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1、容积泵类机械演化谱系编制与真空泵创新设计 摘要 借鉴生物学的研究方法，作者剖析和综合了大量过去和现在的泵类机构和机械，进而认。为它们相互间不是孤立的，因为它们是人们在功能要求的激励下通过演化形成的，因此它们之间必然存在一种亲缘演化关系，据此作者梳理出“螺旋演化”、“进动演化”和“涡旋演化”和“差动演化”等演化脉络，在编纂过程中发现了一些演化规律以及依托演化谱系和演化规律进行的一些真空泵类机械的创新设计。 关键词：真空泵、演化、谱系、创新 一、泵类机械演化谱系的梳理与编制 能产生周期变化容腔的容积泵类机械可以设计成真空泵、内燃机、压气机、容积泵及气动、液动动力机械。这类容积泵类机械量大面广对人类
2、经济活动有很大的影响，一百多年来，人们对它的发展和培育投入大量的人力和物力，曾经出现过上千种机械和方案，制成了不少样机，有些如三角活塞的Wankel内燃机与余摆线式真空泵、定片式真空泵和一些专利型的转子泵与压气机以及真空泵还在一定时期里成为流行商品。但它们的大多数在“物竟天择，适者生存”的法则下被淘汰或消失、成为供人们研究的“标本”和“化石”。然而依据认识论只有了解过去，才能理解现在：只有把握过去和深刻理解现在，才能更好地预测与走向未来，它们是笔前人为后来的创新设计积累起来的财富。对此人们往往还没有充分的认识。在机械行业里，对于那些历史的、过去的、陈旧的，人们往往把它们看作在发展进程中或求新过
3、程里被淘汰和被遗弃的。然而从进化的角度，站在纵观历史的高度来分析和综合，它们恰恰是创新的基础。因为它们当年也曾是“崭新”的，所谓“旧”是相对的，“新”和“旧”只是所处的历史时间区段不同，从时间的连续性来看，“旧”是奠定“新”的基础，这和众所周知“586”电脑来自于“486、“486”又是由“386”“286”等发展过来的相似。 此外作者还认为在整理历史赋予我们的遗产方面，可以类比和借鉴生物学的一些研究方法和规律因为在构成自然界的物质世界里，机械不是自然物，而是人工物之一。是人类赤手空拳和自然界斗争中为满足自身某些功能要求而制造出来的。因此广义地可视为人的器官的延伸。例如筷子是人手的延伸，自行车
4、是人腿的延伸，电子计算机是人脑的延伸，真空泵是人类无法从自然界中获得真空而设计制造出来的。包括人在内，生物发展和进化的特点是一代接着一代，由原始到现代，由低级到高级，由简单到复杂，这其中既有遗传和继承，更有变异和创新。任何机械作为人工物之一，它的发展是在人的功能要求的激励下进行的，它的发展紧贴着人类的发展，因此必然和生物在自然界中所进行的“物竟天择，适者生存”的进化相似。 受十九世纪达尔文乘贝格尔号巡洋舰周游世界后，总结所采集丰富的生物学资料提出“进化论”的启发，作者采集了一批存在于专利和资料档案里的泵类机构和机械，在对它们进行剖析和综合后认为：和生物学研究原始鹿演化为长颈鹿，矮小的四趾像狗一
5、样的原始马演化为高大偶蹄的现代马，蝌蚪生长成青蛙类似，各种泵类机构和机械相互间并不是孤立的，一蹴而成的。它们往往是由基本的、原始的、简单的、低级的、相近的或相似的机构或机械在功能要求的激励下通过演变逐步进化而得。 因此它们之间必然存在着一种“亲缘”演化关系，如果我们找出这种关系并梳理出演化脉络，将不仅能避免创新过程中经常出现和前人已做过的探索的无效重复，而且能指导创新构思的萌生，因为每一条演化脉络都能提炼出已经发生的演化过程中所包含的对进一步演化有引导和启示作用的演化规律，而且脉络的尽头往往就是创新的始点，据此作者梳理出典型的基本机构一曲柄摇杆机构演变成单螺杆泵和螺旋液环泵以及涡旋泵、半球摇摆
