유압 잭:파스칼의 법칙 이해 및 작동 원리

유압 잭은 액체의 압력이 모든 방향에서 동일하게 작용한다는 파스칼의 법칙을 기반으로 합니다.

파스칼의 법칙

압력 기사에서 액체(또는 기체)의 압력은 모든 방향으로 고르게 분포된다는 것이 이미 설명되었습니다. 예를 들어, 액체 내의 한 지점에서 특정 압력이 생성되면 액체의 다른 모든 지점에도 동일한 압력이 존재하게 됩니다(정수압 무시). 이는 종종 파스칼의 법칙이라고 불립니다. 또는 파스칼의 원리 .

파스칼의 법칙은 액체 내 압력의 균일한 분포를 설명합니다(정수압 무시)!

일부 문헌에서는 파스칼의 법칙 또한 다소 더 일반적이며 정수압을 고려합니다. 보다 일반적인 의미에서 파스칼의 법칙은 액체의 특정 깊이 h에서의 압력이 액체 표면의 압력 p0와 정수압 ph의 합으로 인해 발생한다고 명시합니다.

\begin{정렬}
&p(h) =p_0 + p_h~~~~~\text{및} ~~p_h=\rho g h \\[5px]
&\boxed{p(h) =p_0 + \rho g h} ~~~~\text{파스칼의 법칙} \\[5px]
\end{정렬}

개방형 용기에 들어 있는 액체의 경우 액체 표면의 압력은 주변 압력(“대기압”)에 해당합니다. 액체의 깊이가 그리 깊지 않은 경우 일반적으로 표면의 더 큰 주변 압력에 비해 정수압을 무시할 수 있습니다. 예를 들어, 깊이가 몇 cm 정도라면 정수압은 대기압보다 약 1000배 더 낮습니다. 이 경우 모든 깊이에 동일한 압력이 존재한다는 것이 즉시 명백해집니다.

\begin{정렬}
\요구{취소}
&\text{with} ~~~~ p_0 \gg p_h ~~~~~\text{적용:} \\[5px]
&p(h) =p_0 + \bcancel{\rho g h} \대략 p_0 \\[5px]
&\boxed{p(h) =p_0} ~~~~\text{정수압을 무시한 경우 유효} \\[5px]
\end{정렬}

정수압을 무시하면 액체의 압력은 환경이 액체 표면에 가하는 압력에 해당합니다. 따라서 액체 표면의 압력을 증가시켜 액체의 압력을 변경할 수 있습니다. 그러나 주변 공기의 압력은 변할 수 없으므로 먼저 액체를 용기에 담아야 합니다. 용기 벽의 구멍을 통해 이제 피스톤을 사용하여 액체 표면의 압력을 마음대로 높일 수 있으며, 이에 따라 액체에 특정 압력이 가해집니다.

이 간단한 원리는 예를 들어 주사기에 사용됩니다. . 적용할 액체는 원통형 하우징(배럴)에 담겨 있습니다. ), 피스톤으로 압력이 가해집니다. 결과적인 압력으로 인해 액체가 오리피스 밖으로 밀려나게 됩니다. .

유압

파스칼 원리의 또 다른 용도는 유압 잭입니다. 또는 일반적으로 유압 장치. 유압장치는 유체를 사용하여 에너지를 전달합니다. 전기 외에도 (전류를 이용한 동력 전달) 및 공압 (공기를 통한 동력 전달), 유압은 기계 공학에서 매우 중요합니다.

공압이 압축성 가스를 이용한 동력 전달을 의미한다면, 유압은 비압축성 유체를 이용한 동력 전달을 의미합니다!

특수 오일, 소위 유압 유체 , 유압 장치에 사용됩니다. 0 °C ~ 100 °C 사이의 온도 범위에서만 사용할 수 있는 물에 비해 작동유는 더 넓은 온도 범위에서 사용할 수 있습니다. 또한 유압유는 금속 부품을 부식으로부터 보호할 뿐만 아니라 움직이는 부품에 탁월한 윤활 기능을 제공합니다.

유압 원리

아래 그림은 유압 잭을 보여줍니다. 레버 피스톤으로 유압유를 가압하는 데 사용됩니다. , 이로 인해 다른 피스톤이 큰 힘으로 위쪽으로 이동합니다. 이러한 유압 잭으로 , 최대 몇 톤의 하중을 들어 올릴 수 있습니다. 힘의 증가는 부분적으로 파스칼 원리로 인해 발생합니다. .

아래 그림은 유압 병 잭의 단순화된 디자인을 보여줍니다. , 작동 원리를 보여줍니다. 유압유는 폐쇄형 시스템에 있습니다. 유체가 수용되는 하우징에는 두 개의 피스톤이 제공됩니다. 오일은 더 작은 피스톤(펌프 피스톤이라고 함)에 의해 압력을 받습니다. 또는 펌프 플런지 r).

