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.

مقدمه:

هیدرولیک از کلمه یونانی ” هیدرو ” مشتق گردیده است و این کلمه به معنای جریان حرکات مایعات می باشد. در قرون گذشته مقصود از هیدرولیک فقط آب بوده و البته بعدها عنوان هیدرولیک مفهوم بیشتری بخود گرفت و معنی و مفهوم آن بررسی در مورد بهره برداری بیشتری از آب و حرکت دادن چرخ های آبی و مهندسی آب بوده است. مفهوم هیدرولیک در این قرن دیگر مختص به آب نبوده بلکه دامنه وسیع تری بخود گرفته و شامل قواعد و کاربرد مایعات دیگری، بخصوص “روغن معدنی” می باشد، زیرا که آب به علت خاصیت زنگ زدگی، در صنایع نمی تواند بعنوان انرژی انتقال دهنده مورداستفاده قرار گیرد و بعلت آنکه روغن خاصیت زنگ زدگی ندارد، امروزه در صنایع از آن بخصوص برای انتقال انرژی در سیستم کنترل استفاده بسیار می گردد.
امروزه در بسیارى از فرآیندهاى صنعتى، انتقال قدرت آن هم به صورت کم هزینه و با دقت زیاد مورد نظر است، در همین راستا بکارگیرى سیال تحت فشار در انتقال و کنترل قدرت در تمام شاخه هاى صنعت رو به گسترش است. استفاده از قدرت سیال به دو شاخه مهم هیدرولیک و نیوماتیک ( که جدیدتر است ) تقسیم می شود. از نیوماتیک در مواردى که نیروهاى نسبتاً پایین (حدود یک تن) و سرعت هاى حرکتى بالا مورد نیاز باشد (مانند سیستمهایى که در قسمتهاى محرک رباتها بکار مى روند ) استفاده می کنند در صورتی که کاربردهاى سیستمهاى هیدرولیک عمدتاً در مواردى است که قدرت هاى بالا و سرعت هاى کنترل شده دقیق مورد نظر باشد (مانند جک هاى هیدرولیک، ترمز و فرمان هیدرولیک و…).

در سیستم هاى هیدرولیک و نیوماتیک نسبت به سایر سیستمهاى مکانیکى قطعات محرک کمترى وجود دارد و می توان در هر نقطه به حرکت هاى خطى یا دورانى 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 می گیرد ولى در سیستمهاى مکانیکى دیگر براى انتقال قدرت از اجزایى مانند بادامک، چرخ دنده، گاردان، اهرم، کلاچ و… استفاده می کنند.

مایعات تقریبا 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.

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 های 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.

افزایش عمر مفید جک های هیدرولیکی:
جک‌ها، همانند پمپ‌ها و موتورهای هیدرولیکی، یکی از اجزای مهم سیستم‌های هیدرولیک به‌شمار می‌آیند. در کارخانه‌ها یا ماشین‌آلاتی که از انواع مختلف سیستم‌های هیدرولیک استفاده می‌کنند، هزینه تعمیرات و نگهداری جک‌های هیدرولیک، قسمتی از هزینه‌های اصلی نگهداری سیستم است. در اغلب موارد، ۲۵ درصد از خرابی تجهیزات مکانیکی ناشی از نحوه طراحی و به‌کارگیری آنهاست. در مورد جک‌های هیدرولیک می‌توان گفت که از هر ۴ جک، یکی از آنها در محلی نصب شده و کار می‌کند که متناسب با طراحی آن نیست. این امر باعث کاهش عمر مفید کاری جک خواهد شد. اگر یک جک به صورت مکرر و متناوب به تعمیر نیاز پیدا می‌کند، علت آن را می‌توان در یکی از عوامل طراحی زیر جستجو کرد.
شافت‌های خم شده:
شافت جک ممکن است به دلیل نامناسب بودن قطر شافت، مقاومت مواد، نامناسب بودن وضعیت نصب جک و یا ترکیبی از این سه عامل، خم شود. با بروز خمیدگی در شافت جک، بار بیش از حدی به کاسه نمد شافت وارد آمده و باعث خرابی زودرس آن می‌شود.
پس از انجام هرگونه تعمیر جک، راست بودن شافت آن باید مورد بررسی قرار گیرد. برای انجام این کار، شافت را روی دو استوانه قرار داده و سپس با استفاده از یک ساعت اندیکاتور، میزان انحنای آن را اندازه بگیرید. دو سر شافت را به‌گونه‌ای روی استوانه‌ها قرار دهید که فاصله بین استوانه‌ها تا حد امکان زیاد باشد (L) آنگاه میزان انحنای شافت را در وسط این فاصله (L بر روی ۲) اندازه بگیرید.
شافت جک باید تا حد امکان بدون انحناء باشد، اما میزان خمش آن تا ۵/۰ میلی‌متر در هر یک متر طول، قابل قبول است. برای محاسبه میزان انحنای (خمش) شافت، از فرمول زیر استفاده کنید:

