ไฮโดรลิค

ระบบการทำงานของไฮโดรลิค

ไฮดรอลิก (Hydraulic) คืออะไร ไฮดรอลิก เป็นเรื่องที่ว่าด้วยคุณสมบัติทางกลของของไหล ในทางวิศวกรรมนั้นจะเกี่ยวข้องกับกำลังของของไหล(Fluid power) แต่ไฮดรอลิกที่เราจะกล่าวถึงในที่นี้ก็คือเรื่องที่ว่าด้วย “การส่งถ่ายกำลังในเชิงกลด้วยของไหลที่เป็นของเหลวหรือน้ำมันไฮดรอลิก” การส่งกำลังในระบบไฮดรอลิกส่วนใหญ่นั้นอุปกรณ์ทำงาน (Actuator) จะมีสองประเภทใหญ่ ๆ คือ
- กระบอกไฮดรอลิก (Hydraulic Cylinder) เป็นอุปกรณ์ทำงานที่เคลื่อนที่ในแนวเส้นตรง (Linear)
- มอเตอร์ไฮดรอลิก (Hydraulic Motor) เป็นอุปกรณ์ทำงานที่เคลื่อนที่ในแนวรัศมี (Radius)

        ในระบบไฮดรอลิกที่เราเห็นกันส่วนมากนั้นสิ่งที่เราจะนำไปใช้คืองาน (Work, W) หรือแรง (Force, F) ที่เกิดจากระบบไฮดรอลิก เช่น การเอาแรงจากกระบอกไฮดรอลิก (Hydraulic Cylinder) ไปกด อัด หรือตัดชิ้นงาน และการขับ เช่นการหมุนจากมอเตอร์ไฮดรอลิกไปหมุนขับให้เกิดการหมุนของอุปกรณ์ต่าง ๆ ของเครื่องจักร

รูปที่ 1 มอเตอร์ไฮดรอลิก (Hydraulic Motor)

                           รูปที่ 2 กระบอกไฮดรอลิก (Hydraulic Cylinder)

ข้อดีของระบบไฮดรอลิก      เครื่องจักรที่ใช้อุปกรณ์ไฮดรอลิกเป็นส่วนประกอบนั้นมีมากมายหลากหลายชนิด ทั้งนี้เป็นเพราะข้อดีของอุปกรณ์ไฮดรอลิกบางตัวที่มีดังต่อไปนี้คือ

1. อุปกรณ์ทำงาน (Actuator)     มีขนาดเล็กและน้ำหนักเบากว่าอุปกรณ์ทางไฟฟ้าและกลไก อีกทั้งไม่มีความสลับซับซ้อนดังรูปที่ 3 และสามารถออกแบบให้ตัวเครื่องมีแรงมากได้เมื่อเปรียบเทียบกับขนาดของเครื่องจักร โดยออกแบบให้แรงดันของน้ำมันไฮดรอลิกสูง ในกรณีที่ต้องการแรงมาก ดังรูปที่ 4 เป็นตัวอย่างความคิดในการออกแบบระบบของแขนยกของเครนไฮดรอลิกที่ต้องการยกน้ำหนักด้วยลูกสูบไฮดรอลิก

รูปที่ 3 เปรียบเทียบระหว่างอุปกรณ์ไฮดรอลิกและอุปกรณ์ทางกล

รูปที่ 4 การใช้งานระบบไฮดรอลิก

2. มีความง่ายต่อการควบคุม (Easy to Control)      เพราะว่าระบบการควบคุมในทางกลไกนั้นจะต้องมีจุดหมุน จุดต่อต่าง ๆ มาก อาจต้องใช้ข้อต่อและโซ่มากมาย ทำให้ยากต่อการสร้างแก้ไขและดัดแปลง แต่สำหรับระบบไฮดรอลิกแล้วต้องการแค่แหล่งกำเนิดแรงดัน (Pump Unit), วาล์วเปลี่ยนทิศทาง (Directional Control Valve), อุปกรณ์ทำงาน (Actuator), และท่อทาง (Hose and Piping) ซึ่งทำให้การควบคุมระยะไกลทำได้ง่ายมาก รูปที่ 5 แสดงอุปกรณ์ที่จำเป็นที่ใช้ในการควบคุมการทำงานของระบบไฮดรอลิก

