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液压元件基础与应用研究之路

发布时间:2019-09-30  阅读次数: 30


1一个案例

先举一个笔者亲身经历的研究案例,之所以举亲身经历的案例,是因为比起引用和诠释他人的经历,描述亲身经历更准确,更有把握。

笔者在《曲轴及配油对伸缩摆缸液压马达压力脉动的影响》一文中报道了一项通过包含五个步骤的实验对液压马达压力脉动问题展开的研究。文中有明确的研究问题——曲轴及配油对马达压力脉动的影响,有明确的犹如按烹饪书指南操作的实验步骤,显然,问题和方法都明确了,答案也就水到渠成了。实际的探索过程远比文中描述的曲折,文中报道的是最后的演出,排练过程要艰辛得多。

笔者原本并没有研究马达压力脉动的计划,而是一次偶遇引发的一系列探索。有一次,客户投诉马达有异响,笔者带仪器到现场调查情况。在现场,听到马达每转一圈发出一声异响,在马达进出口上分别接一压力传感器,发现马达每转一圈进油压力脉动一次,回油压力始终平稳,结合异响的音质,笔者推测异响和压力脉动都是来自马达内部某对零件,由于制造误差,该对零件每转一圈刮碰一次。马达回厂拆检,没有发现那对零件有任何刮碰的痕迹,仔细检查其它零件,发现另一个零件有肉眼可辨识的变形,怀疑异响和压力脉动都是原自这个变形的零件,把该零件更换掉,异响立即消失,笔者想当然地认为压力脉动也消失了,所以,没紧接着再追究压力脉动的问题。

之后,由于各种测试目的,直至测试了两个系列共七八台马达,时间跨度几个月,发现都有同样的压力脉动现象,这说明不是制造误差和零件变形的问题,也不是测试台液压系统的问题,因为同样的脉动在客户处也有,客户的液压系统跟测试台液压系统是不同的,而是马达固有的问题。那么问题出自哪里呢?笔者断断续续思考了几个星期,有一天豁然开朗,曲轴有一偏心球体,压力脉动是曲轴重心与旋转中心不重合造成的,为此笔者用扳手亲自去体验,即用扳手转动曲轴,当重心引起的力矩方向与旋转方向相反时,扳手沉重,当重心引起的力矩方向与旋转方向相同时扳手轻盈,简直是自由跌落,笔者险些被跌落的扳手打伤。曲轴有一偏心球体和压力脉动两个事实早就知道了,为什么不能迅速而是要经过一番冥思苦想才能构建两者之间的联系呢?这是多么简单和显见的道理啊!可是就这么简单的道理笔者却从来没有听别人说过,也从来没有在任何书籍文献上看到过。

如果做验证实验,需要消除曲轴重心偏离旋转中心对压力脉动的影响,简便的方法是将马达垂直放置,但需要制作一个能垂直安装马达的台架,这有点麻烦,加上笔者认为曲轴引起的压力脉动问题是没有必要解决的,因为原理上虽然可以通过增加平衡块消除其影响,但会带来体积庞大,结构笨重等问题。最关键的是,笔者对压力脉动是由曲轴重心偏离旋转中心引起的信念深信不疑,所以认为没有进一步做验证实验的必要。

又过了几个月,笔者的一位同事要做另一个实验,想到一个不需要制作台架也能垂直放置马达的简便方法,也就顺便测测消除偏心影响后是否还有压力脉动现象,开始笔者都不屑于去现场看这个实验,因为笔者断定马达垂直放置后压力脉动必定消失,不过终究还是去现场看了。太出乎意料了,压力脉动现象根本没有消失,笔者当时就下定决心,一定要把这问题搞清楚。

