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草廬對(duì)話(二)

   【壓縮機(jī)網(wǎng)】(接2019年4月刊《草廬對(duì)話(一)》)
 
  3. 壓縮機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)的與其具體途徑
  G君:壓縮機(jī)客戶的個(gè)性化需求,是制造壓縮機(jī)之標(biāo)的,當(dāng)然也是壓縮機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)的。壓縮機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中所采納的具體途徑,是為達(dá)到制造標(biāo)的、設(shè)計(jì)標(biāo)的這樣的目標(biāo),而優(yōu)選的手段。
  J君:是??!目標(biāo)和手段不可混淆,更不能把手段視同目標(biāo)。這在邏輯關(guān)系上,原本是很清楚、很清楚的事呀。不幸的是,數(shù)十年來(lái),在壓縮機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)踐過(guò)程中,卻不時(shí)出現(xiàn)目標(biāo)和手段混淆,甚至把手段推崇為目標(biāo)的不正常狀態(tài)。著實(shí)令人心痛!
  G君:正本清源,明確邏輯關(guān)系,糾正壓縮機(jī)設(shè)計(jì)中的此種被扭曲的怪胎,真是太有必要了!
  J君:壓縮機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)的,絕非以最高標(biāo)準(zhǔn)為最佳,而是以貼切地符合客戶實(shí)際需要為根本。
  G君:“符合性”才是最佳境界,才是客戶的根本要求。如若盲目追求“最高標(biāo)準(zhǔn)”,勢(shì)必導(dǎo)致資源浪費(fèi)、制造成本過(guò)高等等,這些是非客戶所需的意外傷害。
  J君:壓縮機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)的大致涵蓋范疇若何?
  G君:以予一管之見(jiàn),壓縮機(jī)的流量、壓力、安全性、可靠性、能耗、振動(dòng)、噪聲、排氣溫度、壽命等性能參數(shù),皆屬設(shè)計(jì)標(biāo)的范疇。有的客戶還會(huì)對(duì)主機(jī)/機(jī)組外形尺寸、主機(jī)/機(jī)組質(zhì)量(重量)有限制,甚至達(dá)到苛求的程度。不可否認(rèn),客戶的“苛求”一般皆非空穴來(lái)風(fēng),而是受制于運(yùn)行場(chǎng)所的具體條件。譬如,艦艇用、科考勘測(cè)船用壓縮機(jī),其外形尺寸、質(zhì)量要求,往往難倒不少壓縮機(jī)專(zhuān)業(yè)制造企業(yè)。其對(duì)壓縮機(jī)的縱傾、橫傾運(yùn)行要求,又是陸用壓縮機(jī)不予考慮的。艦船用壓縮機(jī)所在機(jī)艙的環(huán)境溫度之高,也遠(yuǎn)非陸用壓縮機(jī)可比擬。
  J君:您剛才說(shuō)到了艦船用壓縮機(jī),使我不由自主地回想起了H總工程師在二十年前對(duì)我講的他的切身感受。H總?cè)温氂趽P(yáng)子江畔壓縮機(jī)主力制造企業(yè),在觀察分析了中歐艦用中歐產(chǎn)壓縮機(jī)后,H總感嘆曰:這臺(tái)壓縮機(jī)的設(shè)計(jì),連一根管子都無(wú)法改動(dòng)。
  G君:噢,這臺(tái)壓縮機(jī)乃世界壓縮機(jī)名企所產(chǎn)。之所以連一根管子都無(wú)法改動(dòng),既證實(shí)了其設(shè)計(jì)細(xì)致入微,也說(shuō)明了艦船用壓縮機(jī)雄踞壓縮機(jī)技術(shù)高端的地位。當(dāng)然,該名企地處重要軍港,對(duì)艦用壓縮機(jī)的了解太深刻了。
  J君:當(dāng)下,完全可以毫不含糊地說(shuō),國(guó)產(chǎn)艦船用壓縮機(jī),業(yè)已達(dá)到毫不含糊的水準(zhǔn),位居世界艦船用壓縮機(jī)技術(shù)第一梯隊(duì)。
  G君:和壓縮機(jī)設(shè)計(jì)緊密關(guān)聯(lián)的諸結(jié)構(gòu)參數(shù),如轉(zhuǎn)速、行程、氣缸直徑、轉(zhuǎn)子直徑、轉(zhuǎn)子型線(齒形)、葉輪直徑、葉片前傾或后傾或扭曲三維、壓縮級(jí)數(shù)與段數(shù)、冷卻方式等,及其導(dǎo)出參數(shù)——活塞平均速度、高速性系數(shù)、轉(zhuǎn)子圓周速度、葉輪圓周速度等,都是為實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)標(biāo)的之設(shè)計(jì)途徑,是手段、方法,而絕非終極目標(biāo)。
  J君:這就是合乎邏輯的,目標(biāo)和手段、方法的關(guān)系??!
