108 高普考高考三級 航空器維修 航空器液壓系統 考古題詳解

108 年・高普考・高考三級・航空器維修
試題代碼 航空器液壓系統

第 一 題25 分

試使用各一個液壓油箱（reservoir）、幫浦（pump）、方向閥（selector valve）、致動唧筒（actuating cylinder）、過濾器（filter）、釋壓閥（relief valve）、儲壓器（accumulator）、吸油單向閥（suction check valve），以及適量的液壓油管與管路接頭，組合成一適當的液壓動力系統並繪出示意圖。

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核心觀念

本題考查基本液壓動力系統的元件配置，以及油液由油箱出發、經幫浦加壓、控制致動器，再返回油箱的完整循環。作圖時要分清楚吸油管路、壓力管路與回油管路，並讓各元件符合其功能：

  • 油箱（reservoir）：儲存液壓油，供幫浦吸油並接收回油。
  • 幫浦（pump）：將機械能轉換成液壓能，供應流量；系統壓力則由負載及壓力控制元件共同決定。
  • 方向閥（selector valve）：切換壓力油與回油的流向，控制致動器伸出或縮回。
  • 致動唧筒（actuating cylinder）：將液壓能轉換成直線機械運動。
  • 過濾器（filter）：去除油液中的污染物，保護幫浦、閥件與致動器。
  • 釋壓閥（relief valve）：壓力超過設定值時開啟，將多餘油液導回油箱，以限制系統壓力。
  • 儲壓器（accumulator）：儲存受壓油液，在短時間內補充流量、吸收壓力脈動，並緩和壓力衝擊。
  • 吸油單向閥（suction check valve）：容許油液由油箱流向幫浦，阻止反向流動；安裝方向須符合箭頭所示流向。

方向閥採用一般四通三位配置，致動唧筒採雙作用型，中央位置採開中心回油配置，讓幫浦在中位時可卸荷。這是符合題目元件限制的基本示意配置。

解題方法

依液壓油流動順序配置元件，先建立主油路，再補上壓力保護與儲能支路：

  1. 建立吸油路：油箱出口經吸油單向閥、吸油管接至幫浦入口。
  2. 建立壓力路：幫浦出口接至壓力過濾器，再接方向閥的 PP 口；壓力線另分支接儲壓器及釋壓閥。
  3. 建立工作路：方向閥的 AA、BB 口分別接至雙作用致動唧筒的兩腔。
  4. 建立回油路：方向閥的 TT 口經回油管接回油箱。釋壓閥出口及儲壓器支路的油液也須接回油箱或壓力線，依元件功能配置。
  5. 確認閥位功能：方向閥切到一側時，壓力油進入一腔、另一腔回油；切至另一側時流向相反。中位時壓力油經開中心通道回油箱，致動器兩工作口封閉而保持位置。

液壓系統示意圖

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第 二 題30 分

一液壓系統，幫浦（pump）至致動唧筒（actuating cylinder）的管路長度 L=100 mL=100\ \mathrm{m}、直徑 d=1 cmd=1\ \mathrm{cm}，液壓油密度 ρ=900 kg/m3\rho=900\ \mathrm{kg/m^3}、動力黏滯係數 μ=6.8×10−2 Pa⋅s\mu=6.8\times10^{-2}\ \mathrm{Pa\cdot s}。當致動唧筒在作動時，液壓油於管中的平均流速 V=8 m/sV=8\ \mathrm{m/s}。

（ㄧ）該系統之唧筒如下圖所示，活塞直徑 D1=6 cmD_1=6\ \mathrm{cm}、連桿直徑 D2=2.5 cmD_2=2.5\ \mathrm{cm}。設液壓油流入唧筒之壓力 PH=20,000 kPaP_H=20{,}000\ \mathrm{kPa}，流出唧筒之壓力 PL=500 kPaP_L=500\ \mathrm{kPa}，活塞與唧筒壁面的摩擦力可忽略不計，求該唧筒之輸出力為多少？

