笔者从事热压、复合近三十年,经常遇到有客户不知道怎么计算辊压时的压力,并被MPa、Pa、bar、mbar、psi、kgf/c㎡、mmHg、torr、kg、ton这些可以表示“压力”的单位所困扰,无所适从。
本文从原因分析入手,并以多年的经验教您轻松应对。
困扰的根源造成这种困扰的原因有多种,其中最主要的是工程领域对于“压力”与“压强”概念的混用。
实际上,初中物理中有非常明确的定义。
所谓压力,就是垂直压在物体表面上的力。受力面积相同时,压力越大压力作用效果越明显;反之,压力相同时,受力面积越小压力作用效果越明显。这就引出了“压强”的概念。
所谓压强,就是物体单位面积上受到的压力。
压强的计算公式为P=F/S
其中,P:帕斯卡(Pa);F:牛顿(N);S:㎡
由此可见,“压力”和“压强”是完全不同的概念。
然而,就是这样两个区别非常明显的概念,却让职场上很多人分不清,更不知道衍生出的计算。这主要是因为,在工程领域,一般都不使用“压强”这个词,而是用“压力”来表示“压强”。如此一来,“压力”这个词的压力可大了,既要表示物理概念中的“压力”,还兼顾了物理学中“压强”的概念。更主要的是,这给很多读书时不是学霸的人带来了很大的困扰,经常混淆。
同时,由于工程上表示“压强”这个概念的定义和单位有很多,既有公制单位也有英制单位,不同行业约定俗成的习惯也有所不同。当从业者接触到跨行业的概念时,就进一步加剧了这种混乱。
工程上常用的压力表示工程上提到的“压力”,大多数情况下是指的“压强”。常用的表示单位包括:Pa、kPa、MPa、mmHg、atm、bar、mbar、kgf/c㎡、PSI、torr等。
在科学研究领域,Pa、kPa、MPa以及atm仍然是最常用的单位,其换算可以这样表示:
1Pa=1 N/㎡(牛顿每平方米)
1KPa=1000Pa
1MPa=1000KPa=1000000Pa
1atm=101325 Pa≈100 KPa 或101KPa或0.1 MPa,通常称为一个标准大气压。
微型真空泵、微型水泵、微型气泵、微型气体采样泵、微型抽气泵、微型气体循环泵等选型中,以下单位较为常用:
(1).mbar(毫巴)、bar(巴);
(2).mmHg(毫米汞柱)、inHg(英寸汞柱);
(3).kgf/cm^2(公斤力每平方厘米),通常简称“公斤”;
(4).inH20(英寸水柱)、mH20(米水柱);
(5).torr(托);
(6).PSI(磅每平方英寸)
在各种气泵、真空泵中,也常用到以下单位:
1个大气压= 0.1 MPa = 100 KPa;
1个大气压= 1公斤= 10米水柱= 400 inH20;
1个大气压= 1000 mbar= 1 bar;
1个大气压= 760 mmHg= 760 torr
水泵领域常用以下单位:(为方便起见,都取近似值)
1公斤= 1 bar;
1公斤= 0.1 MPa;
1公斤= 14.5 PSI
抓住本质,轻松应对上述单位很容易让人看得一脸懵,但笔者看来,遇到这种情况不要急,只要稍作分析,就可以轻松应对。
首先是必须要分清楚眼前的“压力”在物理上到底是“压力”还是“压强”。举个例子,下图是一个典型的辊压机示意图,通常通过液压缸施压。
假设液压缸的缸径是φ200mm,液压站提供的压力是7MPa,辊压机工作时受压材料的幅宽是0.5m,则可计算出轧辊的线压力。
上述情况中,液压站提供的“压力”实际上是物理学中的“压强”,要计算的轧辊线压力则是物理学中的“压力”。
液压缸的缸径φ200mm,则其半径r为10cm。
因此,液压缸的面积为:πr²=3.14×10²=314c㎡
单个液压缸提供的压力为:314c㎡×7MPa=314c㎡×70kgf/c㎡=21980kgf
两个液压缸施加的总的力为:21980×2=43960kgf,这就是轧辊工作时总的线压力。
由于材料宽幅为0.5m,则单位长度的线压力为:43960kgf÷0.5m=87920kfg/m。
当然,只是计算线压力还不能比较客观地反映材料的实际受压。通常情况下,受到辊压的材料会产生变形、压薄,而这个过程中材料的受到的压力也是变化的。
这种情况下,可以按照以下模型来计算材料受到的压力。
计算方法如下: