引言
當(dāng)今建筑機(jī)械中使用液壓系統(tǒng)十分廣泛。盡管還有電氣、氣動(dòng)或機(jī)械系統(tǒng)可供選擇利用，但是液壓系統(tǒng)已越來(lái)越多地得到應(yīng)用。例如在許多挖掘機(jī)上，利用液壓系統(tǒng)提升和降下動(dòng)臂，移動(dòng)鏟斗，以及機(jī)器上部結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)動(dòng)作的完成。
為什么使用液壓系統(tǒng)？原因很多，部分原因是由于液壓系統(tǒng)在動(dòng)力傳遞中具有用途廣、效率高和簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。液壓系統(tǒng)的任務(wù)就是將動(dòng)力從一種形式轉(zhuǎn)變成另一種形式。我們希望能幫助您理解液壓系統(tǒng)的基本工作原理。
液壓發(fā)展的歷史
已經(jīng)說(shuō)過(guò)，液壓系統(tǒng)將動(dòng)力從一種形式轉(zhuǎn)變成另一種形式。這一過(guò)程通過(guò)利用密閉液體作為媒介而完成。通過(guò)密閉液體處理傳遞力或傳遞運(yùn)動(dòng)的科學(xué)叫做“液壓學(xué)”，液壓學(xué)一詞源于希臘語(yǔ)“hydros”，它的意思為水。液壓學(xué)科學(xué)是一門年輕的科學(xué)—僅有數(shù)百年歷史。它開始于一位名叫布萊斯·帕斯卡的人發(fā)現(xiàn)的液壓杠桿傳動(dòng)原理。這一原理后來(lái)被稱為帕斯卡定律。雖然帕斯卡作出了這一發(fā)現(xiàn)，但卻是另一位名叫約瑟·布拉姆的人，在他于1795年制造的水壓機(jī)中首次使液壓得到了實(shí)際使用。在這一水壓機(jī)中作為媒介利用的液體就是水。
流體動(dòng)力學(xué)和流體靜力學(xué)水力學(xué)科學(xué)自帕斯卡發(fā)現(xiàn)以來(lái)得到了長(zhǎng)足發(fā)展。事實(shí)上，它現(xiàn)在已劃分成兩門科學(xué)。
流體動(dòng)力學(xué)就是我們所說(shuō)的運(yùn)動(dòng)液體科學(xué)。液體靜力學(xué)就是我們所說(shuō)的壓力液體科學(xué)。水輪就是流體動(dòng)力工具的一個(gè)很好的例子。所使用的能量就是水的運(yùn)動(dòng)能量。在流體靜力裝置中，則使用不同的能量。液體作為能量的媒介使用。液體流動(dòng)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，但是它們不是這種運(yùn)動(dòng)的源泉。由于密閉液體處于壓力之下，能量得到了轉(zhuǎn)移。當(dāng)今使用的大部分液壓機(jī)械以流體靜力方式運(yùn)行。
壓力和流動(dòng)
壓力和流動(dòng)的作用在液壓基礎(chǔ)研究中，我們將談及以下內(nèi)容：力，能量轉(zhuǎn)移，功和動(dòng)力，所有這些參數(shù)將在與之相關(guān)的壓力和流動(dòng)中談到。壓力和流動(dòng)是每一個(gè)液壓系統(tǒng)中的兩種主要參量。壓力和流動(dòng)互相關(guān)連，但是各自完成任務(wù)不同。
壓力推動(dòng)或施加力或扭矩。流動(dòng)使事物移動(dòng)。
水槍是壓力和流動(dòng)在實(shí)際使用中的很好例子?？蹌?dòng)扳機(jī)在水槍內(nèi)形成壓力，產(chǎn)生的壓力使水從水槍前面射出，從而使木制士兵移動(dòng)。
什么是壓力？
