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液壓與氣動
HYDRO PNEUMATICS
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作 者╱
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胡僑華著
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出版社別╱
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五南 |
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出版日期╱
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2018/05/14
(1版 1刷)
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I
S B N ╱
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978-957-11-9691-6
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書 號╱
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5T34
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頁 數╱
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464
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開 數╱
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16K
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定 價╱
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600
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當各類工程已朝流體動力、甚至電 / 液、電 / 機 / 液 / 氣 / 光 / 磁等各種集成的方向前進時，這種形勢，與近代流體動力系統應用、安裝和操作、維修人員之間，以及與大專或高工相關機電、汽車、自控、軍工、航太科系學生之間相衡量時，仍存有某些程度的隔閡。
本書旨在對液壓、氣動與真空的原理、結構、元件、控制、迴路、電氣、集成、應用和設計的領域，使得學習者能熟悉其理論及實際外，對此方面的較新科技，例如流體傳動技術在船艦、軍民用飛機、潛艇、飛彈發射車與制導、真空吸附對晶圓的搬移；乃至液壓氣動與仿真、模擬、微機、機械手、自動化和AI等相結合的當前發展及未來趨勢，也做了相當幅度的推介。
全書共計15章400餘頁，有關構造、液壓氣動迴路、電控線路、相關設備等的插圖及列表多達450幅，以促進學習者的了解。書中對臺灣較有規模的液壓氣動元件、設備以及設計的廠商，也予以網羅並加敘述。作者編寫本書，期望藉此引導出更多高階的流體傳動書籍出版，以及有意願的專業人才，希求進一步邁向流體傳動設計、研發及創造的前程時，可以有所參考。
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胡僑華
