บทที่ 2 - automationchain.com · Module name : Fundamental of hydraulic control systems...

Module Unit code : 21-HYD-10-02 Module name : Fundamental of hydraulic control systems Unit name : Basic principle of Hydraulics

Information Sheet Rev : 00

FM-COM-14 Rev.00 MASTER COPY FOR DISTRIBUTION 1/24

Thai-German Instituteสถาบนไทย-เยอรมน

บทท 2 หลกการพนฐานทางไฮดรอลก

(Basic principle of Hydraulics) ระบบไฮดรอลกเปนระบบทเกยวของกบเรองของแรง,แรงบด,ความดน,อตราการไหล,ความเรว,ความเรวรอบ,

ก าลงงาน และก าลงงานสญเสยเปนสวนใหญ ดงนนสงส าคญเปนอยางยงในการศกษา และท าความเขาใจกบธรรมชาตของระบบไฮดรอลก คอ วชาทเกยวกบของไหล อกทงยงเปนพนฐานในการวเคราะหและหาสาเหตของความผดปกตในระบบ ไฮดรอลก เพอเปนแนวทางในการแกปญหาทเกดขนตอไป ซงปจจยตางๆทกลาวมานนจะมความสมพนธกนอย ดงนนจ าเปนตองมเครองมอการตรวจวดตางๆ เชน เกจวดความดน,อตราการไหล เปนตน ดงนนเนอหาในบทนจะเกยวของกบเรองของแรง และความสมพนธระหวางแรงและความดน , ความเรวเชงเสนหรอเชงมมและความสมพนธระหวางความเรวเชงเสนหรอเชงมมกบอตราการไหล รวมถงศกษาเกยวกบเครองมอวด หนวยทใชในการวด ความสมพนธของหนวยการวด การควบคมความดนและอตราการไหล ประสทธภาพและการสญเสยในระบบไฮดรอลก เปนตน

ดงนนในบทนจะแยกพจารณาหวขอใหญๆ กคอ สภาวะของไหลอยนง (Hydro static/ Fluid statics) ทเกยวของกบแรง แรงบดและความดน อกสภาวะคอ สภาวะของไหลเคลอนท (Hydrodynamic/ Fluid motion) ทเกยวของกบอตราการไหล

2.1 กลศาสตรของไหล เนองจากวชาไฮดรอลกเกยวของกบการใชแรงและก าลงงาน จ าเปนทจะตองมการทบทวนความรพนฐานทางกลศาสตรกอน เพอใหทราบและเขาใจเกยวกบวชาไฮดรอลกมากขน โดยหลกในการพจารณาทางดานฟสกส ไฮดรอลก นนสามารถแยกพจารณาได 2 อยางคอ

ภาพท 2-1 ภาพแสดงประเภทของ Hydro mechanics

Hydro-Mechanics

Hydrostatic (fluid statics) Hydrodynamic (fluids motion)





2.2 ความดนไฮโดรสแตตกส (Hydrostatic pressure)

ภาพท 2-2 Hydrostatic pressure

ความดนแบบไฮโดรสแตตกส หรอเรยกสนๆ วา “ความดน” คอ แรงทเกดจากน าหนกของของไหลทกดบนพนดานลางของภาชนะบรรจของไหล โดยคาของความดนของของเหลวจะไมขนกบลกษณะของภาชนะบรรจ แตจะขนกบคาของความสง พนทกนภาชนะและความหนาแนนของของเหลว ตามภาพท 2-2 อกทงคาของความดนยงขนอยกบคาของแรงดนเนองจากน าหนกของของเหลว F ทกระท ากบพนททถกกระท า ตามภาชนะบรรจของเหลวหนงชนด จ านวน 2 ชนจะมคาของพนทตรงกนภาชนะทแตกตางกน (A1 และ A2)โดยจะใหแรงทกระท าเนองจากน าหนกของเหลว (F) กระท า

ทพนทกนภาชนะ จะพบวาคาความดน จะมคาแตกตางกนเนองจากความแตกตางของพนทกนภาชนะทงสอง โดยจะพบวาในกรณของพนทกนภาชนะทเลกกวา (A2) จะมคาความดนสงกวาภาชนะทมพนทกนภาชนะทใหญกวา

