چرا موتورهای هیدرولیکی نمی‌توانند توسط آب به کار گرفته شوند؟

سیستم هیدرولیک بدون اجزای اصلی مانند پمپ‌های هیدرولیکی، شیرهای هیدرولیکی، موتورهای هیدرولیکی و سیلندرهای هیدرولیکی قابل‌اجرا نیست. برخی افراد ممکن است این سؤال را مطرح کنند: از آنجا که آب در همه‌جا یافت می‌شود و ارزان است، آیا می‌توانیم مستقیماً از آب به جای روغن هیدرولیک استفاده کنیم؟

 

پاسخ این است: از نظر تئوری امکان‌پذیر است، اما پیامدهای آن ایده‌آل نیستند. این مانند استفاده از یک دوچرخهٔ معمولی برای کشیدن یک کامیون است؛ ممکن است چند بار حرکت کند، اما نباید انتظار عملکرد یا عمر طولانی داشت. دلایل این امر را از پنج جنبهٔ زیر بررسی می‌کنیم.

 

۱. روان‌کاری ناکافی

اصل: روغن هیدرولیک یک فیلم روغن پایدار بر روی سطح فلز (رنگین کردن مایع / رنگین کردن مایع لاستیک) را تشکیل می دهد ، و تماس مستقیم بین فلزات را به برش "نفت روغن" تبدیل می کند ، به شدت از بین رفتن و تولید گرما را کاهش می دهد. آب به سختی یک فیلم تشکیل می دهد و توانایی روان کننده مرزی آن نزدیک به صفر است.

 

مقیاس مرجع: ویسکوزیته دینامیکی آب در 20 ° C ≈ 1 مگاپاسکال · s؛ ویسکوزیته دینامیکی روغن هیدرولیک ISO VG 32 در 40 ° C حدود 25-30 mPa است · s (با تراکم کمی متفاوت است). آب 20 تا 30 برابر نازک تر از روغن هیدرولیک است.

 

حوزه های مستعد مشکل:

 

پلاک جانبی پمپ دنده/آبرایش سطح دندان، گاز گرفتن و چسبیدن

 

سطح اصطکاک بین نوک تیغه پمپ بادکنک و حلقه ثابت خراش و آبی رنگ است.

 

سطح جفت گیری سوراخ سیلان پمپ پیستون، سطح کفش کششی دیسک شیب دار، اصطکاک خشک

 

فاصله کوچک بین هسته شیر و بدن شیر (در حدود چند میکرو متر) ممکن است پس از از دست دادن روان کننده "خشک" و گیر کند.

 

 

 

مثال

 

اجرای آزمایشی یک پمپ پلانجر با جریان پایین و فشار ۲۵ مگاپاسکال با آب تمیز، حتی بدون بار، ممکن است منجر به افزایش سریع دما و صدای غیرعادی بلند در عرض ده‌ها دقیقه تا چند ساعت شود؛ در بازرسی مشخص شد که سطح کفی لغزنده خراشیده شده و سطح انتهایی پلانجر دارای رنگ سیاه و آبی و نشانه‌های سوختگی است.

 

اگر پمپ پره‌ای فیلم روغنی خود را از دست بدهد، پس از چند ساعت کار، صدای سوت تیز و عدم دستیابی به فشار اسمی را تجربه خواهد کرد. پس از بازکردن پمپ، «شیارهای» واضحی در لبه‌های پره‌ها مشاهده می‌شود.

 

 

۲. مسائل خوردگی

اصل کار: آب حاوی اکسیژن محلول و الکترولیت‌هاست که تمایل زیادی به ایجاد خوردگی الکتروشیمیایی دارد؛ هم‌زمان، این امر باعث تشدید خوردگی نقطه‌ای و خوردگی در شکاف‌ها می‌شود. آب همچنین می‌تواند باعث جذب آب و متورم شدن مواد رایج در واشرها و قطعات الاستیک (مانند NBR، PU و غیره) شده و پیرشدن آن‌ها را تسریع کند.

