ความรู้พื้นฐานของระบบไฮดรอลิกส์

ความรพู้ ื้นฐานของระบบไฮดรอลกิ ส์อาจหาญ ณ นรงค์แผนกวิศวกรรมและซอ่ มบารุงบริษัท โยโกฮามา่ ไทร์ แมนแู ฟคเจอร่ิง (ประเทศไทย) จากัด

ไฮดรอลิก (Hydraulic) คอื อะไร ไฮดรอลกิ ส์ เปน็ เร่อื งทว่ี ่าด้วยคณุ สมบตั ทิ างกลของของไหลในทางวศิ วกรรมนัน้ จะเกยี่ วขอ้ งกับกาลงั ของของไหล (Fluid power)แต่ ไฮดรอลิกส์ ท่ีเราจะกล่าวถึงในทนี่ กี้ ค็ ือเร่ืองที่วา่ ดว้ ย “การสง่ ถ่ายกาลังในเชิงกล ด้วยของไหลที่เป็นของเหลว หรือ นา้ มันไฮดรอลิกส์”การสง่ กาลงั ในระบบไฮดรอลิกส์ ส่วนใหญน่ ้ันอปุ กรณท์ างาน(Actuator) จะมสี องประเภทใหญ่ ๆ คือ1. กระบอกไฮดรอลิกส์ (Hydraulic Cylinder) เป็นอุปกรณ์ทางานท่เี คล่ือนทใ่ี นแนวเส้นตรง (Linear)2. มอเตอร์ไฮดรอลิกส์ (Hydraulic Motor) เปน็ อปุ กรณท์ างานที่เคลอื่ นที่ในแนวรศั มี (Radius)

กระบอกไฮดรอลกิ ส์ (Hydraulic Cylinder)

กระบอกไฮดรอลกิ ส์ (Hydraulic Cylinder)

มอเตอรไ์ ฮดรอลกิ ส์ (Hydraulic Motor)

ข้อดีของระบบไฮดรอลกิ ส์1. อุปกรณท์ างาน (Actuator) มีขนาดเลก็ และน้าหนกั เบากวา่ อุปกรณ์ทางไฟฟา้ และกลไก อกี ทั้งไม่มีความสลบั ซบั ซ้อนดงั รูปที่ 3 และสามารถออกแบบให้ตวั เครื่องมแี รงมากไดเ้ มอ่ืเปรียบเทยี บกบั ขนาดของเครื่องจกั ร โดยออกแบบให้แรงดันของน้ามันไฮดรอลิกส์สงู ในกรณีทต่ี อ้ งการแรงมาก ดงั รปู ที่ 4 เปน็ ตวั อยา่ งความคิดในการออกแบบระบบของแขนยกของเครนไฮดรอลิกส์ ทตี่ ้องการยกนา้ หนักดว้ ยลูกสบู ไฮดรอลกิ ส์

2. มคี วามงา่ ยต่อการควบคมุ (Easy to Control) เพราะวา่ ระบบการควบคมุ ในทางกลไกนัน้ จะตอ้ งมจี ดุ หมุน จุดตอ่ ตา่ ง ๆมาก อาจตอ้ งใชข้ ้อตอ่ และโซม่ ากมาย ทาให้ยากตอ่ การสร้างแกไ้ ขและดดั แปลงแต่สาหรบั ระบบไฮดรอลกิ ส์ แลว้ ตอ้ งการแคแ่ หล่งกาเนิดแรงดนั (Pump Unit),วาล์วเปล่ยี นทิศทาง (Directional Control Valve), อุปกรณ์ทางาน (Actuator),และท่อทาง (Hose and Piping) ซ่งึ ทาให้การควบคมุ ระยะไกลทาไดง้ า่ ยมาก รูปท่ี 5 แสดงอุปกรณ์ท่ีจาเปน็ ทใ่ี ชใ้ นการควบคุมการทางานของระบบไฮดรอลกิ ส์