  G君:遠(yuǎn)逾百年無(wú)數(shù)臺(tái)壓縮機(jī)的運(yùn)行實(shí)際,都雄辯地證明了這一點(diǎn),即根據(jù)壓縮機(jī)的導(dǎo)出參數(shù)——諸如活塞平均速度、轉(zhuǎn)子圓周速度、葉輪圓周速度,基本可以預(yù)判壓縮機(jī)性能(如能耗)之優(yōu)劣。
  J君:這確實(shí)可以稱得起是鐵律呀!
  G君:平衡點(diǎn)優(yōu)選恰當(dāng)?shù)南嚓P(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù),往往可使壓縮機(jī)獲取多方面的優(yōu)異表現(xiàn)。例如往復(fù)活塞式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速適當(dāng)高、行程適當(dāng)短,從而使活塞平均速度不甚高時(shí),則可兼收節(jié)能、形小、量輕、節(jié)材和高可靠性等綜合效益。這對(duì)客戶和壓縮機(jī)專(zhuān)業(yè)制造企業(yè),就是雙贏效果。
  J君:偏執(zhí)地狂熱鼓吹壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速高達(dá)X r/min、活塞平均速度高達(dá)X m/S、轉(zhuǎn)子或葉輪圓周速度高達(dá)XX m/S才是先進(jìn)壓縮機(jī)的論調(diào),雖然早已淪為歷史笑柄,但其余毒猶在,蓋因壓縮機(jī)基礎(chǔ)理論的普及與深入遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠也!
  G君:在運(yùn)行可靠性日益深入人心的當(dāng)下,和鼓噪“高、高、高”參數(shù)相反,不時(shí)有鼓吹“低、低、低”參數(shù)者。其意在宣揚(yáng)己方的低轉(zhuǎn)速壓縮機(jī)運(yùn)行如何可靠,怎樣節(jié)能,又怎樣先進(jìn)。
  J君:此種以商業(yè)利益為出發(fā)點(diǎn)的炒作,所虧欠的是科學(xué)精神,不妨另題切磋之。
 
  4. 壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速與運(yùn)行可靠性的關(guān)系
  J君:實(shí)事求是地說(shuō),設(shè)計(jì)合理、制造靠譜的壓縮機(jī),它的運(yùn)行是可靠的,且不論其轉(zhuǎn)速的具體值為若干。這樣的實(shí)例真是太多了。
  G君:轉(zhuǎn)速值的平方和慣性力成正比,轉(zhuǎn)速值還和壓縮機(jī)的工作循環(huán)次數(shù)成正比。故而人們把壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速和可靠性緊緊地關(guān)聯(lián)在一起,不足為怪。
  J君:轉(zhuǎn)速低的壓縮機(jī),其可靠性就高嗎?不一定。當(dāng)其設(shè)計(jì)、制造不正確時(shí),可靠性無(wú)從談起。
  G君:是??!的確不能單純以壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的高低來(lái)判斷其運(yùn)行可靠性。譬如,只要是設(shè)計(jì)、制造精良的透平壓縮機(jī),在每分鐘逾數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)的高轉(zhuǎn)速下運(yùn)行,依然輕松、平穩(wěn)、可靠,被許多單系列工藝流程或裝置所欣然接納。
  J君:轉(zhuǎn)速莫名降低難道是壓縮機(jī)技術(shù)進(jìn)步之舉嗎?原材料消耗增大,加工工時(shí)增加,壓縮機(jī)重量、外形變大,都盡在不言中。而能耗降低嗎,可靠性提高嗎,卻是未知數(shù)。
  G君:所以啊,務(wù)應(yīng)客觀地看待和擇定轉(zhuǎn)速這一重要結(jié)構(gòu)參數(shù)。不能以自我的市場(chǎng)、商業(yè)利益,把轉(zhuǎn)速這項(xiàng)參數(shù)扭曲了,卻套上莫須有的桂冠,忽悠那些不可能對(duì)壓縮機(jī)有深入了解的客戶。
 
