ไฮดรอลิก (Hydraulic) คืออะไร
ไฮดรอลิก เป็นเรื่องที่ว่าด้วยคุณสมบัติทางกลของของไหล ในทางวิศวกรรมนั้นจะเกี่ยวข้องกับกำลังของของไหล(Fluid power) แต่ไฮดรอลิกที่เราจะกล่าวถึงในที่นี้ก็คือเรื่องที่ว่าด้วย “การส่งถ่ายกำลังในเชิงกลด้วยของไหลที่เป็นของเหลวหรือน้ำมันไฮดรอลิก” การส่งกำลังในระบบไฮดรอลิกส่วนใหญ่นั้นอุปกรณ์ทำงาน (Actuator) จะมีสองประเภทใหญ่ ๆ คือ
- กระบอกไฮดรอลิก (Hydraulic Cylinder) เป็นอุปกรณ์ทำงานที่เคลื่อนที่ในแนวเส้นตรง (Linear)
- มอเตอร์ไฮดรอลิก (Hydraulic Motor) เป็นอุปกรณ์ทำงานที่เคลื่อนที่ในแนวรัศมี (Radius)
ในระบบไฮดรอลิกที่เราเห็นกันส่วนมากนั้นสิ่งที่เราจะนำไปใช้คืองาน (Work, W) หรือแรง (Force, F) ที่เกิดจากระบบไฮดรอลิก เช่น การเอาแรงจากกระบอกไฮดรอลิก (Hydraulic Cylinder) ไปกด อัด หรือตัดชิ้นงาน และการขับ เช่นการหมุนจากมอเตอร์ไฮดรอลิกไปหมุนขับให้เกิดการหมุนของอุปกรณ์ต่าง ๆ ของเครื่องจักร
ข้อดีของระบบไฮดรอลิก
เครื่องจักรที่ใช้อุปกรณ์ไฮดรอลิกเป็นส่วนประกอบนั้นมีมากมายหลากหลายชนิด ทั้งนี้เป็นเพราะข้อดีของอุปกรณ์ไฮดรอลิกบางตัวที่มีดังต่อไปนี้คือ
1. อุปกรณ์ทำงาน
มีขนาดเล็กและน้ำหนักเบากว่าอุปกรณ์ทางไฟฟ้าและกลไก อีกทั้งไม่มีความสลับซับซ้อน และสามารถออกแบบให้ตัวเครื่องมีแรงมากได้ เมื่อเปรียบเทียบกับขนาดของเครื่องจักร โดยออกแบบให้แรงดันของน้ำมันไฮดรอลิกสูง ในกรณีที่ต้องการแรงมาก ดังรูปที่ 4 เป็นตัวอย่างความคิดในการออกแบบระบบของแขนยกของเครนไฮดรอลิกที่ต้องการยกน้ำหนักด้วยลูกสูบไฮดรอลิก
รูปที่ 4 การใช้งานระบบไฮดรอลิก
2. มีความง่ายต่อการควบคุม (Easy to Control)เพราะว่าระบบการควบคุมในทางกลไกนั้นจะต้องมีจุดหมุน จุดต่อต่าง ๆ มาก อาจต้องใช้ข้อต่อและโซ่มากมาย ทำให้ยากต่อการสร้างแก้ไขและดัดแปลง แต่สำหรับระบบไฮดรอลิกแล้วต้องการแค่แหล่งกำเนิดแรงดัน (Pump Unit), วาล์วเปลี่ยนทิศทาง (Directional Control Valve), อุปกรณ์ทำงาน (Actuator), และท่อทาง (Hose and Piping) ซึ่งทำให้การควบคุมระยะไกลทำได้ง่ายมาก รูปที่ 5 แสดงอุปกรณ์ที่จำเป็นที่ใช้ในการควบคุมการทำงานของระบบไฮดรอลิก
3. ง่ายต่อการควบคุมโหลด (Easy to Load Control)
ถ้าหากเราติดตั้งวาล์วปลดแรงดัน (Relief Valve) ลงไปในวงจรก็จะสามารถช่วยป้องกันแรงดันที่สูงผิดปกติในวงจรได้และยังทำให้การควบคุมแรงดันเป็นไปได้อย่างดี ป้องกันความเสียหายที่จะเกิดกับอุปกรณ์ไฮดรอลิกที่เกิดจากแรงดันสูงและควบคุมแรงดันให้คงที่อันจะเป็นผลให้แรงที่ได้จากอุปกรณ์ทำงาน มีความดันคงที่ จากรูปที่ 7 คือวาล์วปลดแรงดันจะเป็นตัวที่ทำให้สามารถควบคุมแรงดันภายในระบบไม่ให้เกินไปจากที่ต้องการได้ ซึ่งจากโครงสร้างของอุปกรณ์แล้วสามารถที่จะสร้างและติดตั้ง ซ่อมและแก้ไขได้ง่ายกว่าอุปกรณ์ทางกล