讓我們考慮一下壓力是為什么和如何形成的。流體(氣體或液體)受擠壓時(shí)會(huì)膨脹并產(chǎn)生作用力。這就是壓力。當(dāng)你把空氣注入輪胎時(shí)，則產(chǎn)生了壓力。你連續(xù)將越來(lái)越多的空氣注入輪胎，當(dāng)輪胎充滿氣體時(shí)，內(nèi)部不再需要空氣，而氣體仍不斷進(jìn)入，氣體將向外推動(dòng)輪胎壁，這種推力就是壓力的一種形式。然而，空氣是一種氣體，因此它可以被壓縮。壓縮空氣以各點(diǎn)相等的力向外推動(dòng)輪胎壁，當(dāng)所有流體處于壓力之下時(shí)，情況也是如此。主要差別是，氣體可作較大的壓縮，液體則只能作微量壓縮。
密閉流體的壓力如果您推動(dòng)密閉的液體，則產(chǎn)生壓力。像輪胎中空氣的例子一樣，這種壓力在裝有液體容器的各點(diǎn)上是相等的。如果壓力太大，容器會(huì)破裂；
因?yàn)楦鼽c(diǎn)的壓力是相同的，所以容器會(huì)在其最薄弱之處破裂，而不是在壓力最大之處破裂。
密閉液體可用于管路中沿著轉(zhuǎn)角，向上向下的傳遞動(dòng)力，因?yàn)橐后w幾乎是不可壓縮的，動(dòng)力傳送可以立即發(fā)生。大部分液壓系統(tǒng)使用油，這是由于油幾乎是不可壓縮的。同時(shí)，油可以在液壓系統(tǒng)中起潤(rùn)滑劑作用。
壓力和力的關(guān)系
在帕斯卡定律中，壓力和力之間有兩個(gè)重要關(guān)系，它們是以下兩項(xiàng)等式：
液壓杠桿在下圖所示的活塞模型中，你可以看到通過(guò)液壓杠桿互相平衡重量的例子。帕斯卡類似這一例子的發(fā)現(xiàn)是，只要活塞面積與重量成比例，小活塞上的小重量就可以平衡大活塞上的大重量。他的這一發(fā)現(xiàn)可以利用密閉液體證實(shí)。其原因是，液體在相同的面積上作用著相同的力。
在插圖中，你看到的是2公斤重量和100公斤重量。2公斤重量的作用面積是1平方厘米，因此其壓力為2
公斤/平方厘米；另一重量是100公斤，其作用面積是50平方厘米，因此它的壓力也是2公斤/平方厘米；結(jié)果是兩個(gè)重量平衡。這就是一種類型的液體杠桿。
機(jī)械杠桿可以利用以下插圖中的機(jī)械杠桿例子說(shuō)明相同的情況。1公斤的貓坐在距杠桿支點(diǎn)5米的位置，它與坐在距杠桿支點(diǎn)一米位置的5公斤的貓可以使杠桿平衡，就像液壓杠桿中的平衡重量一樣。
液壓杠桿中的能量傳遞務(wù)必牢記，流體在相同的作用面積上的作用力相同。在工作狀態(tài)中，這一規(guī)律對(duì)我們大有幫助。如果我們有兩只尺寸完全相同的油缸，因?yàn)槊恐换钊拿娣e相等，所以當(dāng)我們以10公斤的力向下按動(dòng)一只活塞時(shí)，它使另一只活塞產(chǎn)生10公斤的上推力。如果面積不相等，則力也不相等。
例如，假定系統(tǒng)另一端大活塞的表面面積為50平方厘米，小活塞的面積為1平方厘米，當(dāng)我們將10公斤的力作用于較小的活塞時(shí)，根據(jù)帕斯卡定律，它將產(chǎn)生10公斤/平方厘米的壓力作用于大活塞的每一個(gè)部分，因此，大活塞接受總共為500公斤的力。我們以這種方式利用壓力傳遞能量，并使之為我們工作。
這種能量傳遞過(guò)程中十分重要的一點(diǎn)是力和距離之間的關(guān)系。
記住，在機(jī)械杠桿中，施加相等的力時(shí)，較輕的重量需要更長(zhǎng)的杠桿。要使5公斤的貓?zhí)岣?0厘米，1公斤的貓必須向杠桿下方移動(dòng)50厘米。
讓我們?cè)倏匆幌乱簤焊軛U插圖，并考慮較小活塞移動(dòng)的距離。需要較小的油缸產(chǎn)生50厘米的行程傳遞足夠的液體使大油缸移動(dòng)1厘米。
