# 如何在氣缸行程中段停止時降低水錘效應

> Source: https://rodlesspneumatic.com/zh-hant/blog/how-to-mitigate-water-hammer-effect-when-stopping-a-cylinder-mid-stroke/
> Language: zh-Hant

## Summary

比較 5/3 閥中位、困氣限制、停止能量、桿鎖與 ISO 13849-1 控制，為實際氣動氣缸中段停止建立更安全的做法。

## Page Content

# 如何在氣缸行程中段停止時降低水錘效應

在行程中段停止的氣動氣缸，通常遇到的是運動控制瞬態，而不是典型的液體水錘。 移動負載仍保有動量，壓縮空氣像彈簧一樣作用，而方向控制閥則決定每個腔室是充氣、排氣還是困住壓力。要安全降低這種現象，負載動量、壓縮空氣的彈性作用與方向閥的腔室狀態三者都必須受控；只要其中一項失去控制，停止位置與停止後狀態就可能變得不可預測。實際目標不只是消除巨響，而是讓負載在已知距離內減速，達到明確的停止後壓力狀態，防止漂移，並讓任何安全功能都獨立於一般 PLC 指令。相關的[氣動閥系統水錘指南](/zh-hant/blog/how-to-mitigate-water-hammer-in-pneumatic-valve-systems/)涵蓋更廣泛的閥件、排氣、端部撞擊與冷凝水故障；本文則聚焦於氣缸在兩個端位之間停止，以及這種中間位置停止所需的控制邊界。

這項區分會改變硬體選擇。

> 重點摘要 5/3 中封式閥能困住空氣，但無法保證精確或長時間的位置保持。 停止能量會隨氣缸速度的平方增加。 端部緩衝無法保護任意位置的行程中段停止。 緊急停止、製程停止與垂直負載保持需要不同的迴路與驗證。

[Video: AutomationDirect 的氣動閥連接埠與通路說明](https://i.ytimg.com/vi_webp/TM-XLgcmlEI/hqdefault.webp)

## 行程中段停止真的算是水錘嗎？

SMC 警告，使用三位式中封閥停止的氣缸，因為空氣具有可壓縮性，無法達到液壓停止的精度。製造商指引也指出，一般閥件與氣缸不保證零洩漏；因此，中封狀態不應被理解為永久、絕對不移動的機械鎖定（[SMC NCQ8 型錄](https://www.smcworld.com/catalog/en/actuator/NCQ8/ncq8-web_en/data/ncq8-web_en.pdf)，2026 年）。這種由壓縮性與洩漏共同限制的機制，與典型的液體水錘不同。

氣動停止衝擊 是移動中的氣動軸減速時，由壓力與機械瞬態共同產生的現象。在乾燥迴路中，突發的閥指令就可能啟動這個事件：負載持續移動，其中一個腔室被壓縮，另一個腔室可能排氣或被困住，結構則產生反作用。不存在可合理辯護的通用倍率，例如「正常壓力的五倍」；不能只用一個固定倍數預測每種機台的峰值壓力或撞擊力。迴路容積、活塞面積、負載、速度、閥狀態、配管與順應性都會影響結果。

只有在液態冷凝水已經累積並以液塞形式移動時，「水錘」一詞才是字面上的描述。否則， 氣動停止衝擊 、 腔室壓力瞬態 或 行程中段撞擊 通常更準確；這些名稱能提醒工程師先檢查動量、腔室壓力變化與閥的排氣或困壓狀態，而不是直接假定迴路中有液體。