現職
銘榮元實業有限公司，元上工程有限公司（迄今1.5年）
顧問 (500多員工之EPCF公司)
經歷
銘榮元實業有限公司，元上工程有限公司（4.5年）
董事長特別助理
天津空港華宇航空貨運站（台德合資公司）（5年）
副總經理，總經理（建設天津最大的航空貨運站）
僑聯 (福州) 鋼鐵有限公司（1年）
建廠主任委員（建設一貫作業大鋼廠, 因大陸宏觀調控而中止）
富達（上海）技術開發工程有限公司（2.8年）
總經理（新廠設計及建造）
萬機鋼鐵公司（1年）
資深經理（製作及建造）
桂裕企業股份有限公司（現已改為中龍鋼鐵股份有限公司）（3.8 年）
總經理（由中鋼公司派任，建設台中新鋼廠）
中國鋼鐵股份有限公司（22年）
處長，組長，課長，工程師（煉鐵設備工程處之建廠工程：高爐，煉焦爐，副產品場，燒結場，原料輸送及儲存設備等）
台灣通用器材股份有限公司（美商，現已改為台灣通用電子公司）（2.5年）
半導體部機房副經理，機械督導
日本東京協興株式會社（2.2年）
新造船造機監督，Second engineer
海軍咸陽軍艦服役（1年）
少尉輪機員
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序 言
第一章 流體傳動的廣泛應用
1-1 流體傳動概說
1-2 船艦上的流體傳動設備
1-3 潛艇上的流體傳動設備
1-4 飛機上的流體傳動設備
1-5 氣動與液壓的現代化和智能化
第二章 液壓與氣動的工作原理
2-1 液壓傳動的工作原理及結構組成
2-2 氣壓傳動的工作原理及結構組成
2-3 液壓與氣壓傳動系統的圖形符號
2-4 液壓傳動與液力傳動的區別
2-5 液壓與氣動系統的特點
第三章 流體傳動基礎理論
3-1 液體的主要物理性質
3-2 液壓系統油液的選用
3-3 基本液體靜力學
3-4 基本液體動力學
3-5 管路中油液的壓損
3-6 氣穴現象
3-7 液壓衝擊
第四章 液壓動力元件
4-1 液壓泵自習
4-2 液壓泵的理論與構造
4-3 液壓泵與電馬達參數的選用
第五章 液壓執行元件與輔助元件
5-1 液壓缸自習
5-2 液壓缸的構造與原理
5-3 液壓馬達的構造與原理
5-4 液壓馬達自習（方向控制）
5-5 液壓輔助元件
第六章 液壓控制元件
6-1 方向控制閥
6-2 壓力控制閥
6-3 流量控制閥
6-4 疊加閥
6-5 插裝閥
第七章 基本液壓迴路
7-1 液壓馬達自習（速度控制–簡稱速控）
7-2 液壓基本迴路
第八章 綜合液壓傳動系統
8-1 封閉液壓迴路自習
8-2 綜合液壓傳動系統
第九章 壓縮空氣通論
9-1 氣動概述
9-2 壓縮空氣
9-3 壓縮空氣系統
9-4 壓縮空氣的輸送
9-5 氣動系統的優缺點
第十章 氣動控制元件
10-1 方向控制閥
10-2 流量控制閥
10-3 壓力控制閥
第十一章 氣動執行元件
11-1 氣缸
11-2 氣動馬達自習
第十二章 氣動系統迴路
12-1 氣動系統迴路導說
12-2 綜合氣動系統控制迴路
第十三章 電氣控制系統迴路
13-1 電氣控制的基本知識
13-2 基本電氣迴路
13-3 液壓迴路的電控設計
13-4 氣動迴路的電控設計
第十四章 真空吸附
14-1 概說
14-2 真空發生器
14-3 真空吸盤
14-4 真空控制元件
14-5 真空吸附迴路
第十五章 附錄
15-1 常用液壓氣動圖形符號
15-2 常用電氣圖形符號
新知參考1 潛艇不依賴空氣推進
新知參考2 軍事與液壓氣動的關係
新知參考3 遠程調壓功能
新知參考4 電液數字控制閥
新知參考5 方向控制插裝閥
新知參考6 複雜液壓系統–全迴轉挖土機
新知參考7 液壓無級變速器
新知參考8 電液控制系統無級變速器