2.2.1 หนวยของ แรง, งาน และก าลงงาน (The Unit of Force, Work and Power)

ในระบบไฮดรอลก หรอระบบการวดสงทส าคญและเปนตวบงบอกถงสงทก าลงพจารณา ขนาด หรอปรมาณ กคอหนวย โดยหนวยทใชจะมหลากหลายหนวยขนอยกบประเทศนนๆวายดถอหนวยใดในการใชงาน แตหนวยทกหนวยสามารถเทยบกนได โดยในบทนจะเรมทหนวยของ :

2.2.1.1 แรง (Force: F) แบงพจารณาเปนแรงในแนวราบและแรงในแนวดง

หากพจารณาตาม International Systems of Units (SI Unit) ดงนน แรง 1 Newton = แรงทกระท าใหวตถ 1 กโลกรม เกดการเคลอนทเปนระยะทาง 1 เมตร โดยม

ความเรง 1 เมตร/ วนาท2 Force 1 N = 1

kg.m s2

h

h

A2 A1

F F

แรง(force) = มวล (mass) x ความเรง (acceleration)

แรง(force) = มวล (mass) x ความเรงภายใตแรงโนมถวงของโลก (gravity force)





แตถาหากเปนแรงทเกดภายใตแรงโนมถวงของโลกหรอเปนแรงทเกดจากน าหนกของมวล ซงจะเรยกวา กโลกรมแรง

แรง(force) = มวล(mass) x ความเรงภายใตแรงโนมถวงของโลก(gravity force)

เมอ ; Specific gravity (g) = 9.81 m/s2 ในระบบ SI แตเพอใหงายตอการค านวณจงประมาณเปน 10 m/s2 = 32.24 ft/s2 ในระบบองกฤษ

Force (N) = 1 kg. x 9.81 m/s2 = 9.81 N 10 N

ซงแรงทเกดขนนนมไดเกดจากแรงภายนอกแตเกดจากน าหนกของมวล ซงจะเรยกวา กโลกรมแรง (Kilogram force: kgf)

9.81 N = 1 kgf 10 N = 1 kgf

ระบบหนวยของแรง(The unit of force)

หนวยของแรง(The unit of force)

SI Unit English Unit Metric Unit Newton(N) Pound(lb)

Pound mass(lbm) Pound force(lbf)

Kg force(kgf)

ตารางท 2-1 แสดงระบบหนวยของแรงตามมาตรฐานตางๆ





2.2.1.2 แรงบดหรอทอรค (Torque)

แรงบด หรอ ทอรค คอ แรงทพยามท าใหเกดการหมน หรอการบดตว โดยเกดจากแรงในแนวเชงเสนกระท าตงฉากกบระยะทางจากจดรบแรงไปยงจดหมน เชน แรงทใชในการขนนท โดยออกแรงกดทประแจและมระยะทางจากนทไปยงจดทมอออกแรงกด เปนตน

โดยมความสมพนธระหวางระบบหนวยดงตอไปน ;

1 N-m = 0.737561 lb-ft = 8.85075 lb-inch = 0.1019716 kgf-m ภาพท 2-3 ภาพแสดงแรงกระท ากบประแจและเกดแรงบด

ระบบหนวยของแรงบด(The unit of torque)

หนวยของแรงบด(The unit of torque)

SI Unit English Unit Metric Unit Newton-meter (N-m) Pound-inch (lb-in)

Pound-foot (lb-ft) Kilogram force - meter( kgf-m)

ตารางท 2-2 แสดงระบบหนวยของแรงบดตามมาตรฐานตางๆ

2.2.1.3 งาน (Work: W)

งานทางกลศาสตร คอ การทแรงกระท ากบวตถในทศทางการเคลอนท และวตถเกดการเคลอนท หากไมเกดการ

เคลอนทจะไมถอวาเกดงาน โดยสมการของงานจะเปนไปตามน

โดยมความสมพนธดงตอไปน

งาน (Work) = แรงในทศทางเคลอนท (Force) x ระยะทางตามทศทางทของแรง (Distance)

1 N.m = 1 Ws = 1 J

________Distance______

แรงบด(torque) = ปรมาณแรงทกระท าตงฉาก (force) x ระยะจากจดหมนไปยงจดรบแรง (distance)





