أساسيات التحكم الهيدروليكي

أساسيات التحكم الهيدروليكي

أساسيات التحكم الهيدروليكي

 

أ.د.م/ نزيه نعمان بيومي

كلية الهندسة جامعة حلوان

إن كلمة هيدروليك (Hydraulic) مشتقة من الكلمة الإغريقية(Hydro)  بمعنى ماء, وكذلك (Aulis) بمعنى ماسورة أو خرطوم ويعنى ا صطلاح الهيدروليك التحكم في نقل الحركة والقوى داخل الآلات مستخدمًا السوائل المضغوطة.

ويستخدم التحكم الهيدروليكي في تطبيقات هندسية كثيرة.

  • في مجال الصناعة: آلات الورش والمكابس والمعدات الثقيلة وماكينات البلاستيك وماكينات التشكيل المستخدمة في صناعة السيارات والطائرات وماكينات الدرفلة بمصانع الحديد والصلب.
  • في مجال الإنشاءات المدنية: المعدات المتنقلة, كالخلاطات ومضخات الخرسانة والقلابات وفرادات الأسفلت والحفارات والروافع وكذلك تشغيل بوابات السدود والأهوسة.
  • في مجال الهندسة البحرية: تعمل أجهزة التحكم الهيدروليكية على توجيه السفن (أجهزة التحكم في الدفة) والأوناش والروافع السطحية وأبواب مقدمة السفينة.
  • في قطاعات مختلفة مثل هندسة التعدين ومحطات توليد الكهرباء والمطارات وداخل الطائرات وأجهزة هبوط الطائرات والتحكم في دفتها.

مميزات أنظمة التحكم الهيدروليكي

  • القدرات العالية.
  • أحجام صغيرة.
  • ودقة متناهية في الأداء.
  • العمر الافتراضي الطويل.

عيوب أنظمة التحكم الهيدروليكي

  • الأخطاء الناشئة عن استخدام الضغوط العالية.
  • المشاكل المترتبة على ارتفاع درجة حرارة الموائع المستخدمة عن الحد المسموح به وهو حوالي 70 درجة مئوية تقريبًا.

الهيكل العام لنظام التحكم الهيدروليكي

الهيكل العام لنظام التحكم الهيدروليكي يتكون من أربعة عناصر أساسية كما هو موضح في (جدول رقم 1) وهي كما يلي

  • وحدة القدرة الهيدروليكي: وهي تقوم برفع ضغط السائل الهيدروليكي للضغط المطلوب.
  • عناصر التحكم الهيدروليكية: ووظيفتها التحكم في الضغط والتدفق واتجاه السريان. أهمها صمامات التحكم في الضغط وصمامات التحكم في التدفق والصمامات الإتجاهية.
  • عناصر الفعل الهيدروليكية: هذه العناصر هي المسئولة عن تحويل طاقة الضغط إلي طاقة حركة مثل الأسطوانات والمحركات الهيدروليكية.
  • الآلة المتحكم فيها: مثل آلات الورش والمكابس والمعدات الثقيلة والمعدات المتنقلة مثل الخلاطات ومضخات الخرسانة.

الخواص الفيزيائية للموائع Physical Properties of Fluids  الخواص الفيزيائية للمائع (سائل أو غاز) هي التي تدل على حالته وتمثل التركيب الميكروسكوبي Microscopic Structure  والحركة.

الضغط (p) Pressure

الضغط هو القوة العمودية المسلطة من قبل المائع على الأسطح الملامسة نتيجة تصادم جزئيات الغاز مع المساحة وشدة الضغط عند أي نقطة هي القوة المسلطة عموديًا على وحدة المساحة عند تلك النقطة ووحدة الضغط بالنظام الدولي هي نيوتن/م2 [N/m2]  أو الباسكال [Pa]  وبنظام الوحدات البريطاني ثقل رطل لكل بوصة مربعة [p.s.i].

Pressure = Force/Area    N/m2

وهناك وحدات أخرى تستخدم للضغط, (جدول رقم 2) يبين العلاقة فيما بينها.

وفي هذا المجال نود أن نوجه النظر إلى الكمية التي تعرف

 

(جدول رقم 1) الهيكل العام لنظام التحكم الهيدروليكي

Torr bar N/mm2 pa  
0.0075 10-5 10-6 1 I pa=1N/m2
7.5X103 10 1 106 1N/mm2
750 1 0.1 105 1bar
1 1.33X10-3 1.33X104 133 1Torr

(جدول رقم2) توضيح العلاقة بين وحدات الضغط

بالضغط الجوي-Atmospheric Pres sure

وهي تعني وزن عمود الهواء المؤثر على وحدة المساحة ويفهم بعمود الهواء ارتفاع حتى الغلاف الخارجي للكرة الأرضية ويقاس الضغط الجوي بجهاز البارومتر الزئبقي Mercury Ba-rometer (أيضا يسمي بارومتر تورشيلي) و(شكل رقم1) يبين جهاز بارومتر.

