دور المضخات الهيدروليكية والمحركات الهيدروليكية في الأنظمة الهيدروليكية

في مقال سابق، ناقشنا أنظمة المضخات الهيدروليكية ومبادئ عملها العامة. لتلخيص سريع، النظام الهيدروليكي هو تقنية دفع تنقل الطاقة باستخدام السوائل كوسيلة. حيث تقوم بتحويل الطاقة الميكانيكية لمحرك كهربائي إلى طاقة سائلة، ثم تُنقل عبر السائل إلى العناصر التنفيذية. وتتضمن المكونات الرئيسية للنظام الهيدروليكي المضخات الهيدروليكية، والعناصر التنفيذية (المحركات الهيدروليكية)، والصمامات، وخزانات الزيت.

 

يركز هذا المقال على المضخات الهيدروليكية والمحركات الهيدروليكية، ويُفسّر كيف تعمل معًا في النظام الهيدروليكي. سنبدأ بالمضخة الهيدروليكية.

 

تصنيف المحركات الهيدروليكية

 

 

تنقسم المحركات الهيدروليكية عمومًا إلى فئتين رئيسيتين:

 

 

محركات هيدروليكية بسرعة منخفضة وعزم دوران مرتفع (LSHT)

 

 

محركات هيدروليكية بسرعة عالية وعزم دوران منخفض (HSLT)

 

 

إن اختيار محرك هيدروليكي بسرعة منخفضة يسمح للنظام بإنتاج عزم دوران أعلى عند السرعات المنخفضة. وفيما داخل هاتين الفئتين، يمكن تصنيفها أكثر حسب البنية إلى محركات تروس، ومحركات شفرات، ومحركات مكابس. ويمكن تقسيم محركات المكابس إلى محركات مكابس محورية ومحركات مكابس شعاعية.

 

تصنيف المضخات الهيدروليكية

 

تشمل الأنواع الشائعة من المضخات الهيدروليكية ما يلي:

 

 

1. حسب القدرة على تعديل التدفق:

 

المضخات المتغيرة — يمكن تعديل تدفق المخرج حسب الحاجة

 

مضخات ذات إزاحة ثابتة — تدفق المخرج ثابت

 

 

2. حسب البنية: مضخات التروس، مضخات الشفرات، مضخات المكابس

 

مضخات التروس: صغيرة الحجم، بسيطة التركيبة، تتطلب نظافة زيت منخفضة، ومنخفضة التكلفة؛ ومع ذلك، فإن العمود المرفقي للمضخة يتأثر بشكل كبير بقوى غير متزنة، ويُعاني من تآكل شديد، ولديه حجم تسرب كبير.

 

 

مضخات الشفرات: يمكن تقسيمها إلى نوع فردي التأثير ونوع مزدوج التأثير. تتميز بتدفق موحد، وتشغيل سلس، وضجيج منخفض، وضغط أعلى وكفاءة حجمية أعلى مقارنةً بمضخات التروس، ولكن تركيبتها أكثر تعقيدًا من مضخات التروس.

 

 

مضخات المكابس: كفاءة حجمية عالية، وتسرب منخفض، ويمكن تشغيلها تحت ضغط عالٍ، مما يجعلها مناسبة للأنظمة الهيدروليكية ذات القدرة الكبيرة. ومع ذلك، فإن تركيبتها معقدة، وتتطلب متطلبات عالية من حيث المواد والدقة في التشغيل، وتكلفتها مرتفعة، كما أن لديها متطلبات عالية لنظافة الزيت.

 

مكوّنات المضخات الهيدروليكية

 

تتكون المضخات الهيدروليكية عموماً من ثلاث أجزاء رئيسية: الموصلات، وحوض زيت الهيدروليك، والمرشقات.

 

 

وصلات

 

لا يمكن للعمود الدافع لمضخة هيدروليكية أن يتحمل قوى شعاعية أو محورية، لذلك لا يُسمح بتركيب أخشاب، تقدرات، أو درابزين مباشرة على طرف العمود. عادةً ما يتم توصيل العمود الدافع بالمضخة من خلال موصل.