ภาพท 2-4 ภาพแสดงแรงกระท ากบวตถแลวเกดการเคลอนท และเกดงาน

ระบบหนวยของงาน(The unit of work)

หนวยของงาน(The unit of work)

SI Unit English Unit Metric Unit Joule (J)

Newton. meter (N.m) Pound. Inch (lb.in) Pound.foot (lb.ft)

Kilogram force x centimeter( kgf.cm )

ตารางท 2-3 แสดงระบบหนวยของงานตามมาตรฐานตางๆ

2.2.1.4 ก าลงงาน (Power : P) ก าลงงาน คอ อตราการท างาน หรองานทไดเทยบกบเวลา ตามสมการตอไปน

ก าลงงาน(Power) =

จากภาพท 2-5 เปนการเปรยบเทยบก าลงงานจากตนก าลงทงสอง เชน - ก าลงทไดจากเตา = = 1 Nm/min - ก าลงงานทไดจากมา = = 100 Nm/min


งาน (Work)

เวลา (Time)

100 N.m 100 min

100 N.m 1 min





ภาพท 2-5 ภาพแสดงก าลงงานระหวางตนก าลงทงสอง ระบบหนวยของก าลงงาน (The unit of Power)

หนวยขอก าลงงาน(The unit of Power)

SI Unit English Unit Metric Unit Joule/Second(J/s)

Newton. Meter/Second (N.m/s)

Pound.inch/minute(lb.in/min) Pound.foot/minute(lb.in/min)

Kilogram force /Second (kgf.cm /s)

ตารางท 2-4 แสดงระบบหนวยของก าลงงานตามมาตรฐานตางๆ

1 m.

1 m. 100 N

100 N

1 Watt = 1 J/s = 1 Nm/s





2.2.1.5 ความดนจากทฤษฎ Pascal’s law (Pa) “ความดนในภาชนะปดจะมความดนเทากนทกๆจด ไมวาจะวดความดน ณ จดใดกตาม และภายใตความดนจะเกดแรงกระท าในแนวตงฉากกบทกๆพนผว ” จากทฤษฎของ Pascal’s law จะเปนไปตามภาพตอไปน

แรงทเกดจากน าหนกของวตถกระท าบนลกสบของภาชนะปดทม ของไหลอยภายใน ซงจะเกดแรงทกระท าในทศทางตงฉากกบพนทเปนไป ตามสมการตอไปน

ความดน(pressure) = จากทฤษฎของ Pascal’s law ภาพท 2-6 ภาพแสดงแรงกระท ากบ 1 Pascal (Pa) = พนทภาชนะ


ระบบหนวยของความดน(The unit of Pressure)

หนวยของความดน(The unit of Pressure)

SI Unit English Unit Metric Unit

N/m2 Lb/in2 Kg/m2

แรง(Force)

พนท(Area)

1 N 1 m2

1 N/m2 = 1 Pa 1 Pa = 1 Pascal 1 bar = 105 N/m2

= 10 N/cm2

= 105 Pa 1 bar = 1.019716 kg./cm2

1 bar = 14.504 psi

Mass

Force





Pascal(Pa) Bar

PSI Kg/cm2

ตารางท 2-5 แสดงระบบหนวยของความดนตามมาตรฐานตางๆ

ตวอยางท 1 ออกแรงกดขนาด 0.1 KN (1 kg.) บนจกขวดซงมพนทรบแรงกด 1cm2 จะท าใหของเหลวในภาชะมความ ดน เทาไรและมแรง F2 กระท ากบพนทกนขวดขนาดเทาไร

ภาพท 2-7 ความดนทเกดจากกฎของ Pascal’s law

วธท า P = = = 10 bar ; ซงความดนในภาชนะปดจะมความดนเทากนทกจด

F2 = p x A = 100 x 10 cm2 = 1000 N

หมายเหต ; 1 bar = 10

h

F1 = 100 N

1 cm2

10 cm2

F2 = ? N

F

A

100 N

1 cm2

N cm2

N cm2





2.2.1.6 การสงผานแรงโดยความดนของของไหล (Force transmission by pressure of Pascal’s law) จากนยามของปาสคาล สามารถสรปเปนขอๆ ไดดงน

- ความดนทเกดจากของไหล ซงบรรจอยในภาชนะปดจะไปปรากฏและกระท ามคาเทากนในทกทศทางตอพนผวภาชนะ

