وزن یک جسم از نیرو جاذبه وارد بر جرم جسم می باشد. بعبارتی وزن یک جسم به مقدارنیرو جاذبه بستگی دارد و مقدار آن در مکانهای مختلف متغیر می باشد.اگر جرم جسم (m)در نظر گرفته شود وزن آن با توجه به رابطه ذیل محاسبه می شود.

W=mg

شتاب جاذبه زمین ×جرم جسم = وزن جسم

واحد وزن در سیستم SIنیوتن (N)است. چناچه مقدار gدر سطح زمین 81/9متر بر مجذور ثانیه در نظر گرفته شود. جسمی با جرم یک گیلوگرم وزن آن بر روی زمین 81/9 نیوتون می باشد.

1kgf=9.8IN

1-4-11وزن مخصوص

منظور از وزن مخصوص سیال، وزن واحد حجم سیال یا همان نسبت وزن سیال به حجم آن می باشد. وزن مخصوص با حرف (Y)نشان داده می شود. بنابراین وزن واحد حجم یک سیال وزن مخصوص نامیده می شود.

از آنجایی که نسبت m/vهمان چگالی است، (p)، رابطه بین وزن مخصوص و چگالی را می توان اینچنین نوشت:

بنابراین: y=p×g

(1-6)

شتاب ثقل ×چگالی     وزن مخصوص

1000×9.81=9810N/m = وزن مخصوص آب

1-4-12کار

کار به صورت حاصلضرب نیرو در فاصله تعریف می شود. به عبارت دیگر، زمانی که جسمی تحت تاثیر یک نیرو حرکت می کند، کار انجام گرفته است. بالعکس، اگر هیچ حرکتی در جسم ایجاد نشود، کار انجام شده صفر است. بنابراین کار زمانی انجام می شود که نیروی وارد بر جسم سبب حرکت آن شود. بطور مثال چنانچه بخواهید یک جسم سنگین را هل دهید اما قادر به انجام این کار نباشید، کار انجام شده صفر خواهد بود. با توجه به شکل (1-6) اگر جسم 100 کبلو گرم را به اندازه 2 متر حرکت دهیم. مقدار کار انجام شده در اینجا بر حسب کیلو گرم متر اندازه گیری می شود.

چناچه نیروی که برای جابجایی جسم نیاز است بزرگ باشد و یا اگر جابجایی جسم ناشی از نیروی به کار گرفته شده زیاد شود کار انجام گرفته بیشتر خواهد شد. فرمول ریاضی برای محاسبه کار انجام شده برابر است با :

W=f×s

جابجایی انجام شده ×نیرو =      کار

در سیستم SI، واحد کار نیوتن متر است. یک ژول مقدار کاری است که بوسیله یک نیوتن نیرو انجام و بر حسب ژول نیز خوانده می شود. و جسم را در مسیر نیرو به اندازه یک متر جابجا می کند.

1-4-13

چناچه جسمی توانایی انجام کاری را داشته باشد، دارای انرژی است. بنابراین می توان گفت منظور از انرژی همان توانایی انجام کار است. به عبارت دیگر انرژی ، ظرفیت جسم برای تولید یک اثر می باشد. در هیدرولیک، عاملی که به وسیله آن انرژی انتقال می یابد، همان توان سیال خوانده می شود. انتقال انرژی از یک محرک اولیه یا منبع توان ورودی به طرف یک قطعه خروجی یا عملگر صورت می گیرد. انرژی را می توان به انواع ذیل تقسیم بندی نمود.

  • انرژی ذخیره شده: به طور مثال انرژی شیمیایی در سوخت و انرژی ذخیره شده در آب نمونه ای از این انرژی می باشد.
  • انرژی در انتقال: گرما و کار نمونه ای از این انرژی است.

موارد زیر شکلهای مختلف انرژی هستند.

انرژی پتانسیل(PE)

انرژی ذخیره شده در یک جسم را انرژی پتاسیل گویند. اگر یک شیء سنگین مثل یک سنگ بزرگ از سطح زمین به طرف پشت بام برده شود، انرژی مورد نیاز برای بالا بردن سنگ درآن ذخیره می

شود که همان انرژی پتانسیل می باشد.این انرژی پتاسیل ذخیره شده تا زمانی که سنگ در موقعیتش باقی بماند بدون تغییر خواهد بود.

انرژی پتانسیل از طریق رابطه ذیل تعیین می شود:

(1-8) PE=Z×G

که در این رابطه:

Z.ارتفاعی است که جسم بالا برده می شود.

انرژی جنبشی(KE)

انرژی جنبشی انرژی است که توسط جسم به خاطر حرکتش ایجاد می شود. اگر جسمی به جرم mکیلوگرم با سرعت (v) متر بر ثانیه در حال حرکت باشد انرژی جنبشی که در جسم ایجاد می شود:

(1-9)

این انرژی تا زمانی که جسم با سرعت یکنواختی در حال حرکت است در جسم باقی می ماند. زمانی که سرعت صفر است، انرژی جنبشی نیز صفر می باشد.

انرژی درونی

مولکولها دارای جرم هستند و در مایعات و گازها دارای حرکت انتقالی و حرکت دورانی می باشند.با توجه به جرم و حرکاتی که مولکولها دارند، این مولکولها دارای مقدار زیادی انرژی جنبشی می باشند که در ان ذخیره شده است. هر گونه تغییر در دما منجر به تغییر در انرژی جنبشی مولکولی می شود، چرا که سرعت مولکولها به درجه حرارت آنها بستگی دارد. مولکولها در یک جسم جامد نیز به وسیله نیروهایی کاملاً بزرگ به طرف هم جذب می شونداین نیروها زمانی که مولکولها حالت گاز کامل دراند از بین می روند. در فرآیند هایی از قبیل ذوب کردن یک جسم جامد یا تبخیر یک مایع، فایق آمدن بر چنین نیروهایی ضروری می باشد. انرژی مورد نیاز برای چنین تغییری در مولکولها به صورت انرژی پتانسیل ذخیره می شود. مجموع این انرژی ها، انرژی درونی نامیده می شود و درون جسم ذخیره می شود. این انرژی به عنوان انرژی درونی یا انرژی حرارتی شناخته می شود که با نماد (U)نشان داده می شود. انرژی معمولا بر حسب (BTU) یا  (g)بیان می شود.