1. Introducere 

Mișcarea controlată a pieselor sau aplicarea controlată a forței este o cerință comună în industrii. Aceste operațiuni sunt efectuate în principal folosind mașini electrice sau motoare diesel, cu benzină și abur ca motor primar. Aceste motoare primare pot asigura diverse mișcări ale obiectelor prin utilizarea unor anexe mecanice, cum ar fi cric cu șurub, pârghie, cremalieră și pinioane etc. Dar, acestea nu sunt singurele motoare primare. Fluidele închise (lichide și gaze) pot fi, de asemenea, utilizate ca motoare primare pentru a realiza mișcare și forță controlată la obiecte sau substanțe. Sistemele de fluide închise special proiectate pot asigura mișcare atât liniară, cât și rotativă. Forța controlată, de magnitudine înaltă, poate fi aplicată și prin utilizarea acestor sisteme. Acest tip de sisteme bazate pe lichid închis ce utilizează lichide incompresibile sub presiune ca medii de transmisie sunt numite sisteme hidraulice. Sistemul hidraulic funcționează pe principiul legii lui Pascal care spune că presiunea într-un fluid închis este uniformă în toate direcțiile. Legea lui Pascal este ilustrată în figura 5.1.1. Forța dată de fluid este dată de înmulțirea presiunii și a ariei secțiunii transversale. Deoarece presiunea este aceeași în toate direcțiile, pistonul mai mic simte o forță mai mică și un piston mare simte o forță mare. Prin urmare, o forță mare poate fi generată cu o intrare de forță mai mică prin utilizarea sistemelor hidraulice. 

Figura 5.1.1 Principiul sistemului hidraulic 

Sistemul hidraulic constă într-o serie de componente pentru funcționarea corectă a acestuia. Acestea sunt rezervorul de depozitare, filtrul, pompa hidraulică, regulatorul de presiune, supapa de control, cilindrul hidraulic, pistonul și conductele etanșe de curgere a fluidului. Schema unui sistem hidraulic simplu este prezentată în figura 5.1.2. Este format din: 

• un piston mobil conectat la arborele de ieșire dintr-un cilindru închis

• rezervor de depozitare

• filtru

• pompă electrică

• regulator de presiune

• supapă de control

• conducte în buclă închisă etanșe. 

Arborele de ieșire transferă mișcarea sau forța, însă toate celelalte părți ajută la controlul sistemului. Rezervorul de depozitare/fluid este un rezervor pentru lichidul utilizat ca mediu de transmisie. Lichidul folosit este, uzual, ulei incompresibil de înaltă densitate. El se filtrează pentru a îndepărta praful sau orice alte particule nedorite și apoi pompat de pompa hidraulică. Capacitatea pompei depinde de proiectarea sistemului hidraulic. Aceste pompe oferă, în general, volum constant în fiecare rotație a arborelui pompei.  Prin urmare, presiunea fluidului poate crește la nesfârșit la punctul mort al pistonului până la defectarea sistemului. Regulatorul de presiune este utilizat pentru a evita astfel de circumstanțe, și redirecționează excesul de lichid înapoi în rezervorul de depozitare. Mișcarea pistonului este controlată prin schimbarea debitului de lichid de la portul A și portul B. Mișcarea cilindrului este controlată prin utilizarea supapei de control care direcționează fluxul de fluid. Linia de presiune a fluidului este conectată la orificiul B pentru a ridica pistonul și acesta este conectat la port A pentru coborârea pistonului. Supapa poate, de asemenea, opri curgerea fluidului în oricare dintre porturi. Conductele etanșe sunt importante, de asemenea, datorită siguranței, riscurilor de mediu și aspectelor economice. Unele accesorii, cum ar fi sistemul de control al debitului, controlul limitelor de deplasare, demarorul motorului electric și protecția la suprasarcină pot fi de asemenea utilizate în sistemele hidraulice, care nu sunt prezentate în figura 5.1.2.  

Figura 5.1.2 Schema sistemului hidraulic 

2. Aplicații ale sistemelor hidraulice 

Sistemele hidraulice sunt utilizate în principal pentru controlul precis al forțelor mai mari. Principalele aplicații ale sistemului hidraulic pot fi clasificate în cinci categorii: 

2.1 Industriale: utilaje de prelucrare a plasticului, aplicații de fabricarea oțelului și extracție a metalelor primare, linii de producție automatizate, industrii de mașini-unelte, industrii de hârtie, încărcătoare, concasări, utilaje textile, echipamente de cercetare-dezvoltare și sisteme robotizate etc. 

