水冷轴承座(资深工程师的机械设计经验，希望对你有帮助)

在工程设计的各学科当中，机械设计是发展最早，且已经发展得日臻完善的学科。机械这种东西比较直观，所有的东西都摆在面上，好不好使一目了然，当造成破坏和事故的时候，也更容易遭人诟病，使你无处遁形，也不好狡辩。

机械设计的范围很广，天上飞的，地上跑的各种各样的东西，当你拆了电缆、卸掉管路以后，基本上就算是机械结构。许多人认为：‘水、电、风、气’的家伙都是有专业的，人家是‘术业有专攻’，但你要是搞机械的，大家就可以认为你是‘万金油’，在总结一个现场故障的时候，当别人都有理由逃遁以后，剩下的那个倒霉家伙就是你，即使就真的是人家的毛病，只要别人稍稍耍一点赖，说他不明白，他就可以安然脱逃，领导是绝对不会允许你逃走的，因为你是机械专业的。所以，为避免尴尬，许多的东西都是你要学习的。

在机械专业混了不少年的事，虽然机械行业看似庞杂，好像没有什么头绪，似乎不知从哪里下手，但我习惯上总体将机械分成两大类：一类是‘运动结构’，另一类是‘静态结构’。运动结构可以从飞行装置算起，从航天器，到飞行器，再到各种运动的设备，本质都是一样的东西。静态结构包含各种桥梁、建筑结构、各种工业的仓体、支撑结构和各种梁体、底座、绗架、网架等等。相对而言，机械设计的‘人才’也可以分成两类，一类是擅长设计‘运动结构’的家伙，另一类人才是善于设计‘静态结构’的。

除了人才以外，还有一部分是混在机械设计领域里的家伙，这部分人里面有一部分是老板，自称懂机械，实际是一知半解，他们不需要理解具体的结构，只要挣钱就好，这类老板不好相处。另一部分是学什么都不明白，基本上是抄了一辈子别人的图纸的笨家伙，鄙人就属于这类人。

1 静态钢结构

许多搞机械的、自认为是有天赋的家伙自己就瞧不起稿‘静态结构’的其他人，他们觉得设计各种支撑梁、连杆、绗架、底座，以至于是设计斜拉结构和悬索结构的人都是没有什么水平的人，干这种活体现不了人生的价值，事实并不是这样的。当一个重载箱型梁破坏的时候，能说得清楚是什么原因导致破坏的人实际上并不是很多，这正说明懂得设计这种东西的人其实不多。

除此以外，什么时候用绗架，什么时候用箱型梁，其各自的载荷特点和承载方式也是许多‘聪明人’说不清楚的。我国因为没有工程学的教育，大家又都学的很窄，纯理论的课堂教育。于是，很多的问题都说不清。

计算一个承载结构，不外乎是计算强度、刚度和结构的稳定性。计算强度是比较简单的事情，你只要上过中专，你就应该很明确地计算出一个断面的强度，无论断面的结构有多复杂，就是花费的时间长短的问题。假如你说不会算，谁都帮不上你，只有再回学校念书。而刚度的计算就比较复杂一些，要考虑各种工况，考虑最复杂的一种组合状态，这就不是学校里能学到的东西了，想学明白了，第一要有好的师父，师父就不明白，你学不明白。第二，就是你要肯学，要下功夫。

比较复杂的问题是计算一个结构的稳定性，它不仅要考虑工况，许多外在的条件你必须要考虑进去。比如：当你设计一个大型的料仓和附属结构的时候，要考虑的因素就特别多，例如，风雪引起的荷载，地震的不同振型引起的破坏效应等等东西。就仓体的支撑形式而言，条件许可的时候，要尽可能采用较为‘柔和’的多柱支撑结构，在地震过程中，它的‘弹性’和‘柔软性’都比较好，在承受以‘扭转’振型为主的地震破坏中，边上的柱子的联结节点可以‘拧断’，以吸收地震的冲击波。当地震过后，虽然有些支撑体破坏了，但整体结构是完整的，达到这种水平，你就基本是‘人才’了。

当不允许采用多柱支撑结构时，支撑形式的的刚度就一定比较大，柱子就不允许被拧断，这时的变形就被转移到仓体本身上去了，你必须选择一个变形/破坏点，通过它的破坏而保留结构的完整性。

采用少柱结构时，就必须要慎重使用型钢作为柱子，有些时候，方形或圆形就可能是你的唯一选择。

重载箱形梁的破坏，你要是细看或者说你看明白了，你就知道：真正由弯矩导致的破坏并不很多。一般情况下，主要是扭转载荷破坏了结构。扭转载荷首先是破坏了箱形梁的纵横筋板之间的焊缝，导致形变的加大，而形变的增加又进一步破坏了纵横结构，最后导致了翼板（有时称梁的‘上下盖板’）与间隔结构的分离，失去了承载的理论位置，最终使整体结构分崩离析。

煤矿上使用的液压支架就是一种典型的重型承载支撑结构，其顶梁、掩护梁、连杆、底座的设计都比较讲究。什么地方要加强是非常重要的，也有许多的学问。在型式试验的时候，虽然只有5000次的循环，看似次数很少，但能撑过试验结束的的架型也并不很多，或多或少都有些问题。尽管现在是有限元时代了，但根本问题并没有完全解决，特别是偏载试验，从根本上讲还是扭转载荷作用的问题许多人没有完全理解透，或者没计算好。