ดังรูปที่ 10 ดังนั้นในระบบไฮดรอลิกการที่เราต้องการแรงจากกระบอกไฮดรอลิกมากน้อยแค่ไหนก็สามารถทำได้โดยการออกแบบกระบอกสูบให้มีพื้นที่หน้าตัดมากน้อยตามต้องการหรือใช้ปั้มที่มีแรงดันสูง จากรูปความสัมพันธ์ระหว่างแรงของกระบอกสูบและเข็มฉีดยาจะอยู่ในรูป
P = F1A1 = F2A2 = ค่าคงที่ ……… (1)
เมื่อ F1, A1 และ F2, A2 คือแรงที่กระทำกับก้านสูบ (F) และพื้นที่หน้าตัดของกระบอกสูบ (A) ในกระบอกเข็มฉีดยาตามตัวอย่าง และกระบอกสูบตามลำดับถ้าเราต้องการให้แรงที่เกิดขึ้นในกระบอกสูบมากกว่าเดิมก็ทำได้โดยการเพิ่มพื้นที่หน้าตัดของกระบอกสูบให้มากกว่าเดิมหรือเพิ่มแรงกดตรงกระบอกฉีดยาตามตัวอย่าง
2. อัตราการไหลของน้ำมันไฮดรอลิก (Flow Rate of Hydraulic System)
อัตราการไหล (Flow Rate, Q) คือ อัตราการเคลื่อนที่ของน้ำมันไฮดรอลิกในอัตราส่วนปริมาตรหรือน้ำหนักต่อหน่วยเวลา ดังแสดงในรูปที่ 11 โดยทั่วไปจะวัดเป็นปริมาตรของการไหลต่อหน่วยเวลาเป็นนาทีหรือวินาที แต่ที่นิยมใช้คือ ลิตร/นาที ถ้ากระบอกสูบมีเส้นผ่าศูนย์กลางเท่ากัน กระบอกสูบที่มีอัตราการไหลมากกว่าจะเคลื่อนที่เร็วกว่า เราสามารถเปรียบเทียบความเร็วของที่มีอัตราการไหลแตกต่างกัน
จากรูปที่ 12 เป็นการเปรียบเทียบความเร็วในการเคลื่อนที่ของลูกสูบของสองกระบอกสูบที่มีขนาดพื้นที่หน้าตัดเท่ากัน แต่อัตราการไหลของน้ำมันไฮดรอลิกไม่เท่ากันจากสมการ
ดังนั้นความเร็วของลูกสูบของกระบอกสูบเมื่ออัตราการไหลของกระบอกเท่ากับ10 ลิตร/นาที พื้นที่หน้าตัดของ กระบอกสูบ 50 ตารางเซนติเมตร จะเท่ากับ
แต่ถ้าเราเพิ่มอัตราการการไหลเป็น 30 ลิตร/นาที เราจะได้ความเร็วของลูกสูบเป็น
เปรียบเทียบระบบไฮดรอลิกกับร่างกายของคน
ในร่างกายมนุษย์เรามีหัวใจเปรียบเสมือนปั้มตัวใหญ่ เรามีปอดที่เปรียบเป็นตัวฟอกเลือดเสมือนตัวกรองเลือดจากเลือดดำเป็นเลือดแดงที่สะอาด เรามีแขนมีขาที่สามารถหยิบจับสิ่งต่าง ๆ และทำงานต่าง ๆ เรามีสมองที่คอยคิดและสั่งการว่าจะให้แขนขาเคลื่อนที่ไปทางไหนอย่างไรเสมือนกับระบบของไฮดรอลิกดังรูปที่ 13
อุปกรณ์และส่วนประกอบของระบบไฮดรอลิก
อุปกรณ์ไฮดรอลิกหรือส่วนประกอบของระบบไฮดรอลิก คือส่วนที่นำมาประกอบกันเป็นระบบไฮดรอลิกซึ่งที่สำคัญ ๆ ก็มีดังต่อไปนี้
1. ปั้มไฮดรอลิก (Hydraulic Pump)
ปั้มไฮดรอลิกคือ อุปกรณ์ที่เปลี่ยนพลังงานจากการหมุนซึ่งขับโดยเครื่องยนต์หรือมอเตอร์ไฟฟ้าเป็นแรงดันน้ำมันไฮดรอลิกเข้าสู่วงจรไฮดรอลิก ปั้มที่ใช้เครื่องยนต์หรือมอเตอร์ไฟฟ้าขับโดยตรง เมื่อใดก็ตามที่เครื่องยนต์หรือมอเตอร์หมุนปั้มก็จะทำงานไปด้วยดังรูปที่ 14
