氣壓和液壓結構原理——TRIZ試解

李正桐

氣壓和液壓結構原理是TRIZ（發明問題解決理論）40條創新原理的第29條。TRIZ對該原理的解釋是：“運用空氣和液壓技術來替代普通系統元件或功能”。在該領域的多數應用都與帕斯卡定律有關，也就是說自17世紀帕斯卡定律問世以來就具備了運用氣壓和液壓機構的理論基礎，但由于技術、工藝、材料等方面的原因，只有到了近代其應用才漸趨廣泛。

從傳遞壓強的意義上說，氣體和液體是相同的。但也有區別，就是氣體可以壓縮，呈現彈性，而從工程的意義上說，液體是不可壓縮的。不能說孰優孰劣，應該說各有各的用處。

人們運用氣壓的早期嘗試之一是火炮，據考證，世界上最早的火炮出現在13世紀我國元朝。盡管早期的火炮工藝粗糙，氣密性很差，所用的材料也不能承受很大的膛壓，但它的射程和威力已遠遠超過此前的弓弩和拋石機。究其實質，火炮的身管與炮彈的關系就相當于蒸汽機、內燃機的氣缸與活塞的關系，都是在一個可變容積的腔體內注入氣壓，使其膨脹做功。在這里爆燃氣體的推動作用代替了此前的機械部件（例如弓弦）的推動。

用于救援的大型氣墊給人留下深刻的印象。從高層建筑上落下的人，在氣墊上得到緩沖，氣墊吸收了他攜帶的巨大動能并將他穩穩托住。這種氣墊的小型化就是汽車的安全氣囊，發生險情時安全氣囊迅速充氣脹滿，有效緩解了遇險人員的危險沖力。是不是這類氣囊一定要用超高強度的特殊材料制成呢？不一定。帕斯卡定律決定了氣囊內部壓強處處相等，由于負荷是由它的全部表面積均勻承擔的，所以只要表面積足夠大，普通的成膜材料就可以負重。例如我們常用的購物袋的塑料膜，當它的表面積達到250m2時（10m見方，1.25m高），充氣后就可以托起20噸重的卡車。當然作為一種安全或起重設施，給出足夠的安全系數仍是必要的。由此看來，有些不老實的人踩在兩個氣球上做幾個動作硬說這是“輕功”，那純屬騙人。表演者的體重并沒變輕，氣球的橡膠膜承受的壓強根本就沒超過它的極限強度，只需注意接觸面平整干凈，踩上去時動作輕緩，任何人踩上去都不會爆裂。順便說一句，自古至今，這類自稱輕功的表演只能借助參照物，沒有一例敢在體重秤上演示。

類似的充氣結構還有很多。例如1888年誕生的充氣輪胎。很難想象，若沒有充氣輪胎汽車還能否跑出今天的速度？自行車還能否這樣輕巧？飛機的起落架會以何種方式解決？此外，充氣的橡皮筏、救生圈、種類繁多的充氣玩具、充氣泳池都是充氣原理的成功應用。尤其值得一提的是大型充氣場館。以往提起大面積場館，如體育場館、會場、展廳等，我們會很自然地聯想到桁架結構、薄殼結構或懸索結構，然而上世紀中葉誕生的一種充氣場館卻別出心裁，它完全不用承重構件，只用空氣。這種場館多系臨時建筑，用涂膠的防水布做成，頂部呈長拱形，像個巨大的面包。為了保持內壓，能密封的部位盡量密封，考慮到總得有人進出以及內部空氣總得更新，用一臺風機把外界的空氣鼓進去，在使用期間風機連續運轉，使內部保持適度的正壓。實踐證明，要保持它的穹頂鼓脹不變形，并不需要很大的風壓和風量。這種充氣結構裝、拆、運都很便捷。

帕斯卡定律的最直接應用莫過于液（水，油）壓機。以往為了取得較大的作用力總得借助杠桿、滑輪、螺旋等剛性機械，而在液壓機中給出巨大作用力的卻是非剛性的液體工質。這種液壓系統從上萬噸的水壓機到攜帶方便的千斤頂，都可以給出驚人的力度。曾經一度起重、掘土等工程機械都是靠滑輪—鋼絲繩系統來驅動大負荷，自上世紀中葉起陸續改為利用液壓組件，不但出力大、結構緊湊，而且較前者更為機動靈活。

眾所周知，作為機械傳動機構的無級變速器顯然要比定比變速器復雜些，如錐盤式、行星式、針輪擺線式等，它們都是靠剛性零部件來傳遞功率，如鏈、鋼帶等。有一種液力自動變速器卻是與眾不同，它是靠液流來傳遞功率的。液流由泵輪產生，通過導輪的控制推動渦輪，實現功率傳輸和變速。與其它機械變速器一樣具有恒功率特性，為方便駕駛調速提供了一種新的模式。

“滴水穿石、柔能克剛”。我們祖先很早就對氣體液體的非剛性作用有了深刻的認識。在我們的設計工作中適當引入氣壓或液壓機制，有時能取得事半功倍的效果。至于何時適用氣壓，何時適用液壓，還需根據具體情況審慎抉擇。