问题出在哪呢?大约有半个多月,笔者尽量排除其它工作的干扰,专心思考这问题,阅读、看图、作图、计算、写作(把想到的写下来更有利深入思考)、常在办公室走来走去,或者站在窗前思考,有时连开车、游泳、走路都在思考,提出过多种设想,但每一种都被理性推导所否定。有一天和同事交流别的事,头脑突然冒出一个主意,压力脉动源自配油机构,再经过简单的推理分析,更是确凿无疑了,一种快感油然而生,法国生理学家贝尔纳说:“那些没有受过未知物折磨的人,不知道什么是发现的快乐”。

杜威(Dewey)在他的代表作之一[1]中写道:“思想困惑时争取找到解决办法,这就是整个思维过程中的持续不断和起导向作用的因素。没有需要解决的问题或没有需要克服的困难,思维过程就是随心任意的”。用问题持续刺激头脑,然后把问题放一边,突然一个主意冒出来,这种情况很多科学家都遇到过,生理学家坎农(Cannon)说他常常带着问题入睡,一觉醒来,答案已经现成,并称他青年时起就常常得助于突如其来的顿悟,这种情况的多寡优劣,取决于对该问题的经验和思维训练对头脑的武装程度[2]

有了上次的教训,笔者对配油机构引起压力脉动的信念虽有十足的信心,但不敢肯定除此之外是否还有别的原因,正如后来研究发现的,曲轴确实对压力脉动有影响,不过那是次要原因。当一种现象是由多种原因引起时,人们往往会先入为主,把感兴趣的、最显眼的、最熟悉的或某些心理暗示当成是唯一原因而忽略其它[3],所以必须付诸实验验证,由此才引发《曲轴及配油对伸缩摆缸液压马达压力脉动的影响》一文中的系列研究活动,从问题的发现到找到确凿的原因耗时十五个月。

整个过程中,最折磨人的是当发现一种现象时找不到合理的解析,即提不出合理假说,或者提出看似合理的假说又被实验所否定,比如笔者最开始推测压力脉动是由某对零件制造误差引起的,后来证实该假说是错误的,然后又深信不疑地认为是曲轴偏心的原因,后来证实那只是一个很次要的原因。提出假说是一个创造性的过程,无法从时间和逻辑上给出明确的预言[3],所以,领导和工程师应该明白,这一步是没法制定时间表的,加班熬夜未必有效果,假说一旦提出,后续的步骤就基本明确了,什么时候制作零件,什么时候按什么步骤做实验原则上都可以按计划进行。

2企业科研问题的来源和性质

近代实验科学的“鼓吹者”,英国哲学家弗朗西斯·培根把科学研究比作狩猎,待研究的问题犹如有待射猎的野物,野物有可能在寻找它时出现,有可能不在寻找它时出现,还有可能在寻找一种野物时出现另一种野物。

回到上面的案例,笔者原本并没有研究马达压力脉动的打算,是客户投诉马达有异响让笔者发现了压力脉动的事实(正如后面发现的,压力脉动与客户投诉的异响不存在因果关系),由此才引发一系列探索活动。从这个例子看出,有些科研问题的产生并非预先规划的结果,像培根比喻的那样,在寻找一种野物时出现另一种野物。但笔者的另一项科研问题[4]就不是偶然产生的了,那是有备而来的结果,这项研究的目的非常明确,就是要通过实验手段获得影响马达机械效率的各个因素的量化认识。

这里说的企业科研问题的来源不是指是自主立项、校企合作还是政府基金项目,而是指待研究的问题是如何出现的。总的来说,企业科研问题的来源主要有三方面:一、生产和售后中出现的问题;二、问题的深化认识,一般是指从定性认识上升到定量认识;三、意外现象的发现及探明意外现象的原因。其中第一类问题最常见,最直接,解决这类问题是工程师必须要完成的任务,第二、三类,特别是第三类问题一般来说不是预先规划的,也不太可能是领导安排的,能否在第二、三类问题中寻找科研问题取决于公司的文化、条件和个人的性格及科学素养。