 

إذا كان، بسبب أسباب تصنيعية، الانضباط المحوري بين المضخة والموصل يتجاوز المعيار، ويحدث انحرفاً أثناء التجميع، فمع زيادة سرعة المضخة، ستزداد القوة الطاردة المركزية، مما قد يؤدي إلى تشويه الموصل. ويؤدي هذا التشويه إلى زيادة القوة الطاردة المركزية أكثر، مُشكّلاً دورة مفرّغة، وينتج عنها في النهاية اهتزاز وضجاء، مما يؤثر على عمر خدمة المضخة. بالإضافة إلى ذلك، فإن عوامل مثل دبابات الموصل المفكوكة والحلقات المطاطية البالية التي لا تُستبدَل في الوقت المناسب تؤثر أيضاً على تشغيل المضخة.

 

 

خزان الزيت الهيدروليكي

 

تتمثل الوظائف الرئيسية لخزان الزيت الهيدروليكي في نظام هيدروليكي في: تخزين الزيت، وتبديد الحرارة، وفصل الهواء الموجود في الزيت، والتخلص من الرغوة.

 

عند اختيار خزان زيت، فإن أول اعتبار هو سعته: بالنسبة للمعدات المتنقلة، تكون السعة عمومًا من 2 إلى 3 أضعاف معدل التدفق الأقصى للضاغط، وبالنسبة للمعدات الثابتة، تكون من 3 إلى 4 أضعاف. ثانيًا، يجب مراعاة مستوى الزيت في الخزان: عندما تمتد جميع اسطوانات النظام الهيدروليكية بالكامل، لا يجب أن يقل مستوى الزيت في الخزان عن الحد الأدنى لمستوى الزيت؛ وعندما تنكمش الاسطوانات، لا يجب أن يتجاوز مستوى الزيت الحد الأقصى لمستوى الزيت. وأخيرًا، يجب النظر في هيكل خزان الزيت: فالحواجز في الخزانات التقليدية لا تساعد بشكل فعال على ترسيب الأوساخ، وبالتالي ينبغي تركيب عارضة رأسية على طول المحور الطولي لخزان الزيت. ويجب أن يكون هناك فجوة بين هذه العارضة ولوحة نهاية خزان الزيت، بحيث تسمح باتصال المساحات على جانبي العارضة. يتم ترتيب منفذي الدخول والخروج للضاغط الهيدروليكي في نهاية العارضة التي ليست متصلة، مما يجعل المسافة بين زيت الدخول والزيت المرتجع بعيدة قدر الإمكان. وفي الوقت نفسه، يمكن لخزان الزيت أيضًا أن يبدد الحرارة بشكل أفضل.

 

مرشح الزيت

 

بشكل عام، فإن الملوثات ذات الحجم الجزيئي الأقل من 10 μ م تؤثر بشكل ضئيل على المضخة، ولكن عندما يزيد الحجم الجزيئي عن 10 μ م، وخاصة عند تجاوزه 40 μ م، فإنها تؤثر بشكل كبير على عمر المضخة الافتراضي. كما أن الجسيمات الصلبة الملوثة في زيت الهيدروليك تميل إلى تسريع التآكل على أسطح الأجزاء المتحركة بالنسبة لبعضها داخل المضخة. لذلك، يجب تركيب مرشح زيت للحد من درجة تلوث الزيت. ويُوصى بدقة التصفية التالية: 10~15 μ م للمضخات المحورية ذات المكابس، 25 μ م لمضخات الشفرات، و40 μ م للمضخات المسننة. ويمكن لاستخدام مرشحات زيت عالية الدقة أن يطيل كثيرًا العمر الافتراضي للمضخات الهيدروليكية.

 

وظيفة المحركات الهيدروليكية

 

إن المحرك الهيدروليكي هو عنصر تنفيذي يقوم بتحويل طاقة ضغط السائل إلى طاقة ميكانيكية، ويُخرج عزم دوران وحركة دورانية، ويشغل موقعًا مهمًا في الأنظمة الهيدروليكية.

