液压系统基础——力、压力、承压面积三者间的关系

本小节主要梳理一下，液压系统中的压力P，承压面积A以及系统所传递的力F三者之间的关系。

1、帕斯卡定理

帕斯卡定理可表述为：施加于静止液体上某一点处的压强，会同时、等值、且沿各个不同的方向传递。

如图1中的三个压力表所示，无杆腔中的压力处处相等。

图1

2、压力

液压系统中，压力是由阻力产生的，我们称之为动压。而由于重力引起的压力，我们称之为静压。

图2

静态压力是表示当流体想要运动时却受到了限制，不能发生流动。如图3所示，重物受重力的作用，将活塞杆向下压。但是由于前端的控制阀处于关闭状态，使得活塞杆无法下落。

因此，被困在液压缸无杆腔中的油液获得重物的势能，获得的能量我们可以通过压力表以压力的形式中度量出来。

图3

另一方面，动态压力与流体的动能有关。

因此，当流体所受阻力增大时，动态压力就增大。请看图3中的演示：

当不断减小节流口的通流面积时，压力表的读数不断增加；

当不断增大节流口的通流面积时，压力表的读数不断减小。

图3

有一点需要说明，当流体经过节流口时，由于摩擦等损失的存在，会导致节流口前后存在压力差。也就是说当流体经过节流口时，存在能量损失。

当流体经过节流断面时，流速是最大的，即流速的增加伴随着节流断面处压力的大大降低。

当流体流过节流断面之后，扩展进入更大的区域，速度下降，压力增加。

但下游压力不会完全恢复到上游的压力（对比图4中前后两个压力表的读数），这是由于较大内部紊流和能量消耗的结果。

图4

3、伯努利定理

在能量的基础那一小节，我们讲过，一个系统的总能量必须保持恒定。

伯努利原理指出，当流体的动能（流体速度）减小时，那么它的压力能（压力）则必然增大。（该定理的前提是忽略流体的粘性损失）

通过图5可以直观理解该原理：

当减小管路中间部位的管径时，该处流速不断增加，但是压力表的数值不断减小。

当增大管路中间部位的管径时，该处流速不断减小，但是压力表的数值不断增加。

图5

4、面积

圆的面积计算公式为：A=πr2

这个用不着多说。

在液压系统中，我们最关心的是与流体相接触的零部件的面积。比如图6中，液压缸的活塞面积。

图6

5、FPA 三角形

如图7所示，我们称之为FPA三角形，它可以很直观的展示液压系统中力、压力以及被驱动面积三者之间的关系。

图7

下面我们就来看看如何应用这个FPA三角形。

如果我们知道了系统压力P和液压缸活塞的面积A，那么我们就可以求出系统所传递的力F的大小。

如图8所示，知道了系统压力P=250psi，活塞面积A=10in2，就可算出力F的大小为2500lbf（lbf表示英制单位，磅力）。

图8

如果我们知道了系统压力P和系统所传递的力F的大小，那么我们就可以求出活塞面积A的大小。

如图9所示，知道了系统压力P=325psi，力F=2000lbf（lbf表示英制单位，磅力），就可算出活塞面积A的大小为6.15in2。

图9

如果我们知道了系统所传递的力F的大小和活塞面积A的大小，那么我们就可以求出系统压力P的大小。

如图10所示，知道力F=2000lbf（lbf表示英制单位，磅力）,活塞面积A=10in2，就可算出系统压力P的大小为200psi。

图10

6、力的放大作用

如图11所示，在左侧液压缸的小活塞底部施加一个较小的力，那么右侧液压缸就可以获得一个较大的举升力。从图中可知，该力被放大了5倍之多。

图11

好了，以上就是今天的内容。