1.1.1 液压与气压传动基本原理

这里以液压千斤顶为例，介绍基于帕斯卡定律的液压和气压传动系统的工作原理。

液压千斤顶的液压系统结构如图1-1所示，其主要部件——一大一小两个液压缸之间用油管连接，液压缸活塞下面是密封腔。密封腔内充满了不可压缩的液压油，多余的液压油储存在油箱里。

在图1-1中，当压下手柄时，小液压缸1的活塞下移，其下腔的油液被挤压，使单向阀4打开，油液进入大液压缸7并推动大液压缸的活塞向上顶起重物；当提起手柄时，小液压缸1的活塞向上运动使其下腔容积增大形成局部真空，油箱里的油液在大气压作用下通过单向阀2，被压入该真空区域，小液压缸重新充满液压油。当继续压下手柄时，重物再次被顶起。循环往复，就可以把重物升到需要的位置。若要使大液压缸7的活塞回到初始位置，可以打开截止阀6，其下腔油液经过截止阀6顺着油管流回油箱，大液压缸7活塞就回到初始位置了。

下面还是以液压千斤顶为例，说明液压与气压传动的相关特性。

1.力的传递

设小液压缸活塞面积为A₁，施加在小液压缸活塞上的力为F，大液压缸活塞的面积为A₂，其顶起的负载为G。根据帕斯卡定律，在密闭容器内，施加于静止液体上的压强将被等值传递到液体内各点，因此，大、小液压缸内的液体压强相等，表达式如下：

或者

在图1-1所示的液压系统（包括液压传动系统和液压控制系统）中，当该系统的结构参数一定，即A₁、A₂大小不变时，负载G越大，该系统中的压强p也越大，所需的作用力F就越大；反之，负载G越小，该系统中的压强p就越小。因此，我们得到重要结论：液压传动系统中的压强p取决于外负载。

由于p=G/A₂，当G→∞时，p→∞，而液压缸材料强度有限，当内部压强超过耐压极限时，元件或液压油管道会发生爆炸，造成事故，因此必须限制系统的最高压强。在图1-1中由安全阀3限制系统的最高压强，满足安全保护的要求。可以说，液压传动系统最高压强取决于安全阀的调定压强。

由式（1-2）看出，活塞面积比（A₂/A₁）越大，增力效果越显著。只要在小液压缸活塞上施加一个很小的作用力F，就可以使大液压缸活塞产生一个很大的举升力，从而举起重物，这就是液压千斤顶的工作原理。

需要说明的是，在物理学中常提到的“压强”的概念在工程中常用“压力”代替。在这里为了内容的衔接和过渡，暂时用读者习惯的“压强”，后续内容中不再出现“压强”，而用工程中更常见的“压力”的说法。

2.能量传递和转换

当手柄压下时，小液压缸活塞下移的距离为x，大液压缸活塞上移的距离为y。设手柄通过杠杆给小液压缸施加的作用力为F，则输入系统的机械能E₁等于小液压缸活塞做的功，即E₁=Fx。这个能量传递给液体并转换为液体的压力能，压力能又传递给大液压缸的活塞，克服外负载G对外做功，输出机械能E₂，即E₂=Gy。

这个能量传递和转换的过程表示为机械能→液体的压力能→机械能。

3.运动的传递

若不考虑液体的可压缩性、泄漏，以及缸体和管道的变形等因素，则小液压缸中被活塞排出的油液体积与大液压缸活塞上升而进入大液压缸中的那部分油液体积相等，即与大液压缸中增多的油液体积相等

式中，V为每次压下手柄，从小液压缸排出的油液体积（m3），同时也是大液压缸中增多的油液体积；A₁，A₂分别为小液压缸活塞和大液压缸活塞的面积（m2）；x，y分别为小液压缸活塞和大液压缸活塞的位移量（m）。

可以看出，液压传动是利用密封容积变化时产生的液体压力能实现容积传动的。

将式（1-3）等号两边同时除以时间t，得

即

式中，v₁，v₂分别为小液压缸活塞和大液压缸活塞的移动速度（m/s）。

从量纲分析，Av的物理意义是单位时间流过截面积为A的油液体积，称为体积流量，习惯上称之为流量，一般用q表示，国际单位为m3/s，在工程中的单位常用L/min表示。

若已知进入缸体的液体流量是q，则活塞的移动速度为

可以看出，对已知的液压传动系统，若要调节活塞的移动速度，可以通过调节液体流量实现；同时还可以看出，活塞的移动速度取决于流入缸体中的液体流量大小，而与液体的压力无关。

综上所述，液压传动系统在工作中，动力元件和执行元件都要形成密封可变容积（例如，在图1-1中，随着活塞的上下移动，活塞下面的容积发生相应变化，形成密封可变容积），两个密封可变容积各自用油管连通但互不联系。因此在本质上液压传动是容积传动，液压传动系统的实际工作压力取决于外负载，最高压力取决于安全阀，执行元件的运动速度取决于供油流量。