能设计结构巧妙而又经久耐用的钢梁其实并不是一件非常简单的事情，是很看一个人的功底的，它和在学校的学习和后天的锻炼都有很大的关系，别小看了它。

在结构设计的时候，你需要特别重要的是：除了正常计算弯曲载荷以外，一定要搞清楚最大的扭转载荷，这种载荷可能不一定是什么东西施加给梁体的，也可能是基础的不均匀沉降造成的，假如你当时没有仔细考虑基础沉降的问题，到时候，土建的家伙是救不了你的，你哭都没人理你。

如果是薄板结构，你还必须计算剪切和冲切的问题，你的钢梁是没问题，但人和物件掉到底下去了，你同样有不可推卸的责任。

筋板的联结也是特别重要的东西，焊缝尽可能不放在受力大的位置上，如果必须放在那里，要作额外的加强和支撑，通过增加局部的刚度，减少此处的形变，使变形发生在非焊接位置。当然，书上说了许多特别细致的东西，都特别重要。

有人会说：你说了一大堆没有用的东西，到底用什么来衡量一个家伙是不是行呢？这个我比较在行，因为我不会干什么，再不知谁会干？岂不是要饿死？其实，衡量一个家伙只用一个标准就够了，他自己设计的结构，随便取一个截面，他都能讲得清楚何处的应力是多大？哪个断面在何种条件下可能破坏，这个截面破坏以后引起的后果是什么？什么条件下，整体结构会崩溃？在众人面前可以讲清这件事，他就合格了。假如是抄图，抄一辈子也还是抄。

2 静态铝结构

假如我们把钢结构叫‘重型结构’的话，铝结构就是‘轻结构’，它的设计与钢结构是完全不同的，或者说根本就是两码事。有些时候，因为某些需求，你必须设计铝结构。

铝结构得到充分的发展是在二战时期，当时是‘玩命时代’，你的飞机速度快，灵活，载弹量大，生存条件好，你就有了制空权，一旦有了这东西，就可以在人家头上扔炸弹，炸掉滚针轴承厂，潜艇制造厂，Me109 的组装厂、重水厂，最后纳粹就玩完了。

在这场竞争中，美国佬胜出，直到制造出B29的时候，世界知道，大局已定了。

铝是一种柔软而耐氧化的物质，正是因为这些特点，它不太适合做结构件使用，首先是不宜焊接，另外是比钢材的耐温性能差许多，但对于某些领域又必须使用它，于是人们开发了许多与钢结构完全不同的设计方式来利用铝及其合金结构。

由于铝的机械性能差，美国率先开发所谓的‘硬铝’用作航空材料，除少量必须用钢材的结构以外，当年的大型轰炸机的机身和机翼都是这东西，由于铝的延展性能好，做结构件时，要充分利用这种性能，使应力大的地方实行一体化的结构设计，避免使用铆接，连接的位置可以在‘中性线’上，大大地提高了铝结构的整体承载能力。这一点和钢结构的设计完全不同。

这种设计思想一直延续到今天，当代的高速列车就采用了大量的铝结构件，这些结构件是大型的铝型材，从车厢的断面上看，是由几块大型型材拼接而成的，受力区域都是连续结构，不会有焊接或铆接的设计结构。假如你原来是搞钢结构的人，后来转到设计铝结构，你就要特别注意这一点，你必须要能独立拆解一个铝断面，用什么方式提高强度和刚度？用什么方式进行联结？同时要知道热挤机是否可以挤出你要的断面，有没有这么大的力能参数。

把铝结构联结到一起的方式也不如钢结构多，早年一般是铆接，今天还在用，世界上铆制铝的铆接设备和铆钉并不很多，说白了吧！就美国佬和欧洲有。日本准备要造100吨级以上的大飞机了，为什么没有早动手，日本没有合适的航空铆钉。今天，铝结构可以焊接，当然，方法比较特殊，还有一种被称为‘摩擦搅拌焊’的工艺，做厚结构时也用得比较好。

假如你做铝结构设计，能设计断面，会计算，再能拆了这个结构，分块做型材，再将其联结起来，你就会有饭吃，做这个的家伙比作钢结构挣钱多。

3 纤维热压增强材料 合金材料

随着人们对航空器‘更高、更大、更快、更远、寿命更长、事故条件下的生存能力更强’的多‘更’要求，铝材已经远远不能满足这些要求了。无论是强度、刚度和温度适应性及稳定性能都不够了。这时，纤维热压增强材料就开始逐步登上历史舞台了。

这些纤维热压增强材料主要是做结构用的碳纤维结构材料和做蒙皮及结构翼板的凯夫拉夹层材料。碳纤维的模量很大，用它制作的结构，在有很高的强度的同时可以有很大的刚性，这是其它材料所不具备的。碳蜂窝结构是历史上最强的蜂窝结构。

凯夫拉夹层结构是由凯夫拉纤维和薄铝板的多层复合体，欧洲称‘凯夫拉三明治’，由于它的模量略小，具有一定的弹力和变形能力，是作轻结构蒙皮的上等材料，有时是唯一的选择。