3. งา่ ยต่อการควบคมุ โหลด (Easy to Load Control) ถ้าหากเราติดตง้ั วาลว์ ปลดแรงดนั (Relief Valve) ลงไปในวงจรกจ็ ะสามารถชว่ ยป้องกันแรงดันที่สงู ผดิ ปกติในวงจรได้และยงั ทาใหก้ ารควบคมุ แรงดันเปน็ ไปได้อยา่ งดี ปอ้ งกันความเสียหายท่ีจะเกดิ กับอุปกรณ์ไฮดรอลกิ ส์ทเี่ กิดจากแรงดนั สูงและควบคมุ แรงดนั ให้คงท่อี ันจะเปน็ ผลใหแ้ รงทีไ่ ดจ้ ากอปุ กรณท์ างาน (Actuator)มีความคงท่ี จากรปู ท่ี 7 คือวาล์วปลดแรงดันจะเปน็ ตัวที่ทาใหส้ ามารถควบคมุแรงดันภายในระบบไม่ใหเ้ กินไปจากท่ีตอ้ งการได้ ซง่ึ จากโครงสรา้ งของอปุ กรณ์แลว้สามารถทีจ่ ะสรา้ งและติดตั้ง ซ่อมและแก้ไขได้งา่ ยกว่าอปุ กรณ์ทางกล

4. งา่ ยตอ่ การเพิ่มอุปกรณท์ างาน สามารถท่ีจะเพิ่มอปุ กรณ์ทางานได้งา่ ยเพียงแค่เพิ่มจุดต่อพ่วงแลว้ กใ็ ส่อุปกรณ์(Actuator) ทางานพ่วงไปก็สามารถใชง้ านได้ทันทีโดยไมต่ อ้ งแกไ้ ขทั้งหมดของวงจรใหย้ งุ่ ยากดงั รปู ท่ี 8

หลกั การทางานของระบบไฮดรอลกิ (Hydraulic Principle of Operation)1. แรงดนั ในระบบปดิ จะมคี ่าเท่ากนั ทกุทิศทาง แรงดันทีเ่ กิดขึน้ กับของไหลท่ีสง่ ผา่ นไปกระทายงั ผนงั ของภาชนะปิดจะมีคา่เท่ากนั ทกุ ทศิ ทกุ ทางไมว่ ่ารูปทรงของภาชนะน้ันจะมีรปู งา่ ย ๆ หรอื สลับซับซ้อนแค่ไหนดังรปู ท่ี 9 ถ้าเราใช้เข็มฉีดยาที่มีพ้ืนท่ี 1 ตร.ซม. กดท่ลี กู สูบของเข็มฉีดยาดว้ ยแรง 2 กก.แรงดนั ของน้ามันไฮดรอลกิ ส์ ทไี่ ดจ้ ากการกระทาน้ีคอื 2 กก./ตร.ซม.



2. อตั ราการไหลของนา้ มันไฮดรอลกิ (Flow Rate of Hydraulic System) อัตราการไหล (Flow Rate, Q) คือ อัตราการเคลื่อนท่ีของนา้ มนั ไฮดรอลกิ ในอัตราส่วนปรมิ าตรหรอื น้าหนักต่อหน่วยเวลา ดังแสดงในรปู ท่ี 11 โดยท่วั ไปจะวัดเปน็ ปรมิ าตรของการไหลต่อหนว่ ยเวลาเป็นนาทหี รอื วนิ าที แต่ที่นยิ มใชค้ อื ลติ ร/นาที ถา้ กระบอกสบู มเี ส้นผ่าศนู ย์กลางเทา่ กนั กระบอกสบู ทมี่ อี ตั ราการไหลมากกว่าจะเคลอื่ นทีเ่ ร็วกวา่ เราสามารถเปรียบเทยี บความเรว็ ของที่มอี ัตราการไหลแตกตา่ งกนั