6、转子泵、差动泵等容积泵的演化脉络。1 二、曲柄摇杆机构进化成单螺杆泵的演化脉络四杆机构和Moineau泵的亲缘关系 单螺杆泵是一种适用于泵送粘稠流体的变容式泵，它能形成容积不断变大的密封容腔来吸入流体，接着又不断缩小容腔排液，尤其是它不用进排阀来控制吸排，而且还具有足够大的单体容腔和顺畅的流道以适应粘稠流体的流动，当然也应该研究它是否可能用作真空泵，为此可对其演化历程进行剖析与梳理。 泵结构的主要密封偶件是一断面为正圆形的偏心螺杆(转子)1；和一个断面由两条直线和两个半圆弧组成长形孔的双头螺旋空腔的定子2；主轴3通过具有一对万向连轴节的驱动轴4偏心地驱动偏心螺杆1。当转子转动时，左端开始形成逐
7、渐增大的容腔。转子旋转两圈后吸满流体，形成一个形态为二个导程长，两头小中间大的螺旋状闭合容腔，闭合容腔沿轴向推移，最终在右端消失，从而形成泵对流体的“吸”与“排”。这是一种功能原理较深奥、结构却异常简单的机械。然而以“进化”角度分析它的创新历程，它实质上是从典型四杆机构进化来的。 众所周知，欲构思出一种变容式机构，原则上只是把机构里一对有周期性相对运动的构件进行密封形成周期变化的闭合容腔，便可据此设计出一种变容式泵类机械。 四杆机构(曲柄摇杆)是典型的，基本的原型机构(相当于生物中原始的单细胞生物)，利用其曲柄，连杆或摆杆中任一构件的运动都可构思山各种变容机械。图A是利用摆杆的周期摆动设计成的
8、摆式泵。这种构形的主要缺陷是摆动的密封构件有较多不利的几何因素，尤其是不易设计出良好的密封环节，然而密封是真空系统极为至关重要的要素，因而不易得到高的真空指标。 机构尺度的变化往往给机构的特性带来质的改变，如果摆杆：长度增大到无限，C点的轨迹将是直线，就构成典型的往复泵(图B)，它由于优良的综合密封性能和传力特性而得到极为广泛的应用，除了汽车拖拉机等活塞式内燃机外还有活塞式压气机和活塞式水泵。往复式真空泵是一种很结实、可靠、耐用的泵，但它笨重、以及余隙容积太大，只能在环境条件恶劣的粗真空范畴里得到应用。 简化结构是设计师永恒的追求，为此曾经有过用具有滚滑运动副的T形连杆来省略活塞的构思(图C)
9、，显然滚滑副上密封环节恶劣的性能是构形被淘汰成为“化石”的主要原因。 缩短连杆是使构形紧凑的一种方法，当连杆和曲柄演变成一样长(图D)，构形将更紧凑，而且再次产生质的变化，往复冲程将是曲柄半径r的四倍，这种构形，状似紧凑，实则复杂，也不易得到广泛应用。 图E是图C和图D的综合。即连杆采用圆形结构。然而由此又引发出中死点问题，即在冲程中点，曲柄和连杆重合。机构的运动将是不确定的。一般可用两相同机构交叉叠合(图F)或增加一对传动比为1：2的行星齿轮传动作为虚约束的“卡当机构”(图G)来解决。 进一步，如果创新构思受到螺旋状构形的激化，就演变成单螺杆泵(图H）234。即图E的构形不再是有级的叠合，而
10、是把无穷多个图E构形沿轴向螺旋状叠合。圆截面的连杆随沿轴向演变成偏心螺杆，曲轴演化成偏心驱动的带一对万向节的驱动轴。 螺旋演化是这条进化脉络的一个关键进程。单螺杆泵从另一个视角作剖析，它同时可看作受到另一条螺旋泵类机构演化脉络的激发而形成的。 在力学的发展历史中斜面是平面纯直线运动的发展，因为它是两相互垂直运动的复合。把斜面演变在圆柱上就成为螺旋。利用一根螺旋使物体产生运动的工作可追溯到阿基米得年代，那时就有了用一根旋转螺旋依靠摩擦来运送物料的机具(图a)，它一直沿用至今。此外还可依靠振动使螺旋运送物料(图d)。但它们都没有周期变化的闭合容腔，因而不是泵。要形成容积泵的功能，必须有二个以上的有
11、相对运动的构件来产生变化的闭合容腔。 图b是一种原始螺旋泵的构形，它显示了用一根齿条填塞螺旋相应凹陷部分来泵送流体。但是它不可能用来作容积泵因为周期性的吸排要求螺旋周期正反转，而且还必须设置进排阀。为能连续周期地泵送流体，出现了一对螺旋相互填塞的双螺杆泵(图c)。 如果连续填塞构件的转动轴线和螺旋轴线垂直就出现蜗轮蜗杆式单螺杆泵(图d)。双螺杆泵和单螺杆泵近年来应用起来越广，发展越来越大。 填塞构件可以是定轴转动，显然也可考虑用行星式的填塞构件。图e是一种“行星螺杆泵”。螺杆是由1：2的行星齿轮带动作行星运动，并填塞双头螺母的螺旋凹陷。此外增添了用来填塞内螺孔剩余空间并偏心驱动螺杆的构件。显然