  5. 壓縮機(jī)技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中,經(jīng)典力學(xué)之導(dǎo)引力
  G君:壓縮機(jī)技術(shù)的最重要基礎(chǔ)支柱之一,就是經(jīng)典力學(xué)。不可否認(rèn)的是,經(jīng)典力學(xué)之導(dǎo)引力,極其深刻地促進(jìn)了壓縮機(jī)技術(shù)的進(jìn)步。這些進(jìn)步,有時(shí)是跨越式的,有時(shí)甚至可以毫不夸張地說(shuō)是跳躍式的。
  J君:確實(shí)如此。就拿回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)中的滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)來(lái)說(shuō),其工作原理早在十九世紀(jì)就業(yè)已問(wèn)世,當(dāng)二十世紀(jì)六、七十年代機(jī)械加工的精密性大幅提升之后,其工作腔氣密性大為改善,又因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低而在小型制冷壓縮機(jī)領(lǐng)域獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。但從技術(shù)角度看,滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)的輝煌期卻是在二十世紀(jì)九十年代甚為活躍的雙滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)。它的兩個(gè)活塞體相位差是180°,恰好將旋轉(zhuǎn)慣性力完全平衡,消除了最主要的機(jī)械振動(dòng)源。畢竟此二活塞體是在同一根主軸上的緊鄰位置啊!誠(chéng)然,甚小的旋轉(zhuǎn)慣性力矩還是存在的。
  G君:就往復(fù)活塞式壓縮機(jī)而言,經(jīng)典力學(xué)的影響力更是壓倒性的。
  J君:是??!且不說(shuō)最初的單列、立式,單列、臥式之往復(fù)活塞式壓縮機(jī),也不言單重(單曲拐)、雙重角度式往復(fù)活塞壓縮機(jī)中V型、W型、L型、扇型,僅就兩列、多列臥式往復(fù)活塞壓縮機(jī)而言,經(jīng)典力學(xué)的影響有目共睹。在消減往復(fù)及旋轉(zhuǎn)慣性力與力矩的機(jī)理和實(shí)際效果方面,經(jīng)典力學(xué)既是指路明燈也是定海神針。
  G君:臥式壓縮機(jī)由單列到多列,由傳動(dòng)部件位于曲軸同側(cè)到位于曲軸兩側(cè)這些變革中,先后涌現(xiàn)了“刺刀式”、“對(duì)置式”、“奇數(shù)列”與“偶數(shù)列”的對(duì)稱平衡型等等這些均屬臥式壓縮機(jī)定義范疇的結(jié)構(gòu)型式。在構(gòu)成為相同性能參數(shù)壓縮機(jī)時(shí),其外形之減小、重量(質(zhì)量)之減輕、振動(dòng)的消減,皆甚為顯著。
  J君:在全球普遍采用對(duì)稱平衡型為大型工藝壓縮機(jī)主導(dǎo)結(jié)構(gòu)型式之后,為尋求更完美的慣性力平衡效果,“完全對(duì)稱平衡型”終于脫穎而出。
  “完全對(duì)稱平衡型”的相對(duì)兩列,其氣缸中心線雖然也是水平臥置,但其兩列氣缸中心線及傳動(dòng)部件的中心線卻是重合的,盡管結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件增多、制造成本升高,得到的則是慣性力、慣性力矩綜合平衡效果幾臻完美。在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)實(shí)際中,此類(lèi)“完全對(duì)稱平衡型”壓縮機(jī),其跨越的范疇甚為寬泛,從約45kN活塞力直到約630kN,可滿足絕大多數(shù)工藝用壓縮機(jī)性能參數(shù)之需求,而其轉(zhuǎn)速高達(dá)1490r/min卻運(yùn)行平穩(wěn)。
  G君:不比不知道,一比嚇一跳。經(jīng)典力學(xué)的指導(dǎo)意義和產(chǎn)生的實(shí)際效果,實(shí)在喜人、驚人!