流動(dòng)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)
什么是流動(dòng)？
當(dāng)液壓系統(tǒng)的兩點(diǎn)上有不同的壓力時(shí)，流體流動(dòng)至壓力較低的一點(diǎn)上。這種流體運(yùn)動(dòng)叫做流動(dòng)。這里舉一些流動(dòng)的例子。城市水廠在我們的水管中形成壓力或水位差。我們打開龍頭時(shí)，壓力差異將水壓出。
速率和流量
速率和流量是測(cè)量流動(dòng)的兩個(gè)參數(shù)。
速率是液體通過(guò)規(guī)定點(diǎn)流動(dòng)的速度。
流量和速度
在液壓油缸中，可以很容易地看到流量和速度之間的關(guān)系。我們必須首先考慮需要加注的油缸容量，然后再考慮活塞的運(yùn)動(dòng)距離。
這里油缸A為兩米長(zhǎng)，容量10升，油缸B只有1米長(zhǎng)，但是容量也是10升。如果我們每分鐘將10升液體泵入每一個(gè)油缸，兩活塞將在一分鐘內(nèi)完成它們的全部行程；在這種情況下，油缸A中的活塞運(yùn)動(dòng)速度快是油缸B的兩倍。這是因?yàn)樵谙嗤瑫r(shí)間內(nèi)它有兩倍于B油缸的距離移動(dòng)。
這告訴我們，當(dāng)兩者流量相同時(shí)，小筒徑油缸運(yùn)動(dòng)速度比大筒徑油缸更快。如果我們把流量提高到20升/分鐘，將可以用一半的時(shí)間加注油缸室?；钊俣纫矊⒖靸杀?。因此，我們有兩種方法加快油缸速度。一是減小油缸尺寸，二是增大油缸流量。這樣，油缸速度和流量成正比例，而和活塞面積成反比例。
提要
壓力和力
壓力的形式
如果你按動(dòng)一裝滿液體容器的塞頭，液體將止動(dòng)塞頭。按動(dòng)塞頭受到液體的抵抗力與容器各邊受到的力相同。如果繼續(xù)越發(fā)用力地按動(dòng)塞頭，則容器會(huì)遭到破壞。
最小阻力通道
如果您有一充滿液體的容器，并且在容器一側(cè)開一孔口，當(dāng)你按動(dòng)頂部，液體便會(huì)從此流出。這是因?yàn)榭卓谑俏ㄒ粵](méi)有阻力的點(diǎn)。我們說(shuō)當(dāng)力作用于密閉液體時(shí)，液體將從阻力最小的部位流出。
油壓設(shè)備的故障
受壓液體的以上特點(diǎn)在液壓設(shè)備中十分有用，但是這也是大部分液壓故障的根源。例如，如果你的系統(tǒng)中有泄漏，受壓液體將從這里流出，因?yàn)橐后w始終在尋找最易于流動(dòng)的方向。配合部位松動(dòng)或損壞之密封部位的油泄漏即為典型例子。
自然壓力
我們談到了壓力和流動(dòng)，但是壓力常常在沒(méi)有流動(dòng)的情況下存在。重力就是很好的例子。如果我們有如下圖所示的三個(gè)相連的不同水位的容器，重力使內(nèi)部液體處于同一水平之上。這是我們可以在液壓系統(tǒng)中利用的另一條原理。
重力的作用
重力產(chǎn)生的壓力把油箱中的油壓入泵。油不是象許多人想像的那樣被泵“吸入”的。泵工作把油推出。通常所說(shuō)的泵的吸油過(guò)程，意指重力將油推入泵。
液體的重量
液體重量也產(chǎn)生壓力。潛入海中的潛水員會(huì)告訴你，他們不能潛得太深。如果他們潛得太深，壓力會(huì)使他們受到傷害。這種壓力來(lái)自水的重量。因此，還存在一種來(lái)自液體本身重量的壓力。