- ทศทางของแรงทเกดจากความดนของของไหลจะกระท าในทศทางตงฉากกบพนททของไหลนนสมผสอย

- ความดนของของไหลจะมคาเทากนในระดบเดยวกนหากเปนภาชนะเปด ลกษณะเชนเดยวกบการสงผานความดนของของไหลจะพบวาความดนทกๆ จดในระบบปดจะเทากนโดยไม

ขนกบลกษณะรปรางของภาชนะทใชบรรจของเหลว ตามภาพท 2-8

ภาพท 2-8 แสดงการสงถายแรงโดยผานทางความดนจากกฎของ Pascal’s law

จะไดวา P1 = และ P2 =

จากสมการขางตนเมอระบบอยในสภาพสมดลย จะไดวา 2 1 p p

ดงนน

2

2

1

1

A

F

A

F

หรอ

1

21

2

2

21

1

F

F A A,

A

F A F

Force 1 Force 2

W

F1 = 100 N(≈ 10 kgf)

F2 = 200 N(≈ 20 kgf)

A1 = 10 cm2 A2 = 20 cm2

F1 A1

F2 A2





F1 =

F2 A1 A2

ตวอยางท 2 จากภาพท 2-8 ออกแรงกดลกสบ A1 ดวยแรง 100 N บนพนทรบแรง 10 cm2 จงหาความดนทเกดขนใน ภาชนะและจงหาแรง F2 ทได

วธท า P1 = = = 10 N/cm2 = 1 bar

จากกฎของ Pascal’s law ความดนทเกดจากของไหล ซงบรรจอยในภาชนะปดจะไปปรากฏและกระท าตอพนผวภาชนะ ซงจะมคาเทากนในทกทศทาง 2 1 p p

=

F2 = = = 200 N

2.2.1.7 การสงผานโดยการกระจดของของไหล (Displacement transmission)

อธบายจากภาพท 2-9 จะเหนไดวา ถาออกแรงกระท าลกสบพนทหนาตด A1 ดวยแรง F1 โดยลกสบ 1(ฝงซายมอ) เคลอนทดวยระยะ S1 ท าใหลกสบ 2 (ฝงขวามอ) มพนทหนาตด A 2 เปนระยะ S2

ภาพท 2-9 แสดงการสงผานโดยการกระจด

ภาพลกษณะการออกแรง กระท า F1 ดานลกสบ A1 เคลอนเปนระยะ S1 ท าใหปรมาณน ามน ( S1.A1 ) เขาไป

แทนดานลกสบ A2 ท าใหเคลอนทเปนระยะ S2 จะไดวา ปรมาตรกระจด V1 = S1 . A1 และ V2 = S2 . A2

F1 A1

100 N 10 cm2

F1 .x A 2 A1

100 N x 20 cm2 10 cm2

S2 S1

A1

A2

Mass Force





เนองจาก V1 = V2 เพราะฉะนน S1. A1 = S2 . A2 จากสมการพบวา ระยะ S1 จะมากกวาระยะ S2 เนองจากพนทหนาตด A1 เลกกวา A2 2.2.1.8 การสงผานความดนของของไหล (Pressure transmission/ Pressure Intensifier)

อธบายจากภาพท 2-10 จะเหนไดวา เมอปอนน ามนทมความดน p1 เขาทางดานลกสบพนทหนาตด A1 ท า

ใหเกดแรงกระท า F1 บนพนทหนาตด A1 ดงนนแรงกระท า F1 เสมอนไปกระท าดานลกสบพนทหนาตด A2 ดวยท า

ใหเกดความดน p2 ขน และเนองจากลกสบพนทหนาตด A2 มคานอยกวาลกสบพนทหนาตด A1 ท าใหความดนดาน p2

จงมคามากกวา p1

ภาพท 2-10 แสดงหลกการของอปกรณเพมความดน (Pressure intensifier)

