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

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

Hydraulic power transmission is used in wide range of industrial applications from heavy machining to aviation flight control.  The power is transmitted using pressurized hydraulic oil as media, and the power transmission within the system is shown in figure 1.  Hydraulic pump receives mechanical power from a prime mover and produces the flow of hydraulic oil.  The oil flows through pipes and valves, and flows into the actuator.  The actuator finally delivers the power against the external load.

There are 2 types of hydraulic actuator: one that operates linearly (i.e. hydraulic cylinder), and one that operates angularly (i.e. hydraulic motor).  Consider the operation of a hydraulic cylinder during its extension as shown in a simple diagram (figure 2).  Pump produces the flow into the head end (HE) side of the cylinder, while the oil from the cylinder rod end (RE) flows back to tank.  The speed of the cylinder piston (v_cyl) depends on the flow rate of the hydraulic oil (Q_P) produced by the pump as shown in equation 1.  A_HE is the cross-sectional area of the cylinder piston at the HE side.

Figure 3 shows the free body diagram of cylinder piston under exerting forces (excluding friction).  Equation 2 describes the force balance on the piston.  P_HE and P_RE are oil pressures at cylinder HE and RE.  A_RE is the RE piston cross-sectional area and F_ext is the external load force.

The value of cylinder RE pressure (P_RE) usually is just large enough to overcome the pressure loss of the return line, however, is significantly much less than the cylinder HE pressure (P_HE).  Omitting the cylinder RE pressure, the cylinder HE pressure depends on external load force as shown in equation 3.

The pump outlet is connected to the cylinder HE during the cylinder extension (figure 2).  The pressure of the oil at the pump outlet (P_P) is therefore equal to the cylinder HE pressure plus the pressure loss between pump outlet and cylinder HE inlet.  Neglecting the pressure loss, the oil pressure at pump outlet is roughly identical to the cylinder HE pressure, P_P ≈ P_HE.

The power delivered by the hydraulic pump is the product of oil pressure at pump outlet (P_P) and oil flow rate (Q_P).  Substituting the values of Q_P from equation 1, and P_P, which is roughly equal to P_HE, from equation 3, the pump delivered power can be computed as equation 4.

Equation 4 shows that when neglecting all the losses, the pump delivered power is roughly equal to the power delivered to load.  Question such as “Could changing the size of the cylinder help saving the consuming power?” often arises in engineering conversations, and the equation 4 gives the answer.  Upsizing the cylinder may reduce the value of the operating pressure according to equation 3. 

However larger oil flow rate is needed for a bigger cylinder (equation 1), hence a bigger pump is needed.  On the other hand, downsizing the cylinder leads to a smaller oil flow rate, hence a smaller pump.  However, the system will operate at a higher-pressure level.  No matter what size the cylinder is, the pump delivers the roughly same power to the load (equation 4).  Changing the size of the cylinder or changing the size of the actuator does not alter the consuming power of the hydraulic system.

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

油圧トランスミッションは、重機械加工から航空飛行制御まで、幅広い産業用途で使用されている。  システム内の動力伝達は図1に示されているように加圧油圧オイルを媒体として伝達される。油圧ポンプは、原動機からの動力を受けて、作動油の流れを作り出す。 オイルはパイプとバルブを通ってアクチュエータに流れ込む。 アクチュエータは最終的に外部負荷に対して電力を供給する。

油圧アクチュエータには2つのタイプがある。1つは直線的に動作するもの（つまり、油圧シリンダー）で、もう1つは角度的に動作する（つまり、油圧モーター）もの。簡単な図（図2）に示すように、油圧シリンダーが伸長している時の動作を考えてみよう。ポンプはシリンダーのヘッドエンド（HE）側に流れを作り出しシリンダーロッドエンド（RE）からのオイルはタンクに戻る。シリンダーピストンの速度（v_cyl）は、数式1に示すように、ポンプによって生成される作動油（Q_P）の流量に依存する。A_HEは、HE側のシリンダーピストンの断面積である。

図3は力を加えた状態（摩擦を除く）でのシリンダーピストンの自由体の図である。  数式2は、ピストンの力のバランスを表している。P_HEおよびP_REは、シリンダーHEおよびREでの油圧。A_REはREピストンの断面積で、F_extは外部負荷力である。

シリンダーRE圧力（P_RE）の値は、通常、戻りラインの圧力損失を克服するのに十分な大きさであるが、シリンダーHE圧力（P_HE）より大幅に低くなる。シリンダーのRE圧力を省くと、シリンダーのHE圧力は、方程式3に示すように外部負荷力に依存する。

ポンプ出口は、シリンダーの延長時にはシリンダーHEに接続される（図2）。因って、ポンプ出口（P_P）でのオイルの圧力は、シリンダーHEの圧力に、ポンプ出口とシリンダーHE入口の間の圧力損失を加えたものと等しくなる。圧力損失を無視すると、ポンプ出口の油圧は、シリンダーのHE圧力P_P identical P_HEとほぼ同等の値である。

油圧ポンプによって供給される動力は、ポンプ出口での油圧（P_P）とオイル流量（Q_P）の産物である。数式1からのQ_Pの値と、式3からのP_HEにほぼ等しいP_Pの値を代入すると、ポンプの出力電力は式4として計算できる。

方程式4は、すべてのロスを無視すると、ポンプから供給される電力は、負荷に供給される電力とほぼ同じになることを示している。「シリンダーのサイズを変更することで消費電力を節約できるのか？」などの質問がエンジニアリングの会話でしばしば出てくるが、数式4がその答えを示している。シリンダーを大型化すると、数式3に因れば動作圧力の値が減少する場合がある事が分かる。しかしながら大きなシリンダー（式1）には大きなオイル流量が必要であるため、大きなポンプが必要である。その一方、シリンダーのサイズを小さくすると、オイルの流量が少なくなるため、ポンプも小さく出来る。

ただし、システムはより高い圧力レベルで動作する事となる。シリンダーのサイズに関係なく、ポンプはほぼ同じ電力を負荷に供給する（数式4）。シリンダーのサイズを変更したり、アクチュエーターのサイズを変更しても、油圧システムの消費電力は変わらないのである。