يعبر عن الضغط عادة بنظامي الضغط المطلق Absolute Pressure أو الضغط المقاس Gauge Pressure، وفيما يلي توضيح لكل منهما.

الضغط المطلق هو الضغط منسوبا إلى التخلخل التام كمستوى إسناد.

الضغط المقاس هو الضغط منسوبا إلى الضغط الجوي المحلي كمستوى إسناد.

ويكون الضغط المطلق دائما موجبا وأدنى قيمة له هي الصفر وتعني التخلخل التام، أما الضغط المقاس فيكون موجبًا (أعلى من الجوي) أو سالبًا (تخلخل Vacuum) وتعني أقل من الجوي، أما إذا كان صفرًا فيعني تساوي الضغط مع الجوي، (شكل رقم2) يبين تخطيطيا العلاقة بين النظامين.

ملحوظة: الضغط الجوي

P atm= 1.01325bar=14.5psi

درجة الحرارة Temperature

درجة الحرارة هي مقياس لمستوى الطاقة الداخلية للمائع، والوحدة المستخدمة عمليا لقياس درجة الحرارة هي السيلسيوس [C] بالنظام الدولي والفاهرنهايت [F] بالنظام البريطاني.

وتعرف درجة الحرارة المطلقة –A b solute Temperature  وفقا للمعادلة التالية:

T (K) = © +273

T(R)= t(F) + 460

الكثافة (P)   Density

وهي مقياس لتركيز الكتلة في وحدة الحجوم من المائع ووحدتها بالنظام الدولي كجم/م3

(Kg/m3) وبالنظام البريطاني السلج/قدم (slug/ft3)

الكثافة = الكتلة/الحجم

Density=Mass/Volume

P=m/v  kg/m3

الحجم النوعي (v) Specific Volume

أما الحجم النوعي V فهو حجم وحدة الكتل أو خارج قسمة (1/p) وتكون وحداتها (m3/kg) وتكون الكثافة للموائع غير قابلة للانضغاط ومتغيرة للموائع القابلة للانضغاط

V=1/p   m3/kg

الوزن النوعي Y Specific Weight

الوزن النوعي يمثل وحدة الحجوم وهو حاصل ضرب الكثافة في عجلة الجاذبية وعادة يرمز له بالرمز Y وحدتها بالنظام الدولي نيوتن/م (N/m3) وبالنظام البريطاني (Ibf/ft3)

Y= P g=P/h   N/m3

الجاذبية النوعية (S)   Specific Gravity

هو العلاقة بين الوزن النوعي للمائع والوزن النوعي للماء

S= sp.gr= Y/Yw  pg/pwg  p/pw

Yw=pwg=1000×9.81=9810N/m3 T(K)= (c)+273

Yw= pwg=1000×9.81=9810N/m3 T(R)= t(F)+460

اللزوجة Viscoaasity

هي مقاومة المائع لعملية الانسياب، وكلما ارتفعت لزوجة المانع كان ذلك دليلا على أن مقاومة المانع للانسياب مرتفعة، ويرمز للزوجة عادة بالرمز u.

ويعرف معامل اللزوجة الديناميكية Dynamic Viscosity بأنه قوة القص J الواقعة على وحدة المساحة اللازمة لسحب طبقة من المائع بسرعة نسبية مقدارها الوحدة بالنسبة لطبقة تبعد عنها وحدة مسافة المائع، وتكون وحدتها الفيزيائية بواز Poise وهي

  1. Poise=1(dyne s/cm2)= 10-1

(N.s/m2)= 10-1 (pa.s)

V=1/p  m3/kg ويربط قانون نيوتن للزوجة بين إجهاد القص J ومعدل تدرج السرعة du/dy بالعلاقة التالية:

(شكل رقم1) جهاز البارومتر والضغط الجوي

(شكل رقم2) العلاقة بين الضغط المطلق والضغط المقاس

Du/dy

وتعرف الموائع التي تخضع لهذه العلاقة بالموائع النيوتنية

Newtonian Fluid

أما معامل اللزوجة الكيمائيكية Kinematic visecosity ويرمز له بالرمز v فيمثل u/p وتكون وحدته [m2/s]، أما الوحدة الفيزيائية المستخدمة وهو ستوك Stoke.