作碳纤维结构设计时，你主要是考虑用什么结构形式，它和加工方法有密切的关系。在断面很薄的时候，蜂窝结构是你的唯一选择。会蜂窝结构的设计，你可以有一碗不错的饭，就可以作真正的白领了。

纤维热压增强材料的联结就比较特殊了，它与钢铁结构和铝结构的联结方式是截然不同的。这种材料一般是采用粘--铆联结方式。承载的联结体是环氧或类环氧胶，而铆钉只是辅助固定的方式，无论是哪国的铆钉都不会有这样大的联结强度。

粘--铆结构有其致命的缺陷，腐蚀会沿着边界层渗透，当层间结构被破坏到一定的程度，这种看似无敌的结构体就会瞬间崩溃，而在这之前是没有任何先兆的。

在设计过程中，要特别注意标注材料的表面处理和粘接方式，以及搭接界面的封闭处理。总体技术要求要标明多长的周期要进行层间结构的探伤处理，探伤显示的损坏结果到什么程度就要报废，而不管它看起来是新还是旧。碳纤维还被用来作为结构的增强材料，粘接在梁体的表面以提高强度，它属于专门的学科。

你需要学习的实际是两种东西，一种是碳纤维结构件，一种是碳--钛复合拉杆，学会这两种东西，可以设计F1 或者设计飞行器。

在工程设计的时候，有时客户会提一两种特殊的结构给你，这是你的附属结构，一种是间隔消音结构，结构体之间要有一定的距离，内表面要粘贴某规格的沥青石棉毡，结构之间要悬挂式布置一定克重的玻璃纤维毡，这是依据声频特性计算出来的，有些时候这些东西你也必须会。

再有一种东西就是防弹结构，防炮弹的东西不是咱设计的范畴，那东西咱搞不了。防枪弹的结构主要是硬式和软式两种，软式的也是一种凯夫拉夹层复合结构，以前要自己设计，现在可以买得到。

说‘静态结构’和设计，俺就知道这些了，按中国成语说‘坐井观天’，俺就是那只井底的大蛤蟆，也希望有一天爬到井台上来看看世界，但，很难啊！不过，上面说的这些东西，俺可以替你做，即使是纤维材料，俺从压机替你做，做了设备再替你设计结构。

具体你要知道多少东西，那就要看你自己了，客户要侬作什么，侬没有自己的选择，白相白相以后就得干活，到底是钢结构、铝结构、还是复合结构，你的老板说了算，你说不会，他不给你发薪水

4 运动结构

说到搞‘运动结构’设计的家伙，有时看不起搞‘静态结构’设计的人，在有些场合也是有一定的道理的。

设计一个‘运动结构’，不仅要考虑机构在运动过程中的完整性，还有保证在规定的时间内完成规定的任务，这些任务有时是精密的动作，有时是一个变化着的力，有时二者兼备。

既然是为了完成一个运动的任务，从总体上说，各种运动机构都是类似的，从宏观上看都是一样的东西。运动系统在运动过程中都包含有‘启动、加速、工作运转、减速、停止’等过程，怎么能很好地完成这些动作，才是问题的关键所在。

我习惯上将‘运动系统’分成几大类：第一类是‘大惯量系统’，其自身的启动惯性较大，而工作载荷并不很大，例如，棒材轧机的定尺飞剪，设计的关键问题是要在规定的时间内启动到位，完成剪切动作，真正的剪切力并不很大。

第二类是‘大载荷系统（或外加大惯性体），这类系统的自身惯性很小，而工作载荷很大。例如，航母上的蒸汽弹射器，设计的关键是如何在瞬间发出巨大的推动力，而这种大推力又是可以精密控制的，设计这种东西有难度，有时，你设计了也没有条件加以实现。

第三类是混合系统，自身的惯性比较大，工作载荷也特别大，有时载荷还有不确定性，例如，轧机、热带飞剪等冶金设备就是如此。

5 驱动装置 电机

你无论是设计哪种系统，首先你要分清楚这东西的实质所在，才能选择用什么方式加以驱动。说到这里，我们不得不说一下驱动一个系统用到的原动机。原动机主要有各种电动机、活塞式内燃机、涡轮轴式燃气轮机、外燃式的斯特林机、驱动大型风机和压缩机的蒸汽轮机等。无论如何，我们最多采用的是各种电动机。

各种电动机都有不同的启动特性和负载特性，要根据不同的情况加以选择和控制。设计棒材轧机的定尺飞剪时，主要考虑电机的启动特性，电机要适应频繁的连续启动，启动过程要准确。设计轧机的时候，主电机主要考虑的是过载倍数是否合适，过载倍数不够，轧机的力能参数不够，光能转又有什么用？。