จากรูปที่ 12 เป็นการเปรียบเทียบความเร็วในการเคล่อื นที่ของลกู สบูของสองกระบอกสบู ทม่ี ีขนาดพืน้ ทหี่ น้าตดั เทา่ กนั แตอ่ ตั ราการไหลของนา้ มันไฮดรอลิกส์ ไม่เทา่ กนั จากสมการ

เปรยี บเทยี บระบบไฮดรอลิกส์ กบั รา่ งกายของคน ในรา่ งกายมนษุ ย์เรามีหัวใจเปรียบเสมือนปมั้ ตัวใหญ่ เรามปี อดท่เี ปรยี บเป็นตวั ฟอกเลือดเสมือนตัวกรองเลือดจากเลอื ดดาเปน็ เลอื ดแดงที่สะอาด เรามีแขนมีขาทสี่ ามารถหยิบจับสงิ่ ตา่ ง ๆ และทางานตา่ ง ๆ เรามสี มองทคี่ อยคดิ และสัง่ การวา่ จะใหแ้ ขนขาเคลือ่ นทีไ่ ปทางไหนอยา่ งไรเสมอื นกับระบบของไฮดรอลิกส์ ดงั รปู ท่ี 13

อุปกรณ์และส่วนประกอบของระบบไฮดรอลกิ ส์1. ปั้มไฮดรอลิก (Hydraulic Pump) ปั้มไฮดรอลิกคือ อปุ กรณท์ ีเ่ ปลีย่ นพลงั งานจากการหมนุ ซงึ่ ขับโดยเคร่ืองยนต์หรอื มอเตอรไ์ ฟฟ้าเปน็ แรงดันนา้ มนั ไฮดรอลกิ เขา้ สวู่ งจรไฮดรอลิก ป้ัมท่ีใช้เครื่องยนตห์ รือมอเตอรไ์ ฟฟา้ ขบั โดยตรง เม่อื ใดกต็ ามทเ่ี ครอ่ื งยนตห์ รือมอเตอร์หมุนป้ัมกจ็ ะทางานไปดว้ ยดงั รูปท่ี 14

ชนิดของป้มั ไฮดรอลิก * เกยี ร์ปัม้ (Gear Pump) เปน็ ปั้มที่นยิ มใช้งานมากในปัจจบุ ัน จดุ เดน่ ของปม้ัชนดิ นี้คอื - มโี ครงสรา้ งง่าย ๆ ไมส่ ลบั ซบั ซอ้ น - มขี นาดเล็กและน้าหนกั เบา - ไมค่ อ่ ยเสีย และง่ายต่อการดูแลรกั ษาและซ่อมบารุง มีหลายร่นุ ให้เลือกต้งั แต่แรงดนั นอ้ ย ๆ จนไปถงึ แรง ดนั มาก ๆ และราคาไมแ่ พง เกยี ร์ปั้มยงั แบง่ เปน็ประเภทต่าง ๆ ไดอ้ ีกดงั ตอ่ ไปน้ี - External Gear Pump คอื ปั้มทีม่ เี กียรสองตัวโดยทีฟ่ นั ของเกยี ร์ทั้ง สองตัวนั้นขบกัน - Internal Gear Pump คอื ปัม้ ทีเ่ กียร์จะขบอยู่กบั ตัวเรือนปมั้ ดงั รปู ท่ี 15

ชนดิ ของปม้ั ไฮดรอลกิ * ปม้ั แบบลูกสูบ (Displacement Volume Pump) คณุ ลกั ษณะท่สี าคัญของปม้ั ลกั ษณะนม้ี ดี งั นี้ - มปี ระสิทธิภาพสูงเพราะว่าปัม้ แบบนี้มกี ารร่วั ท่เี กิดข้นึ ภายในน้อย - ปม้ั บางแบบสามารถที่จะปรับปรมิ าณการไหลไดโ้ ดยทใ่ี ชค้ วามเร็วรอบเท่าเดมิ เหมาะกับงานที่ต้องการแรงดนั สงู และนา้ มนั ทีร่ ว่ั ตอ่ รอบน้อยกวา่