ภาพลกษณะการถายเทความดนจากลกสบพนทหนาตด A1 ไป A2 เปรยบเสมอนแรงกระท า F1 = F2 ท า

ใหเกดความดนเพมขนจาก p1 เปน p2

ดงนน จากสตร A

F p

จะไดวา F1 = p1. A1 และ F2 = p2. A2 แตเนองจาก F1 = F2 ; เพราะเปนชนเดยวกน เพราะฉะนน p1. A1 = p2. A2

p1 p2

A1

A2

F1 F2





ตวอยางท 3 จงหาคาความดนทเพมสงขน (p2) ของกระบอกสบท างานสองทาง จากภาพท 2-10

เมอก าหนดให : p1 = 10 bar

A1 = 10 cm2

A2 = 5 cm2

วธท า จาก p1. A1 = p2. A2

เพราะฉะนน p2 = (p1.A1) / A2

5

10 x 10

ความดน p2 ทเพมสงขน = 20 bar ( 2 เทา ) ตอบ





2.2.1.9 การวดความดนในระบบไฮดรอลก( Measurement pressure in Hydraulic systems)

การวดความดนแบงไดอย 3 ประเภทดงตอไปน 1. ความดนบรรยากาศ ( patm) คอ ความดนบรรยากาศ ณ ระดบน าทะเล มคา 14.7 PSI. (1.013 bar) 2. ความดนเกจ (pg) คอ ความดนทสามารถวดไดดวยเกจวดความดน (Pressure gauge) 3. ความดนสมบรณ (pabs) คอ ความดนทแทจรงไดจากความดนเกจ + ความดนบรรยากาศ ( 1.013 bar)

1. ความดนบรรยากาศ (Atmospherics pressure : Patm)

ความดนบรรยากาศ เกดจากน าหนกของอากาศซงหนกขนาด 14.7 lb กดกระท าทระดบน าทะเลดวยพนท 1 in2 ดงนนความดน 1 บรรยากาศ (Patm) = 14.7 lb/in2 = 1.013 bar(abs) แตถาอานจากเกจวดความดนจะอานได 0 bar(gauge)

ภาพท 2-11 แสดงทมาของความดนบรรยากาศ

1 in2





2. ความดนเกจ (Gauge pressure : Pg) ความดนเกจ คอ ความดนทสามารถอานไดจากเกจวดความดนทวไป(pressure gauge) ซงโดยทวไปจะเปนชนดแบบบดองทว (Bourdon tube) เมอของไหลไหลเขาไปยงบดองทว จะท าใหทอเกดการยดตว ขณะเดยวกนชดกลไกทตอเขากบเขมเพอชคาความดนกจะเกดการเคลอนททสอดคลองกบความดนในขณะนน

1. เสอเกจ 2. บดองสทว 3. Mechanic link 4. Gear link 5. Turn center 6. Measurement needle 7. Measurement rang 8. Inlet tube

3. ความดนสมบรณ (Absolute Pressure: pabs)

คอ ความดนทแทจรง โดยไดจากการน าคาความดนเกจทวดได + คาความดนบรรยากาศ ( 1.013 bar) กจะไดความดนทแทจรงทเกดขนในขณะนน

ตวอยางเชน อานคาความดนเกจได 3 bar

ดงนนคา ความดนทแทจรงจะเทากบ ความดนเกจ + ความดนเก

จซง ไดคา 3 bar(gauge) + 1.013 bar(atm) = 4.013 bar(abs)

ภาพท 2-12 แสดงชนสวนภายในของบดองเกจ





2.3 ไฮโดรไดนามกส (Hydrodynamic)

ไฮโดรไดนามกส คอ การศกษาเกยวกบการไหลหรอการเคลอนทของของไหล โดยทวไปจะเกยวของของเรองปรมาตร และเวลา

2.3.1 กฎของอตราการไหล ( Flow rate law)

อตราการไหลของของเหลวสามารถอธบายได คอ ปรมาตรของของเหลวทไหลผานทอในชวงเวลาหนงๆ

ตวอยางเชนภายในเวลา 1 นาท น าสามารถไหลผานลงไปในถงไดปรมาตร 10 ลตร นนคออตราการไหลเทากบ 10 ลตรตอนาท