| 你觀察到的現象 | 可能機制 | 第一個有用的量測 | 適當的回應 |
| --- | --- | --- | --- |
| 閥切換後立即發出撞擊聲 | 負載慣性，加上切換後腔室壓力快速改變 | 兩個氣缸氣口壓力與位置 | 加入受控減速，並檢查閥的中位狀態 |
| 氣缸反彈或振盪 | 被困住的空氣受壓，像彈簧一樣儲存並釋放能量 | 活塞兩側的位置與壓力 | 重新調整阻尼、死容積與停止順序 |
| 運動期間排氣側壓力升高 | 消音器、歧管、管路或排氣節流路徑中的流量受限 | 氣缸排氣口與閥排氣口的壓力 | 移除限制，或重新選定排氣路徑尺寸 |
| 停止後軸仍緩慢移動 | 內部洩漏、密封旁通，或外部負載隨時間改變 | 隨時間變化的位置與腔室壓力 | 加入合適的保持裝置或回授控制修正 |
| 排水器或排氣口出現水 | 迴路內的冷凝水逐漸累積並移動 | 露點、排水器運作與低點檢查 | 在調整運動前先修正空氣處理與排水 |

聲音的位置不一定是來源。機架可能把噪音傳到距離最先發生壓力變化的腔室很遠之處，因此靠近聲音量測不一定能找到第一個異常點。將閥指令、位置與兩條壓力曲線同步，比追著撞擊聲尋找來源更有用，也能分辨壓力瞬態究竟先於位置變化，還是由位置變化引發。

## 你的機台需要哪一種停止功能？

ISO 13850:2015 不論機台使用哪一種能量類型，都定義緊急停止的原則，但本身不指定煞車、反向或能量切斷方式（[ISO 13850](https://www.iso.org/standard/59970.html)，2015 年）。這項界線很重要：受控的生產停止與降低風險的緊急停止不能互相替代，前者可以為製程品質服務，後者則必須服從機台風險評估所要求的風險降低反應。

先命名你要的停止。

在選擇閥件前寫下所需功能。發出停止指令後，負載必須如何動作？要減速到可重複的位置、暫時停住、在狹窄的位置窗口內保持，還是立即降低某項危害？先把這個結果說清楚，才知道需要的是流量調節、位置回授、保持裝置或獨立的安全功能。

| 所需功能 | 預期結果 | 典型控制方式 | 必須確認的主要限制 |
| --- | --- | --- | --- |
| 正常製程停止 | 減速至可重複的位置 | 比例閥、分段流量，或位置控制的氣動軸 | 調校結果會隨負載、壓力、摩擦與溫度改變 |
| 暫時暫停 | 停止運動，之後可在不要求高精度的情況下恢復 | 適當的 5/3 中位狀態搭配受控接近速度 | 困氣可能壓縮、洩漏，並在外力作用下移動 |
| 中間位置保持 | 保持在定義的位置窗口內 | 回授加先導止回閥、桿鎖或機械夾具 | 靜態保持與動態煞車需要不同額定值 |
| 緊急停止 | 依風險評估要求盡快降低風險 | 經驗證的安全相關控制功能 | 標準 PLC 輸出或一般電磁閥並不足夠 |
| 垂直負載保持 | 防止失壓或斷電後墜落 | 彈簧作用煞車、桿鎖或機械約束 | 釋放順序、負載能力、停止距離與診斷 |

端部緩衝解決的是另一項工作。緩衝只在設計的行程末端區域附近消散能量，並不是沿整個行程都可用的制動器。如果停止可能發生在行程任何位置，活塞可能根本不會進入該區域，因此端部緩衝既不能預測任意中間位置的停止距離，也不能承受該位置的全部減速能量。[氣動氣缸緩衝指南](/zh-hant/blog/how-does-pneumatic-cylinder-cushioning-work-to-prevent-damage-and-noise/)適合處理端部撞擊，但不會把一般氣缸變成行程中段煞車。

## 應如何診斷行程中段的壓力衝擊？

ISO 4414:2010 涵蓋氣動系統的設計、安裝、調整、運轉與維護危害，且該版本在 2021 年確認仍為現行版本（[ISO 4414](https://www.iso.org/standard/44790.html)，2021 年）。因此，有用的診斷必須同時包含空氣迴路與運動中的機台，而不只是調壓器壓力表；供氣表的靜態讀值正常，並不代表氣缸氣口或共用排氣路徑在瞬態期間沒有異常。

