Hydraulik (av grekiskans hydor, "vatten" och aulo's, "rör") är den lära som behandlar hydrodynamikens praktiska tillämpningar om vätskors rörelse i kanaler och rör, strömningsmotstånd, tryckvågor, med mera.
Hydraulik är ett samlingsbegrepp för komponenter som ingår i ett hydrauliksystem, vanligen benämnt hydraulsystem. Hydraulsystem är inordnade i gruppen fluidsystem (både vätska och gas) där hydraulsystem arbetar med vätska och pneumatiksystem arbetar med gas.
Ett hydraulsystem är en konstruktion avsedd att medelst en strömmande trycksatt vätska överföra, och i de flesta fall styra energin, från en kraftkälla i form av en el-motor eller förbränningsmotor, till hydraulmotorer och/eller hydraulcylindrar. Hydraulsystemets pumpar, motorer, regulatorer, ventiler och ackumulatorer kan därvid styras på en rad olika sätt för att åstadkomma en för alla maskintyper mycket hög verkningsgrad och precision i energiöverföringen, till skillnad från mekaniska transmissioner som har kraftiga begränsningar i reglerbarhet. Man skiljer mellan hydraulsystem, även kallade hydrostatiska system, och hydrodynamiska system. Den effekt som överförs i ett hydraulsystem definieras av vätskans tryck (N/m²) multiplicerad med volymflödet (m³/sekund). Hydraulsystemets verkningsgrad (ηtotal) definieras som utgående effekt (Watt) dividerad med ingående effekt och ligger för konventionella hydraulsystem i området max. 0,90–0,75. De flesta typer av hydraulsystem för kontinuerlig överföring av hydrauleffekt kräver någon form av kylare för att inte vätskan ska överhettas (temperaturer över cirka 60 °C). För äldre typer av hydraulsystem, som ibland kunde ha väldigt låg verkningsgrad, kunde kylbehovet vara stort. För moderna hydraulsystem, med hög verkningsgrad, är kylbehovet avsevärt mindre. Vid användning av vattenbaserad fluid kan fluidens värmetålighet vara så hög att det är andra komponenter, till exempel tätningar, som begränsar den maximala temperaturen.
Hydraulik är också ett ämne i ingenjörsvetenskapen som behandlar vätskors mekaniska egenskaper. Strömningsmekanik utgör den teoretiska grunden för hydrauliken. Hydraulik tillämpas inom många vetenskapliga och tekniska områden, och behandlas i ämnen som rörströmning, vattenkraft, pumpteknik, turbinteknik, grundvattenströmning, flödesmätning, kanalströmning och erosion.
Moderna hydraulsystem, allmänt I hydraulsystem av typen hydrostatiska system är energiöverföring av deplacementstyp, det vill säga en vätska tvingas att strömma av en deplacerande pump varvid vätskan trycksätts motsvarande det tryck som lasten åstadkommer i form av ett lastmoment från en hydraulmotor eller lastkraften från en hydraulcylinder. Vätskans kompressibilitet, inkluderat eventuellt fri luft i vätskan, är i detta fall av stor betydelse för energiöverföringens verkningsgrad liksom de strömningsförluster som uppstår i förbindelserören mellan pumpar och motorer/cylindrar och strömningsförluster i mellanliggande ventiler. Den ideala effekt som överförs i ett hydraulsystem är vätskans tryck gånger flödet. Till detta kommer en totalverkningsgrad i energiöverföringen som man överslagsmässigt kan sätta till η = 70–75 % för att få en uppfattning om erforderlig storlek på kraftkällan i form av en el-motor eller dieselmotor som driver hydraulpumpen. Genom att arbeta med höga tryck (200–300 bar), låga strömningshastigheter (max. 4–5 m/s), små läckagespalter i pumpar, motorer och ventiler, ett optimalt viskositetsområde (15–30 cSt) och en "inkompressibel" vätska med lågt luftinnehåll kan en mycket hög verkningsgrad erhållas i energiöverföringen med totalverkningsgrader inkluderande effektförluster i hydraulpump och hydraulmotor/cylinder, upp mot 90 % för en enskild krets hydraulpump – hydraulmotor eller hydraulpump – hydraulcylinder.