Cam Plate Pump จะมีใชก้ ับเครนไฮดรอลกิ สม์ าก หลกั การทางานของปัม้ แบบนีก้ ็เหมือนกับป้มั แบบลูกสบูธรรมดา ช้นิ สว่ นทีบ่ ังคบั ใหล้ ูกสบู เคล่ือนทขี่ ึ้นลงก็คอื แผ่นเอยี งหรือ (Cam Plate) ซงึ่ จะหมุนไปรอบ ๆ เมอื่ สว่ นทีส่ ูงของแผน่ เอยี งไปสัมผสั กับดา้ นลา่ งของลูกสูบมนั กจ็ ะดนั ลูกสบู ขึน้กลายเป็นจังหวะอัดของลกู สูบ เมอื่ แผน่ เอยี งหมุนตอ่ ไปจนถึงสว่ นทต่ี า่ ของแผน่ เอยี งสมั ผสักบั ด้านลา่ งของลูกสูบ กจ็ ะทาใหล้ ูกสูบเรม่ิเคล่ือนท่ีลงกลายเป็นจงั หวะดดู ของลกู สูบ การทางานกจ็ ะสลับอยา่ งนเี้ รอ่ื ยไป

ปม้ั แบบใบเวน (Vane Pump) คุณลักษณะทส่ี าคญั ของป้มั ลกั ษณะน้มี ีดงั นี้ 1. สามารถทางานไดท้ ค่ี วามเรว็ รอบสูง 2. เหมาะสาหรบั งานที่ใชแ้ รงดันตา่ จนถึงแรงดนั ขนาดปานกลาง 3. ราคาถูก หลักการทางานของเวนปั้มก็คอื เมือ่ ปมั้ หมนุ ก็จะสลดั ใบเวนให้ออกมาสัมผสั กบั ตัวเรอื นปัม้ โดยท่ีแกนของใบพดั จะติดเยือ้ งศูนยอ์ ยูภ่ ายในตวั เรอื นปมั้จากการท่ีแกนของใบพดั ทต่ี ิดต้งั อยู่อยา่ งเยอ้ื งศนู ยจ์ งึ ทาใหเ้ วลาท่ใี บพัดของปม้ั หมนุไปรอบ ๆ เรอื นปมั้ ปรมิ าตรชอ่ งวา่ งระหวา่ งใบพัดของแต่ละช่วงไมเ่ ทา่ กัน โดยท่ีในชว่ งจงั หวะดดู ช่องว่างของใบพดั จะถกู ขยายออกจนกระทั่งชอ่ งวา่ งมากท่สี ดุหลงั จากนั้นช่องวา่ งจะเรม่ิ ลดลงก็เป็นจงั หวะอัด การทางานของปม้ั ชนดิ นจ้ี ะเงียบไม่มเี สียงดัง

1. อปุ กรณท์ างาน (Actuator) คอื อุปกรณท์ ่ีเปลี่ยนพลังงานจากแรงดนั ของนา้ มนั ไฮดรอลิกไปเป็นเคล่ือนท่ีในเชิงเสน้ ดงั รปู ท่ี 17 หรอื การหมุนดงั รปู ท่ี 18 อปุ กรณ์ทางานเปน็ เสมอื นกบักล้ามเนอื้ แขนขาในร่างกายของคนเรา อุปกรณ์ทางานในระบบไฮดรอลกิ ส์ กค็ ือกระบอกสบู (Hydraulic Cylinder) และมอเตอรไ์ ฮดรอลกิ ส์ (Hydraulic Motor)

