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 (vcyl) ขึ้นอยู่กับอัตราการไหลของน้ำมันไฮดรอลิก (QP) ที่จ่ายโดยปั๊ม เป็นไปตามสมการ 1 โดยที่ AHE เป็นพื้นที่หน้าตัดของลูกสูบฝั่ง HE
รูป 3 แสดงผังวัตถุอิสระของลูกสูบภายใต้แรงทั้งหมดที่กระทำ (ไม่พิจารณาแรงเสียดทาน) สมการ 2 แสดงการสมดุลแรงของแรงที่กระทำบนลูกสูบ PHE และ PRE คือความดันของน้ำมันที่ด้าน HE และ RE ของกระบอกสูบ ARE คือพื้นที่หน้าตัดของลูกสูบฝั่ง RE และ Fext คือแรงเนื่องจากโหลดภายนอก
ความดันของน้ำมันที่ด้าน RE ของกระบอกสูบ (PRE) โดยทั่วไปมีค่าพอแค่ชนะค่าการสูญเสียความดันของท่อฝั่งไหลกลับถัง แต่ก็ยังมีค่าน้อยมากเมื่อเปรียบเทียบกับความดันของน้ำมันที่ด้าน HE ของกระบอกสูบ (PHE) ถ้าไม่พิจารณาค่าความดันของน้ำมันที่ด้าน RE แล้ว ค่าความดันของน้ำมันที่ด้าน HE ของกระบอกสูบจะขึ้นอยู่กับแรงเนื่องจากโหลดภายนอก ดังสมการ 3
จากรูป 2 จะเห็นว่า ด้านขาออกของปั๊มจะถูกเชื่อมกับด้าน HE ของกระบอกสูบในขณะที่กระบอกสูบชักออก ดังนั้นความดันของน้ำมันที่ด้านขาออกของปั๊ม (PP) จะมีค่าเท่ากับความดันที่ด้าน HE ของกระบอกสูบบวกกับค่าการสูญเสียความดันระหว่างด้านขาออกของปั๊มถึงด้านขาเข้า HE ของกระบอกสูบ และถ้าไม่พิจารณาค่าการสูญเสียความดันแล้ว ความดันของน้ำมันที่ด้านขาออกของปั๊มจะประมาณเท่ากับค่าความดันของน้ำมันที่ด้าน HE ของกระบอกสูบ หรือ PP ≈ PHE.
กำลังที่ปั๊มไฮดรอลิกจ่ายคำนวณได้จากผลคูณของค่าความดันของน้ำมันที่ด้านขาออกของปั๊ม (PP) กับค่าอัตราการไหลของน้ำมันไฮดรอลิก (QP) เมื่อแทนค่า QP จากสมการ 1 และค่า PP (ที่ประมาณเท่ากับค่าของ PHE) 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
