Hydraulica 101: Fluïdelijke Vermogenssystemen Begrijpen

Basisprincipes van Hydraulica en Hydraulische Systemen

Hydraulica is de generatie van krachten en beweging met behulp van hydraulische vloeistoffen als medium voor krachttransmissie. Hydraulische systemen zijn essentieel voor de werking van zware apparatuur. De term 'hydraulica' stamt van het Griekse woord voor water en betekende oorspronkelijk de bestudering van het fysicaal gedrag van water in rust en in beweging. Tegenwoordig omvat het het gedrag van alle vloeistoffen, inclusief hydraulische vloeistoffen. Hydraulische systemen zijn niet nieuw in de industrie; ze bieden een middel voor de werking van veel typen industriële apparatuur. Naarmate apparatuur geavanceerder wordt, worden nieuwe systemen met hydraulisch vermogen ontwikkeld.

Hydraulische systemen worden gebruikt in moderne productieplanten en productie-installaties en spelen een grote rol in de staalindustrie, mijnbouw, bouw en materiaalhantering. Ze bedienen implementen om materialen te tillen, duwen en verplaatsen. De brede industriële toepassing begon pas in de jaren 1950. Sindsdien is deze vorm van krachttransmissie standaard geworden. Vandaag de dag hebben hydraulische systemen een belangrijke plaats in moderne automatiseringstechnologie. Redenen: veelzijdigheid, efficiëntie en eenvoud van krachttransmissie.

Krachttransmissie is de taak van het hydraulische systeem: het zet kracht van de ene vorm in de andere om. In hydraulische systemen worden krachten die door de vloeistof worden uitgeoefend, overgedragen aan een mechanisch mechanisme. Om te begrijpen hoe hydraulische systemen werken, is kennis van de hydraulische principes nodig. Hydraulica is de bestudering van vloeistoffen in beweging en druk in buizen en cylinders.

De Twee Takken van de Hydraulica

De hydraulica kan worden verdeeld in twee takken: (i) hydrodynamica en (ii) hydrostatica.

• Hydrodynamica behandelt bewegende vloeistoffen. Voorbeelden: waterrad of turbine (energie uit waterbeweging), coupleerkoppeling.
• Hydrostatica behandelt vloeistoffen onder druk. Voorbeelden: hydraulische krik, hydraulische pers, hydraulische cylinderactuatie. In hydrostatische apparaten overdraagt duwen op een ingeperkte vloeistof kracht. Beweging in het systeem ontstaat als de vloeistof stroomt. De meeste hedendaagse hydraulische apparatuur werkt hydrostatisch.

De drie meest gebruikte technieken voor regeltechniek (krachten, bewegingen, signalen genereren) zijn hydraulica, elektriciteit en pneumatica. Het voordeel van hydraulica ten opzichte van de andere technologieën:

• Transmissie van grote krachten met kleine componenten → hoge vermogendichtheid
• Precise positionering
• Consistente krachtuitgang (moeilijk bij pneumatische of mechanische aandrijvingen)
• Opstarten onder zware last mogelijk
• Gelijke bewegingen ongeacht last, doordat vloeistoffen nauwelijks comprimeerbaar zijn en stroomregelkleppen gebruikt kunnen worden
• Gladde werking en omkering
• Goede regeling en controle
• Gunstige warmteafvoer
• Kleinere kans op lekkage dan bij pneumatische systemen
• Gemakkelijke installatie, vereenvoudigde inspectie, minimaal onderhoud
• Oncomprimeerbare vloeistof → hogere rendement, verwaarloosbare verlies door vloeistofwrijving
• Goede prestaties in hete omgevingen

Nadelen van hydraulische systemen: (i) milieubelasting door afvaloliën (brandgevaar, ongevallen), (ii) gevoeligheid voor vuil, (iii) gevaar door overmatige druk (afgescheurde leidingen), (iv) temperatuurafhankelijkheid (viscositeitsverandering).

Er is een fundamenteel onderscheid tussen stationaire en mobiele hydraulische systemen. Mobiele systemen bewegen op wielen of rupsen; stationaire blijven vast. Kenmerk van mobiele systemen: kleppen vaak handmatig bediend. Bij stationaire systemen worden meestal magnetkleppen (solenoid valves) gebruikt.