12、由于结构过于复杂以及密封环节不易处理，没有能设计成一台有实用价值的泵，但它却是激发出Momeau泵构思的基础。对它的结构分析可见，由于螺杆和螺母的凹陷已经相互填塞，运动方面也必然相互制约，因而额外填塞构件可以取掉。至于偏心驱动，可采用带万向节的驱动轴。当得出这二种分析并将其综合之时就是Momeau泵诞生之日。 如果对1：2行星机构中行星齿轮分度圆上任一点(图G中C点)的运动轨迹是直线的特性比较熟悉，进一步利用C点的往复直线运动特性组成图G里点划线所示的往复泵，由此构型和图e的构形组合起来演变出Moineau泵的构思灵感的出现就更顺理成章了。 在Moineau泵大量推广后，陆续又演绎出一些新的构
13、型。 当它在深井(数百米深)工作时，由于动力由地面通过细长杆传到井下(图1)，数百米长细长杆的弹性变形使两端的万向联轴节显得没有必要而被省略。 由图I引发了油气混输泵(图J)采用这种偏心直联的设计。这种泵由于气体的可压缩性，多级压缩的螺杆采用了截面渐缩的锥体，在锥顶的末级的截面上偏心已经很小，再把驱动轴的两端布置在泵的总长的两个端点上，足够柔度的驱动轴也可省去万向联轴节。 如果在采用柔性构件就可使螺杆偏心直联的启示下，进一步应用机构学中机架和连架杆的运动可以互换的演化原理，可以得到一种排出管为柔性构件(波纹弹性管)，偏心螺杆作定轴转动，被弹性元件支持的定子作平面运动的构形(图K)。 1：2不是
14、齿轮副传动比的唯一可选值，卡当机构中的齿轮付显然还可以是3：4、5：6、9：10等。由此派生出图L所示的各种多头螺杆和多头螺孔共轭形成单螺杆泵的变异结构。它们无论在总体形态还是截面上的形态已和原型机构没有相似的地方，但它们的确是四杆机构的远亲，四杆机构还有“进动演化”“涡旋演化”“差动演化”演化出各种各样的容积泵，限于篇幅本文只能初步阐述一条简单的演化脉络。 三、单蠕杆泵在真空泵领域的创新延伸半螺杆真空泵的研发 当今容积泵类机械已经发展和进入到空间三维时代11l。人们在二维平面范畴里已经很难创新出新的泵的构型。然而在三维里还有很大的创新空间，多年来我们以演化谱系为依托沿着四杆机构演化成单螺杆泵
15、的演化脉络创新出诸如螺旋液环泵、固液螺旋泵、螺旋叶片泵及双容腔螺旋泵等多种新结构螺旋泵，并做了十多种样机，但都没达到理想境地，在对我们自己已完成的研发工作进行剖析和反思后，我们认为众多螺旋型的新结构中都没有摆脱常规螺旋的概念，即螺旋元件不是左旋，就是右旋：螺旋的导程都必然是一个导程以上：要增加排量必然要增长导程，因此螺旋泵的形态必然是细长的。然而排量和导程是线性关系，和螺旋的外径则是平方关系。换言之，从简巧、紧凑角度，增大外径优于加长导程。能否设计一种“短、粗”型的螺旋泵?从“细长”和“粗短”以及“左旋”和“右旋”、“一个”导程和“小于一个”导程，这一批矛盾的差异词己预示了这里存在可探索的创新空间。从演化谱系的图b来看，这是一般介绍螺旋泵的书刊常用的示意图。它实质上不可能成为一个实用的泵，然而如果抛弃螺旋非“右”即“左”，以及完整的螺旋必须是一个以上导程的概念，我们创新出一种半螺杆泵即由半个左螺旋和半个右螺旋合成为一个自我闭合的组合螺旋”，这个“组合螺旋”只有半个导程解决了使图b结构连续不断的吸排必须使螺杆周期性正反转的问题，因为半个左螺旋和半个右螺旋的“组合螺旋”的一周转动就可使得齿形填塞构件不断的作冲程只有半个导程的往复运动并且不用进排阀就可，形成连续吸排功能。图所示就是我们目前正在研发，极有前途的半螺杆真空泵，它是我们长