L، فاصله بین دو استوانه به میلی‌متر است.
مثلاً، اگر فاصله بین استوانه‌ها ۲/۱ متر باشد، حداکثر خمش مجاز در به صورت زیر محاسبه می‌شود:

۰٫۵×۱۲۰۰÷۱۰۰۰=۰٫۶mm

اگر شافت، دچار خمش شده است، باید براساس موقعیت نصب جک و تنش کششی مواد شافت بار عملی وارده بر شافت را در برابر بار مجاز تعریف شده برای آن، مشخص کرد. اگر بار عملی وارده بر شافت بیشتر از بار مجاز باشد، باید شافت دیگری با مواد دارای تنش کششی بیشتر و یا شافتی با قطر بزرگتر انتخاب کنید تا در عمل، دچار خمش نشود.

سیلندرهای متورم شده:
متورم شدن بدنه جک‌های هیدرولیک (سیلندرها) می‌تواند ناشی از نازک بودن بدنه و یا نامتناسب بودن مواد بدنه سیلندر برای فشارهای وارده بر آن باشد. وقتی بدنه جک متورم می‌شود، تلرانس بین کاسه نمد پیستون و دیواره سیلندر جک، از بین می‌رود و روغن تحت فشار داخل جک، نشت می‌کند. نشت روغن تحت فشار، باعث فرسایش سریع‌تر کاسه نمد شده و حرارت ایجاد شده ناشی از افت فشار در سمت بالای پیستون، از عمر کاسه نمد می‌کاهد.
آزمایش سیلندر:
روش معمول برای آزمایش صحت عملکرد کاسه نمد پیستون در جک های دو طرفه، عبارت است از تحت فشار قرار دادن سیلندر در انتهای کورس جک و بررسی وجود نشتی روغن از کاسه نمد. این روش را تست بای- پس انتهای کورس می‌نامند. یکی از محدودیت‌های این روش، این است که قادر به نشان دادن متورم شدن بدنه سیلندر ناشی از فشار وارده نیست. متورم شدن می‌تواند ناشی از نامتناسب بودن ضخامت بدنه و یا کاهش ضخامت بدنه سیلندر به دلیل سنگ زدن و تراشیدن آن باشد. روش ایده‌آل آزمایش متورم شدن بدنه جک این است که آزمون بای- پس کاسه نمد پیستون در نیمه کورس حرکت جک انجام شود. با توجه به اینکه در این روش باید نیروی ایجاد شده توسط جک به صورت مکانیکی مهار شود و این کار در جک‌های با قطر زیاد و فشار بالا، عملاً امکان‌پذیر نیست، روش مورد بحث برای این جکها امکان آزمون ندارد. البته می‌توان روش آزمون در نیمه کورس را با استفاده از مدار نشان داده شده در شکل ۲، به صورت تشدید اثر فشار هیدرواستاتیکی انجام داد.
تشدید فشار:
نیروی پدید آمده توسط یک جک هیدرولیک، حاصل فشار و سطح (F=P×A) است. در یک جک دوطرفه معمولی، سطح مؤثر پیستون و در نتیجه نیروی به وجود آمده در دوطرف جک، برابر نیست. به بیانی دیگر، سطح مؤثر در سمت دسته پیستون (شافت) یک جک اگر نصف سطح مؤثر در سمت بالای پیستون باشد، نیروی حاصل نیز نصف نیروی سمت بالای پیستون (با فرض ثابت بودن فشار) خواهد بود.
فرمول F=P×A را می‌توان به صورت نوشت. به این ترتیب، فشار برابر خواهد بود با تقسیم نیرو بر سطح. برای آنکه نیروی حاصل از سمت بالای پیستون جک در سمت دسته پیستون مهار شود (سطح مؤثر نصف سطح پیستون است) فشار در سمت دسته جک باید دو برابر شود. یعنی اگر فشار در سمت بالای پیستون جک ۳۰۰۰اPSI باشد، به فشاری برابر با ۶۰۰۰اPSI در سمت دسته پیستون نیاز است تا نیروی آن طرف را مهار کند. این مطلب، تشدید فشار در جک‌های دوطرفه را نشان می‌دهد.

