Cara Kerja Sistem Hidraulik: Komponen, Sirkuit, Perhitungan & Pemecahan Masalah

Sistem hidrolik mengubah masukan mekanis menjadi tenaga fluida, kemudian mengubah tenaga fluida tersebut kembali menjadi gaya atau gerak. Kombinasi komponen kompak dan keluaran gaya tinggi menjadikan hidrolika umum digunakanmesin press industri, peralatan mesin, peralatan konstruksi dan pertanian, sistem pengangkat, dan mesin bergerak.

Memahami sistem ini membutuhkan lebih dari sekedar mengetahui bahwa pompa menggerakkan oli. Tekanan berkembang sebagai respons terhadap hambatan, aliran mengontrol kecepatan aktuator, katup mengarahkan dan mengatur energi, dan kondisi fluida mempengaruhi keandalan. Panduan ini menjelaskan hubungan tersebut dan mengikuti sistem dari hukum Pascal melalui operasi sirkuit, ukuran, pemeliharaan, dan pemecahan masalah.

Hukum Pascal dan transmisi gaya

Tenaga hidrolik didasarkan pada hukum Pascal: tekanan yang diberikan pada fluida dalam ruang tertutup diteruskan secara merata ke segala arah.

Tekanan hidrolik adalah:

Tekanan=Gaya ÷ Luas

atau:

P = F ÷ A

Dalam satuan biasa AS:

P= tekanan dalam pon per inci persegi (psi)

F= gaya dalam pon-gaya (lbf)

A= luas dalam inci persegi (dalam²)

Menyusun ulang rumus menghasilkan:

F = P × A

Hubungan ini menjelaskan perkalian gaya hidrolik. Pertimbangkan dua silinder yang terhubung. Piston kecil mempunyai luas 1 in² dan piston besar mempunyai luas 10 in². Jika operator menerapkan 10 lbf ke piston kecil:

P=10 lbf 1 inci²=10 psi

Sekitar 10 psi juga bekerja pada piston yang lebih besar, menghasilkan gaya teoritis sebesar:

F=10 psi × 10 inci²=100 lbf

Keluarannya sepuluh kali lipat masukan karena luas piston sepuluh kali lebih besar.

Sistem sebenarnya tidak 100 persen efisien. Gesekan segel, kebocoran internal, kehilangan melalui katup dan selang, dan gesekan mekanis mengurangi gaya yang ada. Pada kombinasi efisiensi hidraulik dan mekanis sebesar 90 persen:

Gaya sebenarnya=100 lbf × 0.90=90 lbf

Metode yang sama berlaku untuk peralatan industri dan bergerak. Sebuah silinder dengan luas efektif 20 in² pada tekanan terukur 2.500 psi menghasilkan:

Gaya teoretis=2,500 × 20=50,000 lbf

Dengan perkiraan efisiensi 92 persen:

Kekuatan yang dapat digunakan ≈ 46.000 lbf

Jika area efektif piston diketahui, pembacaan-pengukur tekanan dapat memberikan perkiraan gaya silinder.

Tekanan dan aliran saling berhubungan tetapi tidak dapat dipertukarkan. Tekanan menentukan gaya atau torsi yang tersedia, sedangkan aliran terutama menentukan kecepatan aktuator.

Komponen hidrolik utama

Setiap komponen memiliki peran tertentu dalam menghasilkan, mengendalikan, atau menggunakan energi hidrolik.

Pompa hidrolik

Pompa menghasilkan aliran. Tekanan berkembang ketika aliran itu menemui hambatan.

Pompa-dengan perpindahan tetap menghasilkan volume yang kira-kira sama pada setiap putaran dan sesuai dengan sistem dengan permintaan yang relatif konstan.

Pompa-perpindahan variabel mengubah outputnya seiring perubahan permintaan. Ini sering digunakan jika efisiensi energi, kontrol presisi, atau persyaratan aktuator yang bervariasi penting.

Pemilihan pompa harus mempertimbangkan perpindahan, tekanan pengenal, kecepatan maksimum, aliran yang diperlukan dalam GPM, efisiensi volumetrik, kompatibilitas fluida, dan pengaturan pemasangan.