2.2 Hidraulică mobilă: Tractoare, sistem de irigare, echipamente de prelucrare a pământului, echipamente de manipulare a materialelor, vehicule comerciale, echipamente de foraj pentru tunel, echipamente de cale ferată, utilaje pentru clădiri și construcții și platforme de foraj etc.

2.3 Automobile: Este utilizat în sisteme ca frâne, amortizoare, sistem de direcție, protecție împotriva vântului, ridicare și curățare etc.

2.4  Aplicații marine: Acoperă mai ales navele oceanice, bărcile de pescuit și echipamentele navale.

2.5 Echipamente aerospațiale: Există echipamente și sisteme utilizate pentru controlul cârmei, angrenaj de aterizare, frâne, controlul și transmisia de zbor etc., care sunt utilizate în avioane, rachete și nave spațiale. 

3. Pompă hidraulică 

Unitatea motor combinată de pompare și acționare este cunoscută sub numele de pompă hidraulică. Pompa hidraulică ia fluid hidraulic (mai ales ulei) din rezervorul de stocare și îl livrează la restul circuitului hidraulic. În general, viteza pompei este constantă și pompa oferă un volum egal de ulei în fiecare rotație. Cantitatea și direcția debitului de fluid este controlată de unele mecanisme externe. În unele cazuri, pompa hidraulică însăși este acționată de un servomotor controlat, dar face sistemul complex. Pompele    hidraulice se caracterizează prin capacitatea lor de debit, consumul de energie, viteza de antrenare, presiunea livrată la ieșire și eficiența pompei. Pompele nu sunt eficiente 100%. Eficiența unei pompe poate fi specificată prin două moduri. Unul este eficiența  volumetrică, care este raportul dintre volumul real de fluid livrat la volumul teoretic maxim posibil. Al doilea este eficiența energetică, care este raportul dintre puterea hidraulică de ieșire și puterea mecanică/electrică de intrare. Eficiența tipică a pompelor variază de la 90-98%. 

Pompele hidraulice pot fi de două tipuri: 

• pompă centrifugă  

• pompă cu piston 

Pompa centrifugă folosește energie cinetică de rotație pentru a livra fluidul. Energia de rotație provine de obicei de la un motor cu ardere internă sau un motor electric. Lichidul intră în rotorul de pompă de-a lungul sau aproape de axa rotativă, accelerează în elice și se aruncă spre periferie prin forță centrifugă, așa cum se arată în fig. 5.1.3. În pompa centrifugă livrarea nu este constantă și variază în funcție de presiunea de ieșire. Aceste pompe nu sunt potrivite pentru aplicații de înaltă presiune și sunt utilizate în general pentru aplicații cu flux redus de presiune și volum mare. Capacitatea maximă de presiune este limitată la 20-30 bari și viteza specifică variază de de la 500 până la 10000. Majoritatea pompelor centrifuge nu sunt auto-amorsate și carcasa pompei are nevoie să fie umplută cu lichid, înainte de pornirea pompei.

Figura 5.1.3 Pompă centrifugă 

Pompa cu piston este cunoscută și sub numele de pompă de deplasare pozitivă. Se utilizează adesea acolo unde trebuie manipulată o cantitate relativ mică, iar presiunea de livrare este destul de mare. Construcția acestor pompe este similară cu motorul în patru timpi, așa cum se arată în figura 5.1.4. Manivela este acționată de un motor rotativ extern. Pistonul pompei alternează datorită rotației manivelei. Pistonul se deplasează în jos într-o jumătate de rotație a manivelei, supapa de intrare se deschide și fluidul intră în cilindru. La rotirea manivelei în a doua jumătate, pistonul se ridică, supapa de ieșire se deschide și lichidul iese din cilindru. La un moment dat, o singură supapă este deschisă și alta este închisă, deci nu există scurgeri de fluid. În funcție de aria cilindrului, pompa furnizează un volum constant de fluid în fiecare ciclu, independent de presiunea la portul de ieșire. 

