جک هیدرولیک چیست؟ هر آنچه درباره یک جک هیدرولیک باید بدانیم

در این سری از مقالات قصد دارم هر آنچه که باید در مورد یک جک هیدرولیک بدانیم را در حد توان و دانشم بیان کنم .

در ابتدا با نام و یاد خداوند و طلب بهروزی و سعادت برای شما عزیزان از درگاهش آغاز میکنم .

یک جک هیدرولیک یا سیلندر هیدرولیک وسیله، تجهیز یا عملگری است که بوسیله آن میتوان انرژی موجود در یک سیال تحت فشار مثل روغن هیدرولیک را به انرژی مکانیکی تبدیل کرد. به عبارت دیگر سیلندر هیدرولیک وسیله ای است که توان هیدرولیکی را به توان مکانیکی تبدیل میکند. با تبدیل انرژی موجود در روغن هیدرولیک یا سیال تحت فشار به انرژی مکانیکی ، کار مورد نیاز انجام میشود.

 در صنعت از جک ها یا سیلندرهایی که با هوای فشرده هم کار میکنند به وفور استفاده میشود. این جک ها به جک های پنوماتیک معروفند. فشار کاری معمول در یک جک هیدرولیک معمولی حدود 250 تا 300 بار ( ماکزیمم حدود 600 بار ) میباشد. این فشار در جک های پنوماتیک یا هوای فشرده حدود 7 یا 8 بار است.

پس یک جک هیدرولیک انرژی خود را از روغن هیدرولیک و یک جک پنوماتیک انرژی خود را از هوای فشرده میگیرد. بدیهی است که یک جک پنوماتیک قدرت کمتری نسبت به نوع هیدرولیک آن دارد.

معمولا از جک های پنوماتیک در محل هایی که باید استانداردهای آلودگی را رعایت کنند مثل صنایع دارویی و غذایی به دلیل پاکیزگی استفاده میگردد.

البته نوع بخصوصی از جک ها هم هستند که برای کاربردهای خاصی طراحی میشوند. این جک ها که به جک های هیدروپنوماتیک معروفند از دو سیال روغن هیدرولیک یا آب و هوای فشرده یا گاز ازت توامان استفاده میکنند.

مدار داخلی این جک ها به نوعی است که حرکت شفت جک بوسیله دو سیال هدایت و کنترل میشود. این جک ها غالبا برای کاربردهای زیر مورد استفاده قرار میگیرند.

1 – یکنواخت کردن سرعت حرکت یک جک پنوماتیک

جک های پنوماتیک به دلیل قابلیت فشرده شدن هوا در اغلب موارد دارای حرکت های خطی یا چرخشی غیر یکنواخت میباشند . به عبارت دیگر سرعت حرکت شفت جک در طول مسیر با تغییر بار وارد بر آن کم و زیاد میشود.

2 – تشدید فشار در یک سیال 

به این روش میتوان فشار پایین فرضا هوای فشرده را در ورودی به فشاری بالاتر در خروجی تبدیل کرد . این ضریب تبدیل به نسبت سطح مقطع ها متفاوت میباشد.

به طور مثال اگر ضریب تقویت فشار ( بدون احتساب بازده ) یک سیلندر تشدید فشار  150 برابر باشد به این معنی است که مثلا فشار 10 بار در ورودی به فشاری معادل 1500 بار در خروجی تبدیل میشود.

3 – خنثی و دمپ کردن ضربات فشار در سیال ( کارکردی مثل آکومولاتور )

در عکس بالا دو عدد به اصطلاح پمپ تشدید فشار، intensifier pump ، مربوط به دستگاه برش واتر جت دیده میشود . در اصل این پمپ ها ، یک سیلندر تشدید فشار میباشند با ضریب 20 برابر . که فشار روغن هیدرولیک 200 بار در ورودی را به فشار آب مقطر 4000 بار در خروجی تبدیل میکند.

این فشار آب مقطر 4000 بار که بوسیله یک پلانجر سرامیکی تولید میشود باعث میشود که سرعت خروج آب از نازل دستگاه واتر جت به حدود 900 تا 1000 متر بر ثانیه برسد. با مخلوط شدن آب و ماسه سیلیس عمل برش انجام می گیرد.

این نکته را هم اضافه کنم که از آب هم به عنوان یک سیال بجای روغن هیدرولیک در مواردی خاص استفاده میشود . در این صورت باید کلیه تجهیزات اعم از پمپ و شیرآلات کنترلی و عملگرها یا اکچویتورها باید در مقابل زنگ زدگی محافظت شده باشند . در غیر اینصورت قطعات به سرعت در مجاورت با آب زنگ زده و کارایی خود را از دست میدهند.

بدیهی است که این تجیزات بسیار گران قیمت تر از قطعات معمولی میباشند. استفاده از سیال آب در مواردی که نیاز به نیروی بیشتری از نیروی هوای فشرده یا پنوماتیک و محل نصب تجهیز دارای استاندارد آلودگی مثل صنایع غذایی یا دارویی باشد استفاده میشود.

البته در سیستم های هیدروفورمینک ( مواقعی که به جای استفاده از نیروی مستقیم یک سیلندر هیدرولیک و قالب های سنبه و ماتریس برای فرم دهی یا کشش قطعات که دارای زاویه تند و یا حتی زاویه منفی هستند از نیروی فشار سیالات به جای یک جک هیدرولیک استفاده میشود ) از مخلوطی از آب به همراه مواد ضد زنگ و خنک کننده استفاده میشود.

لازم به ذکر است که در سیستم های موبایل هیدرولیک ما شاهد جک هایی با قطرهای کمتر از جک های استفاده شده در سیستم های هیدرولیک صنعتی هستیم که به همین نسبت فشار کاری این جک ها افزایش می یابد .