2. กระบอกสบู ไฮดรอลกิ (Hydraulic Cylinder) กระบอกไฮดรอลิกนัน้ เราสามารถทจี่ ะแบง่ ได้เป็นสองประเภทตามทิศทางของแรงทกี่ ระทาบนลกู สบู คือ Single Acting Cylinder และ Double ActingCylinder * Single Acting Cylinder กระบอกสูบไฮดรอลกิ ชนิดน้มี รี ทู างเขา้ และทางออกของนา้ มันไฮดรอลิกน้ันมีเพยี งรูเดียวหรือมีรทู ด่ี า้ นเดยี วของกระบอกสบู แรงทเี่ กิดจากการกระทาของแรงดนัของนา้ มันไฮดรอลกิ น้นั เกดิ ในทศิ ทางเดยี วดงั รูป การกลับสู่ตาแหน่งเดมิ ของลกู สบูจะใช้แรงดนั ของสปรงิ หรือน้าหนักของโหลดทดี่ นั กลบั ดงั รปู ท่ี 21 * Double Acting Cylinder ลูกสบู ชนดิ นี้จะมีรูเขา้ ออกของนา้ มนั ไฮดรอลิกสองทางหรือทั้งสองด้านของลกู สบู ทิศทางการเคล่อื นทไ่ี ปมาของลูกสูบไฮดรอลิกในกระบอกสูบนั้นเปน็ ผลมาจากแรงดนั ของน้ามนั ทัง้ สองทางดงั รูปที่ 22 ส่วนประกอบหลัก ๆ ของกระบอกสบู ไฮดรอลิกนั้นจะประกอบดว้ ย ลูกสบู , กระบอกสูบ, ก้านสูบ, Oil Seal, Packing,และตัวกนั ฝนุ่ (Dust Seal) ดงั รูปที่ 23

3. มอเตอร์ไฮดรอลกิ ส์ (Hydraulic Motor) มอเตอร์ไฮดรอลิกส์ คอื อปุ กรณท์ างานท่ีทาหน้าที่เปล่ยี นแรงดนั ของนา้ มนั ไฮดรอลิกไปเป็นการหมนุ สว่ นโครงสร้างภายในจะเหมือนกนั กบั ปัม้ ไฮดรอลกิ แตก่ ารทางานจะกลบั ด้านหรือตรงกนั ข้ามมอเตอร์ไฮดรอลกิ ส์ คือจะเปลย่ี นแรงดนั เป็นพลงั งานกล แตป่ ัม้ ไฮดรอลกิ สเ์ ปล่ยี นพลงั งานกลเป็นแรงดนั

4. ถังน้ามันไฮดรอลิก คืออปุ กรณ์ที่ทาหนา้ ที่กกั เกบ็ นา้ มนั ไฮดรอลิกส์ เพอื่ ใช้หมนุ เวียนในระบบหน้าทขี่ องถงั นา้ มันไฮดรอลกิ ส์ 1. กักเกบ็ นา้ มนั ไฮดรอลกิ สไ์ วเ้ พ่อื จา่ ยให้แก่ระบบอยา่ งเพียงพอกับความต้องการ 2. กาจดั สิง่ สกปรกและส่ิงปนเป้ือนท่มี ีอยู่ในนา้ มนั ไฮดรอลกิ ส์ 3. กาจดั นา้ ออกจากระบบไฮดรอลิกส์ ระบายความร้อนใหก้ บั น้ามันไฮดรอลิกส์ในระบบขนาดเล็กปริมาณของน้ามนั จะมากขนึ้ เม่ือก้านสูบหดตวั และจะลดลงเมื่อกา้ นสบู หดตัว

สรุป จากบทความท่กี ล่าวมาในรายละเอยี ดของระบบไฮดรอลกิ เบ้ืองต้น หลักการทางานของระบบ อปุ กรณท์ ่ีสาคญั ๆ ในบางส่วนในฉบับหนา้ จะกล่าวถึงเรอื่ งอุปกรณท์ ี่สาคญั ของระบบไฮดรอลกิ ที่เหลอื เช่น กรอง วาล์วชนิดต่าง ๆ ตลอดจนนา้ มนั ไฮดรอลกิ ส์ เอกสารอ้างองิ [1] Hydraulic Advance, TADANO LTD., Japan