Figura 5.1.4 Pompă cu piston sau deplasare pozitivă       

4. Pompă de ridicare

În general, pompa este plasată peste rezervorul de stocare a fluidului, așa cum se arată în figura 5.1.5. Pompa creează o presiune negativă la orificiul de intrare, care face ca lichidul să fie împins în sus în conducta de admisie de presiunea atmosferică. Are ca rezultat ridicarea lichidului în aspirația pompei. Ridicarea maximă a pompei poate fi determinată de presiunea atmosferică și este dată de capul de presiune așa cum este prezentat mai jos: 

                                                                     Capul de presiune, P = ρgh                                                     (5.1.1) 

Teoretic, este posibilă o ridicare a pompei de 8 m, dar este întotdeauna mai mică din cauza efectelor nedorite, cum ar fi cavitația.  Cavitația este formarea cavităților de vapori într-un lichid. Cavitățile pot fi mici zone fără lichid (bule) formate din cauza vaporizării  parțiale a lichidului. Acestea sunt de obicei generate atunci când un lichid este supus variațiilor rapide de presiune și presiunea este relativ scăzută. La presiune mai mare, bulele implodează și pot genera o undă de șoc intensă. Prin urmare, întotdeauna cavitația ar trebui evitată. Cavitația poate fi redusă menținând viteza de curgere mai mică la intrare și, prin urmare, conductele de intrare au un diametru mai mare decât conductele de ieșire dintr-o pompă. Ridicarea pompei trebuie să fie cât mai mică posibil pentru a reduce cavitație și de a crește eficiența pompei. 

Figura 5.1.5 Pompă de ridicare

5. Reglarea presiunii 

Reglarea presiunii este procesul de reducere a presiunii ridicate de la sursă la o presiune de lucru mai mică, adecvată pentru aplicare.  Este o încercare de menținere a presiunii de ieșire în limite acceptabile. Reglarea presiunii se realizează cu ajutorul regulatorului de presiune. Funcția principală a unui regulator de presiune este de a potrivi debitul de fluid cu cererea. În același timp, regulatorul trebuie să mențină presiunea de ieșire în anumite limite acceptabile. 

Schema regulatorului de presiune și amplasarea diferitelor supape sunt prezentate în figura 5.1.6. Când supapa V1 este închisă și V2 este deschisă, atunci sarcina se mișcă în jos și lichidul se întoarce în rezervor, dar pompa nu este la punctul mort și duce la o creștere continuă a presiunii la livrarea pompei. În final, poate duce la defectarea permanentă a pompei. Prin urmare, este necesară o anumită metodă pentru a menține presiunea de livrare P1 la un nivel sigur. Ea poate fi obținută prin plasarea supapei de reglare a presiunii V3, așa cum se arată în figura 5.1.6. Această supapă este închisă în condiții normale și când presiunea depășește o anumită limită, se deschide și fluidul de la ieșirea pompei revine în rezervor prin supapa de reglare a presiunii V3. Pe măsură ce presiunea scade, într-un interval de limitare, supapa V3 se închide din nou. 

Figura 5.1.6 Schema de reglare a presiunii 

Când supapa V1 este închisă, întregul fluid este descărcat înapoi în rezervor prin supapa de reglare a presiunii. Acest lucru duce la pierderea substanțială a puterii, deoarece lichidul circulă de la rezervor la pompă și apoi pompează în rezervor fără a efectua vreun lucru util. Aceasta poate duce la creșterea temperaturii fluidului, deoarece aportul de energie în fluid duce la creșterea temperaturii fluidului. Este posibil să fie nevoie de instalarea schimbătorului de căldură în rezervorul de stocare pentru a extrage excesul de căldură. Interesant, consumul de putere al motorului este mai mare în astfel de condiții, deoarece presiunea de ieșire este mai mare decât presiunea de lucru. 

6. Avantajele și dezavantajele sistemului hidraulic 

6.1 Avantaje 

• Sistemul hidraulic folosește fluid incompresibil, ceea ce duce la o eficiență mai mare. 

• Oferă o ieșire consistentă de putere care este dificil de obținut în sistemele de acționare pneumatice sau mecanice.

• Sistemele hidraulice folosesc un fluid incompresibil de înaltă densitate. Posibilitatea scurgerii este mai mică în sistemul hidraulic în comparație cu cea din sistemul pneumatic. Costul de  întreținere este mai mic.  

• Aceste sisteme funcționează bine în condiții de mediu cald. 

6.2  Dezavantaje 

• Materialul rezervorului, conductelor, cilindrului și pistonului pot fi corodate cu fluidul hidraulic. Prin urmare, trebuie să aveți grijă când selectați materiale și fluid hidraulic.  

• Greutatea structurală și dimensiunea sistemului sunt mai mari ceea ce îl face impropriu pentru unelte mai mici.  

• Micile impurități din fluidul hidraulic pot deteriora definitiv sistemul complet, de aceea trebuie atenție și să fie instalat un filtru adecvat.  

• Scurgerea lichidului hidraulic este, de asemenea, o problemă critică și trebuie să se adopte o metodă adecvată de prevenire și sigilare.  

• Lichidele hidraulice, dacă nu sunt eliminate în mod corespunzător, pot fi dăunătoare pentru mediu.