ชนิดของปั้มไฮดรอลิก
* เกียร์ปั้ม (Gear Pump) เป็นปั้มที่นิยมใช้งานมากในปัจจุบัน จุดเด่นของปั้มชนิดนี้คือ
- มีโครงสร้างง่าย ๆ ไม่สลับซับซ้อน
- มีขนาดเล็กและน้ำหนักเบา
- ไม่ค่อยเสีย และง่ายต่อการดูแลรักษาและซ่อมบำรุง มีหลายรุ่นให้เลือกตั้งแต่แรงดันน้อย ๆ จนไปถึงแรง ดันมาก ๆ และราคาไม่แพง
เกียร์ปั้มยังแบ่งเป็นประเภทต่าง ๆ ได้อีกดังต่อไปนี้
- External Gear Pump คือ ปั้มที่มีเกียรสองตัวโดยที่ฟันของเกียร์ทั้ง สองตัวนั้นขบกัน
- Internal Gear Pump คือปั้มที่เกียร์จะขบอยู่กับตัวเรือนปั้มดังรูปที่ 15
ปั้มแบบลูกสูบ (Displacement Volume Pump) คุณลักษณะที่สำคัญของปั้มลักษณะนี้มีดังนี้
- มีประสิทธิภาพสูงเพราะว่าปั้มแบบนี้มีการรั่วที่เกิดขึ้นภายในน้อย
- ปั้มบางแบบสามารถที่จะปรับปริมาณการไหลได้โดยที่ใช้ความเร็วรอบเท่าเดิมเหมาะกับงานที่ต้องการแรงดันสูงและน้ำมันที่รั่วต่อรอบน้อยกว่ารูปที่ 16 ปั้มแบบลูกสูบ (Displacement Volume Pump) แบบต่าง ๆ >* Cam Plate Pump
จะมีใช้กับเครนไฮดรอลิกมาก หลักการทำงานของปั้มแบบนี้ก็เหมือนกับปั้มแบบลูกสูบธรรมดา ชิ้นส่วนที่บังคับให้ลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นลงก็คือ แผ่นเอียงหรือ (Cam Plate) ซึ่งจะหมุนไปรอบ ๆ เมื่อส่วนที่สูงของแผ่นเอียงไปสัมผัสกับด้านล่างของลูกสูบมันก็จะดันลูกสูบขึ้น กลายเป็นจังหวะอัดของลูกสูบ เมื่อแผ่นเอียงหมุนต่อไปจนถึงส่วนที่ต่ำของแผ่นเอียงสัมผัสกับด้านล่างของลูกสูบ ก็จะทำให้ลูกสูบเริ่มเคลื่อนที่ลงกลายเป็นจังหวะดูดของลูกสูบ การทำงานก็จะสลับอย่างนี้เรื่อยไป
ปั้มแบบใบเวน (Vane Pump)
คุณลักษณะที่สำคัญของปั้มลักษณะนี้มีดังนี้
1. สามารถทำงานได้ที่ความเร็วรอบสูง
2. เหมาะสำหรับงานที่ใช้แรงดันต่ำจนถึงแรงดันขนาดปานกลาง
3. ราคาถูก
หลักการทำงานของเวนปั้มก็คือเมื่อปั้มหมุนก็จะสลัดใบเวนให้ออกมาสัมผัสกับตัวเรือนปั้ม โดยที่แกนของใบพัดจะติดเยื้องศูนย์อยู่ภายในตัวเรือนปั้ม จากการที่แกนของใบพัดที่ติดตั้งอยู่อย่างเยื้องศูนย์จึงทำให้เวลาที่ใบพัดของปั้มหมุนไปรอบ ๆ เรือนปั้ม ปริมาตรช่องว่างระหว่างใบพัดของแต่ละช่วงไม่เท่ากัน โดยที่ในช่วงจังหวะดูดช่องว่างของใบพัดจะถูกขยายออกจนกระทั่งช่องว่างมากที่สุด หลังจากนั้นช่องว่างจะเริ่มลดลงก็เป็นจังหวะอัด การทำงานของปั้มชนิดนี้จะเงียบ ไม่มีเสียงดัง
รูปที่ 22 กระบอกสูบแบบ Double Acting
> โดยที่ F คือ แรงที่ได้จากกระบอกสูบ
P คือ แรงดันในกระบอกสูบที่มาจากระบบหรือปั้ม
A คือ พื้นที่หน้าตัดของกระบอกสูบ