圖示尺寸：活塞直徑 D1=6 cmD_1=6\ \mathrm{cm}；連桿直徑 D2=2.5 cmD_2=2.5\ \mathrm{cm}。

（二）設

f=τwρv2/8=64Re,f=\frac{\tau_w}{\rho v^2/8}=\frac{64}{\mathrm{Re}},

其中 τw\tau_w 為管壁剪應力、Re\mathrm{Re} 為雷諾數（Reynolds number），求液壓油流經管路之壓力損失 Δp\Delta p 為多少？

（三）液壓油流經液壓管路之壓力損失外，幫浦出口至唧筒間還有其他因素之壓力損失 40 kPa40\ \mathrm{kPa}。當唧筒作動時，幫浦輸出液壓油的壓力應為多少？

🖼️ 本題原卷含圖表。基於試題來源之版權考量，本站不轉載原卷影像； 題目文字已完整轉錄，圖表請自行參閱考選部公告之試題原檔。

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核心觀念

本題考查雙作用液壓唧筒的淨輸出力，以及液體在圓管內的層流摩擦壓力損失。

唧筒的輸出力由兩側壓力作用在各自有效面積上的力相減；管路壓力損失則先由雷諾數判定流況，再依題目給定的摩擦因子公式計算。

（一）唧筒輸出力

高壓油作用在活塞的全截面；低壓油作用在有連桿一側的環形面積。因此：

Fout=PHA1−PL(A1−A2)F_{\text{out}}=P_H A_1-P_L(A_1-A_2)

其中

A1=πD124=π(0.06)24=2.8274×10−3 m2A_1=\frac{\pi D_1^2}{4} =\frac{\pi(0.06)^2}{4} =2.8274\times10^{-3}\ \mathrm{m^2} A2=πD224=π(0.025)24=4.9087×10−4 m2A_2=\frac{\pi D_2^2}{4} =\frac{\pi(0.025)^2}{4} =4.9087\times10^{-4}\ \mathrm{m^2}

連桿側有效面積為：

A1−A2=2.3365×10−3 m2A_1-A_2 =2.3365\times10^{-3}\ \mathrm{m^2}

將壓力換成帕斯卡，PH=20,000 kPa=20×106 PaP_H=20{,}000\ \mathrm{kPa}=20\times10^6\ \mathrm{Pa}，PL=500 kPa=0.5×106 PaP_L=500\ \mathrm{kPa}=0.5\times10^6\ \mathrm{Pa}。代入：

Fout=(20×106)(2.8274×10−3)−(0.5×106)(2.3365×10−3)≈55,380 NF_{\text{out}} =(20\times10^6)(2.8274\times10^{-3}) -(0.5\times10^6)(2.3365\times10^{-3}) \approx 55{,}380\ \mathrm{N}

因此唧筒輸出力約為 55.38 kN55.38\ \mathrm{kN}。

（二）管路壓力損失

先計算雷諾數：

Re=ρVdμ=(900)(8)(0.01)6.8×10−2≈1,059\mathrm{Re}=\frac{\rho Vd}{\mu} =\frac{(900)(8)(0.01)}{6.8\times10^{-2}} \approx 1{,}059
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第 三 題

（ㄧ）飛機上利用不同動力來源驅動的液壓幫浦（pump）有哪些？

（二）飛機上有哪些系統或組件會使用液壓系統之動力來操作？

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核心觀念

本題分成兩部分：第一部分依「提供幫浦機械動力的來源」分類；第二部分列舉由液壓作動器操作的飛機系統或組件。液壓系統以受壓液體傳遞動力，幫浦將機械能轉換為液壓能，再由作動器將液壓能轉換為機械運動。