设计冷床的时候，假如你是采用启动/停止的方式，就要选择较大的电机，当采用气动离合器的方式时，电机相对就小些。这些都是根据计算得出的。

说到计算一个电机驱动的系统时，电机是否合适？曾经有许多的说法，很多书里说了不同的观点，有时把人说得云山雾罩，不知所以然，有些东西我参考，有些东西只是看看算了。

什么叫电机选择得合适？就是在工作载荷的条件下基本达到额定状态，留下一点富裕就够了，留多少富裕的功率，那要看你选择的是谁的电机，假如是德国的电机，你在90%的额定条件下可以长期使用，如果是美国的电机，有时可以使到100%。有些电机，你就要慎重，可以询问厂家，到底可以在什么条件下使用，给你的答复有时是75%，有时还要低，但你也要遵循，谁让你想少花银子呢？

电机到底在什么条件下会烧了，一堆人可能有许多的说法，无论谁说过什么，最终的答案都只是一种：那就是积累的热量。请你记住，只有发热超过散热并累计上升到规定的温度，同时持续一定的时间，最终烧毁绝缘的时候，电机就烧了。

在实际的设备设计中，有时，你按工作载荷计算的电机功率是不能满足启动要求的，因为过长的启动时间将瞬间产生大量的热，使系统马上被‘顶掉’。但你若是按启动工况计算电机的功率，就会严重富裕，这将导致系统的效率下降，对整个的工厂是没什么好处的。这时，你就要在这两者之间做出平衡，平衡不了的时候，就要另加一个装置专门负责启动，这种东西的工作原理各不相同，最简单的就是两个电机串在一起，用离合器联接，启动的时候，两个电机同时工作，正常工作的时候，断开一个，使用一个。

其实，你只需掌握几点关键的东西：启动期间的发热是否超限，如果启动的次数很少，首次启动是冷车启动，即使发热略有超过，也不会怎么样，但时间不能太长，长了，对电机的寿命有影响。电机在工作期间的过载问题必须仔细计算，力能参数满足需求的时候，主要是计算每一个循环的发热是否满足要求，应该使用什么方式进行散热，对于封闭式电机的计算要特别注意使用的环境。而对于特殊的气候条件，比如湿热带的气候，要使用专门的湿热带电机，以前，有的公司出口设备到印尼去就有这类的问题。在系统减速阶段，你可能用到某些减速的方式，假如和电机的力能参数有关的话，也要仔细计算，力能参数合适以后，再算发热量，总之，你什么都算过，并且都算对了，在工程中出的错误就少。

真正选择电机的时候，你会看到有同步机，异步机，异步机里还有众多的分类，当然还有直流机、各种伺服电机、步进电机、开关磁阻电机，许多我都用过，书里有明确的原理说明，厂家有详细的曲线参数表，这些东西我不能侃，一侃就要露怯，在选电机之前要仔细地想好了，你要驱动的是什么系统，到底会发生什么事情，这才是问题的关键。

在使用电机不方便的场合下，可能你被迫要使用其他的原动机，例如，在输油中继站要使用柴油机，这东西和电机的特性是完全不同的，要考虑一大堆的东西，比如液力耦合器及控制系统，调速装置，齿轮变速箱，散热器和循环系统等，你别嫌麻烦，挣钱麻烦吗？

在输气的线路上，假如气体的热值和灰份等质量合适又有处理站的话，可能使用涡轮轴燃气轮机，这东西是高速机，减速装置比较复杂，还要有一大堆的监控系统，但它的效率很高，装置比较小。还有使用斯特林机的，可能场合特殊，那东西很安静，有在车上使用的，我没用过。

6 被驱动装置

假如一个驱动力可以使系统启动的话，系统就可以开始运转，但运转的过程中还会发生许多的问题。按我的习惯，我把这些问题归为四类，即：

（1）控制位置精度的问题。

（2）平衡问题。

（3）振动问题。

（4）润滑问题。

（1）控制位置精度

控制位置精度的问题是一个比较复杂的问题，它与控制系统的选择、被驱动件的惯量、控制的算法等一系列因素有关。

对于要求高速运动，而定位准确的物体，减少自身的惯量而提高其刚度是尤其重要的。有时，你必须放弃钢铁、铝合金等结构而转求采用复合材料。不管对谁来说，一个大而重的东西比轻的东西就是难以控制。在提高刚度的同时，还应该提高结构的自振频率，这对于提高位置控制精度都有很大的帮助。

就控制系统来说，不是你选择的系统精度越高就越好，过高的精度有时没有必要，它无故地增加了制造的成本。有时，你提出的、超高的精度其实是实现不了的，比如，你要求热轧板带的精度到‘缪’级就很难做到。还有就是，太高的精度引起的系统震荡也是很难处理的，有时是对生产过程的严重干扰，可以大大地降低生产效率。

提高一个系统的位置控制精度和算法还有很大的关系，你的算法比较先进，简单地解出轨迹和正确地修正和差补，都是提高控制精度的有效手段。

作为机械设计者，在设计这类东西时，你应该是先设计好你的所有机构，做完所有的惯量计算，找到最大的惯性力作用点和外载荷的附加点，再和专业的自控公司的家伙谈控制，看他们的伺服电机或步进电机的力能参数是不是可以，控制卡是不是有这么高的响应和适当的电流输出，你就可以得出结论，谁的东西是可以使用的，谁是真正混事的家伙。只有这样，你设计的东西，你才知道最终是不是可以使用，即使在使用中有问题，也可以知道是在哪里出了问题？到底是驱动跟不上？还是算法的问题，或是控制电路的问题。不知道这些，永远是糊涂的。