同步擷取運動與壓力。

在同一時間基準上記錄以下五項訊號：

- 方向控制閥指令或閥芯回授

- 氣缸位置與計算速度

- 靠近氣缸氣口的無桿側壓力

- 靠近氣缸氣口的活塞桿側壓力

- 共用排氣可能受限時的排氣歧管壓力

使用額定壓力與環境條件符合預期的壓力傳感器和接頭。過長的診斷軟管會增加死容積，並可能模糊短暫事件，使量測曲線看起來比實際變化更慢。在安裝或移動傳感器前，依現場的能量控制程序隔離機台，並控制已儲存的氣動與機械能量；診斷本身不能成為接近未受控運動軸的理由。

從最低速度與具代表性的負載開始。每次測試只改變一個變數：接近速度、排氣節流設定、閥中位指令、排氣限制或外部負載。不要直接換成更大的閥。較大的流量可能縮短循環時間，卻同時提高加速度與停止能量。如果名義上正在排氣的腔室壓力升高，請檢查從氣缸氣口到大氣的完整路徑，包括流量控制器、管路、方向控制閥、歧管通道、消音器與箱體通風口。[氣動背壓指南](/zh-hant/blog/what-is-back-pressure-in-a-pneumatic-system-and-how-does-it-impact-your-equipment-performance/)說明了為什麼供氣壓力表讀值正常，排氣卻可能受限。

第一次偏離發生的時機，可以區分幾種聽起來相似的故障。若壓力在閥指令時變化，方向偏向切換與腔室充氣；若壓力在開始減速後升高，則偏向困住的容積或排氣限制；若壓力穩定後位置仍移動，則偏向洩漏、順應性或外部力量。這個時間順序比只比較最後的峰值更有診斷價值，因為它能指出應先查控制命令、排氣路徑，還是保持與機械負載。

## 哪種迴路可以停止並保持氣缸？

Festo 指出三種常見的 5/3 中位條件：中封、加壓與排氣。中封結構會封閉供氣口與工作口，但 Festo 也提醒，內部洩漏可能使氣缸隨時間失壓（[Festo 氣動閥指南](https://www.festo.com/gb/en/e/blog/in-practice/pneumatic-valves-id_1517691/)，2026 年）。中位符號定義的是空氣狀態，不是保證的位置精度。

沒有任何一種閥狀態能解決所有工作需求。

### 中封式 5/3 閥

中封式閥芯會把空氣困在氣缸兩個腔室內。這類迴路可以暫停負載較輕的水平軸，但困氣壓縮時活塞仍可能移動，停止指令本身也不會自動形成精確的位置命令。洩漏、溫度變化、密封摩擦、桿側面積差與外部負載，都可能改變最終位置。只有在已知允許漂移與停止距離，並且這些限制符合製程需求時，才使用這種方式。

### 中壓式與中排式閥

中壓式閥芯會同時向兩個工作口供氣。由於單桿氣缸的有效面積不相等，相同壓力不會產生相同作用力，所以不能只看兩側壓力數值就假定負載會保持不動。中排式閥芯會讓兩個腔室排氣，雖然可以移除驅動壓力，卻也可能釋放支撐垂直負載的氣動力。沒有經過機台層級分析，不應把任何一種中位狀態稱為「失效安全」。

### 排氣節流流量控制

對抗性負載使用排氣節流，通常比進氣節流更能維持穩定速度。它不會產生位置指令。突發的中位指令仍會快速改變迴路狀態，因此必須在目標位置前開始減速，或使用可以調節流量的閥。選擇節流方向前，請比較[排氣節流迴路指南](/zh-hant/blog/how-do-meter-out-circuits-deliver-precise-speed-control-for-pneumatic-cylinders/)與更廣泛的[進氣節流與排氣節流選擇](/zh-hant/blog/which-flow-control-method-delivers-better-performance-meter-in-vs-meter-out/)。

