精密制造的工業泵通常采用先進的密封件和軸承，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能夠日夜不停地連續工作20到25年，既不會泄露制冷劑，也不會出現莫名的軸承損壞問題。如果一臺新冰箱的售價為1000歐元，那么壓縮機上的機械密封和軸承在總成本中大約僅占20到30歐元。那么工業泵的問題到底是什么呢?工業機械密封和滾子軸承的售價高達數千歐元。為什么我們的冷卻水循環泵或者冷卻塔水泵不能像家用設備那樣無故障地運行呢?為什么那么多工業泵都需要進行大量的維修工作呢?

　　原因很簡單。大量的工業泵與它們的系統不匹配。系統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)。管道系統主宰了泵。泵受制于管道系統。所以，大多數泵問題的根源是管道和配件。泵送系統對流量和揚程都有相應的要求。我們將從這兩方面進行探討，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。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。下面我詳細解釋。

　　市場營銷人員決定他們能夠在某種消費品的銷售市場上占據多少份額，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品。營銷、財務和生產部門的主管共同商議后決定生產該產品。

　　生產工程師認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品，那么就可以占據該產品的主要市場。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。

　　揚程是能量

　　揚程是管道系統內的能量。能量的單位用‘揚程米數’來表示。揚程體現了管道系統的特點和設計。揚程表示利用工藝設備、管道、彎管、閥門以及其他設施來對液體進行傳輸、提升、加熱、加壓、過濾、拉伸，測量和灌裝等操作時所需的能量。

　　如果使液體在管道系統內流動要消耗12米高的能量(揚程)，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正好對應或者接近150 m3/h(流量)和12米(揚程)這兩項參數值。

　　流量(150m3/h)很容易理解。揚程(12米)容易把人弄糊涂，需要認真思考。12米高的系統揚程被稱為總揚程(TH)。專業人士使用術語TDH，表示總動揚程。總揚程或者TDH包含了相加在一起的4個因素。

　　(圖2)

　　■高差，稱為靜揚程 (Hs),

　　■壓差，稱為壓力揚程(Hp),

　　■液體流速能，或者稱作流速損失 (Hv),

　　■管道和工藝設備之間的摩擦損失 (Hf).

　　計算公式為：TDH = Hs + Hp + Hv + Hf.

　　下面我們依次考慮每個因素。

　　TDH的構成要素

　　Hs是靜揚程，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是壓力揚程或者系統兩端的壓差。假設吸水管閉合、密封，受壓200kPa。排水管受壓350kPa。那么系統兩端存在150kPa的壓差。水泵必須產生額外的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發現壓差的存在。我們習慣將壓差(150kPa)轉換成以米為單位表示的Hp值。如果液體不是水，我們將Hp乘以一個系數，即液體的比重或者相對密度。

　　Hv是流速揚程。要使液體以一定的流速在管道內流動，同時保持該流速，那么需要消耗額外的能量，在設計泵時必須考慮到這一點。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)。因為重力加速度是一個常量，所以Hv隨液體流速的變化而上升或下降。大部分泵設計工程師在規定管道時常采用1.5-2.0m/s的液體流速。除非有充分的理由證明液體確實需要以高流速流過管道，否則宜采用較低的流速。

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

　　流速揚程(Hv)和摩擦揚程(Hf)同時存在，只有當液體流動時，這些揚程值才存在。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要素。

　　泵的選擇

　　再重復一遍，TDH = Hs + Hp + Hv + Hf。我們考慮這樣一個系統，我們必須將一個通氣管或者水罐內的水以120 m3/h的流量向上泵送15米高，使其到達另一個通氣管。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。水在管道內的流速為1.6m/s。乘以重力加速度系數，計算得到Hv為0.26米。我們把豎直和水平管道的米數相加，再加上彎管、閥門、配件和其他輔助裝置的米數。我們查詢有關圖表，并乘以相應的系數和常量，計算得到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。我們所選用的泵應該符合的條件是，其最佳效率點應盡可能地接近揚程18米和流量120 m3/h這兩項參數。

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

　　使泵與系統相匹配其實非常簡單。當選用了正確的泵時，它將順暢地運轉很多年，既不會出現莫名的振動，也不會發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例子，汽車的散熱器水泵和家用冰箱壓縮機。散熱器水泵的主軸上裝有軸承和機械密封件。冰箱壓縮機也有這兩種零件。這些設備上的密封件和軸承肯定不如你日常見到的工業化工泵中安裝的精密機械密封和滾子軸承那么高檔、先進。冰箱壓縮機和汽車水泵之所以能夠無故障地工作很多年，就是因為這些設備與它們的系統實現了完美地匹配。

　　作為泵業咨詢顧問，我常常會去觀察一些流程設備，它們的泵修理成本超過了全部維修預算。我發現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了太多的時間。可靠性工程師感覺這是遇到了軸承問題，或者振動或維護問題。他試圖用帶有數字顯示儀的昂貴的電池供電器件來解決該問題。其實問題的根源往往并不復雜，僅僅是因為泵與系統不匹配。這種不匹配導致各種現象發生，例如莫名的振動，過熱、汽蝕、未對準，密封件老化和軸承故障，這樣就使得泵的維護成本陡然上漲。