ดังนั้นในระบบที่มีแรงดันเท่า ๆ กันกระบอกสูบที่มีขนาดพื้นที่หน้าตัดมากกว่าจะมีแรงมากกว่า
ตัวอย่าง
กระบอกไฮดรอลิกที่มีพื้นที่หน้าตัด 1 ตารางเซนติเมตร (A = 1 cm2) ทำงานอยู่กับระบบที่มีแรงดัน 100 กิโลกรัมต่อตารางเซนติเมตร (P = 100 kg/cm2) แรงที่เกิดขึ้นกับลูกสูบก็จะเท่ากับ F =1 cm2 x 100 kg/cm2, = 100 kg
เช่นเดียวกัน ถ้าหากเราใช้กระบอกสูบที่มีพื้นที่หน้าตัด 10 ตารางเซนติเมตร (A = 10 cm2) ทำงานในระบบเดียวกัน แรงที่ได้จากลูกสูบคือ F =10 cm2 x 100 kg/cm2 = 1,000 kg
* ความเร็วของลูกสูบ
ความเร็วที่ได้จากการเคลื่อนที่ของลูกสูบนั้น จะขึ้นอยู่กับอัตราการไหล (Flow Rate: Q) ของน้ำมันในระบบ จากสมการที่ 2 คือ Q = AV โดยที่ Q คืออัตราการไหลของน้ำมัน (Liters/Min), A คือ พื้นที่หน้าตัดของกระบอกสูบ (cm2) และ V คือความเร็วของการเคลื่อนที่ของลูกสูบ (cm/Sec) จากสมการจะเห็นว่ายิ่งพื้นที่หน้าตัดของลูกสูบยิ่งมาก หรือลูกสูบยิ่งมีขนาดใหญ่จะทำให้การเคลื่อนที่ของลูกสูบนั้นช้าลง
ตัวอย่าง
กระบอกไฮดรอลิกที่มีพื้นที่หน้าตัด 1 ตารางเซนติเมตร (A = 1 cm2) มีอัตราการไหลที่ 100 ลิตร/นาที ความเร็วของลูกสูบก็จะเป็น
>
3. มอเตอร์ไฮดรอลิก (Hydraulic Motor)
มอเตอร์ไฮดรอลิกคือ อุปกรณ์ทำงานที่ทำหน้าที่เปลี่ยนแรงดันของน้ำมันไฮดรอลิกไปเป็นการหมุน ส่วนโครงสร้างภายในจะเหมือนกันกับปั้มไฮดรอลิก แต่การทำงานจะกลับด้านหรือตรงกันข้ามมอเตอร์ไฮดรอลิกคือจะเปลี่ยนแรงดันเป็นพลังงานกล แต่ปั้มไฮดรอลิกเปลี่ยนพลังงานกลเป็นแรงดัน
รูปที่ 24 มอเตอร์ไฮดรอลิกแบบต่าง ๆ
4. ถังน้ำมันไฮดรอลิก
คืออุปกรณ์ที่ทำหน้าที่กักเก็บน้ำมันไฮดรอลิกเพื่อใช้หมุนเวียนในระบบ
หน้าที่ของถังน้ำมันไฮดรอลิก
1. กักเก็บน้ำมันไฮดรอลิกไว้เพื่อจ่ายให้แก่ระบบอย่างเพียงพอกับความต้องการ
2. กำจัดสิ่งสกปรกและสิ่งปนเปื้อนที่มีอยู่ในน้ำมันไฮดรอลิก
3. กำจัดน้ำออกจากระบบไฮดรอลิก ระบายความร้อนให้กับน้ำมันไฮดรอลิก
ในระบบขนาดเล็กปริมาณของน้ำมันจะมากขึ้นเมื่อก้านสูบหดตัว และจะลดลงเมื่อก้านสูบหดตัว
อุปกรณ์ตัวหนึ่งที่จะต้องมีควบคู่กับถังน้ำมันไฮดรอลิกคือตัวระบายอากาศ (Air Breathe) มีไว้เพื่อให้อากาศเข้าและออกเพื่อทดแทนกับปริมาณน้ำมันที่ลดลงและเพิ่มขึ้นตามจังหวะการทำงานของลูกสูบและลดแรงต้านทานการเคลื่อนที่ของลูกสูบ
สรุป
จากบทความที่กล่าวมาในรายละเอียดของระบบไฮดรอลิกเบื้องต้น หลักการทำงานของระบบ อุปกรณ์ที่สำคัญ ๆ ในบางส่วนในฉบับหน้าจะกล่าวถึงเรื่องอุปกรณ์ที่สำคัญของระบบไฮดรอลิกที่เหลือ เช่น กรอง วาล์วชนิดต่าง ๆ ตลอดจนน้ำมันไฮดรอลิก
เอกสารอ้างอิง
[1] Hydraulic Advance, TADANO LTD., Japan