（2）平衡问题

说到一个系统的平衡问题，也有许多的讲究，例如大型的棒材轧机的冷床就是一个很好的例子。

从精轧机经过倍尺飞剪上到冷床的棒材的规格随着生产的规格调整时刻在变化中，规格从∮10到∮40都有，究竟在哪一点平衡冷床是有说道的，你要和轧钢工艺的家伙仔细探讨，找到最常生产的规格，还要考虑生产的连续时间，工作做细了，对设备的寿命、电耗都有利，但能考虑这些东西的家伙是非常少的。

平衡不好的话，不仅是设备寿命受影响，基础的寿命减低，还可能把床面甩下来，几百吨的家伙，甩飞是什么后果？所以，当你接手设计这东西的时候，会有许多的人劝你这家伙的可怕后果，但东西设计好，摆在那里，大家能抄许多年，也是一件趣事。

（3）振动问题

平衡问题与振动问题有时是一个问题，有时是两个问题，有时二者有关系，有时一点关系都没有。做好平衡在某些场合可以减少振动，有时就不能，甚至根本就不能。

运动系统的振动有许多的原因，一些是由不平衡引起的，这些东西只要简单地加以平衡就可以解决。有些是由于外界的激振源的振动频率和系统接近而导致振动，附近的空压机、活塞式内燃机、有时甚至是某些液压泵组也可以引起振动，要先找到振动的激励源，做相应的处理，此类问题就可以解决。

比较难以处理的是扭转振动，特别是采用活塞式内燃机驱动的设备。这种振动一旦发生，很难消除，并严重地影响设备的使用寿命，甚至是很严重的破坏事故

做长轴系的设计的时候，要事先计算整个系统的扭振问题，只有计算完了这东西，才能开展结构设计。

（4）润滑问题

润滑问题是非常庞杂的东西，一个东西一个样，一点规律都没有，你那点所谓的‘经验’在什么时候都不管用，在一个大的设计院里，做不了设备设计的家伙，有时就被派去搞润滑系统，殊不知，润滑这东西也很复杂。

低速重栽的非精密的场合，许多人愿意用轴套，随便抓一个就用，人家能用，我也能用，但场合不同，材料和使用的方法还真是不同，有时就不能乱用。

见过一个设备的轴套，使不了几天就坏了，换上还是坏，设计者说不知道怎么处理。看看环境才知道周围的温度特别高，打进去的干油熔化以后流出来结焦，根本就没有润滑作用，当然要烧轴套，换点高温润滑脂试试？那东西250度都不变色，也不熔化，再打进去什么毛病都没有了，万事大吉。

处理上述的问题有三种方式，第一是选用高温润滑脂。第二是采用水冷轴承座。第三是每次运动都打定量的干油，当然这很浪费，但没办法。

还见过烧油膜轴承的，在负荷特重的工况下，油膜轴承的启动要特别小心，有时要考虑用静压先把油打进去，运转以后才可以停掉静压，否则就可能烧了轴承，油膜轴承很贵的，尤其是大型的。

滚动轴承也常有各种各样的问题，有时是选型有问题，包括选型不对，负荷能力不足，润滑有时也有问题。滚动轴承一般采用脂润滑、油润滑、油气润滑。在高速的情况下，假如负荷允许的条件下，使用油气的润滑是个不错的选择，既可以帮助散热，也可以充分润滑轴承的滚动体。总之，设计的时候，一定要仔细确定负荷、转速、冲击等问题，严格按要求润滑，任何‘拍脑门’和想当然的东西都是不可取的。

7 自动化控制

当人们走过‘坚船利炮’的强打时代，无论是什么设备都逐渐有了自动化的成分。哪怕今天它是全手动的，恐怕有一天也得加进自动化的装置。自动化系统的好坏有时是至关重要的，苏霍伊设计局和米高扬设计局的战机设计都是一流的，要论气动布局和动力性能都举世无双，但战斗实力差在计算机系统和自动化控制系统上。

美国的B2 是飞翼式气动布局，单从气动布局上看根本就没有人工操纵的可能性，也就是说，假如停掉其自动飞行舵面控制系统，它马上就会从天上掉下来，人工是根本操纵不了它的舵面的。

一说到自动化控制系统，大家都觉得神奇得不得了，都觉得学自动化是个好差事，搞自动化的家伙也都很神气，在工地上，你要是发现谁穿得比较干净，那家伙很可能就是自动化专业的家伙。

自动化控制系统其实也有一个发展的过程，早年基本上就是继电器联锁系统。继电器的线圈接上一个开关，对线圈一通电，衔铁吸合，原来的常开触点闭合了，控制下面的回路通电。而原来的常闭触点打开了，控制其原来接通的电路断开，实现逻辑控制。你只要把这些最基本的东西牢牢地记住，哪怕是到了计算机控制时代，也不过就是在计算机里面有无数个受你控制的触点在工作罢了，想到这些东西，你就不会慌了，也不用害怕搞自动化的家伙，无论他们多么趾高气扬的。只要一层一层地找控制的问题，一个点一个点地找，无论是PLC 控制，是微机控制，还是网络控制，你什么都不用怕。你要看的就是信号的规范是否正确？传输的过程是否对？信号的波形是否有歧变？谁干扰的？干扰源在哪里？系统的屏蔽是否有问题，干扰信号从哪里窜进来的？隔离是否有效？电源是否是独立的？一个一个的问题找下来以后，自动化的家伙一点脾气都没有。