前述压力脉动和机械效率两个科研问题的性质也截然不同,前者是寻找现象之间的因果关系,由现象探知原因,是要探明什么原因引起压力脉动,后者不以寻找现象之间的因果关系为目的,而是将已知的现象从定性了解上升到定量理解。影响马达机械效率的各种原因,如机械摩擦、液阻损失、拌油损失等早已为人们所熟知,至少定性上是如此,但是各种因素到底有多大影响呢?在什么条件下有影响?哪些是主要的?哪些是次要的?仅靠感官和感性经验是无法做出判断的,必须做量化测定工作。测定事物的量化指标是科学研究的重要方面,对此企业工程师千万不可忽视,如不如此,随着工作经验的丰富,工程师会养成以能讲出许多大道理为满足的心态,经验使人骄傲,实验使人谦虚。发现DNA双螺旋结构获得诺贝尔奖金的英国科学家克里克开始做研究时做了一个看起来很无聊的题目:加压状态下,测定水在100~150℃之间的粘度。

现在稍微上点档次的液压元件企业都有三坐标、粗糙度仪、硬度计、理化检验仪器、产品出厂测试台等计量和检测设备,正如有些公司网站上宣称的:“公司有多少先进检测设备,保证每一道工序,每一个零件,每一个产品…”,由此可见它们的功能大多是用来检验零件或成品是否合格,是否满足图纸、合同、标准等既定的要求,虽然也获得了量化数据,但本质上这类工作不算是研究活动。贝尔实验室第一任研究指导阿诺尔德说研究不是操作、观察、积累数据,也不仅仅是调查或实验,尽管这些活动的每一种对研究来说是不可或缺的,研究的本质是心智对于理解以前谁也不知道的关系做出努力[5]。从阿诺尔德的观点推知,只要能用心智理解以前谁也不知道的关系,做不做实验是无关紧要的,但是,目前为止,实验是人类认识自然最可靠的方法,经验则不是。

3、经验与实验

人类自有思思以来就开始阅读大自然这本书,但始终无法读完读懂这本书的前言,直到晚近,即到了培根—伽利略—牛顿时代,人类找到了一种阅读大自然的方法,这本书的阅读速度加快了,这种阅读方法就是科学方法,即通过系统实验和数理逻辑有可能找到事物之间因果关系。英国皮尔逊(Pearson)说[6]科学方法的特点是当它一旦成为思维的习惯时,思维就能将一切事实转化为科学,科学研究的素材从自然界到人类社会,无穷无尽,但构成科学的是它的方法而不是它的素材,科学方法是通往真理最可靠的方法,其它方法处处可能导致像诗人或形而上学家那样的幻想、偏见和信仰。笔者对此有深刻的体会和强烈的认同感,对科学方法的习得和科学思维的养成需要付出多年的努力,不可能仅靠精通某个具体的专业领域就能掌握。

人类自古以来就有生产实践经验,却没有近代科学意义上的系统实验,实践出真知不如说实验出真知。培根说:“正如生活事务方面,人的性情以及内心和情感的隐秘活动尚且是当他遇到麻烦时比在平时较易发现,同样,在自然方面,它的秘密就更加是在方术的扰动下比在其自流状态下较易暴露—《新工具》P78”。按培根的意思,要发现自然的秘密,不能等待自然告诉我们答案,而是要设法变更现象发生的条件,行拂乱其所为,主动拷问自然,实验室是自然的审问室。也就是说,经验掌握的知识是事物自然呈现出来的,而实验是逼迫自然露出真相,经验是守株待兔的“消极行为”,实验是主动搜寻的“积极行为”。守株待兔虽偶有所获,但毕竟机会太少,培根说:“仅仅领教于一些偶然自来的事物,因而他们虽然是环游甚广,所遇甚多,而进步却少—《新工具》P45”

