精密制造的工業(yè)泵通常采用先進(jìn)的密封件和軸承，但是它們的性能往往還不及普通的汽車散熱水泵。為什么會這樣?

　　眾所周知，汽車散熱器上安裝的水泵能夠無泄漏、無故障地工作18到20年。這是一種變速離心泵，它由沖壓成形零件和非精密加工的平衡零件制造而成。這類泵中安裝的機(jī)械密封和軸承由滾燙的散熱器廢水來潤滑。

　　家用冰箱中的壓縮機(jī)能夠日夜不停地連續(xù)工作20到25年，既不會泄露制冷劑，也不會出現(xiàn)莫名的軸承損壞問題。如果一臺新冰箱的售價(jià)為1000歐元，那么壓縮機(jī)上的機(jī)械密封和軸承在總成本中大約僅占20到30歐元。那么工業(yè)泵的問題到底是什么呢?工業(yè)機(jī)械密封和滾子軸承的售價(jià)高達(dá)數(shù)千歐元。為什么我們的冷卻水循環(huán)泵或者冷卻塔水泵不能像家用設(shè)備那樣無故障地運(yùn)行呢?為什么那么多工業(yè)泵都需要進(jìn)行大量的維修工作呢?

　　原因很簡單。大量的工業(yè)泵與它們的系統(tǒng)不匹配。系統(tǒng)是指與泵相連的管道、彎管、閥門、輔助元件和配件的總稱(圖1)。管道系統(tǒng)主宰了泵。泵受制于管道系統(tǒng)。所以，大多數(shù)泵問題的根源是管道和配件。泵送系統(tǒng)對流量和揚(yáng)程都有相應(yīng)的要求。我們將從這兩方面進(jìn)行探討，首先從流量開始分析。

　　流量是市場

　　流量是市場。流量決定生產(chǎn)。自我開始解決泵難題的第一天起，我就明白了“流量是市場”這一道理。下面我詳細(xì)解釋。

　　市場營銷人員決定他們能夠在某種消費(fèi)品的銷售市場上占據(jù)多少份額，例如啤酒、石油。番茄汁、牙膏、洗衣精、膠水、涂料、咳嗽糖漿、法國自流井水，以及你所能想到的一切產(chǎn)品。營銷、財(cái)務(wù)和生產(chǎn)部門的主管共同商議后決定生產(chǎn)該產(chǎn)品。

　　生產(chǎn)工程師認(rèn)為如果能夠以每分鐘2500升(或者150 m3/h)的流量來制造和包裝產(chǎn)品，那么就可以占據(jù)該產(chǎn)品的主要市場。所以，制造過程需要一臺輸送流量為150 m3/h的泵。這就是我說流量是市場的原因。

　　揚(yáng)程是能量

　　揚(yáng)程是管道系統(tǒng)內(nèi)的能量。能量的單位用‘揚(yáng)程米數(shù)’來表示。揚(yáng)程體現(xiàn)了管道系統(tǒng)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)。揚(yáng)程表示利用工藝設(shè)備、管道、彎管、閥門以及其他設(shè)施來對液體進(jìn)行傳輸、提升、加熱、加壓、過濾、拉伸，測量和灌裝等操作時(shí)所需的能量。

　　如果使液體在管道系統(tǒng)內(nèi)流動要消耗12米高的能量(揚(yáng)程)，那么我們就需要一臺能夠在流量為150 m3/h的工作條件下產(chǎn)生或者克服12米高阻力的水泵。我們還希望泵性能曲線圖中的最佳效率點(diǎn)正好對應(yīng)或者接近150 m3/h(流量)和12米(揚(yáng)程)這兩項(xiàng)參數(shù)值。

　　流量(150m3/h)很容易理解。揚(yáng)程(12米)容易把人弄糊涂，需要認(rèn)真思考。12米高的系統(tǒng)揚(yáng)程被稱為總揚(yáng)程(TH)。專業(yè)人士使用術(shù)語TDH，表示總動揚(yáng)程。總揚(yáng)程或者TDH包含了相加在一起的4個(gè)因素。

　　(圖2)

　　■高差，稱為靜揚(yáng)程 (Hs),

　　■壓差，稱為壓力揚(yáng)程(Hp),

　　■液體流速能，或者稱作流速損失 (Hv),

　　■管道和工藝設(shè)備之間的摩擦損失 (Hf).

　　計(jì)算公式為：TDH = Hs + Hp + Hv + Hf.