적용된 힘 F1과 피스톤 A1의 표면적을 사용하여 가해진 압력 p는 힘과 면적의 몫으로부터 상대적으로 쉽게 결정될 수 있습니다.

\begin{정렬}
\라벨{p}
&p =\frac{F_1}{A_1} \\[5px]
\end{정렬}

파스칼의 법칙에 따르면 이 압력은 액체의 어느 지점에서나 찾을 수 있습니다. 적용되는 압력이 크고 하우징의 상대적으로 작은 크기로 인해 정수압은 무시될 수 있습니다. 따라서 작은 피스톤에 의해 생성된 압력은 램이라고 불리는 두 번째 피스톤에도 작용합니다. (작동하는 피스톤 ). 그러나 이 피스톤은 더 큰 표면적 A2를 가지므로 압력으로 인해 더 큰 힘 F2가 발생합니다.

\begin{정렬}
\라벨{f}
&F_2 =p \cdot A_2 \\[5px]
\end{정렬}

방정식(\ref{f})에 방정식(\ref{f})이 사용되면 힘의 증폭은 피스톤 면적의 비율에 직접적으로 의존합니다.

\begin{정렬}
&F_2 =p \cdot A_2 =\frac{F_1}{A_1} \cdot A_2 =F_1 \cdot \frac{A_2}{A_1} \\[5px]
&\boxed{F_2 =F_1 \cdot \frac{A_2}{A_1}}\\[5px]
\end{정렬}

예를 들어, 작동 피스톤의 면적이 펌프 피스톤의 면적의 4배라면(즉, 작동 피스톤의 직경이 2배라면) 가해지는 힘은 4배가 됩니다. 이것은 에너지 보존 법칙에 위배되지 않습니다! 4중 피스톤 표면으로 인해 작동 피스톤은 펌프 행정의 1/4만큼만 확장됩니다.

펌프 피스톤이 하향 이동(높이 h1)하는 동안 특정 양의 작동유를 변위시키기 때문에 이는 또한 명확하게 설명됩니다. 액체는 비압축성이므로 압축할 수 없습니다. 따라서 변위된 액체는 동일한 부피(높이 h2)만큼 작동 피스톤을 확장합니다. 그러나 램의 면적은 4배 더 크므로 원래 스트로크의 1/4로 이미 이 볼륨을 달성했습니다. 힘이 증가함에 따라 리프팅 높이도 그에 따라 감소합니다.

기계적 원리

실제로 이러한 힘의 유압 증폭은 잭에 적용되는 총 두 가지 원리 중 하나일 뿐입니다. 훨씬 더 큰 힘 증폭은 기계적 지렛대 때문입니다. 일반적으로 2종 지레입니다.

지렛대의 법칙에 따르면 , 힘의 기계적 증폭은 레버 암의 비율로 인해 발생합니다. "활성" 레버 암 "a"는 피벗 지점에서 핸들까지의 결과이고 수동 레버 암 "b"는 피벗 지점에서 펌프 피스톤까지입니다. 예를 들어 피봇 포인트에서 핸들까지의 레버 암 "a"가 피봇 포인트에서 펌프 피스톤까지의 거리 b의 10배라면 힘은 10배 증가합니다.

위에서 언급한 수치를 자동차 잭의 일반적인 예로 사용하면 기계식 증폭 레버의 법칙과 유압 증폭 에 따라 10배의 값이 얻어집니다. 파스칼의 법칙에 따르면 요소 4의 이 경우 팩터 40의 전체 증폭이 얻어집니다. 따라서 400kg의 물체를 10kg의 힘으로 들어 올릴 수 있습니다.

유압잭의 구성

아래 그림은 실제 유압병 잭의 구조와 작동 원리를 보여줍니다. 유압유는 저장고에 있습니다. 두 실린더 사이; 외부 실린더 하우징 벽과 내부 실린더를 형성하는 (오일 탱크) 작동하는 피스톤 (램 ) 슬라이드. 이 저장소 내부의 작동유는 항상 가압되어 있지 않습니다! 펌프 피스톤이 위쪽으로 움직이는 동안 (펌프 플런저 ), 유압 오일이 펌프 실린더로 흡입됩니다. 입구 통로로.

그런 다음 펌프 피스톤이 아래쪽으로 이동하는 동안 오일에 압력이 가해집니다. 이로 인해 오일이 다른 통로를 통해 작동 실린더로 흐르게 됩니다. , 램을 들어올리는 위치 .

체크 밸브 강철 공 형태 잭이 연속적으로 위쪽으로 움직일 수 있고 작동유가 작업 실린더에서 펌프 실린더로 다시 펌핑되지 않도록(또는 유압유가 저장소로 다시 압착되지 않도록) 사용됩니다. 펌프 피스톤이 낮아지면 볼이 저장소로 돌아가는 길을 밀봉합니다. 동시에 작동 실린더의 밸브 볼이 압력에 의해 올라가고 유압유가 그 안으로 흐를 수 있습니다.

유입 후 작동 실린더의 볼은 중력으로 인해 다시 아래로 떨어집니다. 작동 실린더의 높은 압력으로 인해 볼이 밸브 시트 안으로 단단히 눌러져 유압 오일이 펌프 실린더로 역류하는 것을 방지합니다. 펌프 실린더의 볼이 흡입에 의해 들어올려지고 작동유가 펌프 실린더로 흡입될 수 있으므로 이제 펌핑 프로세스를 처음부터 다시 시작할 수 있습니다. 체크 밸브로 인해 작동 실린더의 유압 오일은 영구적으로 압력을 받고 있는 반면 저장소의 오일은 항상 압력이 가해지지 않은 상태로 유지됩니다.

램을 다시 낮추기 위해 작동 실린더를 저장소에 직접 연결하는 또 다른 통로가 열립니다. 들어 올리는 동안 이 통로는 나사로 밸브 시트에 단단히 눌러지는 강철 볼로 밀봉됩니다. 만약 이 릴리스 밸브 나사가 풀리면 볼이 통로를 풀고 유압 오일이 램의 중력에 의해 저장소로 다시 밀려 들어갑니다.

과부하시 잭의 손상을 방지하기 위해 릴리스 밸브는 안전 밸브로 설계되었으며 일반적으로 스프링이 제공됩니다. 압력이 너무 높으면 스프링이 뒤로 밀리고 작동 실린더에 허용할 수 없을 만큼 높은 압력이 형성되지 않고 유압 오일이 저장소로 직접 다시 흐를 수 있습니다.