气压和液压结构原理——TRIZ试解

李正桐

气压和液压结构原理是TRIZ（发明问题解决理论）40条创新原理的第29条。TRIZ对该原理的解释是：“运用空气和液压技术来替代普通系统元件或功能”。在该领域的多数应用都与帕斯卡定律有关，也就是说自17世纪帕斯卡定律问世以来就具备了运用气压和液压机构的理论基础，但由于技术、工艺、材料等方面的原因，只有到了近代其应用才渐趋广泛。

从传递压强的意义上说，气体和液体是相同的。但也有区别，就是气体可以压缩，呈现弹性，而从工程的意义上说，液体是不可压缩的。不能说孰优孰劣，应该说各有各的用处。

人们运用气压的早期尝试之一是火炮，据考证，世界上最早的火炮出现在13世纪我国元朝。尽管早期的火炮工艺粗糙，气密性很差，所用的材料也不能承受很大的膛压，但它的射程和威力已远远超过此前的弓弩和抛石机。究其实质，火炮的身管与炮弹的关系就相当于蒸汽机、内燃机的气缸与活塞的关系，都是在一个可变容积的腔体内注入气压，使其膨胀做功。在这里爆燃气体的推动作用代替了此前的机械部件（例如弓弦）的推动。

用于救援的大型气垫给人留下深刻的印象。从高层建筑上落下的人，在气垫上得到缓冲，气垫吸收了他携带的巨大动能并将他稳稳托住。这种气垫的小型化就是汽车的安全气囊，发生险情时安全气囊迅速充气胀满，有效缓解了遇险人员的危险冲力。是不是这类气囊一定要用超高强度的特殊材料制成呢？不一定。帕斯卡定律决定了气囊内部压强处处相等，由于负荷是由它的全部表面积均匀承担的，所以只要表面积足够大，普通的成膜材料就可以负重。例如我们常用的购物袋的塑料膜，当它的表面积达到250m2时（10m见方，1.25m高），充气后就可以托起20吨重的卡车。当然作为一种安全或起重设施，给出足够的安全系数仍是必要的。由此看来，有些不老实的人踩在两个气球上做几个动作硬说这是“轻功”，那纯属骗人。表演者的体重并没变轻，气球的橡胶膜承受的压强根本就没超过它的极限强度，只需注意接触面平整干净，踩上去时动作轻缓，任何人踩上去都不会爆裂。顺便说一句，自古至今，这类自称轻功的表演只能借助参照物，没有一例敢在体重秤上演示。

类似的充气结构还有很多。例如1888年诞生的充气轮胎。很难想象，若没有充气轮胎汽车还能否跑出今天的速度？自行车还能否这样轻巧？飞机的起落架会以何种方式解决？此外，充气的橡皮筏、救生圈、种类繁多的充气玩具、充气泳池都是充气原理的成功应用。尤其值得一提的是大型充气场馆。以往提起大面积场馆，如体育场馆、会场、展厅等，我们会很自然地联想到桁架结构、薄壳结构或悬索结构，然而上世纪中叶诞生的一种充气场馆却别出心裁，它完全不用承重构件，只用空气。这种场馆多系临时建筑，用涂胶的防水布做成，顶部呈长拱形，像个巨大的面包。为了保持内压，能密封的部位尽量密封，考虑到总得有人进出以及内部空气总得更新，用一台风机把外界的空气鼓进去，在使用期间风机连续运转，使内部保持适度的正压。实践证明，要保持它的穹顶鼓胀不变形，并不需要很大的风压和风量。这种充气结构装、拆、运都很便捷。

帕斯卡定律的最直接应用莫过于液（水，油）压机。以往为了取得较大的作用力总得借助杠杆、滑轮、螺旋等刚性机械，而在液压机中给出巨大作用力的却是非刚性的液体工质。这种液压系统从上万吨的水压机到携带方便的千斤顶，都可以给出惊人的力度。曾经一度起重、掘土等工程机械都是靠滑轮—钢丝绳系统来驱动大负荷，自上世纪中叶起陆续改为利用液压组件，不但出力大、结构紧凑，而且较前者更为机动灵活。

众所周知，作为机械传动机构的无级变速器显然要比定比变速器复杂些，如锥盘式、行星式、针轮摆线式等，它们都是靠刚性零部件来传递功率，如链、钢带等。有一种液力自动变速器却是与众不同，它是靠液流来传递功率的。液流由泵轮产生，通过导轮的控制推动涡轮，实现功率传输和变速。与其它机械变速器一样具有恒功率特性，为方便驾驶调速提供了一种新的模式。

“滴水穿石、柔能克刚”。我们祖先很早就对气体液体的非刚性作用有了深刻的认识。在我们的设计工作中适当引入气压或液压机制，有时能取得事半功倍的效果。至于何时适用气压，何时适用液压，还需根据具体情况审慎抉择。