### 先導止回閥、雙止回閥組與桿鎖

先導操作式止回閥與雙止回閥組，比標準閥芯閥更久地保持腔室壓力；但兩者仍取決於氣密性與正確的先導順序，不能把「有止回功能」直接等同於永久保持。SMC 的 VQZ perfect-block 說明指出，配管洩漏會使延長停止失效，而過度的排氣限制會降低停止精度（[SMC VQZ 型錄](https://www.smcworld.com/catalog/BEST-5-1-en/pdf/1-p1253-1328-vqz1000_en.pdf)，2026 年）。

機械式桿鎖與夾持單元直接約束活塞桿。因此，它們適合防止漂移與保持垂直負載，但前提是先確認裝置額定的是靜態保持、動態煞車，還是兩者皆可；正在移動的負載需要能吸收能量的額定裝置，不能用只允許靜態保持的產品代替。[桿鎖選型指南](/zh-hant/blog/why-are-rod-lock-units-essential-for-pneumatic-cylinder-safety-and-positioning/)區分了這些工作。

### 快速排氣與洩壓裝置

快速排氣硬體可以縮短排氣路徑，但也可能提高氣缸速度，進而提高每次停止要處理的動能。它不是煞車裝置。先量測限制，再在安裝後重新測試速度與停止距離；不能因為撞擊聲變小，就省略負載與壓力驗證。[快速排氣閥指南](/zh-hant/blog/how-does-a-quick-exhaust-valve-work-and-why-should-you-care/)說明安裝位置與先導行為。只有在達到啟裂條件後，洩壓閥才會限制壓力；它不會自動控制移動中的負載，也不會讓停止變得可重複。同樣地，儲氣筒可以緩衝供氣需求，但不是局部氣缸停止的通用吸能器。

選擇停止後希望達到的實體狀態：困住壓力、維持壓力、排出壓力，或以機械方式約束活塞桿。從這個狀態出發，可以看出迴路需要不同的中位閥、回授迴路、保持裝置，還是獨立的安全功能。

## 計算停止能量與減速距離

Festo 將 DNCKE-S 夾持單元描述為可煞車運動並保持中間位置的裝置，同時要求定期檢查煞車超行程（[Festo DNCKE-S](https://ftp.festo.com/public/pneumatic/SOFTWARE_SERVICE/Documentation/2023/EN/DNCKE_EN.PDF)，2026 年）。這項要求反映一個基本事實：移動中的負載需要距離與額定裝置來消散能量。

速度是代價最高的變數。

先從移動質量的平移動能開始：

E k = 1 2 m v 2 E_k = \frac{1}{2} m v^2

其中， E k E_k 是以焦耳表示的動能， m m 是以公斤表示的總移動質量，而 v v 是減速前瞬間以公尺每秒表示的速度。請納入活塞、工具、工件、導引滑台，以及氣缸必須停止的任何折算移動質量；不要只把氣缸本體或工件單獨當成移動質量，否則會低估實際需要消散的停止能量。

例如，一個以 0.8 m/s 移動的 25 kg 組件具有 8 J 動能。同一組件以 1.6 m/s 移動時，動能為 32 J。速度加倍，動能會變成四倍。因此，小幅增加速度就可能讓原本穩定的停止變成反彈、密封應力或夾具損壞；速度調整不能只用循環時間判斷，也要重新檢查停止距離與元件負荷。

平均減速力的第一個估算式為：

F a v g ≈ E k d F_{\mathrm{avg}} \approx \frac{E_k}{d}

在這個式子中， F a v g F_{\mathrm{avg}} 是以牛頓表示的平均力， d d 是以公尺表示的受控停止距離。在 20 mm 內消散 8 J，平均慣性力約為 400 N。這個簡化值不包含持續的氣動驅動力、摩擦變化、壓力動態、衝擊峰值、結構撓性與重力。

不要把這個估算值當成元件額定值。請將質量、速度、每次停止的能量、循環頻率、允許超行程、溫度與安裝方向，和所選比例閥、緩衝器、煞車或夾持單元的文件放在一起比較；還要確認文件的額定條件與實際安裝方式一致。如果減速期間供氣壓力仍持續推動活塞，請依製造商指定的選型方法納入這項功，因為僅計算移動質量的慣性力會低估總負載。