Toepassingsgebieden mobiele systemen: (i) bouwapparatuur, (ii) stortwagens, graafmachines, hijspodiums, (iii) hijs- en transportapparatuur, (iv) terreinmateriaalhantering. Hoofdtoepassingen stationaire systemen: (i) productie- en montagemachines, (ii) transferlijnen, (iii) hijs- en transportapparatuur, (iv) walserijen, (v) persen, (vi) liften, (vii) injectiegietmachines. Werktuigmachines zijn een typisch toepassingsgebied.

De Wet van Pascal

In de 17e eeuw formuleerde de Franse wetenschapper Blaise Pascal de fundamentele wet die de basis vormt voor hydraulica. De wet van Pascal stelt: "Druk uitgeoefend op een ingeperkte vloeistof wordt onverminderd in alle richtingen overgedragen, en werkt met gelijke kracht op alle gelijke oppervlakken, en loodrecht op die oppervlakken." Dit principe wordt ook de wet van ingeperkte vloeistoffen genoemd.

Pascal demonstreerde het praktische nut: een kleine invoerkracht op een klein oppervlak kan een grote kracht produceren door het uitgangsoppervlak te vergroten. Deze druk op het grotere uitgangsoppervlak produceert een grotere kracht. Het is een methode om kracht te vermenigvuldigen.

Krachtvermenigvuldiging is slechts één voordeel van hydraulische vloeistof voor krachttransmissie. Krachten hoeven niet lineair overgedragen te worden; ze kunnen om hoekjes of in elke niet-lineaire vorm worden overgedragen terwijl ze worden geampliceerd. Fluïdelijk vermogen is een flexibel concept voor krachttransmissie. Het is de transmissie van kracht van een essentieel stationaire, rotatie bron naar een op afstand geplaatste rotatie (circulair) of lineair (rechte lijn) krachtversterkend apparaat: een actuator. Fluïdelijk vermogen kan ook worden gezien als deel van het transformatieproces van potentiële energie naar actieve mechanische vorm (lineaire of rotatieve kracht en vermogen). Eenmaal de basisenergie omgezet in fluïdelijk vermogen, zijn er verdere voordelen:

• Krachten kunnen gemakkelijk worden gewijzigd in richting of omgekeerd.
• Beschermingsapparaten kunnen worden toegevoegd die toestaan dat de belasting stagneert, maar de primemover niet overbelast wordt en componenten niet overmatig worden gespannen.
• De snelheid van verschillende componenten kan onafhankelijk van elkaar en van de primemover worden geregeld.

Hydraulische Vloeistoffen

Hydraulische systeemvloeistoffen dienen primair om krachten te transmitteren en te distribueren naar te activeren eenheden. Vloeistoffen kunnen dit omdat ze bijna oncomprimeerbaar zijn. Water is ongeschikt als hydraulische vloeistof: het bevriest bij lage temperaturen, kookt bij 100°C, veroorzaakt corrosie en roest, en biedt weinig smering. De meeste hydraulische systemen gebruiken olie (hydraulische vloeistof), omdat deze niet comprimeerbaar is en het systeem smeert. Veel typen vloeistoffen worden gebruikt, afhankelijk van de taak en werkomgeving, maar alle vervullen de volgende basisfuncties:

• Transmissie van krachten en vermogen via leidingen naar een actuator waar werk wordt verricht.
• Smeermedium voor hydraulische componenten in de circuit.
• Koelmedium, warmte afvoeren van "hete plekken" in het circuit of componenten.
• Afdekken van spel tussen bewegende delen van componenten om efficiëntie te verhogen en warmte door overmatige lekkage te verminderen.