題目未指定機型，因此作動系統應以常見固定翼飛機為範圍回答；各機型的配置與液壓供能項目會有所不同。

解題方法

（一）題目問的是「不同動力來源」，所以依幫浦由何種能量來源驅動來分類，而不是按幫浦的排量、壓力或構造分類。

（二）題目問的是液壓動力「操作哪些系統或組件」，可從飛機主要功能逐項整理：飛行操縱、起落架與煞車、高升力裝置，以及其他大型或需要較大作動力的裝置。

（一）由不同動力來源驅動的液壓幫浦

  1. 發動機驅動幫浦（Engine-Driven Pump, EDP） 由發動機附件齒輪箱帶動，是飛機主要液壓動力來源之一。發動機運轉時，幫浦隨之工作。

  2. 電動幫浦（Electric Motor-Driven Pump） 由電動馬達帶動，常作為備用或輔助液壓動力來源，也可在發動機未運轉時提供液壓壓力。

  3. 氣動幫浦（Air-Driven Pump） 由引氣或其他壓縮空氣來源驅動氣動馬達，再帶動液壓幫浦；是否採用此型式依機型設計而定。

  4. 手動幫浦（Hand Pump） 由人力操作，通常用於地面維修、應急作動或有限的備用功能，無法提供與主要幫浦相同的持續供油能力。

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第 四 題15 分

試說明液壓油之功能與液壓油溫度高低對於液壓致動唧筒（actuating cylinder）運作之影響，以及液壓系統之熱交換器的功能。

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核心觀念

本題考查液壓油的四項主要作用、油溫與黏度的關係，以及油溫對液壓致動唧筒（actuating cylinder）動作與效率的影響。液壓油不只傳遞壓力，也負責潤滑、密封、帶走熱量及協助排除污染物。

解題方法

可從「液壓油的功能 → 油溫改變黏度 → 黏度影響致動唧筒的內漏、摩擦與反應 → 熱交換器控制油溫」依序作答。

致動唧筒的理想輸出力為

F=PAF = P A

其中 PP 為作用壓力，AA 為活塞有效面積。實際運作還受到油液黏度、內漏及密封摩擦影響，因此油溫雖不直接改變此理想關係，仍會影響唧筒的速度、效率與可靠度。

液壓油的功能

  1. 傳遞動力：液壓油近似不可壓縮，可將唧筒或泵產生的壓力傳遞至控制閥及致動唧筒，驅動操縱面、起落架或其他機件。
  2. 潤滑運動零件：在泵、閥、軸承及致動唧筒等零件間形成潤滑膜，減少摩擦與磨耗。
  3. 協助密封：油液填充配合表面間的微小間隙，降低泵、閥及活塞周圍的內部洩漏。
  4. 帶走熱量：將泵、閥、節流處及管路中因摩擦與壓力損失產生的熱量帶往油箱或熱交換器。
  5. 攜帶污染物：使磨耗顆粒及其他污染物流向濾清器，以便過濾；油液本身不會消除污染，仍須靠過濾與維護控制。

油溫對致動唧筒運作的影響

液壓油溫度升高時，黏度通常下降；溫度降低時，黏度通常上升。黏度過高或過低都會使系統偏離適當工作狀態。

油溫過高、黏度過低時：

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第 五 題10 分

試說明飛機之液壓系統如何釋壓？

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核心觀念

本題考查飛機液壓系統維修前的釋壓（depressurization）：停止壓力來源後，將系統管路、蓄壓器及必要時液壓油箱內殘留的壓力安全消除，使待拆卸或檢修的部位不再受壓。

液壓泵停止運轉不代表系統已無壓力。蓄壓器會儲存高壓液壓油，單向閥也可能將某些管路隔離，致使壓力仍被保留；油箱若採加壓設計，油箱內的氣體壓力也須依程序釋除。

解題方法

依壓力來源及儲壓位置，按「停止供壓、釋放管路與蓄壓器、視需要釋放油箱壓力、確認無壓」說明：

  1. 停止壓力來源：關閉或停用液壓泵，並依機型維修程序使相關系統停止供壓。
  2. 釋放管路及蓄壓器壓力：操作指定的釋壓閥或控制裝置，將蓄壓器及受壓管路內的液壓油導回油箱或指定回油路。若機型程序要求操作液壓作動器，則依程序使殘留壓力卸除。
  3. 釋放油箱壓力：對加壓式油箱，使用指定的油箱釋壓閥或洩壓裝置，將油箱氣體壓力排除。此步驟與液壓管路、蓄壓器釋壓是不同項目，不能互相取代。
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