Saving & Conservation Energy

Could resizing the hydraulic actuator help saving power?

Could resizing the hydraulic actuator help saving power?
Share with

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

Could resizing the hydraulic actuator help saving power?
Figure 1 Power Transmission of hydraulic system

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

Could resizing the hydraulic actuator help saving power?
Could resizing the hydraulic actuator help saving power?
Figure 2 A simple diagram of a hydraulic cylinder in extending motion

รูป 3 แสดงผังวัตถุอิสระของลูกสูบภายใต้แรงทั้งหมดที่กระทำ (ไม่พิจารณาแรงเสียดทาน)  สมการ 2 แสดงการสมดุลแรงของแรงที่กระทำบนลูกสูบ  PHE และ PRE คือความดันของน้ำมันที่ด้าน HE และ RE ของกระบอกสูบ  ARE  คือพื้นที่หน้าตัดของลูกสูบฝั่ง RE และ Fext  คือแรงเนื่องจากโหลดภายนอก

Could resizing the hydraulic actuator help saving power?
Could resizing the hydraulic actuator help saving power?
Figure 3 Free body diagram of the cylinder piston under exerting forces.

ความดันของน้ำมันที่ด้าน RE ของกระบอกสูบ (PRE) โดยทั่วไปมีค่าพอแค่ชนะค่าการสูญเสียความดันของท่อฝั่งไหลกลับถัง แต่ก็ยังมีค่าน้อยมากเมื่อเปรียบเทียบกับความดันของน้ำมันที่ด้าน HE ของกระบอกสูบ (PHE)  ถ้าไม่พิจารณาค่าความดันของน้ำมันที่ด้าน RE แล้ว  ค่าความดันของน้ำมันที่ด้าน HE ของกระบอกสูบจะขึ้นอยู่กับแรงเนื่องจากโหลดภายนอก ดังสมการ 3

Could resizing the hydraulic actuator help saving power?

จากรูป 2 จะเห็นว่า ด้านขาออกของปั๊มจะถูกเชื่อมกับด้าน HE ของกระบอกสูบในขณะที่กระบอกสูบชักออก  ดังนั้นความดันของน้ำมันที่ด้านขาออกของปั๊ม (PP) จะมีค่าเท่ากับความดันที่ด้าน HE ของกระบอกสูบบวกกับค่าการสูญเสียความดันระหว่างด้านขาออกของปั๊มถึงด้านขาเข้า HE ของกระบอกสูบ  และถ้าไม่พิจารณาค่าการสูญเสียความดันแล้ว ความดันของน้ำมันที่ด้านขาออกของปั๊มจะประมาณเท่ากับค่าความดันของน้ำมันที่ด้าน HE ของกระบอกสูบ หรือ PPPHE.

กำลังที่ปั๊มไฮดรอลิกจ่ายคำนวณได้จากผลคูณของค่าความดันของน้ำมันที่ด้านขาออกของปั๊ม (PP) กับค่าอัตราการไหลของน้ำมันไฮดรอลิก (QP)  เมื่อแทนค่า QP จากสมการ 1 และค่า PP (ที่ประมาณเท่ากับค่าของ PHE) จากสมการ 3 ค่ากำลังที่จ่ายโดยปั๊มไฮดรอลิกสามารถคำนวณได้จากสมการ 4

Could resizing the hydraulic actuator help saving power?

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

Related Posts