รูปที่ 5 อุปกรณ์ที่ใช้ในการควบคุมการทำงานของระบบไฮดรอลิก

รูปที่ 6 เปรียบเทียบการควบคุมทางกลไกและไฮดรอลิก

3. ง่ายต่อการควบคุมโหลด (Easy to Load Control)      ถ้าหากเราติดตั้งวาล์วปลดแรงดัน (Relief Valve) ลงไปในวงจรก็จะสามารถช่วยป้องกันแรงดันที่สูงผิดปกติในวงจรได้และยังทำให้การควบคุมแรงดันเป็นไปได้อย่างดี ป้องกันความเสียหายที่จะเกิดกับอุปกรณ์ไฮดรอลิกที่เกิดจากแรงดันสูงและควบคุมแรงดันให้คงที่อันจะเป็นผลให้แรงที่ได้จากอุปกรณ์ทำงาน (Actuator) มีความคงที่

จากรูปที่ 7 คือวาล์วปลดแรงดันจะเป็นตัวที่ทำให้สามารถควบคุมแรงดันภายในระบบไม่ให้เกินไปจากที่ต้องการได้ ซึ่งจากโครงสร้างของอุปกรณ์แล้วสามารถที่จะสร้างและติดตั้ง ซ่อมและแก้ไขได้ง่ายกว่าอุปกรณ์ทางกล

รูปที่ 7 วาล์วปลดแรงดัน (Relief Valve)

4. ง่ายต่อการเพิ่มอุปกรณ์ทำงาน       สามารถที่จะเพิ่มอุปกรณ์ทำงานได้ง่ายเพียงแค่เพิ่มจุดต่อพ่วงแล้วก็ใส่อุปกรณ์ (Actuator) ทำงานพ่วงไปก็สามารถใช้งานได้ทันทีโดยไม่ต้องแก้ไขทั้งหมดของวงจรให้ยุ่งยากดังรูปที่ 8 

รูปที่ 8 จุดต่อพ่วงสำหรับใส่อุปกรณ์เพิ่ม

หลักการทำงานของระบบไฮดรอลิก (Hydraulic Principle of Operation)
1. แรงดันในระบบปิดจะมีค่าเท่ากันทุกทิศทาง     แรงดันที่เกิดขึ้นกับของไหลที่ส่งผ่านไปกระทำยังผนังของภาชนะปิดจะมีค่าเท่ากันทุกทิศทุกทางไม่ว่ารูปทรงของภาชนะนั้นจะมีรูปง่าย ๆ หรือสลับซับซ้อนแค่ไหนดังรูปที่ 9 ถ้าเราใช้เข็มฉีดยาที่มีพื้นที่ 1 ตร.ซม. กดที่ลูกสูบของเข็มฉีดยาด้วยแรง 2 กก.แรงดันของน้ำมันไฮดรอลิกที่ได้จากการกระทำนี้คือ 2 กก./ตร.ซม. และถ้าแรงดันนี้ส่งผ่านท่อไปยังกระบอกไฮดรอลิกที่มีพื้นที่ลูกสูบของกระบอกไฮดรอลิก 30 ตร.ซม.จากการที่แรงดันในกระบอกสูบเท่ากันทุกทิศทางจะทำให้ลูกสูบมีแรงถึง 60 กก.