新知參考9 壓力補償器
新知參考10 液壓傳動技術的發展與趨勢
新知參考11 戰機的液壓系統發展
新知參考12 電液比例控制
新知參考13 寶馬汽車X5的消音系統
新知參考14 常用氣動輔件的功用
新知參考15 電液伺服技術
新知參考16 氣爪的工作原理簡述
新知參考17 氣動馬達的發展狀況
新知參考18 氣動技術的發展趨勢
新知參考19 位置傳感器
新知參考20 帶有自動換刀具裝置的FMS
新知參考21 電腦繪製液壓、氣動迴路與電氣電路圖
新知參考22 PLC控制的氣動系統設計舉例
新知參考23 真空吸盤的直徑計算，真空吸盤提升力計算
參考文獻
參考資料1 氣穴噪音
參考資料2 層流和湍流
參考資料3 臺灣的液壓泵製造
參考資料4 2018臺北國際流體傳動與智能控制展
參考資料5 臺灣的疊加閥及插裝閥的製造
參考資料6 臺灣區流體傳動工業同業公會
參考資料7 智慧機械傳動
參考資料8 機器人與人工智慧
參考資料9 液壓氣動設計模擬系統
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1-1 流體傳動概說
對精細的控制及能量的傳輸，流體傳動（Fluid driving）早已成為設計工程師最偏愛的工具之一，其優點包括了在任何速度下維持穩定的力矩（Torque, Moment），無論是線性或旋轉動作時可以接受瞬間反向力，以及實用上容易達成控制、安全、可靠、小巧、靈活與經濟上的方便和精細密度。
其另一效用為，流體傳動已快速地成為近代機械、車輛、船艦、航太等卓越應用功能，事實上流體動力的傳送不易因上述器械的幾何形狀改變而受影響，傳統思維上動力是由軸桿、鏈條、鋼絲拉繩、皮帶、齒輪、聯軸器、萬向接頭，或上述的組合所傳動的，但如一架飛機的動力源靠這些系統而傳動能源至起落架、升降舵或方向舵、副翼及穩定器時，或在反向的狀況，某一動力源必須用來操作反向時的動作，使飛機由一側轉變方向至另一側，則上述傳統傳動的方式將造成多大的困難？
由於流體動力可以容易地以管路（Pipe）、管筒（Tube）、軟管（Hose）及其周邊裝具予以傳送，經由受拘束的通道，任何環境皆極實用，故近代或現代的機械、航太飛行器、軍火系統、船艦潛艇、裝甲坦克，汽車工業（如液壓制動系統ABS，包括前後軸盤式制動器、鼓式制動器、控制缸、制動助力器和壓力傳感比例閥等。另外如液壓動力轉向系統、電控主動液壓懸架系統、電控主動空氣懸架系統、自動變速器液壓控制系統等）、石油機械、環保設備、水力水電、工程機械（如土壤鏟移機械、裝載機、混凝土攪拌車、起重機、打樁機、壓路機、堆土機、瀝青鋪設機等）、採礦機械、農業機械、攻隧道機、地下潛盾機械、冶金機械、鋼鐵工業（如煉焦爐大型加料機、推焦機、導焦機），在機床工具機中有八成以上是採液壓傳動及控制（如磨床、銑床、刨床、壓床、數位控制加工和多組合加工，精密壓擠機、絞直機等）及其他大量應用如機械臂、自動操作，由原動機而至動力需用之處，均仰賴流體動力系統作為連通及控制的途徑。以電子技術做系統的訊息處理和訊息傳遞的手段，以輸出流體的壓力施行功率，現在更朝電腦輔助設計如三維、仿真化、優化及高壓、大功率、快速、高效率、低噪音、自動化、精密化、檢修隔離及快速簡易化、模塊化、高度集成化、數值化、機電液氣一體化的方向發展。
在流體傳動的另一個應用，是以液壓（Hydraulic）或氣動（Pneumatic）馬達所造成的旋轉力量，其優點超越了直接機械連桿及電力驅動的複式集合，例如空氣馬達可操作於20,000 rpm（轉／分）或更高，且可以快速反轉，對於電力衝擊、複合壓緊及效率等，提供了安全保障，並對易燃環境也保證了安全。液壓馬達可提供與氣動馬達相同的優點，並且還有其他的效益，包括在幾乎不限制的可變速度下，能維持穩定的力矩。