اگر فشار روی پیستون یک جک دوطرفه به هر دلیلی، بالا برود، اما روغن در سمت دیگر امکان خروج نداشته باشد، فشار روغن در سمت دسته پیستون جک آنقدر بالا می‌رود که فشار دوطرف به تعادل برسد و یا جک از ضعیف‌ترین نقطه نشت کند.
تشدید فشار در یک جک دوطرفه، پدیده‌ای خطرناک است و هنگام آزمون جک‌ها، می‌بایستی مورد توجه قرار گیرد، به این ترتیب که:
۱٫ جک را به‌گونه‌ای در جای خود محکم کنید که مجاری ورود و خروج آن به سمت بالا باشند.
۲٫ از طریق مجاری مربوطه، دوطرف جک را با روغن تمیز پر کنید.
۳٫ مشابه شکل ۲، شیرهای یک‌طرفه (۱) و (۲)، گیج‌های (۳) و (۴)، شیر فشارشکن (۵) و شیر کنترل مسیر جریان (۶) را در مدار قرار دهید.
۴٫ با استفاده از شیر کنترل مسیر جریان (۶) و از طریق شیرهای یک‌طرفه (۱) و (۲)، جک را به دوطرف حرکت دهید تا هوای باقیمانده در مدار از دوطرف جک خارج شود.
۵ . جک را در وسط کورس حرکت خود قرار داده و شیر یک‌طرفه (۲) را ببندید.
۶ . با تنظیم شیر فشارشکن (۵) جریان روغن را به سمت دسته پیستون جک هدایت کنید.
۷ . تنظیم شیر فشارشکن (۵) را افزایش دهید تا فشار مجاز جک، بر روی گیج مشاهده شود.
۸ . شیر یک طرفه (۱) را ببندید و شیر کنترل مسیر جریان (۶) را در موقعیت مرکزی قرار دهید. توجه داشته باشید که فرض می‌شود، مدار مورد استفاده برای انجام آزمون، دارای موارد ایمنی مربوط به بیش‌باری است.
۹٫ فشارهای خوانده شده روی گیج‌های (۳) و (۴) را با تغییرات زمانی، یادداشت کنید.
اگر نسبت سطح مؤثر پیستون جک به سطح سمت دسته پیستون ۲:۱ باشد و فشار سمت دسته پیستون ۳۰۰۰اPSI باشد، گیج (۴) فشار بالای پیستون را ۱۵۰۰اPSI نشان می‌دهد. اگر فشار با این نسبت باقی نمی‌ماند، مشکلی برای کاسه نمد جک و یا سیلندر آن پیش آمده است. جریان، تحت هیچ شرایطی نباید از طریق شیر (۱) به سمت پیستون جک جاری شود، زیرا ممکن است باعث خرابی جک و یا وارد آمدن آسیب به شخص اپراتور شود. هنگام انجام آزمون‌های تحت فشار هیدرولیکی، حتماً از پوشش و تجهیزات ایمنی خود استفاده کنید.

نامناسب بودن رینگ‌های پیستون:
اگر سطوح بین کاسه نمدهای پیستون جک، از کفایت لازم برای فشارهای اعمالی به جک برخوردار نباشند، بارهای اضافی وارده بر جک، به کاسه نمدهای پیستون وارد آمده و باعث خرابی زودرس و تغییر شکل آنها می‌شود.
پرداخت سطح دسته پیستون:
پرداخت سطح دسته پیستون جک تأثیر بسیار زیادی بر عمر کاسه نمد خواهد داشت. اگر پرداخت سطحی آن بسیار زیاد باشد، بر اثر کاهش روغنکاری سطوح، عمر مفید کاسه نمد نیز کاهش می‌یابد. اگر زبری سطح دسته پیستون زیاد باشد، ورود آلودگی‌ها باعث ایجاد نشتی در کاسه نمد جک خواهد شد.
در زمینه افزایش عمر مفید جک، همواره روغنکاری سطح دسته پیستون را به عنوان سطح متحرک محتاج به روانکاری، مدنظر داشته باشید. در برخی موارد کاربردی، استفاده از دسته پیستون‌هایی با عملیات پرداخت سطوح، مشخصات برتر مکانیکی و پوشش سطحی کروماته سخت مانند نیتراته سیاه یا اسپری فلزی (HVOF) با سوخت اکسیژن سرعت بالا، می‌تواند عمر مفید دسته پیستون و کاسه نمد آن را افزایش دهد. پوشاندن سطح دسته پیستون در برابر آلودگی‌ها و گرد و غبار و نیز ضربه، می‌تواند در افزیش عمر آن مؤثر باشد.

تعمیر یا طراحی مجدد مدار:
مسلماً تمامی جک‌های هیدرولیک، یکسان ساخته نشده‌اند. بنابراین، اگر در یک سیستم هیدرولیک شاهد خرابی مکرر جک هستید، بهتر است در پی تغییر انتخاب و نصب جک مربوطه باشید تا تعمیر مجدد آن. در این صورت، از وقوع مجدد خرابی پیش‌گیری خواهید کرد.

منابع:

دانشنامه رشد

وبلاگ شخصی نیما ۲۰۲

وطن فایل