## 如何將行程中段停止整合到緊急停止安全功能？

ISO 13849-1:2023 適用於使用電氣、液壓、氣動與機械技術的安全相關控制系統，但不會為特定機台指定所需的性能等級（[ISO 13849-1](https://www.iso.org/standard/73481.html)，2023 年）。風險評估必須定義安全功能、所需反應、診斷與驗證。

用可量測的語句寫出這項功能。例如：當防護裝置被觸發時，軸必須減速而不把工件甩出，在定義的危害邊界前停止，並在刻意重設前保持於允許的位置窗口內。這個描述同時定義停止距離、停止後的位置狀態與重設條件；垂直軸在氣動能量排出後，可能還需要維持支撐。

安全相關停止可能包含：

- 護罩開關、光幕或緊急停止裝置

- 安全繼電器或安全 PLC 邏輯

- 要求時使用冗餘或受監控的閥架構

- 相關氣動區域的安全排氣功能

- 具動態額定值的煞車或夾持單元

- 位置、壓力、閥狀態或鎖定狀態回授

- 受控的重設與重新啟動邏輯

[安全排氣閥整合指南](/zh-hant/blog/integrating-safety-exhaust-valves-into-your-pneumatic-machine-guarding/)說明降壓。請記住，排出空氣與約束負載是兩項不同的功能；排氣只能說明壓力被移除，不能說明負載已被煞住或固定。如果先沒有機械裝置支撐，讓兩個氣缸腔室排氣可能使垂直負載墜落。普通 PLC 輸出不會因為程式把它稱為緊急停止，就自動成為安全功能。ISO 13850 也明確指出，緊急停止功能是補充性的防護措施；當重力仍然構成危害時，它不能取代防護、預防意外啟動、維修時的能量隔離或機械約束。

## 穩定行程中段停止的試運轉檢查表

OSHA 29 CFR 1910.147(d)(5) 要求在維修期間釋放、切斷、約束或以其他方式使儲存能量與殘餘能量處於安全狀態（[OSHA 1910.147](https://www.osha.gov/laws-regs/regulations/standardnumber/1910/1910.147)，2026 年）。因此，試運轉量測與調整必須以受控隔離為前提，而不能臨時接近仍在運轉的軸。

測試真實的操作範圍，不要只做一次無負載示範：

- 依迴路圖核對元件型號、流向、閥中位狀態與管路連接。

- 確認移動質量、負載方向、重心、導引方式與可信的外部力量。

- 從降低的速度開始，記錄閥指令、位置、速度與兩個腔室的壓力。

- 在預期供氣壓力的最低值與最高值下，量測停止距離、反彈、穩定時間與最終漂移。

- 以最小與最大負載、溫度範圍及具代表性的循環頻率重複測試。

- 依風險評估要求，測試斷電、失氣、排氣堵塞、傳感器故障與重啟行為。

- 確認靜態鎖只在運動停止後嚙合，除非其文件明確允許動態煞車。

- 記錄接受的設定、曲線、限制、檢查週期與安全復原步驟。

| 驗收項目 | 記錄內容 | 在下列情況拒絕設定 |
| --- | --- | --- |
| 停止距離 | 收到停止要求後量得的最大移動距離 | 負載越過定義的安全邊界 |
| 腔室壓力 | 兩個氣口的峰值、最低值與穩定值 | 元件額定值或所需保持壓力被超過或流失 |
| 位置穩定性 | 所需保持時間內的反彈與漂移 | 製程或安全位置窗口被違反 |
| 煞車或鎖定狀態 | 嚙合時間、回授與負載結果 | 運動超出產品允許的煞車範圍 |
| 重新啟動 | 建立壓力、釋放順序與第一次移動 | 軸跳動、墜落，或未經所需重設就啟動 |

維護時應追蹤與驗收相同的變數，才能把趨勢與初始基準比較。停止距離增加，可能表示煞車磨損、排氣堵塞、供氣壓力降低、負載改變、導引鬆動或流量控制設定變動。單靠聲音不是良好的維護界限，因為聲音可能由機架傳遞或被環境噪音掩蓋，卻沒有反映停止距離與位置漂移。

