序言
17世紀帕斯卡(Pascal)提出的液體靜壓力原理,給液壓與氣動技術提供了發端的啟迪,作為機械工程的一門分支,它逐漸地與其他學門集成共作,如今流體壓力傳動技術的水平,已成為一個國家在國防及工業進程上的重要指標。
1795年英國Joseph Braman(1749~1814)在倫敦創建了應用於工業上的水壓機,當時還是第一次產業革命(1760~1830)開始的時機。而於1905年才將介質由水改為油類,使液壓傳動獲致更進一步改進。
第一次世界大戰(1914~1918)後,油壓應用更廣泛且發展快速,1925年F. Vickers開發了壓力平衡式葉片泵,為近代液壓元件及液壓傳動工業奠定了基礎。20世紀初G. Constantimsco在能量波傳遞所進行的理論及實際研究;1910年對液力傳動〔Hydrodynamic transmission,如液力聯軸器、液力變矩器(Hydrodynamic-momentconverter),此雖為液壓傳動的一個分支,但二者原理和結構並不相同〕方面的貢獻,使得液力傳動設備跨入工業化實用的里程。
在第二次世界大戰期間(1941~1945),美國機床中超過30%利用液壓傳動技術,使美國的艦艇及武器建造週期加快。這期間也出現了響應迅速、精度高的液壓控制機構所裝備的軍事武器,這都是戰勝契機之一環。戰後液壓技術快速轉入民用工業,不斷應用於各種自動機械及自動生產線。日本在此方面的研發雖晚於歐美20多年,但於1955年開始迅速推進,次年就成立了「液壓工業會」,歷經近三十年終於迎頭趕上,目前,日本在液壓技術許多範疇已居全球領先地位。
現在無論是冶金機械、提升設備、軋輥裝置、板材軋延置中(自動對中心線,不偏移)、汽車製造、防洪閘門及堤壩設置、河床升降、橋梁操縱機構、渦輪機調速、核電配備、船舶甲板起重機械、船頭門、艙壁閥、船尾推進、船舶減搖裝置、測量浮標、升降旋轉台、特殊用途巨型天線控制、火砲或導彈操縱裝置、飛行模擬、戰鬥攻防仿真、航太裝備、飛機起落架收放和方向舵控制等,莫不因液壓之利用而大為精進。
氣壓傳動的應用歷史悠久,從18世紀產業革命開始,逐漸應用於各類行業。1829年出現了多級空壓機,為氣動發展創造了條件;1871年風鑽開始用於採礦;1868年美國人發明氣壓制動,並在1872年應用於火車剎車裝置;20世紀50年代,氣動技術成功用於導彈尾翼的高壓氣動伺服機構;10年後由於射流(Fluidics)的發現和氣動邏輯元件的開發,氣動技術獲致超越的躍進。氣動設備在一般工業中的省力化和大量採用,也成為各國家企業降低成本、改善環境和自動化的手段。
射流也稱Jet,指流體從管口、孔口、狹縫射出,或靠機械推動,並同周圍流體摻混的一般流體流動。經常遇到的大雷諾數射流一般是無固壁約束的自由湍流。這種湍性射流通過邊界上活躍的湍流混合將周圍流體捲吸進來而不斷擴大,併流向下游。射流在水泵、蒸汽泵、通風機、化工設備和噴氣機等許多技術領域得到廣泛利用。
氣壓傳動元件的發展已有超前於液壓元件的情勢,例如:機械、電子、半導體、玻璃、鋼鐵、運輸車輛及製造、橡膠、紡織、化工、食品、醫藥、包裝、印刷、金屬非金屬薄片、菸草等,尤其防火及易爆炸區、環境特異區,氣壓傳動已成為其組成的基本架構;尖端科技如核工、軍工及航太中,氣動技術也占居重要地位。
現代,液壓與氣動技術或其合成分別在實現高壓、高速、大功率、高效率、低振動及噪音、長壽命、高度集成化、小型化與輕量化、模組化、一體化和執行可柔性化(Flexibility)等各方面獲得了相當可觀的進展;又因與微電子(Micro-electronics)技術密切配合,具有處理指令和程序控制的單元或元件,及內置可編程序控制器的閥島。在極可能小的空間裡傳遞盡可能大的功率,並加以精準的控制,因而使其在軍事、民生及自動智能化發展上發揮巨大作用。
在此重申,由於世界科技不斷地迅速猛進,以及工業對流體傳動的高度仰賴,它已集成了電、液、機、氣、光、聲(如人機對話)等各種比例或伺服系統,並與電子科技配合在一起廣泛應用,例如:機器人、遠程施工、礦脈探勘、海洋開發、宇宙航行、地震測量和(陸、海、空)無人駕駛。即將邁入嶄新高度而和人工智慧相結合,已成為必然趨勢,可執行看護長照,生產自動研發、計畫、設計、修改、製造、檢驗、市場、管理乃至策略。對發達國家生育率降低、人口老化的人力及腦力取代,將發生無比的互補再生功能。
但專家也發出警告,從歷史來看,產業革命以來,工業發展的帝國主義國家依仗其船堅砲利,對其殖民地或弱國的掠奪及巧取,極易重演。故液壓氣動與人工智慧的結合,也可能造成企業家和工業發達國家強加利用,從而剝奪人們的工作權利,增加失業率以及擴大貧富不均等社會與國際間問題。因此在科技進步與倫理人權兩方面,如何取得共諧合作、協調雙贏,應及早規範才是真道理。
此外,液壓氣動對電力的需求將更殷切,例如火力發電,包括煤、油及天然氣的能源,都是二氧化碳、溫室效應和氣候變異的推手;以及耗廢電子器材的丟棄汙染,在在都需要由製造者負責妥善且有效地回收管理。許多先進國家已宣布為了保護環境,若干年後不再製造發動機汽車,而改為電力汽車,因此電液氣的合成共作,也為未來走向。
全球機械產業發展趨勢,由精密製造升級為智慧機械,相關技術發展融合了大數據、人工智慧、物聯綱、雲端運算等,創造新的應用領域,臺灣已擁有完整機械產業聚落,及高良率、價格、服務等市場優勢,需有平台展示,才能發光發亮,「2018高雄自動化工業展」,3月30日至4月2日在「高雄展覽館」盛大舉行,規劃工具機、產業機械、五金零組件、自控檢測、人工智慧/智慧機構(機器人)、食品包裝設備專區、發明技轉及新技術專區、工會等九大項,以帶動自動化技術及工業發展,邁向國際化,進而拓展全球市場,主辦單位為《經濟日報》。
本書的宗旨是對高職、大專同學及液壓氣動工作者的學習而編寫,是流體壓力傳動原理及應用的敲門登堂題材用書,然而尚未及於深入且進其奧室的層次。學習者於讀畢後若有研究、設計及發明的意志,書中也羅列某些提示、發展趨勢及新知參考資料,希望可以提供學習者更上一層樓的途徑,以達成本書的期望任務。惟若讀者發現書中有任何謬誤或新的論證時,亦敬請寄Email指正,以利有機會修改。謹此深致謝意!
編者敬識