Waduk

Reservoir menyimpan cairan dan memberikan waktu bagi gelembung udara untuk terpisah, waktu bagi kontaminan untuk mengendap, dan jalur panas untuk menghilang. Reservoir-yang dirancang dengan baik dapat mencakup:

Filter pengisian dan pernafasan

Penyebar-jalur balik

Saringan hisap jika diperlukan

Indikator level dan suhu

Penyekat internal

Akses pembuangan dan pembersihan

Peralatan bergerak mungkin memerlukan reservoir bertekanan kompak atau penyekat khusus karena peralatan tersebut beroperasi di lereng dan di bawah getaran.

Katup hidrolik

Katup mengontrol ke mana energi hidrolik mengalir dan bagaimana aktuator merespons.

Katup pelepas melindungi pompa, selang, silinder, dan komponen lainnya dari tekanan berlebihan.

Aktuator

Aktuator hidrolik mengubah tenaga fluida menjadi keluaran mekanis. Asilinder hidrolikmenciptakan gerakan linier saat tekanan bekerja pada area piston. Motor hidrolik menciptakan gerakan berputar: aliran mempengaruhi kecepatan putaran, sedangkan perbedaan tekanan menentukan torsi yang tersedia.

Segel harus sesuai dengan kimia fluida, tekanan, kecepatan, dan suhu. Karet nitril umum digunakan dalam sistem minyak-mineral. FKM sering digunakan pada suhu yang lebih tinggi atau dalam layanan yang menuntut bahan kimia, sementara elemen berbasis PTFE-mungkin cocok untuk aplikasi yang memerlukan gesekan rendah atau kompatibilitas bahan kimia yang lebih luas. Verifikasi material akhir terhadap fluida aktual dan kondisi pengoperasian.

Sirkuit hidrolik yang khas

Rangkaian industri dasar dapat ditampilkan sebagai:

Reservoir → Pompa → Pengukur Tekanan → Relief Valve → Directional Valve → Silinder → Filter Balik → Reservoir

1. Memulai

Motor atau mesin listrik menghidupkan pompa. Pompa mengambil cairan dari reservoir dan mengirimkannya ke saluran tekanan.

Dengan katup pengarah dalam posisi-terbuka atau posisi tanpa muatan, aliran dapat kembali ke reservoir pada tekanan yang relatif rendah. Titik pemantauan yang berguna mencakup tekanan saluran keluar pompa,-aliran saluran utama, suhu reservoir, dan tekanan diferensial-filter balik.

2. Perkembangan tekanan

Ketika katup pengarah mengirimkan aliran ke aktuator, resistensi meningkat. Kenaikan tekanan hanya cukup untuk mengatasi beban eksternal dan kerugian internal.

Jika sebuah silinder membutuhkan 1.800 psi untuk memindahkan bebannya, misalnya, tekanan dapat meningkat dari tingkat siaga rendah menjadi sekitar 1.800 psi ditambah kerugian rangkaian.

3. Ekstensi silinder

Katup pengarah mengarahkan aliran pompa ke ujung tutup silinder. Oli yang meninggalkan ujung batang kembali melalui katup ke reservoir, dan silinder memanjang. Katup kontrol-aliran dapat membatasi aliran untuk mengatur kecepatan ekstensi.

4. Akhir langkah dan pembatasan tekanan

Ketika silinder mencapai akhir langkahnya, ia berhenti bergerak. Jika pompa terus menyuplai aliran, tekanan meningkat dengan cepat.

Pada tekanan yang telah ditentukan, katup pelepas terbuka dan mengalihkan aliran berlebih ke reservoir. Hal ini mencegah sistem melebihi batas tekanan amannya. Beroperasi terus-menerus melintasi katup pelepas akan membuang-buang energi dan menghasilkan panas yang besar.

5. Pencabutan

Katup pengarah berbalik, mengirimkan oli bertekanan ke sisi batang sementara oli dari sisi tutup kembali ke tangki.

Batang mengurangi area efektif piston selama retraksi, sehingga silinder batang tunggal-konvensional menghasilkan gaya retraksi yang lebih kecil pada tekanan yang sama. Dengan aliran masuk yang sama, aliran masuk juga dapat ditarik lebih cepat.