经验一般以感官获知自然,实验除运用感官之外还需要借助仪器,仪器的实质是感官的深化和延续。肉眼无法看到细微的物质,需要借助放大镜显微镜;肉眼无法看到遥远的事物,需要借助望远镜;人们无法通过手握管道就知道压力多少,需要借助压力表;压力表无法捕捉和记录压力瞬态变化,需要借助记录性测试仪,…。培根说:“人类理解力的最大阻碍和扰乱来自感官的迟钝性及欺骗性,由于这样,思考一般总是随视觉所止而告停止,对看不到的事物就很少有所觉察或完全无觉察,…,感官本身就是一种虚弱多误的东西,一种比较真正的对自然的解析只有靠恰当而适用的事例和实验才能做到—《新工具》P26”。

经验缺乏推理作为引申,如果只是观察并记住很多事实和数据,那不过是材料的保管员,对深刻理解自然并无太多教益,正如前面说的有些公司的仪器仪表主要用来检测零件和产品是否合格那样,要深刻理解自然,必须在可靠的事实的基础上做出分析推理,构建关系,再做实验检验,再分析推理,…。实验包含事实基础上提出假说,创造条件并实施对假说的检验,归纳实验结果,形成理论三个部分[7-8],事实来自感官观察和仪器测量,可见,实验包含经验的成分。实验的精髓在于它的设计和对结果的批判审视,一个实验往往会引发一系列实验[9],检测工作则不同,无论检测结果是否合格,工作到此为止。

回到前面压力脉动的例子,仅凭感官,无论有多少年工作经验,也无法感知马达有如测量呈现出来的那种压力脉动现象,如果掌握马达压力脉动的事实而不提出假说和创造条件实施对假说的检验,永远不可能找到压力脉动的原因,在这个案例中,一个实验引发了一系列实验。又比如机械效率实验的例子,马达不会自动告诉你影响机械效率的各种因素及其变化规律,也不是随便接上仪器就能测出来,必须设计适当的实验方法,排除干扰因素,逼其露出真相,所谓“在方术的扰动下”。影响马达机械效率的各种原因,如机械摩擦、液阻损失、拌油损失等是每一位液压专业毕业生都知道的,如果不设计恰当的实验方法加以测量,即使有三十年工作经验,也就定性地知道而已,和应届毕业生相比没有什么区别,换句话说,三十年经验并不能就此问题给你带来新的更深入的认识。

实验不是唯一的研究方法,却是最重要、最根本、最关键的研究方法,判断一个企业的研究能力,只要看企业有什么实验仪器,研发人员桌面和电脑上有什么书籍文献即可。据笔者了解,有些企业虽然也成立了“中央研究院”,“研发部”等有别于“技术部”或“工程部”的基础研究部门,但做的工作多是用有限元算算这个零件的强度、算算那个部件的刚度、解答客户或生产过程提出的技术部和工程部“无能力回答的问题”、追踪行业动态、文职工作一大堆,诸如此类,实际上离研究活动甚远。企业效益一旦下滑,最先造解雇的就是这些人。

在液压元件企业从事实验研究不应有获得诺贝尔奖的奢望,但获得一般的成绩,获得对改进产品有用的成绩(这不是已经足够了吗?)并不需要特别的才能,只需要勤奋、好学、坚持、敢于尝试、不怕失败、企业提供必要的条件就可以了。

4、企业开展研究的意义

基础研究的目的在于加深理解,比如寻找压力脉动的原因,测量影响马达机械效率的各种因素及其变化规律,这些都是为了加深对问题的理解,如果事情到此为止,并没有给企业带来效益,相反,还耗费了企业的人力和资金。如果在深入理解的基础上开发出相应的技术,对产品进行改进(这是应用研究),提高产品性能,辅之公司的质量管理和市场营销能力,最终产品获得客户好评,提高市场占有率,那就为企业带来实实在在的效益了。问题是,对产品的改进是否需要以机理的深入理解为基础?

