容積泵類機(jī)械演化譜與真空泵創(chuàng)新設(shè)計

Draw up the "Evolution Pedigree Of Positive
Displacement Pump Machine and Creative design of Vacuum Pumps

　　摘要

　　借鑒生物學(xué)的研究方法，作者剖析和綜合了大量過去和現(xiàn)在的泵類機(jī)構(gòu)和機(jī)械，進(jìn)而認(rèn)。為它們相互間不是孤立的，因為它們是人們在功能要求的激勵下通過演化形成的，因此它們之間必然存在一種親緣演化關(guān)系，據(jù)此作者梳理出“螺旋演化”、“進(jìn)動演化”和“渦旋演化”和“差動演化”等演化脈絡(luò)，在編纂過程中發(fā)現(xiàn)了一些演化規(guī)律以及依托演化譜系和演化規(guī)律進(jìn)行的一些真空泵類機(jī)械的創(chuàng)新設(shè)計。

　　Abstract

　　After a synthetical analysis of the collected pump mechanisms and machines， the author believes that， m biological studying， giraffe has evoleved from original deer， man has evolved from ape， similar to this， all kinds of pump mechanisms and machines are not isolated， they are related to each other， some mechanisms are usually evolved from other mechanisms under the stimulation of machinery function demanded by people. thus there must be a genetic evolution relarionship among them according to this， the author put forward the venation of screw evolution， precession evolution and scroll evolution， and draw up the evolution pedigree.

　　In the paper， the author introduces some evolution law found in the

process of drawing up the evolution pedigree and some crative design of

vacuum pumps based on the evolution pedigree.

　　關(guān)鍵詞：真空泵、演化、譜系、創(chuàng)新

　　一、泵類機(jī)械演化譜系的梳理與編制

　　能產(chǎn)生周期變化容腔的容積泵類機(jī)械可以設(shè)計成真空泵、內(nèi)燃機(jī)、壓氣機(jī)、容積泵及氣動、液動動力機(jī)械。這類容積泵類機(jī)械量大面廣對人類經(jīng)濟(jì)活動有很大的影響，一百多年來，人們對它的發(fā)展和培育投入大量的人力和物力，曾經(jīng)出現(xiàn)過上千種機(jī)械和方案，制成了不少樣機(jī)，有些如三角活塞的Wankel內(nèi)燃機(jī)與余擺線式真空泵、定片式真空泵和一些專利型的轉(zhuǎn)子泵與壓氣機(jī)以及真空泵還在一定時期里成為流行商品。但它們的大多數(shù)在“物竟天擇，適者生存”的法則下被淘汰或消失、成為供人們研究的“標(biāo)本”和“化石”。然而依據(jù)認(rèn)識論——只有了解過去，才能理解現(xiàn)在：只有把握過去和深刻理解現(xiàn)在，才能更好地預(yù)測與走向未來，它們是——筆前人為后來的創(chuàng)新設(shè)計積累起來的財富。對此人們往往還沒有充分的認(rèn)識。在機(jī)械行業(yè)里，對于那些歷史的、過去的、陳舊的，人們往往把它們看作在發(fā)展進(jìn)程中或求新過程里被淘汰和被遺棄的。然而從進(jìn)化的角度，站在縱觀歷史的高度來分析和綜合，它們恰恰是創(chuàng)新的基礎(chǔ)。因為它們當(dāng)年也曾是“嶄新”的，所謂“舊”是相對的，“新”和“舊”只是所處的歷史時間區(qū)段不同，從時間的連續(xù)性來看，“舊”是奠定“新”的基礎(chǔ)，這和眾所周知“586”電腦來自于“486"、“486”又是由“386”“286”等發(fā)展過來的相似。