ดงนน

t

V Q

เมอก าหนดให Q = อตราการไหล V = ปรมาตรของของเหลว t = คาบเวลา

ภาพท 2-14 แสดงหลกการหาคาอตราการไหลของของเหลว

ภาพท 2-13 แสดงการแบงประเภทและความสมพนธของความดน

Q1 Q2





จากอตราการไหลทหาไดจากปรมาตรทไหลผานเทยบกบหนวยของเวลาในรป Fig .A แลวยงมปรมาตรของของเหลว สามารถหาไดจากพนทหนาตด คณดวยระยะกระจด ( V = A.s ) ในรป Fig. B และความเรวเทากบระยะทางทเคลอนทในชวงเวลาหนงๆ ( v = s/t ). ในรป Fig. C

จาก

t

V Q , ,

ซงในระบบไฮดรอลกของไหลทใชเปนของเหลวซงไมมการยบตว อตราการไหลทหนาตด A1 = อตราการไหลหนาตด A2

Q1 = Q2 Q1 = A1. V1 Q2 = A2 . V2

v A Q

A

Q V

s

V A

A

A

Q

Q

s/t =V

V

Fig. A

Fig. B

Fig. C

A1 .V1 = A2 .V2

ภาพท 2-15 แสดงความสมพนธของอตราการไหลในแตละสมการ

ภาพท 2-16 แสดงการไหลผานคอคอด

ภาพท 2-16 แสดงความสมพนธของอตราการไหลและความเรวในการไหล





ระบบหนวยของอตราการไหล(The unit of flow rate)

หนวยของอตราการไหล(The unit of flow rate)

SI Unit England Unit Metric

Liter/minute (l/min)

Gallon/minute(GPM)

Cubic meter/minute(m3/min) Cubic centimeter/second(cm3/s)

ตารางท 2-6 แสดงระบบหนวยของอตราการไหลตามมาตรฐานตางๆ

เครองมอวดอตราการไหล

1. เครองมอวดอตราการไหลแบบโรตามเตอร ( Rota flow meter) เปนเครองมอทใชส าหรบวดปรมาตรของน ามน ไฮดรอลกทไหลผานเทยบกบเวลา 1 นาท





ตวอยางท 4 จากภาพขางลาง จงหาคาอตราการไหลของของเหลว Q และความเรว V2

เมอก าหนดให D1 = 4 inch2 , D2 = 2 inch2 และ V1 = 4ft/s

วธท า จากสมการ Q = A.v ดงนน Q = Q1 = A1 . v1

เมอ 2222

11 ft 0.0873 ft 124

4

D4

A

อตราการไหล Q = 0.0873 x 4 = 0.349 ft3/sec ตอบ

และจาก Q2 = 2

11

A

Av

= 2

2

2

1

1

D

D v

ความเรว ft/sec 16 (2)

(4) x 4 v

2

2

2 ตอบ

ภาพท 2-17 แสดงเครองมอทใชวดอตราการไหลในระบบไฮดรอลก

ภาพท 2-18 แสดงการไหลผานชองคอคอด





2.4 ก าลงงานในระบบไฮดรอลก (Power in hydraulic system)

ก าลงงานในระบบไฮดรอลก หมายถง ความดนใชงานในระบบทเกดขนตามภาระของงานกล แลวกระท าตอพนทภายในหอง ปรมาตรของอปกรณการท างาน จนไดแรงผลกดนใหภาระของงานกลนนเคลอนทไปโดยมความเรว

จะไดวา

ก าลงในระบบไฮดรอลกสามารถแบงออกไดเปน ก าลงงานไฮดรอลกทออกจากปม, ก าลงงานทใชขบปมไฮ

ดรอลก และก าลงงานกลทไดจากการท างานของอปกรณท างาน โดยแสดงไวในภาพท 2-19

ภาพท 2-19 แสดงการจ าแนกก าลงงานในระบบไฮดรอลก

Power = p.Q

Output = F x v (Mechanical Power)

Output = Q x p (Hydraulic Power)

Output Elec. Motor = T x ω Input Hyd. Pump = T x ω

Mechanical Power

Input = I x E (Electric Power)





2.5 ประสทธภาพของระบบไฮดรอลก (Hydraulic Efficiency) ตวท ชบงถงความสามารถในการท างานของระบบทกระบบ รวมถงระบบไฮดรอลกดวยกคอ “

ประสทธภาพ ” (Efficiency : ) ซงประสทธภาพในระบบไฮดรอลกนนมอยหลากหลาย แตตวทมความส าคญคอ ประสทธภาพเชงปรมาตร( Volumetric efficiency : v ) และประสทธภาพรวม(Overall efficiency : o )