Eigenschappen en kenmerken die bij selectie van een hydraulische vloeistof overwogen moeten worden:

• Viscositeit – Een van de belangrijkste eigenschappen. Interne weerstand tegen stroming. Viscositeit neemt toe bij dalende temperatuur. Een bevredigende vloeistof moet voldoende "body" hebben voor een goede afdichting bij pompen, kleppen en zuigers, maar niet zo dik dat het stroomweerstand geeft (vermogensverlies, hogere temperaturen, overbelasting, slijtage). Te dunne vloeistof leidt tot snelle slijtage van bewegende delen of zwaar belaste delen.
• Chemische stabiliteit – Uiterst belangrijk. Vermogen om oxidatie en afbraak lang te weerstaan. Alle vloeistoffen ondergaan ongunstige chemische veranderingen bij zware bedrijfsomstandigheden, bijv. langdurig hoge temperaturen. Gelokaliseerde hitteplekken (lagers, tandwielen, oriënces) kunnen de vloeistof lokaal verbranden/slibvormen, terwijl de reservoirtemperatuur normaal lijkt.
• Vlam punt – Temperatuur waarop de vloeistof dampen afgeeft die momentaan ontbranden bij een vlam. Een hoog vlam punt is wenselijk: goede weerstand tegen verbranding, lage verdamping bij normale temperaturen.
• Brand punt – Temperatuur waarop de vloeistof voldoende dampen afgeeft om te ontbranden en door te branden bij een vonk of vlam. Ook hier is een hoog brand punt vereist.

Voor correcte werking en bescherming van niet-metalen componenten moet de juiste vloeistof worden gebruikt. De drie hoofdcategorieën hydraulische vloeistoffen zijn: (i) mineralen oliën, (ii) poly-alpha-olefines, (iii) fosfaatesters.

• Mineralen olie gebaseerd – Veel gebruikt waar brandgevaar laag is. Afkomstig uit petroleum. Synthetische rubberafdichtingen worden gebruikt met petroleum-gebaseerde vloeistoffen.
• Poly-alpha-olefine (PAO) – Brandvaste, gehydrogeneerde vloeistof om de brandbaarheid van mineralen olie te overwinnen. Aanzienlijk meer vlamvaste, maar nadeel: hoge viscositeit bij lage temperatuur. Gebruik meestal tot -40°C beperkt.
• Fosfaatester gebaseerd – Extreem brandvaste. Maar niet brandbestendig; onder bepaalde omstandigheden branden ze. Vanwege samenstellingsverschillen mengen petroleum- en fosfaatester-gebaseerde vloeistoffen niet. Afdichtingen voor de ene vloeistof zijn niet tolerabel voor de andere.

Hydraulische systemen vereisen speciale accessoires compatibel met de vloeistof. Passende afdichtingen, pakkingen en slangen moeten specifiek aangewezen zijn voor het type vloeistof. Zorg dat geïnstalleerde componenten compatibel zijn met de hydraulische vloeistof.

Hydraulische Systemen: Open en Gesloten Centrum

Open centrum systeem: Vloeistofstroom, maar geen druk in het systeem wanneer actueermechanismen rusten. De pomp circuleert vloeistof van reservoir, door selectorkleppen, terug naar reservoir. Selectorkleppen zijn altijd in serie geschakeld. Vloeistof mag vrij door elke klep naar reservoir totdat één klep wordt gezet om een mechanisme te activeren. Dan wordt vloeistof van de pomp door een werklijn naar de actuator gestuurd. De stroom door de klep naar reservoir wordt geblokkeerd. Druk bouwt op om weerstand te overwinnen en de zuiger te bewegen; vloeistof van de andere uiteinde van de actuator keert terug naar de selectorklep en stroomt naar reservoir. De werking na actuatie hangt af van het type selectorklep.

Gesloten centrum systeem: Vloeistof staat onder druk zolang de drukpomp werkt. Er zijn meerdere actuatoren parallel geschakeld; sommige werken, andere niet. Verschil met open centrum: selectorkleppen of richtingskleppen zijn parallel geschakeld, niet in serie. Drukregeling varieert. Bij constante leveringspomp: systeemdruk geregeld door drukregelaar; overbelastingklep als veiligheidsbackup. Bij variabele verplaatsingspomp: systeemdruk geregeld door de pomp's integrale drukcompensator. De compensator past de volume-uitgang automatisch aan. Bij benadering van normale systeemdruk begint de compensator de flow te verminderen. De pomp is volledig gecompenseerd (bijna nul flow) wanneer normale systeemdruk bereikt is. In deze toestand voorziet de interne bypass in circulatie voor koeling en smering. Een overbelastingklep is als veiligheidsbackup geïnstalleerd.