 

تنقسم المحركات الهيدروليكية عمومًا إلى نوعين: عزم دوران منخفض وعزم دوران مرتفع. في السنوات الأخيرة، مع التطور المستمر للتكنولوجيا الهيدروليكية نحو ضغط أعلى وقوة أكبر، ومع تزايد الاهتمام بالبيئة، أصبح من المطلوب أن تتمتع المشغلات الهيدروليكية بخصائص مثل انخفاض الضوضاء وتقليل التلوث والتشغيل السلس. لذلك، أصبحت المحركات عالية العزم إحدى اتجاهات التطوير.

 

من منظور تحويل الطاقة، فإن المضخات الهيدروليكية والمحركات الهيدروليكية هي مكونات هيدروليكية قابلة للعكس: بإدخال سائل عمل إلى أي مضخة هيدروليكية، يمكن تحويلها إلى حالة تشغيل كمحرك هيدروليكي؛ وعلى العكس، عندما يتم تدوير العمود الرئيسي للمحرك الهيدروليكي بواسطة عزم خارجي، يمكن أيضًا تحويله إلى حالة تشغيل كمضخة هيدروليكية. ويعود السبب في ذلك إلى امتلاك كليهما نفس العناصر البنائية الأساسية: وهي حيز مغلق يتغير حجمه بشكل دوري، وآلية توزيع زيت متناظرة.

 

دور المضخات الهيدروليكية في الأنظمة الهيدروليكية

 

باختصار، المضخة الهيدروليكية هي جهاز يحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة هيدروليكية. وتستخدم أنظمة النقل الهيدروليكية أنواع مختلفة من المضخات الهيدروليكية للتغلب على الأحمال وتحقيق إنتاج الطاقة.

 

على سبيل المثال، في أنظمة القيادة الهيدروليكية مثل الحفارات، تكون المضخة الهيدروليكية مسؤولة عن توفير الضغط اللازم لرفع المعدات أو الأجسام الثقيلة. وتُزوّد معظم الآلات الثقيلة بمضخات هيدروليكية، والتي تُعد مكونات أساسية في الأنظمة الهيدروليكية.

 

بالإضافة إلى المعدات الكبيرة، توجد أيضًا مضخات هيدروليكية أصغر تُستخدم لتشغيل أدوات هيدروليكية متنوعة، مثل أدوات القطع، وال presses، ومناشير هيدروليكية، وما إلى ذلك. وتعتمد كل هذه الأدوات على المضخات الهيدروليكية للعمل بكفاءة.

 

 

الاختلافات بين المضخات الهيدروليكية والمضخات العادية

 

الفرق الأكبر بين المضخات الهيدروليكية والمضخات العادية يكمن في طرق عملها. فالمضخات العادية تحتفظ عادةً بتدفق ثابت للسائل، في حين أن معدل التدفق في المضخات الهيدروليكية مرتبط ارتباطًا وثيقًا بضغط الحِمل.

 

علاوة على ذلك، تختلف وظائفها: إذ يجب على المضخات الهيدروليكية التغلب على الضغط الناتج عن حِمل النظام، في حين أن المضخات العادية تكون مسؤولة فقط عن نقل السائل أو تدويره بشكل مستمر.

 

وظيفة المحرك الهيدروليكي

 

المحرك الهيدروليكي هو عنصر حركة دورانية، ويُعرف أيضًا باسم المشغل الدوراني. وتتمثل وظيفته الرئيسية في تحويل الطاقة الهيدروليكية إلى طاقة ميكانيكية لدفع الحمل والحث على الحركة.

 

يتم تحديد القدرة الخارجة للمحرك الهيدروليكي من خلال فرق الضغط ومعدل تدفق الزيت الهيدروليكي. وبعبارة أخرى، تكون القدرة الخارجة للمحرك الهيدروليكي متناسبة طرديًا مع سرعته الدورانية.

