引言
當今建筑機械中使用液壓系統(tǒng)十分廣泛。盡管還有電氣、氣動或機械系統(tǒng)可供選擇利用，但是液壓系統(tǒng)已越來越多地得到應(yīng)用。例如在許多挖掘機上，利用液壓系統(tǒng)提升和降下動臂，移動鏟斗，以及機器上部結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)動作的完成。
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)在動力傳遞中具有用途廣、效率高和簡單的特點。液壓系統(tǒng)的任務(wù)就是將動力從一種形式轉(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)說過，液壓系統(tǒng)將動力從一種形式轉(zhuǎn)變成另一種形式。這一過程通過利用密閉液體作為媒介而完成。通過密閉液體處理傳遞力或傳遞運動的科學叫做“液壓學”，液壓學一詞源于希臘語“hydros”，它的意思為水。液壓學科學是一門年輕的科學—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)的液壓杠桿傳動原理。這一原理后來被稱為帕斯卡定律。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年制造的水壓機中首次使液壓得到了實際使用。在這一水壓機中作為媒介利用的液體就是水。
流體動力學和流體靜力學水力學科學自帕斯卡發(fā)現(xiàn)以來得到了長足發(fā)展。事實上，它現(xiàn)在已劃分成兩門科學。
流體動力學就是我們所說的運動液體科學。液體靜力學就是我們所說的壓力液體科學。水輪就是流體動力工具的一個很好的例子。所使用的能量就是水的運動能量。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。液體流動產(chǎn)生運動，但是它們不是這種運動的源泉。由于密閉液體處于壓力之下，能量得到了轉(zhuǎn)移。當今使用的大部分液壓機械以流體靜力方式運行。
壓力和流動
壓力和流動的作用在液壓基礎(chǔ)研究中，我們將談及以下內(nèi)容：力，能量轉(zhuǎn)移，功和動力，所有這些參數(shù)將在與之相關(guān)的壓力和流動中談到。壓力和流動是每一個液壓系統(tǒng)中的兩種主要參量。壓力和流動互相關(guān)連，但是各自完成任務(wù)不同。
壓力推動或施加力或扭矩。流動使事物移動。
水槍是壓力和流動在實際使用中的很好例子?？蹌影鈾C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。
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)受擠壓時會膨脹并產(chǎn)生作用力。這就是壓力。當你把空氣注入輪胎時，則產(chǎn)生了壓力。你連續(xù)將越來越多的空氣注入輪胎，當輪胎充滿氣體時，內(nèi)部不再需要空氣，而氣體仍不斷進入，氣體將向外推動輪胎壁，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。壓縮空氣以各點相等的力向外推動輪胎壁，當所有流體處于壓力之下時，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上是相等的。如果壓力太大，容器會破裂；
因為各點的壓力是相同的，所以容器會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，向上向下的傳遞動力，因為液體幾乎是不可壓縮的，動力傳送可以立即發(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，油可以在液壓系統(tǒng)中起潤滑劑作用。
壓力和力的關(guān)系
在帕斯卡定律中，壓力和力之間有兩個重要關(guān)系，它們是以下兩項等式：
液壓杠桿在下圖所示的活塞模型中，你可以看到通過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。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)果是兩個重量平衡。這就是一種類型的液體杠桿。
機械杠桿可以利用以下插圖中的機械杠桿例子說明相同的情況。1公斤的貓坐在距杠桿支點5米的位置，它與坐在距杠桿支點一米位置的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)律對我們大有幫助。如果我們有兩只尺寸完全相同的油缸，因為每只活塞的面積相等，所以當我們以10公斤的力向下按動一只活塞時，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，當我們將10公斤的力作用于較小的活塞時，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。
這種能量傳遞過程中十分重要的一點是力和距離之間的關(guān)系。
記住，在機械杠桿中，施加相等的力時，較輕的重量需要更長的杠桿。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50厘米。
讓我們再看一下液壓杠桿插圖，并考慮較小活塞移動的距離。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1厘米。
流動產(chǎn)生運動
什么是流動？
當液壓系統(tǒng)的兩點上有不同的壓力時，流體流動至壓力較低的一點上。這種流體運動叫做流動。這里舉一些流動的例子。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，壓力差異將水壓出。
速率和流量
速率和流量是測量流動的兩個參數(shù)。
速率是液體通過規(guī)定點流動的速度。
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動距離。
這里油缸A為兩米長，容量10升，油缸B只有1米長，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中的活塞運動速度快是油缸B的兩倍。這是因為在相同時間內(nèi)它有兩倍于B油缸的距離移動。
這告訴我們，當兩者流量相同時，小筒徑油缸運動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
如果你按動一裝滿液體容器的塞頭，液體將止動塞頭。按動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)用力地按動塞頭，則容器會遭到破壞。
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，當你按動頂部，液體便會從此流出。這是因為孔口是唯一沒有阻力的點。我們說當力作用于密閉液體時，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，因為液體始終在尋找最易于流動的方向。配合部位松動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，但是壓力常常在沒有流動的情況下存在。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。通常所說的泵的吸油過程，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告訴你，他們不能潛得太深。如果他們潛得太深，壓力會使他們受到傷害。這種壓力來自水的重量。因此，還存在一種來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)中這種壓力來自何方？一些是重力的結(jié)果，但是其余的又來自何方？
負載產(chǎn)生壓力
大部分壓力來自負載本身。以下插圖中，泵每時每刻供應(yīng)著油。泵出的油尋找使它得以通過軟管的最小阻力通道，從而作用于油缸。負載重量產(chǎn)生壓力，壓力的量則取決于負載大小。
平行連接管路中的壓力
如果我們將三個不同負載以平行方式與下圖所示的同一液壓系統(tǒng)連接，油將會找到最小阻力通道，因為油缸B需要的壓力最低，也就是說最輕負載將首先得到提升，提升最輕負載時，壓力將上升到足夠大小以提升下一次輕負載；油缸A到達其行程終端時，壓力上升以提升最重負載。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，事物有保持其靜止狀態(tài)的趨勢。這就是工作油缸中活塞不作運動的原因之一。
（2）油缸不作運動的另一原因是在其上作用有負載。
（3）當泵開始將油推入油缸時，工作活塞和負載阻止油的流動。因此抵抗這種阻力的油壓上升了，當這一壓力大于使活塞保持在本身位置的力時，活塞便產(chǎn)生運動。
(4)活塞向上運動時，它提升了負載。作功時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
我們曾經(jīng)說過，流動的任務(wù)是使事物運動。記住另一個關(guān)鍵點，—“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，活塞運動速度越快。
流量增大導致速度加快
許多人認為增大壓力將加快速度，但是這并不正確。不能通過增大壓力來加快活塞運動速度。如果你要使活塞運動加快，必須提高進入油缸內(nèi)油的流量。
關(guān)閉溢流閥不會提高速度
這里有一個例子是關(guān)于排除液壓系統(tǒng)故障中常見的錯誤處理方法。油缸速度變緩時，某些機械師會立即調(diào)整溢流閥，他們認為增大壓力可以提高工作速度；他們試圖加大溢流閥設(shè)定，以此提高系統(tǒng)的最大壓力。但是這樣不會提高運動速度。配備溢流閥的意義在于保護液壓系統(tǒng)，防止壓力過高。不應(yīng)該在規(guī)定的壓力范圍內(nèi)加大壓力設(shè)定。機械師不應(yīng)該加大壓力設(shè)定，而應(yīng)該從別處尋找系統(tǒng)故障。