Voordeel open centrum ten opzichte van gesloten centrum: continue verduistering van het systeem wordt vermeden. Omdat druk geleidelijk opbouwt na het verplaatsen van de selectorklep, is er weinig schok door drukgolven. Dit geeft gladde werking van actueermechanismen. De werking is langzamer dan gesloten centrum, waar druk direct beschikbaar is zodra de selectorklep wordt gezet.

Basisonderdelen van een Hydraulisch Systeem

Ongeacht functie en ontwerp heeft een hydraulisch systeem een minimum aan basisonderdelen naast een middem voor vloeistoftransmissie. Een basisysteem bestaat uit: hydraulische pomp, reservoir voor hydraulische vloeistof, richtingsklep, terugslagklep, overbelastingklep, selectorklep, actuator en filter. Figuur 1 toont het basishydraulische systeem.

Hydraulisch reservoir: Container voor het bewaren van de benodigde vloeistof, inclusief reserve voor lekkage en verdamping. Ontworpen voor vloeistofuitzetting, ontluchting van ingelopen lucht, en koeling. Reservoirs zijn of geventileerd naar de atmosfeer of gesloten en gepresuriseerd. Vloeistof stroomt van reservoir naar pomp, wordt door het systeem gedrukt en keert uiteindelijk terug. Het reservoir vult niet alleen operationele behoeften, maar vult ook vloeistofverlies door lekkage aan. Bovendien fungeert het als overlopbak voor overtollige vloeistof door thermische uitdijning, accumulators, en zuiger/stangverplaatsing. Het reservoir biedt ook een plek voor de vloeistof om zich te ontdoen van luchtbellen. Vreemde stoffen kunnen in het reservoir of via lijntfilters worden gescheiden. Reservoirs zijn gepresuriseerd of niet-gepresuriseerd. Scheidingen en/of ribben voorkomen willekeurige beweging (voortexvorming, golfvorming) die schuiming en luchtintrek in de pomp veroorzaken.

Voor correcte werking van hydraulische componenten moet de vloeistof zo schoon mogelijk worden gehouden. Verontreiniging van hydraulische vloeistof is een van de meest voorkomende oorzaken van problemen.

Vreemde stoffen en kleine metaaldeeltjes van normale slijtage van kleppen, pompen en andere componenten treden meestal toe tot het hydraulische systeem. Zeven, filters en magnetische proppen worden gebruikt om vreemde deeltjes te verwijderen en zijn effectieve bescherming tegen verontreiniging. Magnetische proppen in het reservoir verwijderen ijzer/staal deeltjes. Een zeef is het primaire filtersysteem dat grote deeltjes verwijdert; het biedt minder stroomweerstand dan een filter. Zeven worden gebruikt in pompaanzuiglijnen waar drukval minimaal moet zijn. Een filter verwijdert kleine deeltjes en is de effectiefste bescherming tegen verontreiniging. Filters zitten in reservoir, druklijn, teruglijn, of waar nodig. Ze zijn geclassificeerd als full-flow of proportionele flow. Een bypass-overbelastingklep in de behuizing laat vloeistof het filterelement omzeilen wanneer dit verstopt is. Filters zonder bypass hebben een verontreinigingsindicator (werkend op drukverschil over het element).

Accumulators zijn als een elektrisch opslagaccu. Een hydraulische accumulator slaat potentiële kracht op: hydraulische vloeistof onder druk voor toekomstige omzetting in nuttig werk. Dit werk omvat: bedienen van cylinders en vloeistofmotoren, handhaven van systeemdruk bij pomp- of stroomstoring, compenseren van drukverlies door lekkage. Accumulators kunnen als vloeistofdispensers, barrières en schokdempende (cushioning) werking dienen. Typen: veerbelast, balontype, zuigertype.