 

مبدأ العمل التعاوني بين المضخات الهيدروليكية والمحركات الهيدروليكية

 

بعد فهم وظائف المضخات الهيدروليكية والمحركات الهيدروليكية، دعونا ننظر إلى كيفية عملها معًا في نظام:

 

أولاً، تقوم المضخة الهيدروليكية بتحويل الطاقة الميكانيكية من مصدر قوة أولي (مثل محرك كهربائي أو محرك ديزل) إلى طاقة هيدروليكية، والتي توجد على شكل زيت هيدروليكي متدفق.

 

وبعد ذلك، يستقبل المحرك الهيدروليكي الطاقة الهيدروليكية الناتجة عن المضخة الهيدروليكية ويحولها مرة أخرى إلى طاقة ميكانيكية، تُستخدم لتشغيل الحمل لأداء العمل.

 

بعد اكتمال هذه العملية التحويلية بواسطة المحرك الهيدروليكي، يصبح لدى النظام بالكامل الطاقة الميكانيكية اللازمة لأداء المهام. وتُستخدم الأنظمة الهيدروليكية على نطاق واسع في حياتنا اليومية؛ على سبيل المثال، تعتمد المصاعد وأجهزة توزيع الوقود ومرافق الترفيه على العمل المشترك للمضخات والمحركات الهيدروليكية.

 

الأسئلة الشائعة (FAQ)

 

1. ما الفرق بين المضخة الهيدروليكية والمحرك الهيدروليكي؟

 

الإجابة: تقوم المضخة الهيدروليكية بتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة هيدروليكية (سائل تحت الضغط)، في حين تقوم المحركات الهيدروليكية بتحويل الطاقة الهيدروليكية مرة أخرى إلى طاقة ميكانيكية (عزم دوران وحركة دورانية).

 

 

2. ما هي الأنواع الرئيسية للمحركات الهيدروليكية؟

 

الإجابة: تُقسم المحركات الهيدروليكية بشكل رئيسي إلى فئتين:

 

 

محركات منخفضة السرعة وعالية العزم (LSHT)

 

محركات عالية السرعة ومنخفضة العزم (HSLT)

 

بالإضافة إلى ذلك، حسب البنية، تشمل محركات التروس، والمحركات ذات الشفرات، ومحركات المكابس (شاملةً أنواع المكبس المحوري والإشعاعي).

 

 

3. ما هي الأنواع الشائعة للمضخات الهيدروليكية وطرق تصنيفها؟

 

الإجابة: تُصنف المضخات الهيدروليكية عادةً بالطريقتين التاليتين:

 

 

قابلية تعديل التدفق: مضخات متغيرة (قابلة للتعديل) ومضخات ثابتة (تدفق ثابت)

 

 

النوع الإنشائي: مضخات التروس، مضخات الشفرات، مضخات المكابس.

 

 

مضخات التروس: حجم صغير، هيكل بسيط، تكلفة منخفضة، ولكنها تعاني من ارتفاع التآكل والتسرب.

 

 

المضخات ذات الشفرات: تمت تتدفق بشكل موحد، تشغيل سلس، ضجيج منخفض، كفاءة أعلى من المضخات المسننة، ولكن هيكلها معقد.

 

 

المضخات ذات المكبس: كفاءة حجمية عالية، تسرب منخفض، يمكنها العمل تحت ضغط عالٍ، مناسبة للأنظمة عالية القدرة، ولكن تكلفتها مرتفعة ومتطلبة لدرجة نظافة الزيت العالية.

 

4. ما هي مكونات نظام المضخة الهيدروليكية؟

 

الإجابة: يتضمن نظام المضخة الهيدروليكية عموماً:

 

 

الموصل (يصل بين عمود الدفع وعمود المضخة)

 

 

خزان الزيت الهيدروليكي (تخزين الزيت، تبديد الحرارة، فصل الهواء، وإزالة الرغوة)

 

 

المرشح (تقليل جزيئات الملوثات الصلبة في الزيت)

 

 

لضمان موثوقية النظام، من الضروري ضمان المحاذاة الصحيحة للموصل، والسعة والهيكل المناسبين للخزان الزيتي، واختيار مرشحات بالدقة الصحيحة.