 
  6. 壓縮氣體無(wú)油化與材質(zhì)變革對(duì)壓縮機(jī)技術(shù)的深刻影響
  G君:壓縮空氣及其它氣體的根本目的,是提供符合要求壓力(壓強(qiáng))的空氣及其它氣體。至于壓縮氣體中含有潤(rùn)滑油油霧,實(shí)在是很無(wú)奈的事。除去動(dòng)力式壓縮機(jī)(含透平式及噴射式壓縮機(jī)),在容積式壓縮機(jī)發(fā)展的初級(jí)階段,其壓縮容積部分產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦的零件,皆為金屬材質(zhì),不得已才注入起減磨作用的潤(rùn)滑油。而注入潤(rùn)滑油的方式,并非后來(lái)的壓力潤(rùn)滑,而是飛濺式或者用油杯。當(dāng)壓縮機(jī)吸氣時(shí),油杯中的潤(rùn)滑油,依賴重力和吸氣時(shí)產(chǎn)生的極小負(fù)壓,呈滴狀流入壓縮容積空間。
  J君:很明顯,壓縮氣體中含油,并非需求方之要求,而是不得已才接受的。壓縮氣體含油有著多方面的危害性。
  首先,具有燃爆危險(xiǎn)性:一是壓縮氣體溫度可能接近潤(rùn)滑油之閃點(diǎn);二是壓縮氣體在管道內(nèi)的流速所激發(fā)的靜電效應(yīng),特別是當(dāng)壓縮氣體中含有細(xì)微固體顆粒時(shí)。
  其次,當(dāng)壓縮氣體中含有能稀釋潤(rùn)滑油的成分時(shí),易造成摩擦副不能獲得正常潤(rùn)滑而非正常破損。
  第三,潤(rùn)滑不足或潤(rùn)滑過(guò)度,都會(huì)破壞壓縮機(jī)的正常運(yùn)行。
  G君:為實(shí)現(xiàn)壓縮氣體無(wú)油化,將壓縮機(jī)排出的壓縮氣體凈化是一個(gè)方面,而最根本的措施是研發(fā)氣缸(壓縮容積)無(wú)油潤(rùn)滑壓縮機(jī)。僅就往復(fù)活塞壓縮機(jī)而言,早在二十世紀(jì)三十年代中期,中歐國(guó)家就率先推出了迷宮活塞不接觸氣缸的迷宮式壓縮機(jī),以及用石墨活塞環(huán)接觸并密封氣缸的接觸環(huán)式氣缸無(wú)油潤(rùn)滑壓縮機(jī)。及至二十世紀(jì)五、六十年代,隨著“塑料王”——聚四氟乙烯的逐步降價(jià)(由等同黃金價(jià)下降)和工業(yè)性應(yīng)用,填充若干減磨、骨架性材料的填充聚四氟乙烯,遂得以用作活塞環(huán)的材質(zhì)。此后,碳纖維的問(wèn)世,聚醚醚酮(PEEK)的采用,也都促進(jìn)了氣缸無(wú)油潤(rùn)滑壓縮機(jī)技術(shù)的進(jìn)步。在工作可靠性、耐磨性與長(zhǎng)壽命(更換期)、氣密性諸多方面,皆有長(zhǎng)足提高。
  J君:材質(zhì)變革不僅推動(dòng)了氣缸(壓縮容積)無(wú)油潤(rùn)滑壓縮機(jī)技術(shù)的發(fā)展,也影響了傳動(dòng)部件的革命,還深刻推動(dòng)了氣、填料的演化,以及回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的壓縮容積氣密零件的改進(jìn),當(dāng)然還包括透平式壓縮機(jī)葉輪/轉(zhuǎn)子強(qiáng)度的極大提升和氣動(dòng)性能的跨越。
  G君:是?。?2CrMoE之用于活塞桿,含Ti合金用于連桿、十字頭;多種新穎工程塑料之用于氣閥片、填料密封環(huán);滑片式壓縮機(jī)的滑片由合金鑄鐵變化為粉末冶金、酚醛夾布膠木、多種工程塑料;凡此種種,皆深刻彰顯了材料變革促進(jìn)壓縮機(jī)技術(shù)進(jìn)步的非凡魔力呀!
  J君:熱切期盼新穎材質(zhì)應(yīng)用于壓縮機(jī),越早、越多越好!
  (全文完)

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