　　此外作者還認(rèn)為在整理歷史賦予我們的遺產(chǎn)方面，可以類比和借鑒生物學(xué)的一些研究方法和規(guī)律．因為在構(gòu)成自然界的物質(zhì)世界里，機(jī)械不是自然物，而是人工物之一。是人類赤手空拳和自然界斗爭中為滿足自身某些功能要求而制造出來的。因此廣義地可視為人的器官的延伸。例如筷子是人手的延伸，自行車是人腿的延伸，電子計算機(jī)是人腦的延伸，真空泵是人類無法從自然界中獲得真空而設(shè)計制造出來的。包括人在內(nèi)，生物發(fā)展和進(jìn)化的特點是一代接著一代，由原始到現(xiàn)代，由低級到高級，由簡單到復(fù)雜，這其中既有遺傳和繼承，更有變異和創(chuàng)新。任何機(jī)械作為人工物之一，它的發(fā)展是在人的功能要求的激勵下進(jìn)行的，它的發(fā)展緊貼著人類的發(fā)展，因此必然和生物在自然界中所進(jìn)行的“物竟天擇，適者生存”的進(jìn)化相似。

　　受十九世紀(jì)達(dá)爾文乘貝格爾號巡洋艦周游世界后，總結(jié)所采集豐富的生物學(xué)資料提出“進(jìn)化論”的啟發(fā)，作者采集了一批存在于專利和資料檔案里的泵類機(jī)構(gòu)和機(jī)械，在對它們進(jìn)行剖析和綜合后認(rèn)為：和生物學(xué)研究原始鹿演化為長頸鹿，矮小的四趾像狗一樣的原始馬演化為高大偶蹄的現(xiàn)代馬，蝌蚪生長成青蛙類似，各種泵類機(jī)構(gòu)和機(jī)械相互間并不是孤立的，一蹴而成的。它們往往是由基本的、原始的、簡單的、低級的、相近的或相似的機(jī)構(gòu)或機(jī)械在功能要求的激勵下通過演變逐步進(jìn)化而得。

因此它們之間必然存在著一種“親緣”演化關(guān)系，如果我們找出這種關(guān)系并梳理出演化脈絡(luò)，將不僅能避免創(chuàng)新過程中經(jīng)常出現(xiàn)和前人已做過的探索的無效重復(fù)，而且能指導(dǎo)創(chuàng)新構(gòu)思的萌生，因為每一條演化脈絡(luò)都能提煉出已經(jīng)發(fā)生的演化過程中所包含的對進(jìn)一步演化有引導(dǎo)和啟示作用的演化規(guī)律，而且脈絡(luò)的盡頭往往就是創(chuàng)新的始點，據(jù)此作者梳理出典型的基本機(jī)構(gòu)一曲柄搖桿機(jī)構(gòu)演變成單螺桿泵和螺旋液環(huán)泵以及渦旋泵、半球搖擺轉(zhuǎn)子泵、差動泵等容積泵的演化脈絡(luò)。[1]

　　二、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)進(jìn)化成單螺桿泵的演化脈絡(luò)——四桿機(jī)構(gòu)和Moineau泵的親緣關(guān)系

　　單螺桿泵是一種適用于泵送粘稠流體的變?nèi)菔奖茫苄纬扇莘e不斷變大的密封容腔來吸入流體，接著又不斷縮小容腔排液，尤其是它不用進(jìn)排閥來控制吸排，而且還具有足夠大的單體容腔和順暢的流道以適應(yīng)粘稠流體的流動，當(dāng)然也應(yīng)該研究它是否可能用作真空泵，為此可對其演化歷程進(jìn)行剖析與梳理。

　　泵結(jié)構(gòu)的主要密封偶件是一斷面為正圓形的偏心螺桿(轉(zhuǎn)子)1；和一個斷面由兩條直線和兩個半圓弧組成長形孔的雙頭螺旋空腔的定子2；主軸3通過具有一對萬向連軸節(jié)的驅(qū)動軸4偏心地驅(qū)動偏心螺桿1。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，左端開始形成逐漸增大的容腔。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)兩圈后吸滿流體，形成一個形態(tài)為二個導(dǎo)程長，兩頭小中間大的螺旋狀閉合容腔，閉合容腔沿軸向推移，z*終在右端消失，從而形成泵對流體的“吸”與“排”。這是一種功能原理較深奧、結(jié)構(gòu)卻異常簡單的機(jī)械。然而以“進(jìn)化”角度分析它的創(chuàng)新歷程，它實質(zhì)上是從典型四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)化來的。