V=u/p

I Stoke= 1 (cm2/s)=10 4(m2/s)

يمثل (شكل رقم3) اللزوجة الديناميكية لبعض الموائع كدالة في درجة الحرارة. و(شكل رقم4) يمثل اللزوجة الكيماتيكية لبعض الموانع كدلة في درجة الحرارة وتقاس لزوجة الزيوت الصناعية بواسطة أجهزة قياس اللزوجة كما هو موضح في (شكل رقم5)

ملحوظة لزوجة السوائل تنخفض مع ارتفاع درجة الحرارة، أما لزوجة الغازات فتزيد مع ارتفاع درجة الحرارة.

القوانين الأساسية في الهيدروليك

أولًا: الهيدروستاتيك (السوائل الساكنة) Hydrostatic

Pel=F1/A1 &Pe2=F2/A2

Then,Pel=Pe2

F1/A1=F2/A2 or

F1XA2=F2 X Al or F1/F2=A1/A2

أي أنه في حالات نقل القوى الهيدروليكي يكون الضغط ثابتًا ويكون ارتباط القوى المختلفة ببعضها هو نفس ارتباط المساحات المختلفة للكباسات ببعضها كما هو موضح في (شكل رقم6).

نقل الضغط الهيدروليكي

أي أنه في حالات أجهزة نقل الضغط يتناسب الضغط عكسيًا مع مساحة الكباس

ثانيًا: الهيدروديناميكية (السوائل المتحركة) Hydrodynamic

معادلة الاستمرارية (Continuity Equation)

Discharge=Area X Velocity

Q=A V

Velocity= Distance/Time

V= S/T

Q1=Q2

A1 X V1=A2 X V2

Continuity Equation

m=P A V where p is the Density

الطاقة الهيدروليكية (Hydraulic Energy)

كل سائل من السوائل له طاقة ميكانيكية معينة. فعند تحرك هذا السائل تتحول الطاقة الكامنة فيه إلى ثلاثة أنواع من الطاقة هي:

  • طاقة الوضع: هذه الطاقة مرتبطة بارتفاع عمود السائل.
  • طاقة الضغط هذه الطاقة ترتبط بالضغط المنسوب للضغط الجوي (Pe)
  • طاقة الحركة: هذه الطاقة ترتبط بمدى سرعة تدفق السائل.

Bernoulli’s Eguation

Pel1/y +vI2/2g+ z1=pe2/y+v22/2g+z2

وحدة القدرة الهيدروليكية

تقوم وحدة القدرة الهيدروليكية بتحويل الطاقة وتتكون من الأجزاء الرئيسية الآتية:

  • المحرك (الموتور).
  • المضخة الهيدروليكية.
  • خزان السائل.
  • صمام أمان الدورة.
  • أنانيب (مواسير) التوصيل.
  • كوبلنج توصيل بين المحرك والمضخة (ناقل للحركة) والرمز العلمي وحدة القدرة الهيدروليكية
  • المضخة.
  • الموتور.
  • العمود.
  • صمام أمان.
  • الخزان.
  • خط مواسير.
  • وحدة القدرة.

وفيما يلي شرح كل من السائل-الخزان-المصافي والمرشحات

السائل

وظيفة السائل في الدورة الهيدروليكية تنحصر في الآتي

نقل الطاقة الهيدروليكية حيث يتم توليد الطاقة الهيدروليكية بواسطة المضخة الهيدروليكية في السائل الهيدروليكي ثم تتحول بواسطة المحرك الهيدروليكي إلى حركة ميكانيكية خطية أو دورانية.

تزييت الأجزاء المحتكة في الدورة الهيدروليكية مثل كراسي المحاور للمضخات وبذلك يقل التآكل الناتج عن الاحتكاك.

طرد الشوائب والقاذورات الناتجة عن الاحتكاك أو أي مصدر آخر.

اللزوجة الديناميكية لبعض الموانع كدالة في درجة الحرارة

اللزوجة الكينماتيكية لبعض الموائع كدالة في درجة الحرارة

التبريد عن طريق امتصاص الحرارة وتبادلها مع الهواء الخارجي وذلك خلال المبردات.

الخواص الطبيعية للسائل الهيدروليكي

اللزوجة (Viscosity)

هي مقاومة المائع لعملية الانسياب فمثلا البنزين له لزوجة صغيرة تسمح بتدفقه بسهولة أما الجليسرين فله لزوجة كبيرة تقلل من تدفقه وعادة فإن لزوجة السائل تتناسب عكسيا مع درجة الحرارة. اللزوجة المناسبة للأجهزة الهيدروليكية هي التي لا تسمح بإحداث تسربات نتيجة للخلوصات الموجودة. فحدوث تسربات يؤدي إلى فقد كبير في الضغط في الدائرة وهذه التسربات تقل بزيادة الزوجة.