2.5.1 ประสทธภาพเชงปรมาตร( Volumetric efficiency : v ) ประสทธภาพเชงปรมาตรเปนตวบงถงประสทธภาพของปมเปนสวนใหญ คอ จะบงบอกถงการสราง

อตราการไหลของปมไดตามขนาดของปมจรงหรอไม โดยเฉพาะเมอระบบมความดนสงขนอตราการไหลของปมจะลดลง แตจะลดลงมากหรอนอยขนกบปจจยหลายอยาง เชน ความดน, ความหนดของน ามน, อณหภม, ความสมบรณของปม เปนตน ดงนนการทจะหาประสทธภาพเชงปรมาตรของปมจะนยมน าปมไปทดสอบทหองปฏบตการ ทสามารถจ าลองเงอนไขตางๆได โดยทางหองปฏบตการจะท าการหาอตราการไหลทแทจรงจากปมทดสอบและหารดวยอตราการไหลในทางทฤษฎ กจะเปนไปตามสมการดงตอไปน

ประสทธภาพเชงปรมาตร(v) =

อตราการไหลทไดจากการทดสอบ (QActual )

อตราการไหลทไดจากทฤษฎ (QTheory ) )

(QTheory)

(QActual )

อตราการไหล L/min





ภาพท 2-20 แสดงอตราการไหลในทางทฤษฎและอตราการไหลทแทจรงเมอความดนเพมขน

2.5.2 ประสทธภาพรวม (Overall efficiency : O) ประสทธภาพรวมเปนตวบงถงประสทธภาพของรวมของทงระบบเรมตงแตตนก าลงไปจนถงอปกรณท างาน

หรอจะมองอกแงกคอ ก าลงงานทใหแกระบบ(Power input) หารดวยก าลงงานทไดออกมา (Power output) ดงสมการดงตอไปน

ประสทธภาพรวม(0 ) =

ภาพท 2-21 แสดงเสนทางเดนของก าลงงานทใหแกระบบและก าลงงานทไดจากระบบ

ก าลงงานทไดจากระบบ ( power output)

ก าลงงานทใหแกระบบ ( power input)

Power input

Power output





2.6 ก าลงงานทสญเสยในระบบไฮดรอลก ก าลงงานทสญเสยในระบบไฮดรอลก สวนใหญเกดจากความดนทสญเสยไป เนองจากความเสยดทานทผนงทอ

และทอปกรณกดขวางการไหลตางๆ กน เชน ขอตอ ของอ และวาลวตางๆ แตถาระบบทอในวงจรไฮดรอลกมการรวซมเกดขนหรอมการรวภายในของตวอปกรณทอยภายในระบบไฮดรอลกเองกจะท าใหก าลงงานไฮดรอลกลดลงได และในกรณทระบบวงจรไฮดรอลกทมการควบคมความเรวของอปกรณดวยวาลวควบคมอตราการไหล วาลวจ ากดความดนกจะตองท างานตลอดเวลาทวงจรท างานอยเพอระบายน ามนสวนเกนกลบลงถงน ามน ท าใหเกดการสญเสยก าลงงานอยางมากทตววาลวจ ากดความดน

การสญเสยก าลงงานในกรณตางๆ ดงกลาวนนหากพจารณาถงกฎคงพลงงานคอพลงงานไมมการสญหายไปจากโลกแตจะเปลยนรปของพลงงานไปเปนพลงงานความรอนแทนท าใหระบบไฮดรอลกและอปกรณตางๆ รอนขน และความรอนนกจะถายเทใหกบน ามนไฮดรอลกทไหลผาน ท าใหน ามนมอณหภมสงขน อาจมผลท าใหอปกรณท างานตางๆ ไดรบความเสยหายในอนาคต และกอใหเกดผลเสยตามมาอกมากมาย ดงภาพท 2-22

600

p Q P

P = ก าลงงานสญเสย(KW) Q = อตราการไหลทไหลผาน (l/min) ∆p = คาความดนแตกตาง (Bar)

ดงนนเปอรเซนตการสญเสยก าลงงานในระบบไฮดรอลก สามารถจ าแนกออกได ดงภาพท 2-23 5% มอเตอรไฟฟา