一般情况下，一个工程的总体自动化控制水平是不由设计的家伙决定的，决定权在甲方的手里，人家不肯出银子，自动化水平是上不去的，除非你是给西洋人干活，他们有时要很高的自动化控制水平，以体现人文关怀。

我国现在许多工厂广泛采用的网络结构是：在控制网络结构中，以太网应用在工厂、车间网络的上层，将管理计算机、服务器、操作员站、控制器等进行联网，控制底层采用现场总线的形式。这种网络结构简单，控制可靠，接线方便。

控制网络的设置：控制网络的设置可分为三层，第一层为现场控制层，采用PLC和Profibus现场总线进行控制；第二层为过程监控层，采用工业控制计算机和带以太网通信模块的PLC组成工业以太网，监控系统采用组态软件。第三层为生产管理层。

确定总体的控制方式以后，你要做的就是把全线的所有设备的控制模式用文字写出来，有时要写好几百页，不写？不写所有的东西都动不了，自动化的家伙没法介入，其它专业的家伙也没法和你配合，大家就只有都等着，到时候，看领导能不能饶了你？

这些控制点的控制方式都写好以后，还要考虑诸如：PLC双机热备的建立问题，从站的问题，从站和PLC的通讯问题等诸多东西。

PLC在工业生产控制中的应用环境千差万别，无论什么品牌的PLC都难免会发生故障，为了保证整个生产系统能正常的运行，就要有一个备份系统，一旦主系统发生故障，备份系统立即投用。

PLC双机热备你可以采用以下三种形式：（1） 双机热备，（2） 双机互备，（3） 双机双工。

以上的问题考虑好了，你就可以准确知道哪台电机是直接走MCC 柜的，哪个是通过从站走的，直流模块和变频模块与主PLC 之间是怎么通讯的。所有这些东西都定下来以后，就可以和电气及自动化的家伙谈他们的系统了，要和他们商讨电缆隧道和电缆沟的布置，如何错开其它专业的配管? 如何将电缆配到用电点? 有时还要和土建的家伙进行协调。有时要和工艺的家伙协调操作室的位置是否可以看到要操作的工位？机旁操作台是否安全？问题很多呀！有人还没干什么就说头大了，其实我看你头并不大，真干点什么试试！那才真叫你头大呢！

你如果真的比较侥幸，就是没什么大的问题，在调试的时候也会有一大堆的意外事件，人家水专业的搅拌器可能烧了，水泵的电机可能被自己水箱里的水淹了，毛病很多的。

你作设备专业，或者说你作设备设计，尤其是成片的区域设备或全厂的设备设计时，有些东西你必须是很清楚的，这包括：

1. 网络时代的控制方式，网络的分层布置，根据你使用的网络系统，可以大致选择网络设备。

2. 网络和PLC、 PLC 之间、主PLC 与从站之间、与各种模块之间的通讯方式。

3. 各种传感器的使用，传感器输出信号的类别和变换的问题。

4. 某些特殊的场合下如何使用传感器的问题，比如高温、高冲击条件下，这都不是人家自动化专业可以帮你解决的东西，你必须自己解决，没人可以帮你的。

5. 电控的方式问题，你应该有一大堆所谓的‘模式图’，每一种控制方式有固定的模式，无论是走MCC 的，还是走从站的，一旦有事，设备不能正常运转，别人又都袖手旁观或等着看你笑话的时候，要能迅速而准确地判断问题到底出在哪里？出在网络的哪个节点上？直接短接什么地方可以判断故障所在。

当你把这些结构的问题，材料的问题，运动的问题，驱动的问题，惯性的问题，自动化控制的问题都搞得很明白的时候，你就基本上可以做机械设备的设计了。

8 产品设计

机械行业是一个宽泛的领域，我想不出对工程师有什么限制，有什么是不能从事的？无论是石化、航空/航天、海洋设备、金属行业、采矿及勘探，无不深深地打着机械的烙印，他们都是可以供机械工程师发挥才能的地方，每次听别人说：那不是我的专业！我不会！我都要问人家：你给自己限定的专业是什么？

在机械行业做事，可以把事情分成两类：第一类是做单体的产品，或者叫设备，搞这类东西要求有一定的深度和适当的广度。第二类是做工程，或者叫线，作这类事情和搞产品需要的知识正好相反，它需要的是比较宽的广度和适当的深度。

假如我问你，设计、制造加湿器或激光设备，与设计一台钢包翻转台有什么不同吗？不知你如何回答，反正我认为都差不多，只是有些东西复杂点，花的时间多些罢了。

作产品，你其实要把握的就是两点，第一就是这东西干吗用？第二就是怎么把这东西用好？掌握这两点你以为容易吗？我分析过无数的东西，就是上面这两点没弄明白，南极雪地车的履带板其实要求的强度并不大，但环境温度特低，我们常规的电机到了印尼，使用的寿命下降许多，因为那是湿热带气候。所以，充分了解使用条件和工艺要求是非常重要的，在这个基础上才能设计出好的产品，在了解所有使用条件的情况下，你还是不知道怎么设计一个东西，那好像就不是我们今天要讨论的事情了。