　　下面我們依次考慮每個(gè)因素。

　　TDH的構(gòu)成要素

　　Hs是靜揚(yáng)程，表示以米為單位的高差。你或許知道水會聚集在所有礦井底部。必須將這些水抽走以防礦井被淹。如果礦井底板的深度為500米，那么我們要求水泵至少具有500米高的靜揚(yáng)程，以便能將水泵送至礦井頂部，然后使其排入江河湖泊。通過觀察系統(tǒng)以及注意高度的變化，就能得到這段以米為單位的距離，即Hs。

　　Hp是壓力揚(yáng)程或者系統(tǒng)兩端的壓差。假設(shè)吸水管閉合、密封，受壓200kPa。排水管受壓350kPa。那么系統(tǒng)兩端存在150kPa的壓差。水泵必須產(chǎn)生額外的150kPa能量，以便克服該壓差。

　　但是，如果吸水管和排水管承受相同大小的壓力(不高是高壓、大氣壓力還是真空)，那么就不存在壓差，無需考慮Hp。如果有壓差，我們一般可以通過觀察吸水管和排水管上的壓力計(jì)發(fā)現(xiàn)壓差的存在。我們習(xí)慣將壓差(150kPa)轉(zhuǎn)換成以米為單位表示的Hp值。如果液體不是水，我們將Hp乘以一個(gè)系數(shù)，即液體的比重或者相對密度。

　　Hv是流速揚(yáng)程。要使液體以一定的流速在管道內(nèi)流動，同時(shí)保持該流速，那么需要消耗額外的能量，在設(shè)計(jì)泵時(shí)必須考慮到這一點(diǎn)。為了確定該能量，我們需要知道液體流過管道的流速(m/s)，以及重力加速度(9.8 m/s2)。因?yàn)橹亓�加速度是一個(gè)常量，所以Hv隨液體流速的變化而上升或下降。大部分泵設(shè)計(jì)工程師在規(guī)定管道時(shí)常采用1.5-2.0m/s的液體流速。除非有充分的理由證明液體確實(shí)需要以高流速流過管道，否則宜采用較低的流速。

　　最后一點(diǎn)是摩擦損失，稱為Hf，它是指液體和管道、閥門以及配件的內(nèi)表面之間的摩擦。泵還必須用更多的能量來克服這種摩擦。摩擦能量也被轉(zhuǎn)換成以米為單位表示的Hf值。

　　流速揚(yáng)程(Hv)和摩擦揚(yáng)程(Hf)同時(shí)存在，只有當(dāng)液體流動時(shí)，這些揚(yáng)程值才存在。如果流速為零，則摩擦為零。所以，有些人士將Hv和Hf合起來共稱為‘阻力’。只需記住阻力包含兩個(gè)要素。

　　泵的選擇

　　再重復(fù)一遍，TDH = Hs + Hp + Hv + Hf。我們考慮這樣一個(gè)系統(tǒng)，我們必須將一個(gè)通氣管或者水罐內(nèi)的水以120 m3/h的流量向上泵送15米高，使其到達(dá)另一個(gè)通氣管。所以，Hs為15米。

　　抽吸罐和排水罐都通向大氣壓。所以沒有壓差，Hp為零。水在管道內(nèi)的流速為1.6m/s。乘以重力加速度系數(shù)，計(jì)算得到Hv為0.26米。我們把豎直和水平管道的米數(shù)相加，再加上彎管、閥門、配件和其他輔助裝置的米數(shù)。我們查詢有關(guān)圖表，并乘以相應(yīng)的系數(shù)和常量，計(jì)算得到Hf為2.7米。

　　所以我們需要一臺TDH為17.96米 (15 + 0 + 0.26 + 2.7)的水泵。我們所選用的泵應(yīng)該符合的條件是，其最佳效率點(diǎn)應(yīng)盡可能地接近揚(yáng)程18米和流量120 m3/h這兩項(xiàng)參數(shù)。

　　在對合適的泵進(jìn)行比較和采購時(shí)，明智的作法是針對應(yīng)用選擇效率最高的泵，哪怕它的價(jià)格更高一些。效率與每月的能耗和維護(hù)成本密切相關(guān)。不過這是另一篇文章討論的主題。

　　使泵與系統(tǒng)相匹配其實(shí)非常簡單。當(dāng)選用了正確的泵時(shí)，它將順暢地運(yùn)轉(zhuǎn)很多年，既不會出現(xiàn)莫名的振動，也不會發(fā)生失控的密封和軸承故障。

　　你可能還記得我在本文開篇引用過的兩個(gè)例子，汽車的散熱器水泵和家用冰箱壓縮機(jī)。散熱器水泵的主軸上裝有軸承和機(jī)械密封件。冰箱壓縮機(jī)也有這兩種零件。這些設(shè)備上的密封件和軸承肯定不如你日常見到的工業(yè)化工泵中安裝的精密機(jī)械密封和滾子軸承那么高檔、先進(jìn)。冰箱壓縮機(jī)和汽車水泵之所以能夠無故障地工作很多年，就是因?yàn)檫@些設(shè)備與它們的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了完美地匹配。

　　作為泵業(yè)咨詢顧問，我常常會去觀察一些流程設(shè)備，它們的泵修理成本超過了全部維修預(yù)算。我發(fā)現(xiàn)那些泵每年要消耗三、四套軸承和密封件，而且在維修車間浪費(fèi)了太多的時(shí)間。可靠性工程師感覺這是遇到了軸承問題，或者振動或維護(hù)問題。他試圖用帶有數(shù)字顯示儀的昂貴的電池供電器件來解決該問題。其實(shí)問題的根源往往并不復(fù)雜，僅僅是因?yàn)楸门c系統(tǒng)不匹配。這種不匹配導(dǎo)致各種現(xiàn)象發(fā)生，例如莫名的振動，過熱、汽蝕、未對準(zhǔn)，密封件老化和軸承故障，這樣就使得泵的維護(hù)成本陡然上漲。