Hydraulische pompen zetten mechanische energie van een primemover (elektromotor) om in hydraulische (druk)energie. Deze drukenergie wordt gebruikt om een actuator te bedienen. Pompen duwen op hydraulische vloeistof en creëren stroom. De gecombineerde pomp- en aandrijfeenheid heet hydraulische pomp. De pomp haalt vloeistof uit de opslagtank en levert het aan de rest van het circuit. Over het algemeen is de pompsnelheid constant en levert de pomp per omwenteling een gelijk volume. Hoeveelheid en richting van stroom worden door externe mechanismen geregeld. Soms wordt de pomp zelf aangedreven door een servogeregelde motor, maar dat vercompliceert het systeem. Pompen worden gekenmerkt door: flowcapaciteit, vermogensverbruik, aandsnelheid, uitgangsdruk, rendement. Pompen zijn niet 100% efficiënt. Rendement kan op twee manieren worden gespecificeerd: (1) volumetrisch rendement = verhouding werkelijk geleverde volume tot theoretisch maximum; (2) vermogensrendement = verhouding uitgeleverd hydraulisch vermogen tot ingevoerde mechanische/elektrische energie. Typisch rendement: 90-98%. Pompen zijn meestal van twee typen: (i) centrifugaalpomp, (ii) reciprocquerende pomp.

Hydraulische actuator ontvangt drukenergie en zet om in mechanische kracht en beweging. Een actuator kan lineair of rotatief zijn. Lineaire actuator geeft kracht en beweging in rechte lijn; meer bekend als cylinder, ook aangeduid als ram, reciproquerende motor, of lineaire motor. Rotatieve actuator produceert koppel en draaiende beweging; bekend als hydraulische motor of motor.

Drukregeling is het proces van vermindering van hoge bron-druk naar een lagere werkdruk geschikt voor de toepassing. Het is een poging de afstroomdruk binnen acceptabele grenzen te handhaven. Drukregeling wordt uitgevoerd met een drukregeerder. De primaire functie is het matchen van vloeistofstroom met vraag, terwijl de afstroomdruk binnen bepaalde grenzen wordt gehandhaafd.

Kleppen in hydraulische systemen regelen de werking van actuatoren. Kleppen regelen druk door speciale drukcondities te creëren en te controleren hoeveel vloeistof waar stroomt in delen van een circuit. De drie categorieën hydraulische kleppen zijn: drukregeling, stroom (volume) regeling, en richtingsregeling. Sommige kleppen hebben meerdere functies, wat ze in meer dan één categorie plaatst. Kleppen worden gewaardeerd op grootte, drukcapaciteiten, en drukval/flow.

Leidingen: De drie gangbare typen in hydraulische systemen zijn pijpen, buizen, en flexibele slangen (starre, half-starre, flexibele lijnen). Twee typen buizen voor hydraulische lijnen: naadloos en elektrisch gelaste. Beide geschikt. Kenning van flow, vloeistof type, vloeistofsnelheid en systeemdruk helpt bepalen welk buizentype nodig is. Slangen worden gebruikt wanneer flexibiliteit nodig is.

Koppelingen (Fittings) verbinden eenheden van een hydraulisch systeem, inclusief individuele secties van een circulatie systeem. Veel typen connectors beschikbaar. De keuze hangt af van: type circulatie systeem (pijp, buis, flexibele slang), vloeistofmedium, maximum werkdruk. Veelvoorkomende typen: gedraaide connectors, geflensde connectors, flexibele slangkoppelingen, herbruikbare koppelingen.

Hydraulische Circuitdiagrammen

Hydraulische circuitdiagrammen zijn complete tekeningen van een hydraulisch circuit. Bevatten: beschrijving, operatievolgorde, notities, en onderdelenlijst. Accurate diagrammen zijn essentieel voor de ontwerper, bouwers, en onderhoudspersoneel. Er zijn vier typen: blok, doorsnede, pictoriaal, en grafisch. Ze tonen: (i) componenten en interacties, (ii) hoe componenten te verbinden, (iii) hoe het systeem werkt en wat elk component doet.

• Blokdiagram: Componenten met lijnen tussen blokken, aangevende verbindingen/interacties.
• Doorsnedediagram: Interne constructie van componenten en stroompaden. Door kleuren, schaduwen, patronen in lijnen/passages kan het veelvoudige stroom- en drukcondities tonen.
• Pictoriaal diagram: Leidinglayout van een circuit. Componenten extern zichtbaar, meestal in nauwe reproductie van hun werkelijke vorm en afmetingen.
• Grafisch diagram: De korte-hand notatie van de industrie, meestal voorkeur voor ontwerp en faultfinding. Eenvoudige geometrische symbolen vertegenwoordigen componenten, besturingen en verbindingen. Figuur 2 toont een typisch grafisch diagram.