6. Bongkar dan matikan

Setelah operasi, rangkaian kembali ke netral. Tergantung pada desainnya, pompa dapat mengeluarkan muatan, menghilangkan tekanan, atau berhenti.

Sebelum perawatan, lepaskan tekanan yang tersimpan sesuai dengan prosedur penguncian/penandaan dan depresurisasi dari produsen mesin.

Sistem elektrohidraulik memungkinkan teknisi membandingkan perintah kelistrikan dengan respons hidrolik. Ruang lingkup atau antarmuka diagnostik dapat mengkonfirmasi perintah yang dikirim ke solenoid atau katup proporsional, sementara pengukur dan pengukur aliran menunjukkan apa yang terjadi di sirkuit.

Jika PLC mengirimkan perintah katup tetapi tekanan tidak berubah, periksa solenoid, pergerakan spool, sirkuit pilot, dan suplai hidrolik. Jika tidak ada perintah, mulailah dengan pengontrol, sensor, pengkabelan, atau interlock.

Cairan hidrolik, kehilangan tekanan, dan perawatan

Cairan hidrolik menyalurkan tenaga, melumasi komponen, membawa panas, mengangkut kontaminan ke filter, dan melindungi permukaan dari keausan dan korosi.

Oli hidrolik mineral umumnya diidentifikasi berdasarkan tingkat kekentalan ISO seperti ISO VG 32, 46, dan 68. Tingkat yang benar bergantung pada persyaratan pompa dan suhu pengoperasian.

Minyak dingin menjadi lebih kental. Jika terlalu tebal, sistem mungkin mengalami kesulitan memulai, kehilangan hisapan yang tinggi, respons aktuator yang lambat, kavitasi, atau bypass filter.

Suhu tinggi mengurangi viskositas dan dapat meningkatkan kebocoran internal, melemahkan lapisan pelumas, mempercepat oksidasi, dan merusak segel.

Peralatan di iklim AS bagian utara yang dingin mungkin memerlukan-cairan dengan viskositas lebih rendah atau dengan indeks viskositas tinggi. Mesin yang beroperasi terus-menerus di iklim selatan yang panas mungkin memerlukan stabilitas termal yang lebih baik atau tingkat viskositas-pengoperasian yang lebih tinggi. Periksa kisaran viskositas yang diijinkan oleh produsen pompa sebelum mengganti oli.

Kehilangan tekanan di sirkuit

Cairan kehilangan tekanan saat mengalir melalui selang, pipa, alat kelengkapan, filter, pendingin, dan katup. Kerugian meningkat seiring dengan laju aliran, panjang saluran, viskositas fluida, pembatasan, dan diameter selang yang tidak memadai.

Penurunan tekanan meningkat dengan cepat seiring dengan peningkatan kecepatan aliran. Oleh karena itu, saluran hisap, tekanan, dan saluran balik harus berukuran sesuai kecepatan, dengan kehilangan yang diperiksa berdasarkan data pabrikan atau perhitungan-penurunan tekanan hidraulik.

Titik kebocoran eksternal yang umum meliputi sambungan selang, segel batang, manifold katup, segel poros pompa, fitting, dan pipa yang rusak.

Praktik pemeliharaan

Program pemeliharaan praktis harus mencakup pekerjaan berikut:

Periksa ketinggian cairan, suhu, kebisingan yang tidak biasa, dan kebocoran yang terlihat selama pemeriksaan rutin.

Gunakan indikator pembatasan filter daripada hanya mengandalkan penggantian-berbasis kalender.

Ambil sampel oli dari lokasi yang konsisten dalam kondisi pengoperasian yang konsisten.

Uji kontaminasi partikel, viskositas, kadar air, oksidasi, dan keausan logam jika diperlukan.

Selidiki perubahan signifikan dalam jumlah partikel alih-alih sekadar mengganti komponen.

Periksa selang terhadap abrasi, retak, melepuh, dan pergerakan pada fitting.

Pastikan kompatibilitas bahan kimia saat mengganti cairan atau segel.

Penggantian oli dan filter harus mengikuti rekomendasi pabrikan peralatan, pemantauan kontaminasi, tingkat keparahan pengoperasian, dan hasil-analisis oli, bukan satu interval-jam pengoperasian universal.

Pengukuran dan kontrol hidrolik

Penentuan ukuran biasanya dimulai dengan gaya beban dan kecepatan aktuator yang diperlukan.

Asumsikan sebuah mesin membutuhkan 30.000 lbf dari sebuah silinder pada tekanan kerja maksimum 2.500 psi. Luas piston yang dibutuhkan adalah:

A = F ÷ P

= 30,000 2,500=12 dalam²

Hitung lubang dari:

A = πD² ÷ 4

Karena itu:

D = √(4A ÷ π)

Untuk area seluas 12 in²:

D ≈ 3,91 inci

Lubang standar berukuran 4-inci adalah titik awal yang masuk akal, tergantung pada faktor keamanan, gesekan, peringkat tekanan, beban pemasangan, dan persyaratan tekuk batang.

Lubang berukuran 4 inci memiliki luas kira-kira:

= 12.57 dalam²

Pada 2.500 psi, gaya ekstensi teoretisnya adalah:

F=2,500 × 12,57 ≈ 31,425 lbf

Jika kecepatan ekstensi yang diperlukan adalah 4 in/s, aliran yang diperlukan adalah:

Q=Luas × Kecepatan

Q=12.57 × 4=50.28 dalam³/s

Satu galon AS mengandung sekitar 231 in³, jadi:

GPM=50.28 × 60 231 ≈ 13,1 GPM

Pompa harus menyuplai sekitar 13,1 GPM pada tekanan yang diperlukan sebelum memungkinkan efisiensi dan kebutuhan aliran secara simultan.

Menyetel katup pelepas

Katup pelepas harus melindungi komponen penting-dengan nilai terendah sekaligus memungkinkan alat berat mengembangkan tenaga kerja yang diperlukan.

Jangan memutar sekrup penyetel sampai mesin tampak bekerja lebih keras. Identifikasi tekanan desain, verifikasi peringkat komponen, sambungkan pengukur terkalibrasi yang sesuai, muat sirkuit sesuai dengan prosedur servis yang disetujui, dan sesuaikan katup sesuai spesifikasi pabrikan.

Kontrol elektrohidraulik

Sistem modern mungkin menggunakan katup proporsional atau servo yang dikendalikan oleh PLC, pengontrol gerak, atau penguat elektronik.

Katup proporsional menyediakan kontrol aliran atau tekanan yang bervariasi. Katup servo umumnya digunakan ketika diperlukan respons yang sangat cepat dan tepat, meskipun memerlukan cairan yang lebih bersih dan kontrol yang lebih canggih.

Hidraulik umumnya memberikan kepadatan gaya yang lebih tinggi dan penahan beban yang lebih baik dibandingkan pneumatik. Sistem pneumatik bisa lebih bersih, sederhana, dan ekonomis untuk-otomatisasi kecepatan tinggi dengan kebutuhan gaya yang lebih rendah, namun udara terkompresi jauh lebih mudah dikompresi dibandingkan oli hidrolik.

Daftar periksa pemecahan masalah hidrolik

Lakukan pengukuran sebelum mengganti komponen.

Kekuatan rendah atau kehilangan tekanan

Pastikan ketinggian cairan.

Ukur tekanan keluar pompa.

Konfirmasikan setelan-katup pelepas.

Periksa apakah katup pelepas macet terbuka.

Lakukan uji aliran pompa.

Periksa silinder atau motor apakah ada kebocoran internal.

Periksa katup arah untuk bypass internal.

Gerakan aktuator lambat

Ukur aliran sistem aktual.

Periksa batasan filter.

Verifikasi kecepatan pompa.

Periksa setelan kontrol-aliran.

Periksa kebocoran internal.

Ukur penurunan tekanan pada selang dan katup.

Terlalu panas

Periksa apakah aliran mengalir terus menerus melalui katup pelepas.

Konfirmasikan level oli dan kekentalannya.

Periksa kinerja yang lebih keren.

Ukur kebocoran internal.

Periksa saluran berukuran kecil atau katup pembatas.

Verifikasi efisiensi pompa dan katup.

Kebisingan atau kavitasi

Periksa ketinggian reservoir.

Periksa selang hisap dari hambatan dan kebocoran udara.

Konfirmasikan kekentalan oli saat penyalaan.

Periksa saringan hisap.

Periksa tekanan masuk pompa.