　　眾所周知，欲構(gòu)思出一種變?nèi)菔綑C(jī)構(gòu)，原則上只是把機(jī)構(gòu)里一對有周期性相對運動的構(gòu)件進(jìn)行密封形成周期變化的閉合容腔，便可據(jù)此設(shè)計出一種變?nèi)菔奖妙悪C(jī)械。

　　四桿機(jī)構(gòu)(曲柄搖桿)是典型的，基本的原型機(jī)構(gòu)(相當(dāng)于生物中原始的單細(xì)胞生物)，利用其曲柄，連桿或擺桿中任一構(gòu)件的運動都可構(gòu)思山各種變?nèi)輽C(jī)械。圖A是利用擺桿的周期擺動設(shè)計成的擺式泵。這種構(gòu)形的主要缺陷是擺動的密封構(gòu)件有較多不利的幾何因素，尤其是不易設(shè)計出良好的密封環(huán)節(jié)，然而密封是真空系統(tǒng)極為至關(guān)重要的要素，因而不易得到高的真空指標(biāo)。

　　機(jī)構(gòu)尺度的變化往往給機(jī)構(gòu)的特性帶來質(zhì)的改變，如果擺桿：長度增大到無限，C點的軌跡將是直線，就構(gòu)成典型的往復(fù)泵(圖B)，它由于優(yōu)良的綜合密封性能和傳力特性而得到極為廣泛的應(yīng)用，除了汽車拖拉機(jī)等活塞式內(nèi)燃機(jī)外還有活塞式壓氣機(jī)和活塞式水泵。往復(fù)式真空泵是一種很結(jié)實、可靠、耐用的泵，但它笨重、以及余隙容積太大，只能在環(huán)境條件惡劣的粗真空范疇里得到應(yīng)用。

　　簡化結(jié)構(gòu)是設(shè)計師永恒的追求，為此曾經(jīng)有過用具有滾滑運動副的T形連桿來省略活塞的構(gòu)思(圖C)，顯然滾滑副上密封環(huán)節(jié)惡劣的性能是構(gòu)形被淘汰成為“化石”的主要原因。

　　縮短連桿是使構(gòu)形緊湊的一種方法，當(dāng)連桿和曲柄演變成一樣長(圖D)，構(gòu)形將更緊湊，而且再次產(chǎn)生質(zhì)的變化，往復(fù)沖程將是曲柄半徑r的四倍，這種構(gòu)形，狀似緊湊，實則復(fù)雜，也不易得到廣泛應(yīng)用。

　　圖E是圖C和圖D的綜合。即連桿采用圓形結(jié)構(gòu)。然而由此又引發(fā)出中死點問題，即在沖程中點，曲柄和連桿重合。機(jī)構(gòu)的運動將是不確定的。一般可用兩相同機(jī)構(gòu)交叉疊合(圖F)或增加一對傳動比為1：2的行星齒輪傳動作為虛約束的“卡當(dāng)機(jī)構(gòu)”(圖G)來解決。

　　進(jìn)一步，如果創(chuàng)新構(gòu)思受到螺旋狀構(gòu)形的激化，就演變成單螺桿泵(圖H）[2][3][4]。即圖E的構(gòu)形不再是有級的疊合，而是把無窮多個圖E構(gòu)形沿軸向螺旋狀疊合。圓截面的連桿隨沿軸向演變成偏心螺桿，曲軸演化成偏心驅(qū)動的帶一對萬向節(jié)的驅(qū)動軸。

　　螺旋演化是這條進(jìn)化脈絡(luò)的一個關(guān)鍵進(jìn)程。單螺桿泵從另一個視角作剖析，它