تحقیق مقاله هیدرولیک

هیدرولیک

کابل های روغنی زمینی بخش عظیمی از خطوط انتقال برق را در بریتانیا و دیگر نقاط جهان تشکیل می دهند. سیستم قدرت بریتانیا دارای حدود 800 کیلومتر کابل در حال سرویس در سطوح ولتاژ از 33 تا 400 کیلوولت می باشد. مقدار زیادی از این کابل ها در فاصله 25 تا 40 سال گذشته، نصب شده اند. بسیاری هم، حدود 60 سال است که تحت بهره برداری می باشند. بسیاری از این کابل ها بدون هیچ مشکلی در حال سرویس دهی در شبکه هستند. با این وجود، تعدادی از کابل ها در طول عمر خود به دلیل معیوب شدن سیستم نگهداری دچار نشتی روغن می شوند. تشخیص و تعمیر سریع این نشتی ها از جنبه های فنی و زیست محیطی حائز اهمیت می باشد.

سابقا" تعیین محل نشتی، مستلزم حفاری ها و کاربرد روش منجمد ساختن های مکرر بود. روش هیدرولیکی که اساس آن، اندازه گیری مقاومت عایقی جریان روغن در داخل کابل است نخستین جایگزین برای روش انجماد می باشد. این روش برای سیستم های کابل تک رشته و سه رشته و با همکاری شرکت EA Technology و  U.K. Electricity Supply Industry ( صنایع تولید برق انگلیس ) ابداع شد. براساس این روش دستگاهی، ساخته و روانه بازار گردید و با نتایج خوبی که نشان داد، مایه تشویق سازندگان به ساخت بهینه دستگاههای نشتی یاب شده است.

روش هیدرولیکی

تعیین محل نشتی به روش هیدرولیکی بر این اساس است که مقاومت اصطکاکی (frictional resistance) کابل در مقابل شارش روغن بین هر پایانه نشتی دار و نقطه نشتی اندازه گیری می شود. این کار با اندازه گیری دقیق شارش روغن در کابل و افت فشار در قسمت دارای نشتی انجام می گیرد.

با بکارگیری فرمول ساده زیر برای جریان روغن تراکم ناپذیر، افت فشار (DP) در یک قسمت هیدرولیکی محاسبه میگردد :

 DP = Q × R ×  L   

بطوریکه  Q میزان شارش روغن، R مقاومت هیدرولیکی روغن در مقابل جریان به ازای طول واحد و L  طول کابل نشتی دار است.

دستگاه تعیین محل نشتی

دستگاه مورد نیاز برای تعیین محل نشتی به روش هیدرولیکی معمولا" در دو واحد جداگانه سیار ساخته می شود که از دو خودروی جداگانه برای این عملیات استفاده می شود

برای آزمایش کابل های تک رشته ای، یک خودرو کفایت می کند اما برای انجام آزمایش برروی کابل های سه رشته ای هر دو خودرو مورد نیاز هستند. هر واحد دارای یک مخزن سیال با فشار متغیر جهت تغذیه کابل در طول آزمایش می باشد. سیال از داخل یک سنجه اندازه گیری عبور داده می شود که دارای ترانسدیوسرهای شارش و فشار با حساسیت بالاست. جهت تغذیه روغن با فشار متغیر میتوان از لوله های موقتی برای اتصال دستگاه نشتی یاب به کابل در نقاط مفصل های روغنی یا سرکابلهای سیستم در قسمتی از کابل که دارای نشتی است استفاده شود.

یک کامپیوتر، داده های اندازه گیری شده را جمع آوری و تحلیل می کند. از آنجا که اندازه گیری روی کابل های تک رشته ای باید بطور مشابه در هر دو انتهای قسمت دارای نشتی صورت گیرد، دو مجموعه تجهیز باید با هم ارتباط مداوم داشته باشند. این کار اکنون با تلفن های موبایل GSM انجام می گیرد که جانشین ارتباطات رادیویی سابق شده است.

نشتی ها اغلب در محل مفصل ها پیدا می شوند و حفاری نزدیکترین مفصل به محلی که برای نشتی پیش بینی شده، بصورت یک استاندارد در آمده است. اگر نشتی در آن پیدا نشود، محل مفصل بعدی حفر می گردد. به عنوان آخرین راه چاره هم از انجماد استفاده می گردد.

پیدا کردن محل نشتی در اولین یا دومین حفر بدون انجماد در کار تعیین محل نشتی روغن کابل، موفقیت عملکرد دستگاه نشتی یاب محسوب می شود.