有客户请你设计200吨钢包翻转台时，你应该先看钢包的详细图纸，包括重心、总体重量、留钢的最大量等问题，把那个要翻转的东西了解透，这是最关键的地方。设计的时候，最关键的问题是所谓‘翻过点’的问题处理，这个东西处理好了，就一切OK了，从前有人把转炉都翻乱了，就是某点的计算有问题。在大管道的输送问题上，也常有人在最高点出事，砸烂了下游的管道，这其实都是一类问题，是理论力学的问题。

有些重型设备的设计是有一定难度的，比如：一个250吨的钢包车，钢水、包体、车体、耐火材料等东西加在一起的重量很大，但难度不在于车体设计，而在于如何启动及停止，并且要非常准确可靠。这就要用到激光测量、数字变换及传输等东西，你把这些东西学好了，你的产品比别人的技术水平就是高，就可以在行业里混住，光能作车体设计显然是不足够的。

假如有客户找你订加湿器出口用，一般会有5-6条技术上的要求，同时需要一个精确的报价，你需要做什么呢？你需要一个和他要求非常相近的‘模式’，要知道出口目的国的各项要求、认证条件、各种手续等。

把这个‘模式’放在桌面上说，超声振荡器用谁的？寿命多长？什么价钱？需要认证的器件（包括电源线、插头、开关等等东西）用谁的？什么价钱？壳体的材质？添加剂的限制？阻燃等级标准？模具的寿命和价格？控制板的价格？这些东西都详细地确定下来以后，价格就定下来了。你就可以决定作还是不作？像这类出口的小电器都没有什么技术含量，主要是遵守进口国的各项法规和认证制度，产品是安全、可靠的，同时具有一定的使用寿命。

做单体设备，有些技术难度的东西主要分布在电子行业、石化领域、动力设备等东西，有些问题能解决，有些问题是我们现阶段解决不了的，假如你搞这些东西就要注意，你领导让你设计一个大轴承，寿命和载荷条件要达到SKF或FAG 的水平，你就无论如何都作不到，还是趁早找别的干吧！这类事情包括：芯片基础层要解决的问题，材料纯净度的问题，流体的高速流动的深度模拟的问题等东西，这不是我们这代人能解决的东西，环境也不允许。

而有些东西，无论是低功率的激光设备，加工专机，哪怕是一般的通讯设备（如手机和相关产品），今天要设计和生产这东西都是非常简单的事情。你不用惧怕这些东西，它都是你的业务范畴。就像把短戟交到你的手上，你首先要敢上阵，打一仗下来再分析自己的破绽在哪里？别人是怎么耍枪的？那个编码到底是怎么解决的？假如你不上阵，抱怨敌人太多，难以预料打仗的后果，最终你就耍不了枪。

关于设备的设计方法，那都是基本的理论，不外乎是以前说的强度、刚度和驱动及控制方式。

9 设备、线、工程的设计

在中国，由于社会环境和生存条件的限制，做产品是很难生存下来的，无论你有多深的技术都不行，最终的结果都是走入别人仿制，先杀价，你跟进杀价，降低质量再杀价的循环怪圈，最终大家毁掉这个东西，别人再去仿制另外的东西，留下你自艾自怜。

有的时候，你就被迫走上系统集成，也就是做工程，或者叫做‘线’的道路。那也许不是你最初的选择。

做工程，没有什么技术含量，但不是谁都能做，道理其实特别简单，《全唐诗》就放在那，有几个能背地出来的？作工程需要经验、博大而宽广的知识面，庞大的朋友和供货商的圈子，资金的支持等许多东西，即使别人想仿制，一时也难。

说到做工程，一般我们是这样划分工程种类的：

（1）重装备线：炼钢、连铸、轧钢、无缝管、各种精整、剪切线、大焊管等。

（2）轻装备线：电子设备组装线、生化处理线、饮料线、包装线、印刷线、造粒、塑管线等。

（3）冷装配线：各种发动机组装线，轻型车辆装配线等。大型的车辆装配线不是一般人玩的东西，一般是发达国家先有，使一些年以后，人家上新线了，旧线重新喷漆、搭配以后作为合资的资本金给较为落后的国家，其实也不是人家看不起你，是因为你用不上新的，大型的线，因为你的生产能力太小。

（4）热加工线：包括热模锻线、连续挤压线、铸造线、耐火材料线等。

你适合做什么？这主要和你的知识水平的宽窄、基本功的扎实程度、人脉的活动能力、协作的关系等因素有关，有人就做的范围较宽，有人就窄，无论是宽是窄，都不说明你水平高低，即使你做的很窄，你把它做好，就是你的水平，但现实生活中你要注意一点，你做窄了，你的活路就是比别人小，哪怕你很精，别人就是不用你的东西，你也没地方讲理去，久而久之，就只能饿着

（1）重装备线

做重装备线，比如说连铸线，方坯线谁都能做，不外乎是流数不同，拉速不同，上自动配水和液压振动的厂家很少，除非是很有钱，或者以后考虑有合金钢的品种。具体到你能不能干，主要就是侃价，能受得了，就能干。

