液压传动是现代机械系统中不可或缺的一部分,其核心在于压力和流量这两个基本参数。理解这些参数的特性及应用,能够帮助我们更好地掌握液压系统的运行原理与效率。
一、压力
1.压力的概念
在液压学中,压力(或称压强)是液体在单位面积上所受的法向力,通常用符号p表示。假设在液体某一面积上施加均匀的力F,压力可以用公式表示为:
p=F/A
根据国家标准,压力的单位是N/m²(牛顿每平方米),也常用Pa(帕)表示;在工程中,MPa(兆帕)、bar(巴)和kgf/cm²(千克力每平方厘米)也被广泛使用,其换算关系为:
1MPa=10bar=10
Pa=10.2kgf/cm²
2.静压传递
依据帕斯卡原理,在封闭容器中的静止液体,外力施加于液面的压力可以均匀传递至液体内部的所有点。假设有两个液压缸A1和A2相连,如图2-1所示,较大活塞缸A2内的活塞受到重力W的作用。当小活塞缸A1施加力F1时,液体中的压力随之增大,直至两缸的压力平衡,此时大活塞缸A2的活塞开始运动。
图2-1展示了帕斯卡原理的应用,显然,静压力传递的特征如下:
传动过程必须在密闭容器内进行。
液压系统内的压力大小由外部负载决定。当外负载W=0时,p=0。
液压传动能实现力的放大,放大倍数等于活塞面积的比值。
3.静压力基本方程
静止液体内部的受力状况可以通过图2-2来分析。设某容器内装满液体,在任一点A处选取一微小面积dA,距离液面深度为h,距离坐标原点的高度为Z0。为了计算该点的压力,可以将dA所对应的液柱视为一个分离体。依据静压力的特性,作用在液柱上的力在各个方向均保持平衡。对于该液柱,Z方向的平衡方程为:
pdA=P
dA+ρghdA
由此可得P=P
+ρgh。
该公式的分析结果表明:
静止液体内任意点的压力由液面表面压力P
和液体自重引起的压力ρgh两部分组成。
静止液体的压力随着距离液面的深度变化而呈线性分布,且同一深度下的各点压力相等,这些点构成了等压面,明显地在重力作用下静止液体的等压面是平面。
通过以下方式可以使液面产生压力p:通过固体壁面(如活塞)、通过气体或通过不同密度的液体。
4.压力的表示方法
压力可以分为绝对压力和相对压力。以绝对真空(p=0)为基准所测得的压力称为绝对压力;以大气压p
为基准的测得压力则为相对压力。如果绝对压力大于大气压,相对压力为正值,通常所测得的压力多为相对压力,因此也称为表压力;若绝对压力低于大气压,则相对压力为负值,此时被称为真空度。
5.液体作用于固体壁面的力
液体在通过管道和控制元件并推动执行元件做功时,必然与固体壁面接触。计算液体对固体壁面的作用力是必要的。当固体壁面为平面时,流体对该平面的作用力E等于流体的压力p与该平面的面积A的乘积,即F=pA。
二、流量
1.流量的概念
流量指的是单位时间内流经某一截面的液体体积,用g表示。流量的国家标准单位是m³/s(立方米每秒),在工程应用中常用L/min(升每分钟),其换算关系为:1m³/s=6×10
L/min。
当油液通过某一截面积的管道或液压缸时,其平均流速用v表示。活塞或液压缸的运动速度正是液压缸内油液的平均速度,这一速度的大小与输入到液压缸的流量密切相关。
2.液流的连续性
在理想条件下,液体在同一时间内流经同一通道的两个不同截面的体积相等。以图2-4为例,流过截面1和截面2的流量分别为q1和q2,截面面积分别为A1和A2,液体在这两个截面流动时的平均流速分别为v1和v2。根据液流连续性原理,有q1=q2,即
v1A1=v2A2=常量。
这表明在无分支管路的稳定流动状态下,液体在不同截面流动时的平均流速与截面积的大小成反比,管道截面积较小的地方流速较快,反之亦然。
理解液压传动的压力与流量不仅有助于我们深入探讨其工作原理,也能为工程应用提供基础知识。有效掌握这些内容,将为液压系统的设计与优化奠定坚实的基础。