Υδροπνευματικά συστήματα: Λειτουργία και εφαρμογές

Του Σταύρου Καρβούνη*

Τα υδραυλικά και πνευματικά συστήματα είναι μηχανισμοί που χρησιμοποιούν ένα υδραυλικό ρευστό –υγρό ή αέριο– για να μεταφέρουν κίνηση ή ισχύ.

Η λειτουργία των υδραυλικών και πνευματικών συστημάτων στηρίζεται στο νόμο του Pascal, σύμφωνα με τον οποίο εφαρμόζοντας πίεση σε ένα υδραυλικό ρευστό που βρίσκεται σε κλειστό δοχείο, η πίεση μεταδίδεται ομοιόμορφα προς όλες τις κατευθύνσεις.

Κάθε διάταξη ή εγκατάσταση της οποίας τα βασικά δομικά συστατικά αποτελούνται από υδραυλικά ή πνευματικά υποσυστήματα, η λειτουργία των οποίων βασίζεται στον αυτόματο έλεγχο, συνιστά ένα υδροπνευματικό σύστημα αυτοματισμού. Αυτές οι διατάξεις έχουν πληθώρα εφαρμογών σε πολλά πεδία έρευνας και τεχνολογίας, όπως είναι η αυτοκινητοβιομηχανία, τα ενεργειακά συστήματα, η αεροναυπηγική, η διαστημική τεχνολογία, οι τηλεπικοινωνίες, η βιομηχανία, η βιοϊατρική, η ρομποτική κτλ.

Η σημαντική συνεισφορά των υδραυλικών και πνευματικών συστημάτων στην καλή λειτουργία πολλών βιομηχανικών μονάδων και οχημάτων αποτελεί αξιόλογο κίνητρο για τη μελέτη και την ανάλυση σε βάθος των συστημάτων αυτών, καθώς επίσης και για το σχεδιασμό αλγορίθμων ελέγχου που βελτιώνουν περαιτέρω την απόδοσή τους.

Κρίσιμο είναι να σημειωθεί ότι μόνο ένα ολοκληρωμένο πρόγραμμα δοκιμών, το οποίο διεξάγεται υπό προσομοιούμενες συνθήκες χρήσης στο χώρο, μπορεί να εγγυηθεί ότι όλα τα εξαρτήματα ή τα συγκροτήματα ανταποκρίνονται στους αρχικούς σχεδιαστικούς στόχους για απόδοση, αξιοπιστία και μακροζωία.

Πολλοί διεθνώς αναγνωρισμένοι οργανισμοί έχουν δημοσιεύσει πρότυπα δοκιμών που ισχύουν για υδραυλικά/πνευματικά και ρευστά συστήματα και εξαρτήματα. Η επιστήμη των υδροπνευματικών συστημάτων αυτοματισμού έχει οικοδομηθεί στο συνδυασμό θεμελιωδών αρχών της κλασικής υδραυλικής και της θεωρίας του αυτομάτου ελέγχου. Και είναι πλέον αντιληπτό ότι οι ταχύτατοι ρυθμοί ανάπτυξης και εξέλιξης στο πεδίο των υδροπνευματικών αυτοματισμών καθιστούν επιτακτική τη συνεργασία διαφορετικών κλάδων εφαρμοσμένων επιστημών, όπως της Μηχανολογίας, της Ηλεκτρολογίας / Ηλεκτρονικής και της Πληροφορικής.

Κατά κύριο λόγο οι υδραυλικοί και πνευματικοί ενεργοποιητές χρησιμοποιούνται για την ενεργοποίηση μηχανικών συστημάτων που απαιτούν αρκετά μεγάλες δυνάμεις και ροπές. Οι κυριότερες εφαρμογές των υδραυλικών και πνευματικών συστημάτων στη βιομηχανία είναι τα ρομπότ, οι γραμμές παραγωγής σε μονάδες κατεργασίας και οι ανυψωτικές διατάξεις. Οι κυριότερες εφαρμογές των υδραυλικών και πνευματικών συστημάτων σε οχήματα είναι στα συστήματα πτήσης αεροσκαφών (σε κινητές επιφάνειες των πτερυγίων, πηδάλια κλίσης, υδραυλικά φρένα κλπ.) και στα συστήματα πλοήγησης και ασφάλειας οχημάτων (όπως είναι η ενεργή ανάρτηση, τα πνευματικά φρένα αυτοκινήτων, οι υδραυλικοί συμπλέκτες κλπ.).