مناطق مستعد بروز مشکل: خوردگی نقطه‌ای در سطح تماس هسته شیر و بدنه شیر → چسبیدن و خزیدن؛ لایه‌ی کروم‌پوش بر روی میله‌ی پیستون سیلندر روغن خورده شده و لبه‌ی آب‌بند تیز شده است؛ خوردگی روی صفحه‌ی جانبی و دیواره‌ی داخلی پوسته‌ی پمپ دنده‌ای → ذرات ساینده وارد مدار می‌شوند؛ عنصر آب‌بند (NBR/PU) آب جذب می‌کند، سختی‌اش کاهش می‌یابد و تغییر ابعادی پیدا می‌کند که منجر به افزایش نشت می‌شود. مثال: اگر تجهیزات بیرونی پس از غوطه‌وری در آب، به‌موقع تخلیه و خشک نشوند، ممکن است هسته‌ی شیر ظرف سه تا پنج روز زنگ‌زدگی سطحی پیدا کند که علائم آن تأخیر در عملکرد و لرزش هنگام راه‌اندازی است. برخی از ماشین‌های تزریق پلاستیک به‌اشتباه آب خنک‌کننده را به مدار هیدرولیکی متصل می‌کنند که باعث ایجاد لکه‌های زنگ‌زدگی روی بدنه‌ی سیلندر در عرض چند روز می‌شود؛ سپس به‌دلیل خوردگی نقطه‌ای، خط‌های خراش روی لبه‌ی آب‌بند ایجاد می‌شود و نشت روغن به‌طور چشمگیری افزایش می‌یابد.

 

 

۳. خطر کاویتیشن

اصل کار: آب نقطه جوش پایین و فشار بخار بالایی دارد. هنگامی که فشار محلی در ورودی پمپ کمتر از فشار بخار آب شود، آب به صورت حباب‌های بخار تبدیل می‌شود؛ این حباب‌ها بلافاصله در ناحیه فشار بالا فرو می‌ریزند و جت‌های ریز و امواج ضربه‌ای ایجاد می‌کنند که منجر به ایجاد حفره‌هایی (نقاط کاویتاسیون) به‌صورت شبیه به سандبلاست می‌شوند. مقیاس مرجع: فشار بخار آب در دمای ۶۰ ° درجه سانتی‌گراد حدود ۲۰ کیلوپاسکال است که بسیار بالاتر از فشار بخار روغن هیدرولیک است؛ بنابراین، تحت شرایط مکش یکسان، احتمال وقوع کاویتاسیون بیشتر است. نواحی مستعد مشکل: نوک دندانه‌های پمپ چرخ‌دنده‌ای – ناحیه ورودی صفحه جانبی، اتاقک ورودی پمپ پره‌ای، پنجره مکش صفحه توزیع‌کننده پمپ پیستونی؛ نواحی کم‌فشار محلی در دریچه‌های تنظیم دبی و گوشه‌های تیز.

 

مثال

 

یک پمپ دنده‌ای با دبی ۳۰ لیتر بر دقیقه، هنگامی که با آب و در سرعت ۱۵۰۰ دور بر دقیقه و با نصب لوله مکش بلند یا فیلتر با عنصر ریز کار می‌کند، صدایی شبیه «کاغذ سنباده» یا «همهمه» تولید می‌کند. پس از چند روز، صفحه جانبی دچار حفره‌های نقطه‌ای (پیتینگ) و حفره‌های نیم‌ماهی‌شکل می‌شود و بازده حجمی آن از ۹۰٪ به ۶۰–۷۰٪ کاهش می‌یابد.

 

دریچه با بازشوی کوچک، جریان محیط آبی را کاهش می‌دهد. در شرایط دمای بالا، معمولاً حفره‌های نقطه‌ای (پیتینگ) به شکل سوزنی روی هسته و صندلی دریچه مشاهده می‌شوند که منجر به افزایش نشت داخلی و صدا می‌گردند.

 

۴. اصل ویسکوزیته ناکافی: آب‌بندی و کنترل نشت در سیستم‌های هیدرولیک به‌طور قوی به ویسکوزیته محیط بستگی دارد. به عبارت ساده، نشت لایه‌ای (Qleak) در شکاف تقریباً با معکوس ویسکوزیته (۱/μ) متناسب است. μ ۱/μ μ (زمانی که هندسه و اختلاف فشار ثابت باشند). هنگامی که محیط از ۳۰ میلی‌پاسکال-ثانیه به ۱ میلی‌پاسکال-ثانیه تغییر می‌کند، نشت نظری می‌تواند چندین برابر افزایش یابد. · s به ۱ mPa · s، نشت نظری می‌تواند چندین برابر افزایش یابد.