在眾多而廣泛的應用中，我們即以船艦、潛艇和飛機在本章中先做概述，讓讀者們有一個初步了解，然後再逐步踏入階層，循序漸進。以船舶而言，其甲板機械的操縱和控制就廣泛使用液壓系統，例如主要設備有舵機、錨機、絞車、艙口蓋掀關機、起貨機，此外還有可變螺旋槳的船艦，其螺距（Screwpitch）的變化也採用液壓系統，海軍艦艇的減搖鰭（Fin stabilizer）也採用液壓操縱。
1-2 船艦上的流體傳動設備
1. 船上使用的錨機（Anchor windlass）一般都組合有絞纜機（Winch），除了起拋錨的功能外，還有絞纜的功能，液壓錨機可無段調速，其體積小、過載力強、運轉平穩而方便，大中型船舶應用廣泛，其主要元件包括主油泵、溢流閥、單向閥、壓力表、控制閥、液壓馬達、冷卻器、過濾器、高位油箱、觀察器、儲油槽、輔助手動閥、操控閥、調速閥等組成，各元件在後面章節將陸續解說。
2. 舵機（Steering gear）是使船能按計畫航線航行的設備，中大型船舶大都採用液壓動力舵機，取其轉動扭矩大、結構緊湊、控制靈活、功能可靠諸優點，舵機可以滿足航角在30秒之內，從任何一舷的35°轉到另一舷的35°的要求，通常有兩個完全獨立的舵機系統，一般情況下只操縱其中之一，另一備用。為達成自動的航海技術，近代船艦均將航向航跡自動操舵儀與舵機液壓傳動系統合成共作，當自動操舵儀工作時，輸出信號給智能採集電路，經過主控電腦對船速、海浪、海流等環境的分析，經由負反饋的控制方式，不斷將陀螺羅經（Gyrocompass）送來的船艦實際航向與設定的航向值比較，將其差值放大後，作為控制信號來操控舵機的轉舵，使船艦能夠自動地保持或改變到計畫的航線上。因為船艦航向的轉變由舵角控制，舵角又由自動操舵系統控制，而反饋到自動操舵儀陀螺羅經航向又取決於船艦的艏向變化，所以航向自動操舵儀工作時，存在包括舵機（舵角）、船艦本身（航向角）在內的兩個反饋迴路：舵角反饋和航向反饋，對於航跡自動操舵儀，還需要構成船艦位置的第三迴路反饋，上述三項計算均藉助於電腦輔助。
3. 液壓艙口蓋系統有油缸驅動式和油馬達索鏈式兩個種類，每一艙由四塊艙口蓋組成，分前後兩個啟、閉的油缸外置式液壓系統，由兩台並聯獨立的定向定量油泵、三位五通換向閥和單活塞油缸組成，以達啟閉動作。另油馬達索鏈式艙口蓋液壓傳動系統，則由兩部獨立的壓力補償單向變量泵作為系統的驅動元件，其中一部為備用。此泵隨外負載的變化而自動調整流量，即負載升高時系統壓力也隨之升高，這壓力也同時反饋到泵的變量頭的傾斜盤上，使其傾角變小，進而減少流量，其動作是將艙口蓋頂高，使滾輪落入艙口蓋滑動軌道，利用三位四通手動換向閥，對油壓馬達進行正、反操作，而達成開啟、關閉艙口蓋動作的安全。
1-3 潛艇上的流體傳動設備
針對常規潛艦（相對於核能潛艇）的任務，由於高度自動化和低耗能，以及各元件管路應保持靜音的需求，在強度占主導地位的場合使用流體傳動裝置，以功率密度和可靠性而言，液壓傳動較其他傳動具有優勢，但針對不同的傳動任務採用特定的解決方案，決定如何驅動不同的傳動位置，應進行最適當的技術與設計，以滿足傳動任務的要求，特別是在潛艇潛航期間，因有限的可供使用能量，尤其需要高效比的傳動方式。
現代潛艇均使用大量液壓傳動裝置，無論旋轉、升降、推動、牽引，液壓傳動裝置均將動力轉換為機械運動，液壓元件分布於艇上各部位，如艇首魚雷發射管外蓋經由液壓傳動予以開啟；潛望鏡的升降及旋轉依靠液壓傳動輔助其靈活運用；有些設備經由液壓傳動操控；艇尾方向舵則透過液壓驅動航行方向的改變。潛艇由於空間狹小，更需要高強度、大扭矩，特別是線性運動時，需液壓缸推力大而裝置小，電腦自動化性能高，且絕對要防止洩漏，以免汙染艇艙，故潛艇液壓設備的投入是相當精密而昂貴的。