รูปที่ 9 แรงดันในระบบกระทำเท่ากันทุกทิศทาง

รูปที่ 10 แรงที่เกิดขึ้นในระบบมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับพื้นที่กระบอกสูบ

     ดังรูปที่ 10 ดังนั้นในระบบไฮดรอลิกการที่เราต้องการแรงจากกระบอกไฮดรอลิกมากน้อยแค่ไหนก็สามารถทำได้โดยการออกแบบกระบอกสูบให้มีพื้นที่หน้าตัดมากน้อยตามต้องการหรือใช้ปั้มที่มีแรงดันสูง จากรูปความสัมพันธ์ระหว่างแรงของกระบอกสูบและเข็มฉีดยาจะอยู่ในรูป
     P = F₁A₁ = F₂A₂ = ค่าคงที่  ……… (1)

     เมื่อ F₁, A₁ และ F₂, A₂ คือแรงที่กระทำกับก้านสูบ (F) และพื้นที่หน้าตัดของกระบอกสูบ (A) ในกระบอกเข็มฉีดยาตามตัวอย่าง และกระบอกสูบตามลำดับถ้าเราต้องการให้แรงที่เกิดขึ้นในกระบอกสูบมากกว่าเดิมก็ทำได้โดยการเพิ่มพื้นที่หน้าตัดของกระบอกสูบให้มากกว่าเดิมหรือเพิ่มแรงกดตรงกระบอกฉีดยาตามตัวอย่าง

2. อัตราการไหลของน้ำมันไฮดรอลิก (Flow Rate of Hydraulic System)       อัตราการไหล (Flow Rate, Q) คือ อัตราการเคลื่อนที่ของน้ำมันไฮดรอลิกในอัตราส่วนปริมาตรหรือน้ำหนักต่อหน่วยเวลา ดังแสดงในรูปที่ 11 โดยทั่วไปจะวัดเป็นปริมาตรของการไหลต่อหน่วยเวลาเป็นนาทีหรือวินาที แต่ที่นิยมใช้คือ ลิตร/นาที ถ้ากระบอกสูบมีเส้นผ่าศูนย์กลางเท่ากัน กระบอกสูบที่มีอัตราการไหลมากกว่าจะเคลื่อนที่เร็วกว่า เราสามารถเปรียบเทียบความเร็วของที่มีอัตราการไหลแตกต่างกัน

รูปที่ 11 แสดงการไหลของของไหล

รูปที่ 12 เปรียบเทียบการเคลื่อนที่ของกระบอกสูบต่างขนาด

       จากรูปที่ 12 เป็นการเปรียบเทียบความเร็วในการเคลื่อนที่ของลูกสูบของสองกระบอกสูบที่มีขนาดพื้นที่หน้าตัดเท่ากัน  แต่อัตราการไหลของน้ำมันไฮดรอลิกไม่เท่ากันจากสมการ
      

       โดยที่  V คือความเร็วของกระบอกสูบ Q คืออัตราการไหลของน้ำมันไฮดรอลิกและ A คือพื้นที่หน้าตัดของกระบอกสูบ

       ดังนั้นความเร็วของลูกสูบของกระบอกสูบเมื่ออัตราการไหลของกระบอกเท่ากับ10 ลิตร/นาที พื้นที่หน้าตัดของ   กระบอกสูบ 50 ตารางเซนติเมตร จะเท่ากับ
                                  

     แต่ถ้าเราเพิ่มอัตราการการไหลเป็น 30 ลิตร/นาที เราจะได้ความเร็วของลูกสูบเป็น
                                  

     ซึ่งเราจะเห็นได้ว่าเมื่อเราเพิ่มอัตราการไหลให้กับระบบจะทำให้ความเร็วของลูกสูบเพิ่มขึ้น

เปรียบเทียบระบบไฮดรอลิกกับร่างกายของคน       ในร่างกายมนุษย์เรามีหัวใจเปรียบเสมือนปั้มตัวใหญ่ เรามีปอดที่เปรียบเป็นตัวฟอกเลือดเสมือนตัวกรองเลือดจากเลือดดำเป็นเลือดแดงที่สะอาด เรามีแขนมีขาที่สามารถหยิบจับสิ่งต่าง ๆ และทำงานต่าง ๆ เรามีสมองที่คอยคิดและสั่งการว่าจะให้แขนขาเคลื่อนที่ไปทางไหนอย่างไรเสมือนกับระบบของไฮดรอลิกดังรูปที่ 13

รูปที่ 13 เปรียบเทียบระบบไฮดรอลิกกับร่างกายของคนเรา

ที่มา http://www.mga.co.th/viewmarketing.php?id=242