 

۵. اصل حساسیت به دما: هنگامی که آب در دمای ۰ ° C، حجم آن حدود ۹٪ افزایش می‌یابد و باعث ترک‌خوردن قطعات یا لوله‌های دیواره‌نازک می‌شود؛ در دماهای بالا، تبخیر شدت بیشتری پیدا کرده و فشار بخار افزایش می‌یابد که منجر به افزایش فراوانی کاویتاسیون و نوسانات فشار می‌شود. روغن هیدرولیک با افزودنی‌های بهبود‌دهنده ویسکوزیته-دمایی و ضد اکسیدان تجهیز شده و دامنه وسیعی از دماهای کاری را پوشش می‌دهد.

تأثیر در محل نصب: دمای پایین: یخ‌زدن → ترک‌خوردن سوکت مکش پمپ/پوسته پمپ؛ این تأثیر در لحظه راه‌اندازی بسیار قابل توجه است و باعث «شکستن» لبه آب‌بندی می‌شود؛ دمای بالا: کاویتاسیون مکرر و کاویتاسیون در ورودی پمپ؛ افزایش نوسانات فشار و صدا، که منجر به نوسان سریع اجزای اجرایی می‌شود.

 

 

مثال

 

تجهیزات بیرونی در مناطق شمالی طی شب دمایی زیر صفر داشتند و آب باقی‌مانده در لوله‌ها یخ زد. روز بعد، هنگام راه‌اندازی پمپ دنده‌ای، ترک‌های ریزی روی پوسته پمپ مشاهده شد؛

 

در محل ریخته‌گری مداوم فلزات در محیطی با دمای ۶۰ تا ۷۰ ° ج، مدار آزمایشی که از آب به‌عنوان محیط استفاده می‌کند، اغلب در دماهای بالا با صدای نویز انتهای پمپ و افت فشار مواجه می‌شود. تنها پس از بازگشت به مخلوط آب و اتیلن گلیکول، عملکرد سیستم به‌سرعت تقریباً پایدار شد.

 

 

پیامد مستقیم: کاهش قابل‌توجه بازده حجمی (که در فشارهای بالاتر بیشتر مشهود است)؛ افزایش آهسته فشار و حرکت کند بار؛ افزایش نشت داخلی هسته شیر، که منجر به اختلاف در فشار استاتیک سیستم و افزایش گرمایش می‌شود. مثال: با استفاده از آب به‌عنوان محیط، یک پمپ دنده‌ای با فشار اسمی ۲۰ مگاپاسکال هنوز در حالت بدون بار می‌چرخد، اما نمی‌تواند تحت بار ۸ تا ۱۰ مگاپاسکال فشار را افزایش دهد؛ پس از جایگزینی همین پمپ با روغن VG46، فشار آن به ۱۸ تا ۲۰ مگاپاسکال بازگردانده می‌شود. اجزایی مانند شیرهای سرو-تناسبی که بسیار حساس به شکاف‌های بسیار کوچک هستند، هنگام جایگزینی با محیطی با ویسکوزیته پایین، دچار نشت شدید در موقعیت صفر و انحراف می‌شوند و ثابت‌نمودن حلقه موقعیت را دشوار می‌سازند.

 

 

بر اساس دیدگاه‌هایی که ارائه کردم، موتورهای هیدرولیکی همچنان با روغن هیدرولیک سازگان‌تر هستند.

 

با این حال، باید توجه داشت که در صنعت انواع مایعات هیدرولیک مبتنی بر آب (مانند HFA/HFB/HFC، از جمله گلیکول اتیلن در آب) وجود دارند، همچنین پمپ‌ها/شیرها/درزگیرها و سیستم‌های موادی که به‌طور خاص برای استفاده با این مایعات طراحی شده‌اند (مانند فولاد ضدزنگ/روکش نیکل، سرامیک، EPDM/PTFE و غیره). اما این حوزه مربوط به مهندسی سیستم‌های تخصصی است و صرفاً جایگزینی سیستم روغن موجود با آب کافی نیست.