機械工程（如低噪音線性傳動裝置）、電氣工程（如高功率、小尺寸交流伺服系統）、流體力學（如較新開發的伺服閥、泵）、CAD（電腦輔助設計）、CAT（電腦輔助測試）、CAD/CAM（電腦輔助製造）建模、仿真、優化等先進技術的發展與進步開拓了設計潛力；特性與參數的選擇，狀態監控與故障診斷，對潛艇機械傳動和近代液壓與氣動系統，承擔了任務上的各類需求。
電能是潛艇的主要能源，柴油機及不依賴空氣推進（AIP, Air Independent Propulsion）提供電力系統供電，並給予蓄電池充電，核動力潛艇則不受長時間潛航的限制。為了實現機械運動，壓縮空氣和液壓油是潛艇上主要的二次能源的形式，但在轉換過程中有大量的能量消耗，例如通過液壓泵將電能轉換為勢能，並以壓力油的形式儲存。
新知參考1
不依賴空氣推進或稱絕氣推進，最成功的有斯特林輪機系統，系由瑞典Kockums 造船公司建造，是以液態氧搭配柴油機作為動力原理，並加裝75千瓦的發電機作為推進動力，且為電池充電，可以讓1,500噸的潛艇自持力達到9節14天。日本蒼龍級潛艇即向瑞典購入設計。部分中國潛艇也採用AIP技術，使用熱氣機（Stirling engine），是一種由外部供熱，使氣體在不同溫度下做週期性壓縮和膨脹的閉式循環往復式發動機。西門子公司設計出功率可以達到30至50千瓦的燃料電池（Fuel cell），德國海軍已推進到輸出功率120千瓦，中國潛艇亦使用其自製的AIP，雖無法與核動力潛艇相比，但已大量提高常規潛艇的潛航能力，詳細資料請參見維基百科「絕氣推進」。美國潛艇約80艘全使用核動力，中國也約有80餘艘潛艇，其中約1/5屬核動力，其餘使用其自製常規加AIP斯特林或燃料電池。
液壓技術在潛艇上已使用幾十年，因此液壓元件發展的程度相當高階，但液壓系統只是能量轉換的一個環節，亦即液壓能僅是電能和所需求運轉之間的中間步驟，由於新的電力傳動裝置，如大功率密度交流伺服馬達早已研製出來，以及變頻大功率馬達的應用，故現有的液壓傳動方式，需接受新興電力對手的挑戰，任何時候液壓傳動裝置都有可能以電力傳動裝置（或部分）取代，因為消除了中間能源轉換的環節，電力傳動總體效率比提高，並且降低機械傳動的能量消耗。
常規潛艇的液壓系統由一個或兩個液壓站組成，包括了電動泵、泵控制單元、油槽及蓄能器、控制單元以及複雜的管路系統，液壓站向全艇各液壓傳動裝備提供液壓油，這些系統具有一個或兩個系統的壓力，在6∼12 MPa（1 MPa = 10.197 kg/cm2 = 145.0377 psi）之間變化。實際的系統壓力取決於當前液壓泵的功率和液壓蓄能器的充油比例，由於冗餘（Redundancy）的原因，液壓系統通常分為兩個獨立迴路，其優勢如下：傳統裝置功率密度高；可依賴性高；聲學特徵可控制；冗餘系統設計簡單。
艦艇液壓傳動還可供解決完善的通用方法如下：將液壓系統細分成分散的子系統；直接用現代的電氣傳動，消除經由液壓的中間環節；使用取代油的液體，例如水或海水；使用先進的執行機構，如組合電液驅動。今舉例供參如下述。
1-3-1 操舵裝置
通常舵軸承安裝在船尾自由浸水部位，舵的旋轉運動經由舵柄和連桿轉變為直線運動，傳動裝置安裝在耐壓殼體內，一個十字聯軸節通過法蘭和它連接，以恆定的油壓給舵的驅動液缸供油，通過遙控閥調節進入液缸的流量，使舵達到要求的角度。首部水平舵（安裝在兩翼或首部上層結構部位）也是經由相同的原理驅動。操舵包括傳動裝置的設計，取決於高航速情況下最大航角的要求，但高航速大舵角的狀況很少發生，因此操舵系統的設計大都偏離設計點運行，導致總體效率低。可供解決的措施如下：
1-3-1-1 分散液壓系統
其目標是按要求的油量和壓力單獨供油給舵機傳動系統，這會降低所需的平均油壓，不會減少能量消耗，潛艇操舵傳動裝置了二級可調壓系統，的確顯示較好的效果，但代價是增加了系統集成和自動控制的複雜性及空間的需求。