Carilah minyak yang berbusa atau diangin-anginkan.

Menggunakan pengukur tekanan, sensor suhu, dan pengukur aliran dalam urutan logis biasanya mengisolasi kesalahan lebih cepat daripada mengganti pompa atau katup hanya berdasarkan gejala.

Dukungan teknik dan sistem

Kalkulator ukuran pompa dan silinder dengan contoh kerja, paket CAD sirkuit hidrolik lengkap, dan penilaian kinerja terstruktur dapat membantu tim teknik atau pemeliharaan mengevaluasi instalasi yang ada atau yang diusulkan.

Hasil teknis umum mencakup pengujian beban dan tekanan, pengambilan sampel oli, analisis kontaminasi, peninjauan-ukuran komponen, pengoptimalan sirkuit, dan peninjauan sistem berdasarkan panduan ISO 4413 dan SAE yang berlaku.

Di situs web komersial, berikan tiga cara langsung kepada teknisi: unduh kalkulator ukuran, minta gambar sirkuit, atau jadwalkan penilaian peralatan melalui formulir, kontak telepon, atau distributor lokal. Nyatakan waktu respons yang diharapkan dan tentukan file atau laporan pengujian mana yang akan diterima pelanggan.

Pertanyaan yang sering diajukan

Bagaimana hukum Pascal mengalikan gaya, dan bagaimana cara menghitungnya dalam psi dan in²?

Tekanan yang diterapkan pada fluida hidrolik yang terkekang diteruskan ke seluruh fluida. MenggunakanP = F ÷ Auntuk menghitung tekanan danF = P × Auntuk menghitung gaya keluaran. Menerapkan 10 lbf ke piston 1 in² menghasilkan 10 psi. Tekanan yang bekerja pada piston berukuran 10 in² secara teoritis menghasilkan 100 lbf.

Apa perbedaan antara pompa roda gigi, baling-baling, dan piston?

Pompa roda gigi kokoh, ekonomis, dan umum digunakan dalam-aplikasi perpindahan tetap. Pompa baling-baling umumnya bekerja lebih lancar dan senyap dalam sistem industri. Pompa piston memberikan tekanan dan efisiensi tinggi dan sering digunakan di mana perpindahan variabel atau kontrol lebih lanjut diperlukan.

Bagaimana cara kerja sirkuit hidrolik pada umumnya?

Pompa mengambil oli dari reservoir, dan katup pengarah mengirimkan aliran ke aktuator. Tekanan meningkat sebagai respons terhadap beban saat silinder memanjang atau memendek. Katup pelepas membatasi tekanan berlebih. Setelah pengoperasian, katup kembali ke netral dan pompa melepaskan beban, menghilangkan tekanan, atau berhenti sesuai dengan desain sirkuit.

Bagaimana cara memilih cairan hidrolik?

Mulailah dengan persyaratan viskositas pabrikan peralatan. Kemudian pertimbangkan suhu permulaan minimum, suhu pengoperasian normal, indeks viskositas, persyaratan anti-keausan, ketahanan oksidasi, paparan air, kompatibilitas segel, dan kondisi lingkungan. Tingkat kekentalan ISO saja tidak cukup.

Apa saja kegagalan sistem hidrolik yang paling umum?

Masalah umum yang terjadi antara lain panas berlebih, kavitasi, kebisingan berlebihan, pergerakan aktuator lambat, ketidakmampuan untuk meningkatkan tekanan, kebocoran internal atau eksternal, oli terkontaminasi, dan kesalahan katup. Mulailah pemecahan masalah dengan pengukuran kondisi fluida, tekanan, aliran, dan suhu.

Bagaimana cara mengukur pompa dan silinder untuk gaya dan kecepatan?

Hitung luas silinder denganA = F ÷ P, lalu ubah luas tersebut menjadi diameter lubang menggunakanD = √(4A ÷ π). Setelah memilih silinder, hitung aliran yang dibutuhkan untuk kecepatan target:

GPM=Luas (dalam²) × Kecepatan (dalam/dtk) × 60 231

Sebelum memilih pompa dan silinder, pertimbangkan efisiensi, siklus kerja, permintaan aktuator secara simultan, kehilangan tekanan, peringkat komponen, dan margin keselamatan yang sesuai.