Could resizing the hydraulic actuator help saving power?

Article by:  Unnat Pinsopon, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang.

การส่งกำลังด้วยระบบไฮดรอลิกถูกประยุกต์ใช้ในหลากหลายงานอย่างกว้างขวาง ตั้งแต่ในเครื่องจักรหนักไปจนถึงในระบบควบคุมกลไกของอากาศยาน ระบบไฮดรอลิกใช้น้ำมันไฮดรอลิกที่ถูกอัดเป็นตัวกลางในการส่งกำลัง  รูป 1 แสดงขั้นตอนการส่งกำลังภายในระบบไฮดรอลิก  ปั๊มไฮดรอลิกรับกำลังทางกลจากต้นกำลังและสูบ-จ่ายการไหลของน้ำมันไฮดรอลิก  น้ำมันไหลผ่านท่อและวาล์วและไหลเข้าอุปกรณ์ทำงาน  และอุปกรณ์ทำงานจะเป็นตัวสุดท้ายที่จ่ายกำลังออกเพื่อเอาชนะโหลดภายนอก

อุปกรณ์ทำงานไฮดรอลิกแบ่งออกเป็น 2 ประเภทใหญ่ คือประเภทที่ทำงานเชิงเส้น เช่นกระบอกสูบไฮดรอลิก และประเภทที่ทำงานเชิงมุม เช่นมอเตอร์ไฮดรอลิก  ลองพิจารณาการทำงานของกระบอกสูบไฮดรอลิกในช่วงที่กระบอกสูบชักออกดังแผนภาพอย่างง่ายในรูป 2  ปั๊มจ่ายน้ำมันเข้าทางด้านหัว (head end, HE) ของกระบอกสูบ  น้ำมันจากทางด้านก้านสูบ (rod end, RE) ไหลกลับลงถัง  ความเร็วของลูกสูบ (v_cyl) ขึ้นอยู่กับอัตราการไหลของน้ำมันไฮดรอลิก (Q_P) ที่จ่ายโดยปั๊ม เป็นไปตามสมการ 1 โดยที่ A_HE เป็นพื้นที่หน้าตัดของลูกสูบฝั่ง HE

รูป 3 แสดงผังวัตถุอิสระของลูกสูบภายใต้แรงทั้งหมดที่กระทำ (ไม่พิจารณาแรงเสียดทาน)  สมการ 2 แสดงการสมดุลแรงของแรงที่กระทำบนลูกสูบ  P_HE และ P_RE คือความดันของน้ำมันที่ด้าน HE และ RE ของกระบอกสูบ  A_RE  คือพื้นที่หน้าตัดของลูกสูบฝั่ง RE และ F_ext  คือแรงเนื่องจากโหลดภายนอก

ความดันของน้ำมันที่ด้าน RE ของกระบอกสูบ (P_RE) โดยทั่วไปมีค่าพอแค่ชนะค่าการสูญเสียความดันของท่อฝั่งไหลกลับถัง แต่ก็ยังมีค่าน้อยมากเมื่อเปรียบเทียบกับความดันของน้ำมันที่ด้าน HE ของกระบอกสูบ (P_HE)  ถ้าไม่พิจารณาค่าความดันของน้ำมันที่ด้าน RE แล้ว  ค่าความดันของน้ำมันที่ด้าน HE ของกระบอกสูบจะขึ้นอยู่กับแรงเนื่องจากโหลดภายนอก ดังสมการ 3

จากรูป 2 จะเห็นว่า ด้านขาออกของปั๊มจะถูกเชื่อมกับด้าน HE ของกระบอกสูบในขณะที่กระบอกสูบชักออก  ดังนั้นความดันของน้ำมันที่ด้านขาออกของปั๊ม (P_P) จะมีค่าเท่ากับความดันที่ด้าน HE ของกระบอกสูบบวกกับค่าการสูญเสียความดันระหว่างด้านขาออกของปั๊มถึงด้านขาเข้า HE ของกระบอกสูบ  และถ้าไม่พิจารณาค่าการสูญเสียความดันแล้ว ความดันของน้ำมันที่ด้านขาออกของปั๊มจะประมาณเท่ากับค่าความดันของน้ำมันที่ด้าน HE ของกระบอกสูบ หรือ P_P ≈ P_HE.

กำลังที่ปั๊มไฮดรอลิกจ่ายคำนวณได้จากผลคูณของค่าความดันของน้ำมันที่ด้านขาออกของปั๊ม (P_P) กับค่าอัตราการไหลของน้ำมันไฮดรอลิก (Q_P)  เมื่อแทนค่า Q_P จากสมการ 1 และค่า P_P (ที่ประมาณเท่ากับค่าของ P_HE) จากสมการ 3 ค่ากำลังที่จ่ายโดยปั๊มไฮดรอลิกสามารถคำนวณได้จากสมการ 4

สมการ 4 แสดงให้เห็นว่า เมื่อไม่พิจารณาการสูญเสียที่เกิดขึ้นในระบบ ค่ากำลังที่ปั๊มจ่ายออกไปมีค่าประมาณเท่ากับกำลังที่จ่ายออกไปที่โหลด  มักจะมีคำถามที่มักเกิดขึ้นในวงสนทนาของวิศวกรว่า “การเปลี่ยนขนาดของกระบอกสูบจะช่วยลดการกินกำลังของระบบไฮดรอลิกหรือไม่” คำตอบอยู่ในสมการ 4  การเพิ่มขนาดของกระบอกสูบจะช่วยลดค่า ความดันในขณะทำงานตามสมการ 3 แต่ก็จะส่งผลต่อการต้องการอัตราการไหลของน้ำมันที่มากขึ้น (สมการ 1) หรือต้องการปั๊มตัวใหญ่ขึ้น  

ในทางกลับกัน การลดขนาดกระบอกสูบจะช่วยลดค่าอัตราการไหลของน้ำมัน (สมการ 1) หรือใช้ปั๊มตัวเล็กลงได้ แต่ระบบจะทำงานที่ค่าระดับความดันที่สูงขึ้น  ไม่ว่าจะใช้กระบอกสูบตัวใหญ่หรือตัวเล็ก สมการ 4 แสดงให้เห็นว่ากำลังที่ปั๊มจ่ายออกจะค่าประมาณเท่ากับกำลังที่จ่ายไปให้โหลดทั้งนั้น  การเปลี่ยนขนาดของกระบอกสูบหรือการเปลี่ยนขนาดของอุปกรณ์ทำงานไม่ส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงการกินกำลังของระบบไฮโดรลิก