تا به امروز، از روش های هیدرولیکی برای تعیین محل نشتی در بیش از 1000 مدار توسط بهره بردارهای مختلف استفاده  شده است. میزان موفقیت با این معیار که نشتی ها در اولین یا دومین حفر و بدون نیاز به انجماد پیدا شوند، بیش از 70 درصد بوده است. پرسنل نگهداری و تعمیرات که بطور ثابت برای کار با این تجهیزات تعیین شده اند بیشترین میزان موفقیت را بدست آورده اند. بنابراین تجربه و آشنائی با سیستم و مدار کابلها در امر تعیین محل نشتی روغن کابل، یک عامل بسیار مهم به حساب می آید.

با توجه به شرایط بهره برداری از کابلهای روغنی و حداقل فشار روغن قابل قبول در زمان بهره برداری کابلهای با نرخ نشتی 10 الی 100 لیتر در هفته بعنوان کابل معیوب منظور میگردند.

اندازه گیری های دقیقتر، پردازش بهتر داده ها، همراه با تجربیات بهره برداری بیشتر، عملکرد این روش را بسیار بهبود بخشیده اند. اگرچه در کار تعیین محل نشتی روغن کابل ها با این روش نیز محدودیت هایی وجود دارد. اما این روش، دقیقترین و عملی ترین روشی است که تا به حال پیشنهاد شده است.

بطور خلاصه، مزیت روش هیدرولیکی نسبت به سایر روش ها کاهش میزان حفاری ها و هزینه های مربوطه، کاهش قطع برق و ترافیک مسیرها و همچنین تعیین سریعتر محل نشتی و کاهش آلودگی محیط  می باشد.

جک هیدرولیک چیست؟

جک هیدرولیک وسیله‌ای است که در آن نیرویی بر روغن موجود در یک استوانه کوچک وارد می‌شود. این نیرو سبب می‌شود که روغن غیر قابل تراکم به استوانه بزرگ منتقل شود. روغن به پیستون استوانه بزرگ فشار می‌آورد و باعث بلند شدن بار روی استوانه (مثلا ماشین) می‌شود. مکانیزم کار ماشینهای جرثقیل ، و غیره نیز چنین می‌باشد که در عین سادگی ، کار مفید زیادی با بازده بالا انجام می‌دهد. در ساختمان جک هیدرولیک از این واقعیت استفاده می‌شود که روغن تقریبا تراکم ناپذیر است و نیروی وارد بر خود را منتقل می‌کند. فشار وارد بر پیستون کوچک عینا به پیستون بزرگ منتقل می‌شود و آنرا به طرف بالا می‌راند.

مزیت مکانیکی جک هیدرولیک

فشارهای وارد بر استوانه‌ها که همان نیروی وارد بر واحد سطح یعنی P = F/A است، باهم برابرند. بنابراین:

Pe = Pl

به عبارت دیگر می‌توان نوشت:

Fe/Ae = Fl/Al

که در آن F همان نیروهای مقاوم و محرک ، A همان سطح مقطع دو پیستون می‌باشد. در حالت ساده‌تر مزیت مکانیکی قسمت هیدرولیکی جک بصورت زیر در می‌آید:

AA = Ml/Ae

دسته جک نیز یک اهرم نوع دوم است و مزیت مکانیکی مخصوص به خود را دارد. دسته اهرم نیروی محرک را افزایش می‌دهد. بر جک هیدرولیک نیروی مفید دسته وارد می‌شود و جک این نیرو را افزایش می‌دهد. از اینرو مزیت مکانیکی کل دستگاه برابر مزیت مکانیکی این دو قسمت می‌باشد.

آیا جک هیدرولیک مقدار کار را افزایش می‌دهد؟

دستگاهی وجود ندارد که بتواند مقدار کار را افزایش دهد. هر مقدار روغن که از استوانه کوچک خارج شود، همان مقدار وارد استوانه بزرگ می‌شود. در هر دو استوانه این حجم روغن برابر است با حاصلضرب سطح مقطع استوانه در فاصله‌ای که پیستون جابجا می‌شود. چون این حجمها باهم برابرند، بنابراین:

AeΔSe = AlΔSl

اگر ماشین را بدون اصطکاک در نظر بگیریم داریم:

MA=Al/Ae=ΔSe/ΔSl

و چون MA = Fl/Fe بنابراین:

FlΔSl = FeΔSe

که نشان می‌دهد در حالت ایده‌آل کار خروجی یا مفید با کار ورودی یا داده شده برابر است.