5% กระบอกสบ หรอ 10% ไฮดรอลกมอเตอร

10% ปม

10% ทอทางเดน,วาลว

P1 P2

ภาพท 2-22 แสดงการเปลยนรปของก าลงงานทสญเสย

Q





ตวอยางท 5 จงหาขนาดของมอเตอรไฟฟาทใชขบปมไฮดรอลกขนาด 50 cc/rev โดยใชความเรวรอบ 1000 rpm. โดยใชกระบอกสบไฮดรอลกพนทหนาตด 30 cm2 โดยตองการใหมความเรง 0.05 m/s2 และกระบอกสบยกภาระ 1 Ton โดยพจารณาถงก าลงงานสญเสยทจดตางๆดวย โดยก าหนดใหดงน - การสญเสยทมอเตอรไฟฟา 5 % - การสญเสยทปม 10 % - การสญเสยททอทางเดน 10 % - การสญเสยทกระบอกสบ 5 %

1 Ton = 1000 kg = 10,000 N -----> F = 10 KN p = = = 33.33 bar

นคอความดนทตองใชยกโหลดใหคงคางได แตโจทยตองการใหเกด เกดการเคลอนทดวยความเรง 0.05 m/s2

F = ma = 1000 kg x 0.05 m/s2 = 50 KN p = = = 166.66 bar

Q = = = 50 l/min

Power = = (166.66 x 50)/600 = 13.88 KW

เมอพจารณาถงก าลงงานทสญเสย ;

Power loss = = = 3.78 KW

ดงนนหากเลอกมอเตอรไฟฟาขนาด 13.88 KW จะเหลอใชงานจรงๆ แค (13.88 – 3.78) = 10.1 KW ซงจะเหนวา

ไมเพยงพอตอการขบโหลดดงนนจะตองเอาคา Power loss มาบวกกบคา Power ในการขบโหลด(13.88+3.78) = 17.66 KW

ภาพท 2-23 แสดงการจ าแนกเปอรเซนตการสญเสยก าลงงานในระบบไฮดรอลก

F x 100 A

10 x 100 30

F x 100 A

50 x 100 30

Vd x n 1000

50 x 1000 1000

p x Q

600

p x Q

600 x (motor + pump+ pipe+actuator )

166.66 x 50

600 x (0.95 + 0.90 + 0.90 + 0.95 )

ภาพท 2-24 แสดงระบบไฮดรอลกทใชในการค านวณ





แตในการเลอกใชจรงจะตองไมใชก าลงจากมอเตอรไฟฟาเกน 80 % Power = (17.66 x 100)/80 = 22.075 KW ; ควรเลอกขนาดมอเตอรไฟฟาทมากกวา 22.075 KW

2.7 สรปสตรค านวณทใชในการค านวณทางดานไฮดรอลก

สตรท 1 การค านวณหาคาของแรง 100

A p F

สตรนจะใชไดเมอ F มหนวยเปน kN p มหนวยเปน bar A มหนวยเปน cm2

สตรท 2 การค านวณหาคาความเรว AQ 10.

v

สตรนจะใชไดเมอ v มหนวยเปน m/min Q มหนวยเปน l/min A มหนวยเปน cm2

สตรท 3 การค านวณหาคาความเรว A

Q 0.3208 v

สตรนจะใชไดเมอ v มหนวยเปน ft/sec Q มหนวยเปน GPM

A มหนวยเปน inch2

สตรท 4 การค านวณหาคาของก าลงงาน 600

p Q P

สตรนจะใชไดเมอ P มหนวยเปน kW Q มหนวยเปน l/min p มหนวยเปน bar

หมายเหต คาของตวหารจะเปลยนจาก 600 เปน 612 เมอความดนเปลยนจาก bar เปน kg/cm2

สตรท 5 การค านวณหาคาของก าลงงาน

1714

p Q P

สตรนจะใชไดเมอ P มหนวยเปน HP Q มหนวยเปน GPM p มหนวยเปน psi

(จ านวนตวเลขทอยในสตรตางๆ คอ คาคงททใชในการเปลยนหนวย)

บทที่ 2 - automationchain.com · Module name : Fundamental of hydraulic control systems...

Documents

Transcript of บทที่ 2 - automationchain.com · Module name : Fundamental of hydraulic control systems...