وكذلك يجب ألا تزيد اللزوجة لأن ذلك يؤدي إلى احتكاك كبير للزيت عند تدفقه داخل المواسير، فزيادة الاحتكاك تؤدي إلى فقد في الطاقة الهيدروليكية في صورة حرارة وهذا يؤدي إلى انخفاض الضغط في الدائرة ويزد من استهلاك القدرة.

الثبات الكيميائي (Chemical Stability)

هي درجة تحمل السائل للأكسدة والتحلل عند التشغيل لمدة طويلة، فنتيجة لزيادة درجة حرارة الزيت في الدائرة فيؤدي ذلك إلى حدوث كربنة في الزيت.

خلوه من الحمضية (Freedom from Acidity)

يجب أن يكون السائل الهيدروليكي خاليا من أي حمضية، والتي تسبب صدأ الأجسام المعدنية في الدائرة الهيدروليكية.

نقطة الوميض (Flash Point)

هي درجة الحرارة التي عندها يتحول السائل إلى بخار يشتعل بمجرد تعرضه للهب، ويفضل ارتفاع نقطة الوميض للسوائل الهيدروليكية.

درجة السمية (Minimum Tpxicity)

يجب أن تقل درجة السمية للزيت وذلك لمنع الحوادث التي قد تنجم عن ملامسة أي شخص للزيت، أو وصول الزيت لعين أو فم المشتغلين بطريقة الخطأ.

أنواع السوائل الهيدروليكية

يمكن تقسيم الزيوت الهيدروليكية تبعا لنوع المحتوى الأعظم لها إلى أكثرها ماء-أكثرها بترول-أكثرها مركبات كيميائية.

أكثر هذه الأنواع انتشار هي السوائل الهيدروليكية البترولية، ولكن عادة تستخدم الأنواع الأخرى كسوائل هيدروليكية مقاومة للحريق (Fire Resistant) حيث تستخدم في الأماكن ذات ظروف التشغيل القاسية مثل المسابكر حيث درجات الحرارة العالية، بالتالي درجات الحرارة العالية، بالتالي تصبح الزيوت البترولية غير مناسبة للاستخدام لانخفاض درجات حرارة الاشتعال الذاتي لها وأهم السوائل الهيدروليكية المقاومة للحريق ما يلي

محلول جليكول الماء (Water Glycolk Solution)

يتكون هذا المحلول من مخلوط من الماء 50: 40% مع الإيثلين، أو البروبلين، وكذلك جليكول البولي إيثلين.

لمحلول جليكول الماء عدة مميزات منها

له درجة لزوجة عالية.

له خواص تزييت عالية.

جودة عالية عند تواجد الشوائب

غير انضغاطي

كثافة عالية.

اعتبارات عند استخدام محلول الجليكول.

عدم استخدام دهانات للسطح الداخلي للخزان.

لا تتعدي درجة التشغيل عن 65درجة مئوية.

لا تستخدم مضخات ترسية مع هذا المحلول.

سرعة السائل لا تزيد عن 3مرت/ث.

5-ضغط التشغبل يتراوح بين 100-120بار.

سائل إستر الفوسفات (Phosphate Easter Fluid)

لهذا السائل عدة خصائص أهمها

ارتفاع درجة حرارة الاشتعال الذاتي.

له جودة عالية للتزييت.

خواص جيدة عند وجود الشوائب.

وزن نوعي منخفض.

ومن عيوبه أنه سام ويسبب تلوث للبيئة.

اعتبارات عند استخدام سائل إستر الفوسفات

استخدام موانع تسريب مناسبة لجميع العناصر الهيدروليكية.

لا تستخدم دهانات للسطح الداخلي للخزان إلا في حالات خاصة.

الترشيح المستمر للسائل لزيادة كثافته.

درجة حرارة التشغيل تصل إلى 100درجة مئوية.

الخزان

لكل دورة هيدروليكية خزان الغرض منه.

نقل القوى الهيدروليكي-نقل الضغط الهيدروليكي

وحدة القدرة الهيدروليكية

تخزين الزيت.

حمل المضخة ومحرك الدفع

حمل أجزاء التحكم الخاصة بالخزان.

الأجزاء الأساسية للخزان هي

  • صمام معدلة الضغط
  • وصلة الرجوع
  • غطاء الخزان
  • فتحة الملي بغطاء ذو مقياس
  • ماسورة السحب
  • فتحة وطبة لتفريغ
  • مبين مستوى السائل للحد الأدني
  • مبين مستوى السائل للحد الأقصي
  • مساورة الرجوع.
  • الواح تهدئة (لتقليل سرعة السائل)
  • مصافة السحب والضغط للسائل
  • غرفة الرجوع
  • مرشح السحب
  • غرفة السحب