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曹方:我在工作中有用到高等数学吗?

曹方:我在工作中有用到高等数学吗?

职场


我在工作中有用到高等数学吗?
作者:曹方
所有发表于本公众号曹方文章均经作者授权)

高等数学是大学基础课。当年我可是花费了很多时间学习它。记得当年学到极限的定义,我竟然读不懂那个定义的中文。总觉得它有语法错误,句子不顺。我是连续读了十几遍才读顺了,也慢慢理解了它的含义。在众多课程中,我分配给高等数学的时间最多,习题集做了两遍。

毕业后很少遇到需要用微积分解决问题。虽然少是少,我还是遇到几次。在Eastern Alloys公司工作期间,我设计过一个铸造锌合金Bar的设备。它有20米长的水冷却铁链传送带,需要设计一个20米长的条型风罩沿着传送带收集水蒸气。条型风罩的顶部设计一根直径30厘米的风管,风管下部开槽吸入风罩顶部水蒸气。吸风机安装在风管的一端。因为沿途均匀吸入水蒸气,风管内的风速逐渐增大。为了保证真正做到沿20米长风罩均匀吸入水蒸气,我用流体力学的 Bernoulli Equation,建立微分方程。解方程后,我得到了沿20米长,直径30厘米管道底部开槽的曲线方程。它是一个“细喇叭”形的槽口。按照吸入风量,我采用一台5马力的吸风机。

这台铸造设备投入运行后表明,我的计算正确:沿20米长的冷却段
没有水蒸气逃逸。旁边有一台老铸造设备用25马力吸风机,它简单粗暴的矩形风罩用加大吸风量的方式捕捉逃逸水蒸气,可是还是有个别段落水蒸气冒出。

通过列微分方程,解微分方程,我可以推导出不同管道形状,如圆形
管,锥形管,矩形管和楔形管的槽口曲线方程。我注意到在楔形管上,槽口是一条直线方程。虽然直线槽口容易开,但是制作20米长的楔形管更昂贵。我还是采用直径30厘米的标准不锈钢管材,在其上切开细喇叭形曲线槽口。

没想到,几年后,又遇到类似的问题,第二次,我应用高等数学为另
一家公司带来了可观的经济效益。

2010年,我入职美国Avgol 无纺布公司。公司派我去湖北荆门的合资企业工作,出任总工程师和
第三条生产线工程的项目经理。

简单地说,制造无纺布的设备与造纸设备有些类似。几排密集阵喷丝
孔按产品要求把塑料丝喷在高速前进的网带上。网带宽4米,长约二十米,前进速度约600米/分钟。网带上面接喷出来的塑料丝,网带下面是一个大型抽风机造成的负压室。塑料丝被吸着在网带上,并且随网带前行。网带到头后转回去,若干层塑料丝形成的无纺布进入热轧机成型,压出布形花纹。

生产一段时间后,比如20天,网带上会积累一些粘着的塑料丝,它
们引起吸入负压室的气流分布不均匀。进而造成塑料丝着网不均匀。再进而造成无纺布薄厚不均匀。这时就需要停车,换下“脏”网带,安装冲洗过的干净网带。

更换网带是一个复杂的操作过程,需要专门的设备和多名技术工人的
密切配合。在更换网带的时候,几排密集阵喷丝孔还要低速喷吐塑料丝,以防止塑料固化堵塞极细的喷丝孔。这些吐出来塑料丝都将成为废料。所以那些技术工人,在更换网带作业的时候,都有时间压力。

因此不停车干洗网带就成为业界的梦想。有一位以色列工程师在荆门
的设备上做过尝试。他在网带的末端安装了一个高压空气喷嘴和4米长的滑行轨道。一束高压空气在网带的反面作往复运动,吹掉附着在网带上的塑料丝。实验的效果不成功。虽然塑料丝被吹掉了,但是吹落的塑料丝飘散在厂房空气中。附着灰尘后,它们几经转展,一部分又落回到网带上的无纺布之上,形成许多黑点。黑点污染了无纺布。从而造成大量废品。他的尝试被叫停。

我立刻想到用楔形风管在高压喷嘴的对面收集被吹落的塑料丝。网带
4米宽,只有4米长的楔形风管容易制作,底部开一个宽度一样的细长条吸风槽口也容易制作。运用我之前已经推导出来的公式,计算出楔形风管和槽口的尺寸数据。我让厂里的工程师出图,再交当地钣金工厂制作。

还有一个问题需要解决,楔形管吸入的塑料丝不能直接进入吸风机。
因为塑料丝会积累在轴承里,很快吸风机就转不动了。必须在楔形管和吸风机之间加装过滤装置。吸风机的吸风口负压小,为了保证风流量,过滤装置的风阻必须非常小。这个位置不能放置滤袋,因为滤布的风阻太大。

现在低风阻过滤器是一只拦路虎。对此我终于有了解决方案。我注意
到车间里的铁丝安全护网上粘了许多塑料丝,它表明铁丝网对漂浮在空气中的塑料丝有天然的吸附能力。我采用铁丝网制作过滤装置。1平方厘米网口的铁丝网的风阻很小,我在低风阻过滤箱里面插入5 道铁丝网,间隔5厘米,连续5次捕抓高速气流中的塑料丝。

吸风机的出风口有很大的正压力,所以我又在出风口外加装了一个滤
袋除尘器。出风口设计在室内,它可以保持室内正压。室内正压可以防止室外空气未经过滤进入生产车间。

实验大获成功!99.9%的塑料丝被低风阻铁丝网过滤器截留。它
抓住了大量的塑料丝,建立新规每8个小时交班前需要清理一次铁丝网过滤器,以保持风的流量不减少。残留的0.1%塑料丝又被风机出口处的滤袋过滤器抓住,同时过滤袋还截留空气中的灰尘,顺便清洁一下车间里的空气。这个装置实现了不停车干洗网带。它带来可观的经济效益。

又运行了一段时间后,吸风机运转正常。吸风机出口外的滤袋除尘器
的滤袋里只有少量塑料丝和灰尘。滤袋更换周期在3个月以上。实践证明它运行可靠。

虽然以色列工程师搞了前一半干洗网带的吹洗失败了,我搞了后一半
的收集和过滤救活了这个项目。严格地讲,这个在线干洗网带装置是我们两人的合作发明。Avgol全面推行这个在线干洗网带装置。荆门的3条生产线,美国的4条生产线,以色列的7条生产线和俄罗斯的1条生产线都安装了这个装置。

能让以色列工程师和美国工程师“抄作业”,大学时代我花那么多时
间学习高等数学也值得了。我为母校增光,哈尔滨建筑工程学院(现在并入哈工大)。

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