五南官網-液壓與氣動

理工-工科類-應用力學
液壓與氣動

HYDRO PNEUMATICS

作　　者：胡僑華
出版社別：五南
出版日期：2018/05/14(1版1刷)
ＩＳＢＮ：978-957-11-9691-6
書　　號：5T34
頁　　數：464
開　　數：16K
定　　價：600元
優惠價格：540元

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。

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

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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