انواع حرکت جک هیدرولیک :

یک سیلندر هیدرولیک میتواند انرژی روغن هیدرولیک را به حرکت مکانیکی خطی یا مکانیکی چرخشی تبدیل کند.

به عبارت دیگر در یک جک هیدرولیک خطی، جک میتواند انرژی موجود در سیال تحت فشار را به صورت یک حرکت خطی در شفت خود تبدیل کند. در این حالت شفت جک هیدرولیک به صورت خطی حرکت رفت و برگشتی انجام میدهد.

 در یک جک هیدرولیک چرخشی این تبدیل انرژی به صورت چرخش شفت جک هیدرولیک مشاهده میشود.

البته در بعضی از انواع جک هیدرولیک این حرکت ها با هم ترکیب میشوند . پس در نتیجه این جک میتواند انرژی موجود در سیال تحت فشار مثل روغن هیدرولیک را هم به صورت حرکت خطی و هم به صورت حرکت چرخشی تبدیل کند .

به این صورت که بخشی از حرکت به صورت خطی و بخشی از حرکت به صورت چرخشی میباشد .

در ادامه به محاسبه نیروهایی که یک جک هیدرولیک در هنگام باز و بسته شدن میتواند اعمال کند میپردازم.

نحوه محاسبه نیروی یک جک هیدرولیک :

با توجه به فرمول نیرو F=P*A*Ƞ  میتوان نتیجه گرفت که نیروی یک جک هیدرولیک از حاصل ضرب فشار اعمال شده توسط روغن هیدرولیک در سطح مقطع اعمال فشار در بازده جک بدست میاید.

به عبارت دیگر هر چه فشار روغن هیدرولیک بیشتر باشد ما نیرویی بیشتری در جک هیدرولیک داریم . همینطور هر چه سطح مقطع جک هیدرولیک بزرگتر باشد هم ما نیروی بزرگتری داریم. پس جک هایی با مقطع بزرگتر میتوانند نیروهای بزرگتری اعمال کنند.

برای محاسبه نیروی اعمالی توسط یک جک هیدرولیک به صورت زیر عمل میکنیم :

با توجه به اینکه هر یک بار فشار نیرویی معادل 10 نیوتن بر سانتی متر مربع وارد میکند که معادل 0.98 کیلوگرم بر سانتی متر مربع میباشد . برای ساده شدن محاسبات میتوان این عدد را معادل یک کیلوگرم بر سانتی متر مربع گرفت . پس با ضرب سطح مقطع در میزان فشار میتوانیم نیروی اعمالی یک جک را محاسبه کنیم.

 P = 1 bar = 10 N/cm2

مثال :

جک هیدرولیک با قطر سیلندر 250 میلی متر و قطر شفت 120 میلی متر. فشار اعمالی در سمت پیستون 350 بار و فشار اعمالی در سمت شفت 250 بار.

D = 250 mm = 25 cm

d = 120 mm = 12 cm

P = 350 bar = 3500 N/cm2

P = 250 bar = 2500 N/cm2

محاسبه کنید نیروی اعمالی جک هیدرولیک را در هر دو سمت.

سطح مقطع فشار سمت پیستون = A

سطح مقطع فشار سمت شفت = B

نیروی اعمالی در سمت پیستون = C

نیروی اعمالی در سمت شفت = D

F=P*A*Ƞ

A = (12.5*12.5)*3.14 = 490.625 cm2

B = (((12.5*12.5)-(6*6))*3.14 = 377.58 cm2

C = FA = P*A = 3500 N/cm2 * 490.625 cm2 = 1,717,187.5 N = 175,223 KG

D = FB = P*B = 2500  N/cm2 * 377.58 cm2 = 943,950 N = 96,321  KG

اگر جک هیدرولیک در ابتدای عمر کاری خود باشد و استاندارادهای ابعاد و متریال را در هنگام ساخت رعایت کرده باشند میتوان بازده آن را حدود 0.95 در نظر گرفت. ولی اگر جک کارکرده باشد این عدد بر حسب لیک داخلی و اصطکاک پایین تر در نظر گرفته میشود.

C = 1,717,187.5 N * 0.95 = 1,631,328 N = 166,462 KG

D = 943,950 N * 0.95 = 896,752 N = 91,505 KG

با توجه به محاسبات فوق مشخص میشود که جک هیدرولیک مورد نظر میتواند در هنگام باز شدن نیرویی معادل حدود 166 تن و در هنگام بسته شدن نیرویی معادل حدود 91 تن وارد کند.

برای ساده شدن محاسبات میتوان از روش زیر که با درصد خطای قابل قبولی نتیجه میدهد نیز استفاده کرد.

در این نوع محاسبه هر یک بار فشار را معادل 1 کیلوگرم بر سانتی متر مربع در نظر و بازده را عدد 1 در نظر میگیریم.

A = (12.5*12.5)*3.14 = 490.625 cm2

B = (((12.5*12.5)-(6*6))*3.14 = 377.58 cm2

FA = P*A = 350  KG/cm2 * 490.625 cm2 = 171,718 KG

FB = P*B = 250 KG/cm2 * 377.58 cm2 = 94,395 KG

با توجه به جواب ها میتوان به راحتی این محاسبه را درست در نظر گرفت و به آن اعتماد کرد.

استفاده از کل یا بخشی از مقاله در موارد آموزشی با ذکر نام منبع بلا مانع است .

مهر ماه 1399   

سید مجید حقیقت پژوه

مطالعه مقاله تفاوت موبایل هیدرولیک با هیدرولیک صنعتی

مطالعه مقالات آموزشی پمپ هیدرولیک

مطالعه مقاله آموزشی مدارات هیدرولیک