機械技術 密封技術的演化，螺旋槳軸的漏水問題是怎樣解決的

一夜風暴,天亮時大海歸於平靜,軍官依然指揮自弱,水手已經疲憊不堪。 這艘渾身傷病的老船,肋骨開裂,內外船殼也錯動了,鬆膠裹著麻鬚漏了出來,船開始漏水。 人力水泵成為救命稻草,水手們輪流上陣,努力搖動手柄,把底艙的水排出來,盼望能堅持到港口。 在大航海時代,英國在殖民航路上設置了不少港口和維修船塢,這是他們唯一的希望。 總算撐到港口,入塢大修,工匠們撤掉大炮,扒掉船殼和甲板條,更換磨損和發黴的構建。 幾次大修下來,船會換過一遍,如果還算是原來那條船的話,船體壽命也只有十幾年。 構建換好後,開始填縫工藝,工匠把麻繩拆成麻絮,加上乾流後的鬆膠,攪拌成黑黑的粘稠物,砸進接縫,這個密封船體的辦法,東西方都在用。 那時還利用硬硬力,工匠用鐵圈箍緊木桶,施加硬力,木材纖維會吸水膨脹,對抗鐵圈,達到密封效果。 以填縫工藝輔助,人們製作了粗大的水桶,用來儲存淡水和狼母酒。 這兩種辦法屬於淨密封,而那個救命神器人力抽水機,則是洞密封中往返密封的概念。 核心在於圓桶和帶閥門的活塞,人力使活塞上下運動,利用氣壓抽水,在我們農村叫它壓井,偏遠的區域還可以看到。 起初圓桶用木材來做,後期改用鍛鐵,跟造小炮差不多,工匠錘打出大小兩個圓桶,錯縫拼接,再套上鐵箍。 無論是木材還是鍛鐵,都是手工打造,無法做出精確的內圓,如何保證活塞與圓桶的密封,是抽水機工作的核心問題。 最初的密封鍵出現了,它用皮革製成,在中世紀,製造皮革很複雜,生皮去肉脫毛後,泡進石灰,進行脫脂軟化,用鹽和冥凡反復揉製,然後經過中和,染色,乾燥,磨製等很多工序,用來做衣服鞋子,書籍封面,傢俱裝飾,馬具和武器等。 在水泵裡,皮革用來做活塞密封鍵,雖然圓桶內徑不精確,但皮革的彈性可以彌補缺陷。 塞得越緊,漏氣就越少,但摩擦力會很大,操作費勁。不過那個時代,人力不是問題,大力出奇蹟,關鍵時刻能保命就行。 當時還有鉸鏈式抽水機,和我國的腳踏翻車差不多,它會省力一些,但尺寸大,難於移動,和活塞型同時使用。 這種密封技術很簡陋,但阻擋不了人們的探索熱情。 1650年,奧託逢格里克改裝抽水泵,使他可以直接抽取空氣和水,發明瞭世界上第一臺真空泵。 雖然密封性還不夠好,但做實驗時,只要一對壯漢輪流上陣,不斷抽氣,就能解決問題。 他把裝了水的木桶倒放,用真空泵抽水,他驚訝地看到真空的木桶被壓裂了。 四年後,他進行公開實驗,將兩個黃銅絆球墊上皮革密封圈,並攏厚灌水,再抽成真空,用十幾匹馬都拉不開它。 這就是中學生熟悉的馬德堡絆球實驗,它展示了大氣壓的威力。 這個真空泵的活塞,讓一百多年後的瓦特傷透了腦筋。 這種密封方式摩擦力太大,用細圓筒人力抽氣還行,但用在瓦特的大直徑氣缸裡,以當時的蒸汽壓力,根本推不動它。 瓦特只好縮小活塞半徑,用麻繩加上油脂做密封圈,結果漏氣嚴重,機器沒法運轉。 後來的新發明水力糖牀幫它解決了問題,它可以加工出精確的內緣,製作50英寸的氣缸,誤差只有硬幣那麼厚,這是極高的精度。 活塞和氣缸間的縫隙很小,漏氣量降低到可以忽略,瓦特終於踢出蒸汽機普及的臨門一腳。 糖牀的發明具有劃時代的意義,看著快速往復的蒸汽機活塞,人們很容易想到,如果不用那麼快,塞得緊一些,把這種高精度的氣缸再用回抽水機,密封效果會更好。 這個想法在1795年實現了,英國布拉默和他的天才學徒,後來的機牀之父莫茲利一起,採用皮製的杯狀密封圈,解決了洩漏問題,造出第一臺實用的水壓機。 1845年,阿姆斯特朗發明瞭第一臺液壓起重機,他們共同解鎖了新的技能,液壓技術被稱為液壓機之父,對後續的機械製造業影響深遠。 車輪開始轉動,大變革的時代來臨了,在造船業中,鋼鐵替代了木材,用鉚釘固定鋼板,做成鋼性結構,不再像木材那樣變形鬆動。 