Ο βασικός λόγος για τη χρήση των υδραυλικών και των πνευματικών συστημάτων ελέγχου σε πολλές εφαρμογές είναι η μεγάλη ικανότητά τους να συσσωρεύουν και να αποδίδουν ενέργεια.

Μια βασική αρχή της λειτουργίας των υδραυλικών και πνευματικών ενεργοποιητών είναι η μετατροπή της παρεχόμενης ροής σε πίεση και δύναμη, οι οποίες χρησιμοποιούνται στη συνέχεια για τη δημιουργία ή την ενίσχυση γραμμικής ή περιστροφικής κίνησης. Οι υδραυλικοί ενεργοποιητές αξιοποιούν την ιδιότητα των υγρών να κατανέμουν σε διάφορες θέσεις τις δυνάμεις που ασκούνται σε αυτά.

Μια άλλη ιδιότητα των υγρών είναι ότι έχουν πολύ μικρή συμπιεστότητα (πρακτικά θεωρούνται ασυμπίεστα). Και σύμφωνα με το νόμο του Pascal, κάθε υγρό, την πίεση που εφαρμόζεται σε μια επιφάνειά του τη μεταφέρει σε κάθε άλλη επιφάνειά του με αμείωτη ένταση.

Οι υδραυλικοί ενεργοποιητές λειτουργούν σε υψηλές πιέσεις και είναι κατάλληλοι για εφαρμογές που απαιτούν να ασκηθούν πολύ μεγάλες δυνάμεις. Ορισμένες από τις πιο συνηθισμένες εφαρμογές των υδραυλικών συστημάτων είναι οι βαριές κατασκευές και ο εξοπλισμός εκτός δρόμου. Άλλες εφαρμογές μπορούν να παρατηρηθούν σε αεροσκάφη, συστήματα δημόσιων συγκοινωνιών (όπως είναι αμαξοστοιχίες), κατασκευές, εξόρυξη, γεωργία, μείωση αποβλήτων. Είναι σημαντικό τα διάφορα εξαρτήματα (βαλβίδες, ενεργοποιητές, κύλινδροι, συσσωρευτές κλπ.) που απαρτίζουν τα συστήματα αυτά να λειτουργούν αξιόπιστα και να έχουν εύλογη διάρκεια ζωής.

Οι πνευματικοί ενεργοποιητές, στον αντίποδα, διαμορφώνουν μια σχέση πίεσης δύναμης ανάλογα με την πίεση του παρεχόμενου αέρα, και λειτουργούν σε χαμηλότερες πιέσεις από ό,τι οι υδραυλικοί ενεργοποιητές. Έχουν χαμηλό κόστος, διαθέτουν αξιοπιστία και λειτουργούν ικανοποιητικά σε περιβάλλον με υψηλές θερμοκρασίες.

Για τη μοντελοποίηση των υδραυλικών και των πνευματικών συστημάτων, την ανάλυσή τους και το σχεδιασμό συστημάτων ελέγχου, είναι απαραίτητη η κατανόηση των νόμων και των αρχών που περιγράφουν τη ροή των ρευστών σε κανάλια ροής, σε έμβολα, σε βαλβίδες και γενικότερα σε υδραυλικά και πνευματικά συστήματα ενέργειας, καθώς και σε υδραυλικούς και πνευματικούς ενεργοποιητές.

Τα συστήματα ισχύος υγρών διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο σε πολλές βιομηχανίες. Είναι μία από τις τρεις κύριες μορφές μετάδοσης ισχύος με ηλεκτρικά και μηχανικά συστήματα ισχύος. Ωστόσο, στις περισσότερες περιπτώσεις, οι μηχανικές και ηλεκτρικές μέθοδοι δεν μπορούν να αποτελέσουν πρακτική λύση μετάδοσης ισχύος.

Σε αυτές τις περιπτώσεις χρησιμοποιείται συχνά υγρή ισχύς (είτε υδραυλική είτε πεπιεσμένη), επειδή μπορεί να παρέχει γραμμική και περιστροφική κίνηση με μεγάλη δύναμη και ροπή σε μικρότερο και πιο περιορισμένο πλαίσιο από ό,τι είναι δυνατό με άλλες μορφές μετάδοσης ισχύος.

*Ο κ. Σταύρος Καρβούνης είναι μηχανολόγος μηχανικός, του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου.

Ελέγξτε επίσης

Σύγκριση πρωτογενών με μη παρεμβατικές μεθόδους μέτρησης παροχής

Σε μια τυπική διάταξη, η ηχητική δέσμη εκπέμπεται σε γωνία περίπου 45 μοιρών ως προς …