Den trycksatta vätskan i hydraulsystem används inte enbart för att överföra energi utan svarar också för smörjning av de komponenter som ingår i systemet där smörjegenskaperna under skilda förhållande är av stor betydelse för komponenternas livslängd. Normalt används speciella oljor baserade på mineralolja med olika tillsatser för att främst minska viskositetens beroende av oljetemperaturen (högt viskositetsindex), förbättra oljans luftavskiljningsförmåga och förhindra oxidation vid högre temperaturer. För mobila maskiner är det i många tillämpningar ett krav att biologiskt nedbrytbara oljor används genom risken för stora läckage där mineralolja kan förgifta markområden och grundvatten. Ett exempel på biologiskt nedbrytbar hydraulolja med låg kompressibilitet och smörjande egenskap är ricinolja.
Grundläggande byggstenar i hydraulkomponenter Den mest grundläggande delen i ett hydraulsystem är användningen av en inkompressibel fluid, det vill säga en vätska som förändras marginellt i volym då den utsätts för en tryckförändring. Den enklaste formen av hydraulvätska är rent vatten, som historiskt utgjorde grunden för utvecklingen av moderna hydraulsystem. Den vanligaste vätskan i moderna hydraulsystem är olja med mineraloljebas eller helsyntetisk olja.
De grundläggande delar som alla hydraulkomponenter i hydrostatiska system byggs upp av kan sammanfattas i följande delar: Tryck- och energiöverförande vätska med så hög tryckmodul som möjligt med ett minimum av smuts eller slitagepartiklar som även kan fungera som smörjmedel med hög bärighet mellan rörliga ytor och svara för bortförseln av energiförluster som visar sig i form av en temperaturhöjning på vätskan. Spalter mellan rörliga eller stationära ytor på 1 – 10 μm för lägsta möjliga läckage. Se spaltströmning. Plana, cirkulära eller sfäriska ytor som hydraultycket verkar på. Cylindriska eller sfäriska ytor med små spalter mellan rörliga delar. Densitära strypningar i storleksordningen 0,6 – 2 mm för viskositetsoberoende tryckfall och kontrollerade läckage. Tätningar med positiv tätningsfunktion, det vill säga helt läckagefria tätningar. Enklaste formen är O-ringen eventuellt med stödring för att förhindra att O-ringen pressas ut i spalten av hydraultrycket mellan de ytor som ska avtätas. Spiralfjädrar som ger en motriktad kraft på delar med ytor som hydraultrycket verkar på för att åstadkomma en kraftbalans mellan mekanisk och hydraulisk kraft.
Det mest grundläggande formen av hydraulsystem är den klassiska domkraften där kolvsidan i en hydraulcylinder med liten diameter verkar på kolvsidan i en hydraulcylinder med större diameter med kolvutrymmena förbundna med en fast eller flexibel hydraulledning. Avsikten med systemet är att åstadkomma en kraftförstärkning i likhet med en mekanisk hävarm.
Hydraulikens genombrott mini|höger|Grävmaskin Huvudfunktioner, hydraulik:Bomcylindrar, grävskopa, skoprotator och skoplutning, schaktblad, svängning överdel och larvbanddrivning. mini|höger|Bergborraggregat.Huvudfunktioner, hydraulik:Borrmaskin, borrmatning, bomcylindrar, drivning av dammsugarfläkt, hjälpvinsch vid terrängkörning och larvbanddrivning. mini|höger|Hydraulisk kraft- och momentutväxlingGrundläggande princip. mini|höger|Öppen respektive sluten krets Hydrauliken inom ingenjörsteknisk verksamhet fick sitt stora genombrott volymmässigt i början av 1960-talet då de helmekaniskt uppbyggda linstyrdaMed "linstyrda" avses grävmaskinsarmar och skopa som manövrerades med mekaniskt drivna vinschar och stållinor över brythjul. Vinscharna var monterade i anslutning till förarplatsen och kopplades in manuellt med stora spakar via slirkopplingar. grävmaskinerna ersattes med hydrauldrivna grävmaskiner där Åkermans i Eslöv var den första på den svenska marknaden. En hydraulisering i stor skala följde tätt därefter av i stort sett alla typer av anläggningsmaskiner, skogsmaskiner, jordbruksmaskiner, bergborraggregat, mobilkranar med flera maskintyper. Hydrauliken har inneburit en revolution för tillverkare av mobila maskinutrustningar genom möjligheten att enkelt kunna överföra stora effekter med hög verkningsgrad från en central kraftkälla till spridda förbrukare kombinerat med möjligheten till steglöst ställbar hydrostatisk kraft- och momentutväxling i energiöverföringen.