 

 

5. ما الدور الذي يؤديه المحرك الهيدروليكي في النظام؟

 

الإجابة: يستقبل المحرك الهيدروليكي سائلاً تحت الضغط، ويحول الطاقة الهيدروليكية إلى طاقة ميكانيكية، ويُخرج عزم الدوران والحركة الدورانية. وتعتمد قدرة الخرج على فرق ضغط السائل ومعدل التدفق، وبالتالي عندما يتغير معدل التدفق أو الضغط، فإن خرج المحرك يتغير وفقًا لذلك.

 

 

6. كيف يعمل المضخة الهيدروليكية والمحرك الهيدروليكي معًا؟

 

الإجابة: في النظام الهيدروليكي:

 

 

تحول المضخة الهيدروليكية الطاقة الميكانيكية المقدمة من المصدر الأولي (مثل المحرك الكهربائي أو محرك الديزل) إلى طاقة سائلة.

 

 

يستقبل المحرك الهيدروليكي هذا السائل تحت الضغط ويعيد تحويله إلى طاقة ميكانيكية لدفع الحمل.

 

 

من خلال هذا التحويل للطاقة، يمكن للنظام تحقيق الناتج الميكانيكي المطلوب.

 

7. لماذا تعتبر نظافة الزيت والترشيح أمراً بالغ الأهمية في الأنظمة الهيدروليكية؟

 

الإجابة: الجسيمات الصلبة الموجودة في زيت هيدروليكي (وخاصة تلك الأكبر من 10 μ ميكرومتر، وبشكل خاص الأكبر من 40 μ م) يمكن أن يزيد من تآكل المكونات الداخلية للضواغط والمحركات، مما يقلل الكفاءة ويطيل العمر الافتراضي. يمكن لتركيب مرشحات بدقة مناسبة (مثل 10-15 μ م للمضخات المحورية ذات المكابس، 25 μ م للضواغط ذات الألواح، 40 μ م للضواغط المسننة) أن يحافظ بشكل فعال على موثوقية النظام.

 

 

8. إذا كان مضخّتي الهيدروليكية تصدر ضجيجًا أو اهتزازًا، ما الذي ينبغي عليَّ التحقق منه؟

 

الإجابة: الأسباب الشائعة تشمل:

 

- عدم المحاذاة بين المضخة والتوصيل/العمود

 

- السرعة أو الحمولة تتجاوز القيم المحددة

 

- دخول هواء أو حدوث تجويف في خط السحب

 

- نقص نظافة الزيت أو كمية غير صحيحة/نوع غير مناسب من الزيت

 

- تآكل أو تلف في وصلة الربط أو المكونات الداخلية للمضخة

 

يساعد معالجة هذه القضايا في تقليل الضوضاء والاهتزاز وتمديد عمر المضخة.

 

 

9. هل تقوم المضخة الهيدروليكية بـ \"توليد\" ضغط في النظام؟

 

الإجابة: في الواقع، ليس تمامًا. الوظيفة الأساسية للمضخة الهيدروليكية هي إنتاج التدفق؛ ويتكوّن الضغط فقط عندما يواجه هذا التدفق مقاومة في النظام (مثل الحِمل أو الصمامات أو المحركات). لذلك، من غير الدقيق نسب توليد الضغط إلى المضخة وحدها.

 

 

10. ما هي مقاييس الكفاءة للمضخات والمحركات الهيدروليكية؟

 

الإجابة: تشمل مقاييس الكفاءة الرئيسية ما يلي:

 

- كفاءة الحجم: التدفق الفعلي ÷ معدل التدفق النظري

 

- الكفاءة الميكانيكية/الهيدروليكية: العزم النظري ÷ العزم الفعلي (أو ما يتعلق بالخسائر الميكانيكية)

 

- الكفاءة الكلية: كفاءة الحجم × الكفاءة الميكانيكية/الهيدروليكية