در قرقره ، اهرم و جک هیدرولیک ، وقتی اصطکاک وجود ندارد، کار خروجی با کار ورودی برابر است. این گفته در مورد سایر ماشینها نیز برقرار است. در چنین شرایطی مزیت مکانیکی ایده‌آل (یعنی بدون اصطکاک) هر ماشینی را می‌توان با بررسی هندسه ماشین بدست آورد. با ملاحظه معادله MA = ΔSe/ΔSl حتی در پیچیده‌ترین ماشین ، می‌توان مزیت مکانیکی ایده‌آل را فقط با دانستن اینکه وقتی نیروی محرک را در مسافت معینی حرکت می‌دهیم، نیروی مقاوم چقدر جابجا می‌شود، پیدا کرد.

کاربردهای جک هیدرولیک

در بلند کردن ماشین‌آلات سنگین ، ماشینهای کمپرسور ، جرثقیلها ، پالایشگاهها ، حفاریهای زیر زمینی ، برج سازی و معماری ، کلیه وسایل نقلیه و غیره از خود این وسیله بسیار ساده و مفید یا مکانیزم کارش استفاده می‌شود.

مایعات تقریباً تراکم ناپذیر هستند. این ویژگی سبب شده است که از مایعات به عنوان وسیله مناسبی برای تبدیل و انتقال کار استفاده شود. بنابراین می‌توان از آنها برای طراحی ماشینهایی که در عین سادگی، با نیروی محرک خیلی کم بتواند نیروی مقاوم فوق العاده زیادی را جابجا نماید، استفاده نمود. به این ویژگی و همچنین دانش مطالعه این ویژگی هیدرولیک گفته می‌شود.

امروزه در بسیاری از فرآیندهای صنعتی ، انتقال قدرت آن هم به صورت کم هزینه و با دقت زیاد مورد نظر است در همین راستا بکارگیری سیال تحت فشار در انتقال و کنترل قدرت در تمام شاخه های صنعت رو به گسترش است. استفاده از قدرت سیال به دو شاخه مهم هیدرولیک و نیوماتیک ( که جدیدتر است ) تقسیم می‌شود . از نیوماتیک در مواردی که نیروهای نسبتاً پایین (حدود یک تن) و سرعت های حرکتی بالا مورد نیاز باشد (مانند سیستم‌هایی که در قسمت‌های محرک رباتها بکار می روند) استفاده می‌کنند در صورتیکه کاربردهای سیستم‌های هیدرولیک عمدتاً در مواردی است که قدرتهای بالا و سرعت های کنترل شده دقیق مورد نظر باشد(مانند جک های هیدرولیک ، ترمز و فرمان هیدرولیک و...). حال این سوال پیش میاید که مزایای یک سیستم هیدرولیک یا نیوماتیک نسبت به سایر سیستم‌های مکانیکی یا الکتریکی چیست؟در جواب می توان به موارد زیر اشاره کرد: ۱) طراحی ساده ۲) قابلیت افزایش نیرو ۳) سادگی و دقت کنترل ۴) انعطاف پذیری ۵) راندمان بالا ۶) اطمینان در سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک نسبت به سایر سیستم‌های مکانیکی قطعات محرک کمتری وجود دارد و میتوان در هر نقطه به حرکتهای خطی یا دورانی با قدرت بالا و کنترل مناسب دست یافت ، چون انتقال قدرت توسط جریان سیال پر فشار در خطوط انتقال (لوله ها و شیلنگ ها) صورت میگیرد ولی در سیستم‌های مکانیکی دیگر برای انتقال قدرت از اجزایی مانند بادامک ، چرخ دنده ، گاردان ، اهرم ، کلاچ و... استفاده می‌کنند. در این سیستم‌ها میتوان با اعمال نیروی کم به نیروی بالا و دقیق دست یافت همچنین میتوان نیرو های بزرگ خروجی را با اعمال نیروی کمی (مانند بازو بسته کردن شیرها و ...) کنترل نمود. استفاده از شیلنگ های انعطاف پذیر ، سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک را به سیستم‌های انعطاف پذیری تبدیل می‌کند که در آنها از محدودیتهای مکانی که برای نصب سیستم‌های دیگر به چشم می خورد خبری نیست. سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک به خاطر اصطکاک کم و هزینه پایین از راندمان بالایی برخوردار هستند همچنین با استفاده از شیرهای اطمینان و سوئیچهای فشاری و حرارتی میتوان سیستمی مقاوم در برابر بارهای ناگهانی ، حرارت یا فشار بیش از حد ساخت که نشان از اطمینان بالای این سیستم‌ها دارد. اکنون که به مزایای سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک پی بردیم به توضیح ساده ای در مورد طرز کار این سیستم‌ها خواهیم پرداخت. برای انتقال قدرت به یک سیال تحت فشار (تراکم پذیر یا تراکم ناپذیر) احتیاج داریم که توسط پمپ های هیدرولیک میتوان نیروی مکانیکی را تبدیل به قدرت سیال تحت فشار نمود. مرحله بعد انتقال نیرو به نقطه دلخواه است که این وظیفه را لوله ها، شیلنگ ها و بست ها به عهده میگیرند . بعد از کنترل فشار و تعیین جهت جریان توسط شیرها سیال تحت فشار به سمت عملگرها (سیلندرها یا موتور های هیدرولیک ) هدایت می‌شوند تا قدرت سیال به نیروی مکانیکی مورد نیاز(به صورت خطی یا دورانی ) تبدیل شود. اساس کار تمام سیستم های هیدرولیکی و نیوماتیکی بر قانون پاسکال استوار است.