Den hydrostatiska energitransmissionen ger en mycket stor flexibilitet i maskinuppbyggnad med tekniska möjligheter som inte kan åstadkommas med annan teknik. Dessa möjligheter har också haft en mycket stor betydelse för mekaniseringen inom den mobila maskinsektorn och helt nya typer av maskinprinciper har utvecklats, som inte hade varit möjliga utan hydraulik.
Energiöverföringen mellan kraftkälla och förbrukare sker genom användning av stålrör utefter fasta maskindelar eller med flexibla/böjliga hydraulslangar vid övergångar där maskindelarna rör sig i förhållande till varandra inom ett begränsat vinkelområde. Vid större vinkelområden, som exempelvis vid övergången mellan en grävmaskins överdel där dieselmotor med hydraulpumpar är monterade till underdelens hydraulmotorer för framdrivningen sker överföringen av hydraulenergin med svivlar. Avstånd mellan kraftkälla och förbrukare på 20 – 40 m utgör inga problem om hydraulrör och slang dimensioneras rätt. Exempel: Med en hydraulledning med innerdiameter 25 mm överförs vid flödet 200 l/min (motsvarande en strömningshastighet på 1,7 m/s) och trycket 250 bar en effekt på 83 kW (111 hk).
Hydraulik för olika tillämpningar I kommersiella sammanhang skiljer man mellan mobilhydraulik och industrihydraulik där komponenterna främst skiljer sig med avseende på inbyggnadsmått, tyngd, driftdata, krav på livslängder med mera, även om det inte finns någon skarp gräns mellan dessa områden. Man kan särskilja speciella grupper av hydraulkomponenter anpassade för olika miljöer som inom den marina sektorn, exempelvis hydraulik för oljeplattformar och fartyg som används i havsmiljö med hög luftfuktighet/saltvatten och hydraulik under vatten där det ställs speciella krav. En annan grupp är hydraulkomponenter för användning i explosionsfarliga miljöer, exempelvis i kolgruvor med explosiva gaser som inte helt kan ventileras bort. Hydraulik för flygplan intar en särställning inom hydrauliken där samtliga hydraulkomponenter är konstruerade för speciella driftförhållanden med speciella tekniska lösningar och extrema krav på livslängder/säkerhet mot utmattningsbrott, omgivningstemperaturer och låg tyngd. Dessa komponenter används aldrig för markbaserade maskiner.
Hydraulik för kraft och momentutväxling En mycket viktig egenskap hos hydraulik, förutom i användning som energiöverföringsmetod, är möjligheten till mycket stora kraftutväxlingar/momentutväxlingar genom att utnyttja olika areor/deplacement som systemtrycket verkar på i analogi med en hävstång eller en remväxel. Den allra enklaste formen av ren kraftförstärkning med användning av hydraulik är en vanlig hydraulisk domkraft där en hydraulpump i form av en enkelverkande hydraulcylinder med en liten kolvarea är kopplad till en enkelverkande lyft-hydraulcylinder med en betydligt större kolvarea. Kraftutväxlingen är direkt proportionell mot förhållandet mellan de båda cylindrarnas kolvareor.
För en hydraulcylinder med en kolvdiameter på D = 100 mm erhålls vid ett hydraultryck på 250 bar (25 MPa) en utgående kraft på cirka 20 ton. På motsvarande sätt ger en vanligt förekommande hydraulmotor på med ett deplacement = 1 000 cm3/varv (1 liter/varv), ett moment på ca 6 300 Nm vid 400 bar. Detta motsvarar kraften av tyngden 630 kg med en hävarm på 1 m. Ett exempel på en hydraulmotor inom det allra största deplacementsområdet för kommersiell verksamhet är en radialkolvmotor som har ett deplacement på 250 000 cm3/varv (250 l/varv) med ett avgivet moment på nära 1,4 MNm med ett maximalt utgående varvtal på 10 varv/minut. Momentet motsvarar kraften av en tyngd på 14 ton med en hävarm på 10 m. Hydraulmotorn i detta fall väger cirka 10 ton. För att driva hydraulmotorn med full effekt erfordras en kraftkälla på cirka 1 460 kW (1 960 hk).