的确,一些比较简单,比较直观的问题并不需要对机理做深入的理解就能解决,机械构造的直观性决定了机械工程师时常并不需要多少科学知识,只要凭借工匠的技艺和直觉往往就能做出许多发明,这是为什么有些没有受过高等教育,没有学过机械原理和机械设计的人也能设计出巧妙的机器的原因。但在那些不那么直观的领域,比如电讯,电力机械等,在有关的科学知识被掌握之前从来没有一个工匠的传统,不可能在基本原理搞清楚之前做实际应用[10]

液压元件的基本工作原理是任何一个只要不是纯粹混日子的毕业生进厂工作半年就能理解的,但正如本文列举的压力脉动问题、机械效率问题、还有笔者在其它项目中设计的实验所要研究的马达关键摩擦副摩擦力问题[11-12],这些都不可能靠直觉经验掌握,也没有哪一本教科书或专著提供答案,都必须亲自开展实验研究,所以,液压元件工作原理虽直观明了,但有待研究的问题仍然很多。

笔者曾经将马达部分拌油零件设计成流线型,期冀通过流线型的设计能减少拌油损失,提高机械效率,正如笔者后来研究证实的,拌油损失可以忽略不计[4]。这是基础研究的价值之一,告诉人们不必在这条路上浪费时间和财力。

所以,在液压元件行业,如果满足于做出能用的产品,基础研究的意义不大,对于定位于此的企业最关键的是制造质量和市场营销能力(这两者对任何一家成功的液压元件企业来说都是必需的),这是为什么许多不做基础研究的企业也能生存的原因,如果不满足于仿制,有青出于蓝而胜于蓝的决心,基础研究必不可少。

现今液压元件已是非常成熟,未解决的重大问题不多,革命性变化更少,它也不是需要大量画图的行业,所以,如果工程师不善于发现问题,不知科学研究为何物,企业不提供科研条件,那么在液压元件企业里,工程师会觉得无事可做。当然,企业是不会让员工无事可做的,解决工程师无事可做的办法之一是产品多样化,有些液压元件企业,就那么几个工程师,产品类型却极大丰富,这是企业家和工程师缺乏钻研精神的体现。

其次,企业开展研究活动有利于吸引人才和提升企业形象等作用,不过这不是本文要详谈的方面。

5、结束语

美国科学顾问布什(Vannevar Bush)博士[13]认为基础研究导致新知识,是技术进步的先行官,一个在新基础科学知识上依赖于其它国家的国家,它的工业进步将是缓慢的。同理,一个工程师科学素养低下,不知研究为何物,不敢、不愿、不能清晰有理地向领导说明研究的意义,获得公司的支持,抑或对工程师的合理要求置若罔闻,要结果却不提供条件的企业,它的进步将是缓慢的,甚至是不可能的。

参考文献

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[2] W·I·B贝弗里奇(英).科学研究的艺术[M].陈捷译.太原:北岳文艺出版社,2015.

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[5] 阎康年.贝尔实验室:现代高科技的摇篮[M].保定:河北大学出版社,1999.

[6] 卡尔·皮尔逊.科学的规范[M].李醒民译.北京:华夏出版社,1998.

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[8] Robert Dinwiddie, John Farndon. How to be good at science, technology and engineering [M].New york: DK publishing, 2018.

[9] P .B. Medawar. Advice to a young scientist [M].USA: basic books, 1979.

[10] K·伯尔(美).工业研究实验室[J].科学与哲学,1982, (6):70-85.

[11] 叶春浓,蒋志坚,葛正菊.径向柱塞马达油缸偏心轴摩擦副摩擦力测量装置及其测量方法[P].中国:CN201910287442.1, 2019.04.11。

[12] 叶春浓,蒋志坚,葛正菊.测量液压活塞机构摩擦力的装置[P].中国:CN201910027289.9,2019.01.11.

[13] 布什(美).科学——没有止境的前沿[M].范岱年等译.北京:商务印书馆,2004.

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