液压系统压力形成的原因及传递方式

一、 液压系统压力形成的原因。

1、 液体压强形成的原因。

液体压强形成的原因，在初中物理课中已

经学过，是这样描述压强形成的，“液体

能从容器侧壁的孔中流出，说明液体对侧

面有压强，喷泉中的水柱能向上喷出，说

明液体内部向上也有压强，由于液体具有

流动性，液体内向各个方向都有压强”。

这种说法是从现象看到了压强的存在，但是并没有说出压强产生的原因。我们知道液体（包括气体）属于弹性体，弹性体在发生形变时要产生应力．一般弹性体的形变有多种形式，如拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切等等，各种形变的发生，都会伴随着在弹性体内产生相应的应力．然而液体（包括气体）只有体形变，也就是挤压形变，相应产生的应力就是压强. 宏观地说压强所描述的是液体（包括气体）的“挤压程度”。

只要是能使液体（包括气体）发生挤压，就能使之产生压强，重力是一种因素，但不唯一，表面力也是一种因素，但是不管是重力还是表面力首要的是要使液体（包括气体）发生挤压形变才能产生压强 。

2、液压系统中压力形成的原因

见下图，负载F 作用在活塞杆的右端，

液压泵连续地向油缸内充入液

压油，当液压油充满后，由于有负载F 的

阻碍作用，活塞杆不能向右移动，液压

泵继续向液压缸供油，则液压油在油缸

内将产生挤压变形，随着充入的液体越

多，这种挤压变形就越大，当这种挤压

变形足够大时，会克服负载F 的阻碍作

用推动活塞杆向右移动。这种挤压变形

使活塞运动的液压油内部应力就是压强。可以用如下的表达式来表示。

（1）如果活塞向右运动后，液压缸内不再充入液压油，则液压缸内的压强会降低，直到不再推动活塞运动。

（2）如果液压泵直接将油充入油箱，因为油箱内没有任何阻碍作用，所以（b ）图中的压力表的数值为0.

（3）如果液压油将活塞杆推动到液压缸最右端，活塞不能继续向右运动，而液压缸内持续充满液压油，液压油在液压缸内的挤压变形应力会越来越大，直至液压泵损坏。

由上面分析可以看出，液压系统的压力取决于负载的大小。当负载增大时，系统压力随之增大，当负载减小时，系统压力随之减小，系统压力受负载的影响最大。

液压系统能量守恒

液压系统在工作时，系统内部液压油处于运动状态，除了压力（液压传动中常把压强说成压力，以下称为压力），还存在液压油的流动速度和位置高度。这些都是能量的存在形式。

能量守恒定律表明能量既不产生也不消失。这就意外着系统中任何部位能量的总和保持恒定。能量总和包含因高度和压力而表现出的势能与因速度而表现出的动能。当然，能量可以从一种形式转变为另一种形式。例如，理想流体可以损失高度而减小势能，但是，将导致压力能或动能的增加。

液压系统组装完成后，单纯的液压元件是不能工作的，必须要给液压泵输入一定值的功率，液压泵被带动，然后完成吸油排油，再把油输送到工作部件。功率是能量的计量单位。也就是说，必须对液压系统输入能量，液压系统才会工作，这些能量以能量守恒的方式转换为其他的能量。

液压系统中，能量包括因高度表现出的势能，压力而表现出的压力能和因速度而表现出的动能。我们来共同探讨这三种能量。

1. 势能（EPE ）：如图所示为一距离基准面高度为Z 重W 的流体。相对

于基准面这个重量的流体具有相应的势能因为已经对流体作了功使

其离开基准面一个距离Z ：注意EPE 的单位是N•m。

EPE=WZ

2. 压力能（PPE ）：如果图中的流体具有压力p ，它就包含了压力能

PPE==WW

其中：γ为流体的重度。PPE 的单位是N•m。

3. 动能（KE ）：如果图中重W 的流体以速度v 运动，它就包含了动能，能够用下式计算，其中： g ＝9.81m /s2； KE 的单位是N•m。 γγKE= =22gg vv22

W 重的流体所具有的能量总和既不会生也不会灭。能量在代数和ET 是常数：

ET= WZ+ WW γγ22ggvv22=常数

伯努利方程

伯努利方程能够对下图所示

的液压管道这样一个系统应

用能量守恒推导出来。在截

面1我们有具有高度Z1、压

力p1和速度v1的重W 的

流体。当它到达截面2时，

它的高度、压力和速度已经变为Z2、p2和v2。相对于一个共同的零高度参考平面，我们能够确定下面的各项能量：

能量类型

势能

压力能

动能

由于能量守恒定律，我们可以得出下面的公式

WZ1+ WW

γγ截面1 WZ1 截面2 WZ2

WW

= = +22ggvv1122= WZ2+ WWγγ+22ggvv2222

整理上面的公式，消去W ，可以得到液压系统能量守恒公式

Z1+ vv1122= Z2+ +vv2222

γγ22gγγ22g上面这个公式，经过简化会发现，每一项的单位都是m ，所以在流体力学上有如下说法。

Z-为“位置水头”

22g-为“压力水头”

vv22为“速度水头”

伯努利方程的解读

伯努利方程是研究理想流体的压力和速度的关系的方程式，是对进行液压回路分析是最有效的关系式之一。它的应用使得我们能够为了系统正常工作而选择像油泵、阀和管道这些元件的大小。

1、 若管道水平放置（Z1=Z2），则有：

vv11= +vv2222

γγ22gγγ22g22由上式可以看出，液压油速度越高，该处的压力值越低。截面粗的管道，由于速度较低，此处的压力值较高。

2、在伯努利方程中，由于位置水头和速度水头相对于压力水头来说数值很小，可以忽略不计，故在计算时只考虑压力水头。

3、在静止的液体中，流速为0（v1=V2=0），则有：

Z1+ γγγγP1-P2=（Z1-Z2）γ，由于γγ=ρg ，所以

ΔP=ΔZ ρg ，如果将高度差改成Δh ，该公式就变成了我们常见的静力学压强公式：

ΔP=Δh ρg

由上可以看出，在同一管道中，压力是保持不变的。不同截面的管道随着压力的变化，速度随之变化。

小结

由上我们可以看出，液压系统的压力是由于负载对液压油的挤压作用而产生的，所以液压系统的压力大小取决于负载的大小。压力产生后，以势能、压力能和动能的方式在液压系统中传递，这种传递的能量是遵守能量守恒定律的。由此我们可以根据负载产生的能量，来计算液压系统中液压泵和其他元件的压力和流量值。伯努利方程是研究液压系统最重要的方程之一，利用它可以解决和分析各类系统压力问题。