## 氣動氣缸行程中段停止常見問題

SMC 的三位式中封指引指出兩項持續存在的限制：空氣可壓縮性會降低停止精度，而一般閥件或氣缸的洩漏會使長時間保持無法獲得保證（[SMC NCQ8 型錄](https://www.smcworld.com/catalog/en/actuator/NCQ8/ncq8-web_en/data/ncq8-web_en.pdf)，2026 年）。以下四個答案針對買方最容易混淆的迴路選擇，並把暫停、精確定位、快速排氣與緊急停止分開處理。

### 5/3 中封式閥能讓氣缸精確保持在行程中段嗎？

困氣可以暫停某些負載，但無法保證高位置精度或無限期保持。空氣壓縮、洩漏或溫度變化時，活塞位置可能改變；位置漂移不一定會在停止瞬間出現，也可能在保持期間逐漸累積。外部負載與單桿面積差也很重要。當允許的位置窗口很小時，請使用回授或機械保持裝置，並用實際負載驗證保持時間與位置界限。

### 快速排氣閥能消除行程中段的壓力衝擊嗎？

單靠它不行。它可以降低排氣路徑阻力，但由此產生的較高氣缸速度可能增加動能與停止距離，也可能改變原本的減速與端位條件。改變硬體前先量測排氣壓力。安裝後，應在真實負載下重新測試速度、兩個腔室壓力、反彈與端部撞擊，並比較停止距離與穩定時間，不要只根據聲音判斷結果。

### 氣缸端部緩衝能保護任意位置的行程中段停止嗎？

不能。可調式空氣緩衝與彈性體碰墊只在氣缸設計的端位附近作用，且作用區域取決於該氣缸的設計。行程中間的停止不會進入該緩衝區，因此不能用端部緩衝保護任意中間位置的停止。請使用受控減速、額定值正確的外部裝置，或為所需中間位置設計的煞車與保持系統。

### 桿鎖足以建立緊急停止功能嗎？

不能。桿鎖只有在其靜態或動態額定值與指定控制順序範圍內，才能支援安全功能；必須先確認它是在運動停止後保持，還是被文件允許用於動態煞車。完整功能可能還需要安全邏輯、受監控閥件、回授、防護、安全排氣、重設控制，以及依機台風險評估所建立性能等級進行驗證。

### 資料來源與技術參考

- [ISO 4414:2010](https://www.iso.org/standard/44790.html)，氣動系統安全範圍與生命週期狀態。取用日期：2026-07-19。

- [ISO 13850:2015](https://www.iso.org/standard/59970.html)，緊急停止原則與範圍。取用日期：2026-07-19。

- [ISO 13849-1:2023](https://www.iso.org/standard/73481.html)，安全相關控制系統設計方法。取用日期：2026-07-19。

- [OSHA 29 CFR 1910.147](https://www.osha.gov/laws-regs/regulations/standardnumber/1910/1910.147)，危害能量控制與儲存能量要求。取用日期：2026-07-19。

- [SMC NCQ8 型錄](https://www.smcworld.com/catalog/en/actuator/NCQ8/ncq8-web_en/data/ncq8-web_en.pdf)，空氣可壓縮性與洩漏造成的中間停止限制。取用日期：2026-07-19。

- [SMC VQZ 型錄](https://www.smcworld.com/catalog/BEST-5-1-en/pdf/1-p1253-1328-vqz1000_en.pdf)，perfect-block 迴路限制與洩漏注意事項。取用日期：2026-07-19。

- [Festo 氣動閥指南](https://www.festo.com/gb/en/e/blog/in-practice/pneumatic-valves-id_1517691/)，5/3 中位行為。取用日期：2026-07-19。

- [Festo DNCKE-S 文件](https://ftp.festo.com/public/pneumatic/SOFTWARE_SERVICE/Documentation/2023/EN/DNCKE_EN.PDF)，煞車、保持與超行程要求。取用日期：2026-07-19。