● قانون پاسکال: ۱) فشار سرتاسر سیال در حال سکون یکسان است .(با صرف نظر از وزن سیال) ۲) در هر لحظه فشار استاتیکی در تمام جهات یکسان است. ۳) فشار سیال در تماس با سطوح بصورت عمودی وارد میگردد. کار سیستم‌های نیوماتیک مشابه سیستم های هیدرولیک است فقط در آن به جای سیال تراکم ناپذیر مانند روغن از سیال تراکم پذیر مانند هوا استفاده می کنند . در سیستم‌های نیوماتیک برای دست یافتن به یک سیال پرفشار ، هوا را توسط یک کمپرسور فشرده کرده تا به فشار دلخواه برسد سپس آنرا در یک مخزن ذخیره می کنند، البته دمای هوا پس از فشرده شدن بشدت بالا میرود که می تواند به قطعات سیستم آسیب برساند لذا هوای فشرده قبل از هدایت به خطوط انتقال قدرت باید خنک شود. به دلیل وجود بخار آب در هوای فشرده و پدیده میعان در فرایند خنک سازی باید از یک واحد بهینه سازی برای خشک کردن هوای پر فشار استفاده کرد. اکنون بعد از آشنایی مختصر با طرز کار سیستم‌های هیدرولیکی و نیوماتیکی به معرفی اجزای یک سیستم هیدرولیکی و نیوماتیکی می پردازیم.

● اجزای تشکیل دهنده سیستم های هیدرولیکی: ۱) مخزن : جهت نگهداری سیال ۲) پمپ : جهت به جریان انداختن سیال در سیستم که توسط الکترو موتور یا ۳) موتور های احتراق داخلی به کار انداخته می شوند. ۴) شیرها : برای کنترل فشار ، جریان و جهت حرکت سیال ۵) عملگرها : جهت تبدیل انرژی سیال تحت فشار به نیروی مکانیکی مولد کار(سیلندرهای هیدرولیک برای ایجاد حرکت خطی و موتور های هیدرولیک برای ایجاد حرکت دورانی).

● اجزای تشکیل دهنده سیستم های نیوماتیکی: ۱) کمپرسور ۲) خنک کننده و خشک کننده هوای تحت فشار ۳) مخزن ذخیره هوای تحت فشار ۴) شیرهای کنترل ۵) عملگرها

● یک مقایسه کلی بین سیستم‌های هیدرولیک و نیوماتیک: ۱) در سیستم‌های نیوماتیک از سیال تراکم پذیر مثل هوا و در سیستم‌های هیدرولیک از سیال تراکم ناپذیر مثل روغن استفاده می کنند. ۲) در سیستم‌های هیدرولیک روغن علاوه بر انتقال قدرت وظیفه روغن کاری قطعات داخلی سیستم را نیز بر عهده دارد ولی در نیوماتیک علاوه بر روغن کاری قطعات، باید رطوبت موجود در هوا را نیز از بین برد ولی در هر دو سیستم سیال باید عاری از هر گونه گرد و غبار و نا خالصی باشد ۳) فشار در سیستم‌های هیدرولیکی بمراتب بیشتر از فشار در سیستم‌های نیوماتیکی می باشد ، حتی در مواقع خاص به ۱۰۰۰ مگا پاسکال هم میرسد ، در نتیجه قطعات سیستم‌های هیدرولیکی باید از مقاومت بیشتری برخوردار باشند. ۴) در سرعت های پایین دقت محرک های نیوماتیکی بسیار نامطلوب است در صورتی که دقت محرک های هیدرولیکی در هر سرعتی رضایت بخش است . ۵) در سیستم‌های نیوماتیکی با سیال هوا نیاز به لوله های بازگشتی و مخزن نگهداری هوا نمی باشد. ۶) سیستم‌های نیوماتیک از بازده کمتری نسبت به سیستم‌های هیدرولیکی برخوردارند.