1-3-1-2 電動舵裝置
德國蒂森．諾舍爾（Thyssen Novor）公司研製及測試其伺服操舵樣機，交流伺服馬達的旋轉動作經由減速齒輪和液輪心軸（Liquid wheel mandrel）裝置傳遞給線性驅動裝置，可取代常規的液壓缸傳動裝置，在低航速下減少了甚多能量，效能可達80%，噪音在邊界條件範圍內，由於伺服馬達功率密度高，安裝緊湊，允許在艇尾耐壓艙壁區進行所要求的底層結構集成。
1-3-2 升降裝置
潛艇中配有幾套升降裝置供航行中使用，以配合不同階段的任務，在下潛狀態時所有裝置必須收回，升降裝置是舵機之外液壓的大使用戶，在短時間內需大量的液壓油，升降裝置所需盡可能多的液壓油流量，應存在液壓蓄能器內，如果在使用中蓄能器油量耗盡，則升降裝置運動將慢下來，升降裝置的總重約1∼3噸，行程約4公尺，可採設計方案如下：
1-3-2-1 系統壓力變化
升降傳動的原理是成熟的，因其緊湊、功率大、可靠，因此需詳盡研究以確定什麼範圍內更高的系統壓力（> 10 MPa）是有利的，而且力學（如減少液缸直徑後，活塞桿足夠的彎曲穩定性），和聲學的邊界條件（Boundary condition）應該考慮。
1-3-2-2 電動機械提升設備
伺服電機或鋼索牽引裝置在此並不適用，特別是艇中使用空間的增加、潛艇外部自由浸水結構所處的惡劣環境、大行程的要求、聲學的限制等，約束了其使用。
1-3-2-3 電磁性傳動裝置
電磁線性傳動可能取代液壓傳動，工業上這種裝置顯示的優越性，如加速度、高強度、高效率，值得在潛艇中嘗試應用，以撙節電能。
1-3-3 遙控裝置
因各種分系統和子系統、輔助系統的自動化，在近代潛艇上幾乎有200∼300個遙控裝置分布於全艇，且因功能不同，而需要不同的壓力及力矩。單個裝置的耗能雖相對較小，但液壓控制單元的集成和管路配置是昂貴的，建議的解決選擇方案如下：
1-3-3-1 電動裝置／電液聯合傳動裝置
如今小型裝置大都為高速高精度伺服驅動，其比例因大功率元件的使用會進一步增加，在水面上的艦艇已裝設了這些電液聯合傳動裝置，電液傳動裝置包括1個常規的液壓執行機構，該機構和1個緊湊的液壓油單元組合在一起，優點是捨去了供油管路，缺點是與純液壓傳動裝置相比，增加了重量和使用空間。先進的改良已使電液合成系統成為主流。
1-3-3-2 提高液壓系統的壓力
遙控裝置的壓力可能達20 MPa，宜將其與6∼12 MPa的主液壓系統隔開，則高壓的20 MPa系統驅動可減小裝置尺寸和耗油量，因此需增加一個緊湊的輔助液壓站。
1-3-3-3 經由閉式循環管路供應液壓油
相當多的遙控裝置以一個主控制模塊控制，由主液壓站供油，其優點是遙控裝置可以經由主控制機構進行手動控制，預防緊急狀況。另一方面，每個裝置需經由兩條液壓管路連接到主控制模塊。經由使用閉式循環（Closed loop，將在後面說明）管路供油給遙控裝置，可減少液壓系統集成的費用，每個裝置配備一個控制單元和循環管路聯結，這樣就可以取消主控制模塊，且減少液壓管路長度，但也損失了中心手動控制的權限。
1-3-4 替代液體
許多國家在研究此一方向，以水或海水替代油，提供了顯著的優勢，特別是在耐壓體以外，此優勢更加明顯；包括無洩漏危險；不需回油管路；可靠性高；溫度依賴性低，但其缺點是技術未足夠成熟；水液壓相關問題（如汙染、卡塞、潤滑、密封、鏽蝕、磨損、絕緣、結冰），將來新材料如陶瓷、奈米纖維、特殊塑料的發展，將使潛艇水液壓系統成為可行選擇，國外已有壓力14 MPa（=142.76 kg/cm2）及流量15∼140公升／每分鐘（L/min）的水液系列元件試驗成效。
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