鋼板間有重疊的部分,間隙很小,填縫變得很簡單,用膠槍注入瀝青一類的密封膠就可以,船體漏水問題終於徹底解決。 密封需求更多了,除了海水,還有壓力越來越大的水蒸氣。 最初是瓦特發明的鐵製水泥,用鐵粉,乳砂和硫磺製成,作為填縫材料,後來又發展到石棉和各種密封墊片。 隨著材料的進步,密封膠進化出各種類型,從低溫到高溫,涵蓋了建築、石油、機械和電子領域,成為一個大家族。 隨著液壓技術的應用,造船業迎來革命。 1837年,瑞典裔美國人埃裏克森和英國弗朗西斯·史密斯分別獨立發明船用螺旋槳。 他們都遇到了軸風問題,螺旋槳軸穿過船體會漏水,這屬於動力風中的旋轉密封,是新的課題。 這是史密斯的早期設計,不在船身開動,而是通過水線上的齒輪來傳動。 當時加工精度低,槳軸穿過船身,震動會造成空隙擴大,加重漏水。 隨著加工精度提高,這一設計很快取消,變成水下螺旋槳,槳軸塗上油脂,這肯定會漏,只好邊開船邊抽水了。 但很快人類就開了卦,藉助於大自然的饋贈,居然解決了難題。 那就是昂貴的鐵鋰木,也叫玉瘡木,是熱帶樹種。 它很硬,用車牀才能加工,同時含有耐腐蝕,被水浸泡能產生黏液,有滋潤滑能力,密封效果優良,所以迅速普及,一直用到二戰以後。 在這個期間,橡膠迅速崛起。 1493年,哥倫布到達南美,發現當地小孩在玩彈性小球,開始認識這種神奇的物產。 1736年,法國查爾斯·德拉康達明詳細介紹了橡膠樹。 三十多年後,英國約瑟夫·普里斯特利發明瞭橡皮。 到1819年,蘇格蘭查爾斯·麥金託時發現了橡膠溶劑,它溶化橡膠後塗抹在布上,製成最早的羽衣。 人們開始用梅膠油,松節油來溶解橡膠,製造防水製品。 1852年,美國查爾斯·古德伊爾將橡膠和硫磺混合加熱,得到塊狀橡皮,發明瞭橡膠硫化法,解決了橡膠高溫變軟,低溫變脆的問題,橡膠從此無所不能。 迅速取代了皮革。 蒸汽機上開始廣泛使用橡膠圈,橡膠墊等密封件,還有橡皮,膠帶,防水靴,充氣墊等等。 既解決了船身密封,征服海面後,人類又解決了氣體密封,造出熱氣球和飛艇,走向征服天空的路程。 隨著充氣輪胎的發明,自行車和汽車的普及,以及合成橡膠的出現,橡膠工業成為重要的現代產業之一。 1933年,一項不亞於充氣輪胎的橡膠發明,O型密封圈,橫空出世。 丹麥裔美國人克里斯滕森在研究液壓剎車時,反復實驗後發現,在活塞頭開出凹槽,深度約是密封圈截面直徑的四分之三和密封圈搭配,效果很好。 後來人們通過慢鏡頭發現,當活塞在氣缸裡運動時,密封圈會變形,產生密封效果。凹槽窄了,會制約變形,胎寬會加劇磨損。 它性能優良,二戰中,美國造了上萬架飛機,每架飛機都有方向舵等機翼操作面,以及艙門起落架等,數百萬的液壓軸需要密封,O型圈經受住了考驗,在靜密封和旋轉密封中也表現優良。 它使密封更加簡單可靠,引領了液壓技術的新革命。 二戰後,科技發展了,船舶木軸承也該升級了,人們發現,在能源石油化工等產業裡,許多機械泵和壓縮機都有軸風問題,苛刻的工作環境使旋轉密封演化出眾多類型。 迷宮密封是在軸和基座間設置曲折路徑,流體通過時產生節流阻力,稱為迷宮效應,從而實現密封。 浮環密封是用兩個浮動環,用密封圈聯繫到轉軸和基座,內部是潤滑油,兩環相對滑動,達到密封的效果。 機械密封採用兩個耐磨的密封環,用彈簧壓住,分別連接轉軸和基座,進行相對滑動,又叫端面密封。 將這個接觸面加寬,設置溝槽,動入高壓氣體,分離接觸面,這種方式稱為乾氣密封。 藉助這些高科技,螺旋槳軸終於進化成今天複雜的樣子。 1986年,挑戰者號航天飛機在眾目睽睽下爆炸,原因竟然是小小的密封圈失效。 隨著人類發展,出現各種極限條件下的密封問題,在解決問題過程中,科技在突飛猛進。 從海洋到太空,從鋼筆文具到重型機械,密封無處不在。 這是一部不斷探索創新的宏偉篇章。