ماشینهای هیدرولیکی

ماشین هیدرولیک به ماشین آلات و ابزاری گفته می شود که از نیروی مایعات در آنها استفاده می شود. ابزار آلات سنگین نمونه رایجی از ماشین الات هیدرولیک هستند.

بیل مکانیکی. قسمت های هیدرولیکی اصلی:سیلندر بزرگ، تاب متحرک بیل، و نیرو محرکه شیار های فلزی

کاربرد سیستم های هیدرولیک در طراحی خودروها با جایگزینی ترمز هیدرولیکی بجای ترمزهای مکانیکی نوع کابلی و یا اهرمی آغاز شد. در این سیستم و با توجه به قابلیت های انعطاف پذیری مایعات و با ایجاد فشار روی مایع امکان انتقال نیروی ترمز به تمام چرخها بوجود آمد. بعدها از سیستم هیدرولیک و به روش مشابهی با ترمزهای هیدرولیکی در مکانیزم کلاچ خودروها استفاده شد. در ادامه روند توسعه تکنولوژی در ساخت خودروها، کاربرد هیدرولیک وسعت بیشتری یافت و در سیستم های دیگر خودرو مانند جذب کننده ضربات (کمک فنر)، فرمانهای هیدرولیکی و گیربکس اتوماتیک بکار گرفته و متداول شد.
ایده بکارگیری سیستم هیدرولیک در مکانیزم تعلیق خودروها اولین بار در سال 1952 در شرکت خودرو سازی سیتروئن مطرح شد. طراحان شرکت سیتروئن در طراحی و ساخت سیتروئن مدل DS19 از تمام مکانیزم های هیدرولیکی که تا آن زمان ابداع شده بود استفاده کردند. آنها در طرح این خودرو بجای استفاده از سیستم های هیدرولیکی متعدد و مستقل برای هر کدام از مکانیزم ها، اقدام به طراحی یک سیستم هیدرولیکی مرکزی نمودند. به این ترتیب از نصب پمپ، مخزن و روغن و مکانیزم های جداگانه خودداری کرده و یک مجموعه مشترک و اصلی جایگزین تجهیزات فوق گردید. این سیستم هیدرولیک مرکزی و مشترک چندین زیر مجموعه که هر کدام عمل مستقلی در خودرو انجام می دادند را تغذیه می کرد. این طرح باعث آسانتر شدن طراحی و یکپارچگی بیشتر خودرو گردید. میزان قابل توجه توان هیدرولیکی که توسط موتور برای سیستم هیدرولیک این خودرو در نظر گرفته شده بود به طراحان آزادی عمل و ابتکار بیشتری می داد. در اینجا بود که ایده بکارگیری سیستم هیدرولیک در مکانیزم تعلیق نه فقط بعنوان ضربه گیر (کمک فنر) بلکه بعنوان یک سیستم تعلیق کاملاً هیدرولیکی شکل گرفت. طراحان سیتروئن به این فکر افتادند که می توانند بجای استفاده از روشهای متداول در سیستم تعلیق، یعنی استفاده از انواع فنرها و یا میله های پیچشی که تا آن زمان بکار می رفت، سیستم هیدرولیکی جدیدی را جایگزین کنند که ضمن تحمل بار خودرو عمل ضربه گیری را نیز انجام دهد.
این یک طرح آزمایشی بود که در سال 1955 روی خودروی سیتروئن مدل DS19 نصب گردید. این روش بطور باورنکردنی باعث نرمی خودرو و بی تکان شدن رانندگی شده بود و ویژگی را بوجود آورده بود که به هیچ وجه با روشهای متداول سیستم تعلیق قابل تصور نبود. جالب ترین ویژگی در این خودرو امکان تغییر و تنظیم ارتفاع بود. برای این کار با تنظیم حجم روغن ارسالی به جک های هیدرولیکی که جایگزین فنر شده بودند امکان بالا و پایین بردن اتاق خودرو نسبت به سطح جاده بوجود آمده بود. از ویژگیهای دیگر این خودرو تراز اتوماتیک سطح ماشین هنگام قرار گرفتن در سطوح ناهموار بود و این عمل با توجه به موقعیت بازوهای سیستم تعلیق نسبت به بدنه و تغییر اتوماتیک حجم روغن در جک های خودرو انجام می گردید.