有点技术的是板坯连铸和不锈钢连铸，需要一些技术水平，这就不是谁都能干了，为什么有人退缩了呢？因为那里面要考虑钢水温度、成分、冷却模型等一堆的东西，你不会的话，连铸坯的内裂、偏析、内夹杂、角裂、横裂等等东西都在等着你，将你打得血本无归。

怎么有人就行呢？表面上说，是人家有技术，技术是什么东西？就是人家掌握了处理这种对象的一种模式，人家会协调钢水的温度和成分，知道在什么温度下开浇，知道初始的拉速和振动幅度及振频，有液压振动的还可以调整振型，同时知道冷却模型，即使冷却有点问题，马上就知道调整多少，你只有耐心地学习这些东西，都学明白了，知道每一个参数为什么是这样的？

当你掌握了一种处理问题的模式以后，在这个行业里就可以混几年，直到技术被扩散出去，很多人都学会了，这种模式又成为街上的大白菜的时候，你就得选择新的项目了。

类似的情况在轧钢行业里也是一样的，你有一种成功的轧制、冷却模式，当然你就行。但轧钢和连铸的不同点是（以棒材为例），由于轧线布置的形式不同，会有一大堆的非标设备，另外，定尺飞剪、冷床、精整线上的点算机等东西也有一定的设计难度。

关键的问题，还是要有一个细致的‘模式’，所有的东西都仔细地考虑一遍，从炉子的加热能力和进出料开始，一直到打包下台架。

把‘模式’这个东西学明白了，你就可以在板带、线材、有色行业里乱混，别人也拿你没办法。许多人以为我说的‘模式’就是轧钢工艺，不太准确，搞工艺的家伙说不清上料辊道到底要多少米才能刹车，因为他们完全不懂设备。

虽然‘模式’这东西非常重要，但有一点你还是要学的，就是你要能设计线上的主要非标设备，比如飞剪和冷床，在关键的时候，你会这东西。

混事的时间长了，假如你再好学，什么液压AGC、卷曲模型、层流冷却等等东西都逐渐可以学得很明白。

（2）轻装备线

虽然重装备线有量，有较高的合同价值额，但要赶上萧条的时候，没人上这些重装备，你也得吃饭呀！有时可能你就要搞些轻装备的东西。

轻装备线和重装备线是完全的两个概念，搞过重装备线的许多人看轻装备线时会笑出来，因为许多设备是没有地脚螺栓的，特别是输送系统，因为有些东西是要根据情况进行调整的。

有些轻装备线的另外一个特点是，以一个主体设备为核心，如饮料罐装线，是以罐装机的生产能力确定线的能力，其它的如传送系统、套标机、喷码机、码垛机等都很好选择，不用费力设计非标产品，一般也不会因为这些辅助系统而妨碍主机的产量，这和重装备线不同。在轧线上，假如轧机完全没问题，也不见得冷床区和精整区也行，这就是大家都会争着设计轧机，而不愿意做后面设备的原因。在轻装备线就没有这种问题，如高产的罐装机是引进的，随便做个配套就完了。

轻装备线有时因为产品的需要，要对使用场合进行净化处理，这有专业的标准，不是我要说的东西。我要说的是对于1万--到10万级这个范围，是可以随同设备一起给厂家作的，具体到是封闭车间还是封闭设备，要看具体的情况。

相对重装备线而言，作轻装备线的工厂设计要简单一些，对于设备基础、厂房基础、附属设施的考虑相对简单一些，对供电系统的要求也稍有放宽（芯片厂例外），但有时也琐碎一些，如管道、阀门的卫生级别，密封性问题，杀菌问题，材料的保证问题都要特别注意。像啤酒线上的辅助设施，如皇冠盖的问题，那东西的模具看似简单，实则有很大的难度，收小了，密封有问题，收紧了，可能损坏瓶口。还有，皇冠盖内的滴胶量控制和模压成型，这些在常人看都不会看的小东西，都是有很大技术难度的东西，别看这东西小，掌握这些东西，可能意味着你的生路更多。

两片式铝罐的拉伸，三片式铁罐的滚焊都有一定的技术难度。对于铁罐的焊口处理也是一个很深的学问。

在轻装备线上的非标设备许多是象码垛机这样的东西，再大些的如自动存取库。可供发挥的地方也不太多。就象是布置一条轧线，许多东西都是选的，象自动存取库的架体是模块化的东西，计算好荷载拼起来就行，而轨道、升降车这些东西就完全是品牌的东西。只要你对行业熟悉，就完全得心应手，每天都可以喜滋滋的，比作重装备线的家伙轻松不少，至少比较安全，象厚板轧线上的‘雪橇’没控制好，一下就可能拍在走桥上，假如你只是摔折了腿，你得念‘阿弥陀佛’，这在饮料线上是看不见的。

做电子组装线也基本是一件美事，考虑非标的东西不多，即使你想‘非标’一下，一般的人也没那水平。但这个行业对电的知识要求的非常多，比如信号的干扰和隔离问题，贴装机动作的准确性问题，回流焊的温度准确与稳定问题（特别是无铅焊），焊后的检测问题。