壓力與深度成比例增大，我們可以精確計(jì)算任何深度的壓力。插圖中，你可以看到高度為10米的一平方米水柱。大家知道，一立方米水重量為1,000公斤。用水柱高度10米乘以這一數(shù)量，得到的總重量是10,000公斤。底部面積是一平方米。這水樣，重量分布在10,000平柱方厘米之上。如果我們把總量10,000公斤除以10,000平方厘米，我們可以發(fā)現(xiàn)，這一深度的壓力是每平方厘米1公斤。
提要
什么引起壓力？
壓力與流量結(jié)合產(chǎn)生液壓力。液壓系統(tǒng)中這種壓力來(lái)自何方？一些是重力的結(jié)果，但是其余的又來(lái)自何方？
負(fù)載產(chǎn)生壓力
大部分壓力來(lái)自負(fù)載本身。以下插圖中，泵每時(shí)每刻供應(yīng)著油。泵出的油尋找使它得以通過(guò)軟管的最小阻力通道，從而作用于油缸。負(fù)載重量產(chǎn)生壓力，壓力的量則取決于負(fù)載大小。
平行連接管路中的壓力
如果我們將三個(gè)不同負(fù)載以平行方式與下圖所示的同一液壓系統(tǒng)連接，油將會(huì)找到最小阻力通道，因?yàn)橛透譈需要的壓力最低，也就是說(shuō)最輕負(fù)載將首先得到提升，提升最輕負(fù)載時(shí)，壓力將上升到足夠大小以提升下一次輕負(fù)載；油缸A到達(dá)其行程終端時(shí)，壓力上升以提升最重負(fù)載。因此油缸C將在最后被提升。
第3章
工作油缸中的液壓力
（1）慣性規(guī)律告訴我們，事物有保持其靜止?fàn)顟B(tài)的趨勢(shì)。這就是工作油缸中活塞不作運(yùn)動(dòng)的原因之一。
（2）油缸不作運(yùn)動(dòng)的另一原因是在其上作用有負(fù)載。
（3）當(dāng)泵開始將油推入油缸時(shí)，工作活塞和負(fù)載阻止油的流動(dòng)。因此抵抗這種阻力的油壓上升了，當(dāng)這一壓力大于使活塞保持在本身位置的力時(shí)，活塞便產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。
(4)活塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，它提升了負(fù)載。作功時(shí)必須共同利用壓力和流量。這就是液壓力的工作原理。
提要 / 流動(dòng)
我們?cè)?jīng)說(shuō)過(guò)，流動(dòng)的任務(wù)是使事物運(yùn)動(dòng)。記住另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，—“流量和液壓系統(tǒng)作功之間是什么關(guān)系？”答案是，如果流量穩(wěn)定，液壓油缸直徑越小，活塞運(yùn)動(dòng)速度越快。
流量增大導(dǎo)致速度加快
許多人認(rèn)為增大壓力將加快速度，但是這并不正確。不能通過(guò)增大壓力來(lái)加快活塞運(yùn)動(dòng)速度。如果你要使活塞運(yùn)動(dòng)加快，必須提高進(jìn)入油缸內(nèi)油的流量。
關(guān)閉溢流閥不會(huì)提高速度
這里有一個(gè)例子是關(guān)于排除液壓系統(tǒng)故障中常見的錯(cuò)誤處理方法。油缸速度變緩時(shí)，某些機(jī)械師會(huì)立即調(diào)整溢流閥，他們認(rèn)為增大壓力可以提高工作速度；他們?cè)噲D加大溢流閥設(shè)定，以此提高系統(tǒng)的最大壓力。但是這樣不會(huì)提高運(yùn)動(dòng)速度。配備溢流閥的意義在于保護(hù)液壓系統(tǒng)，防止壓力過(guò)高。不應(yīng)該在規(guī)定的壓力范圍內(nèi)加大壓力設(shè)定。機(jī)械師不應(yīng)該加大壓力設(shè)定，而應(yīng)該從別處尋找系統(tǒng)故障。
