第472章 全力冲刺
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不是靠工匠的手艺一层层叠铜片，而是靠材料自身的特性。
热胀冷缩。
铜受热膨胀。
如果能让铜环的膨胀方向朝外，让它在受热后自动压向气缸壁，那就完美了。
但问题是，铜环的内侧是活塞体，外侧是气缸壁。
铜环受热后，它同时向内外两个方向膨胀。
向内的膨胀会被活塞体挡住，向外的膨胀才能贴合气缸壁。
但向内的那部分膨胀力，会作用在活塞体上。
薄珏猛地睁开眼。
他想明白了。
不能用一个整体铜环。
要多层。
每一层都要极薄，薄到受热后几乎只向外膨胀。
他重新拿起那块铜板，用錾子切出五片极薄的铜片，每一片约莫两张纸厚。
他把这些铜片叠在一起，用铆钉固定在活塞体的外壁上。
每一层铜片之间留有极细的缝隙。
当铜片受热膨胀时，每一层铜片都向外膨胀，缝隙被挤压，但因为铜片极薄，向内的膨胀量极小，大部分膨胀力都作用在气缸壁上。
常温下，多层铜环的外径比气缸内径小几丝，活塞能轻松装入。
高温下，铜片受热膨胀，外径增大，自动压紧气缸壁，形成密封。
薄珏拿起这个多层铜环模型，去找王徵。
王徵正在正堂里画偏轮的改进图纸。
看见薄珏进来，他抬起头：“密封有进展了？”
薄珏把多层铜环模型放在桌上，把自己的思路说了一遍。
王徵听完，沉默了片刻。
然后他站起身，走到薄珏面前，拿起那个多层铜环模型，对着光看了看。
五层铜片叠在一起，铜片之间的缝隙均匀而细密，肉眼几乎看不见。
“妙啊。”
王徵放下模型，看着薄珏：“你怎么想到的？”
“陛下那本《力学初解》里提到铜的膨胀率，我自己计算一下，但单层铜环膨胀力太大，向内的膨胀会把活塞往外挤，向外的膨胀又不够。”
“多层的话，每一层都极薄，膨胀力向外，不向内。”
王徵点了点头：“那你怎么保证每一层铜片都平整贴合？”
薄珏愣了一下。
他还没想到这个。
铜片是手工剪出来的，边缘难免有毛刺。
五层叠在一起，毛刺累积起来，反而会增加摩擦。
“得用车床车。”
薄珏说：“用精度更高的车床，车出厚度均匀的铜片，边缘光滑，不能有毛刺。”
“那就去车。”
王徵说：“我给你三天时间，做出第一套能用的多层铜环。”
薄珏点了点头，转身要走。
“等等。”
王徵叫住他：“陛下赐的那本《力学初解》，能不能先借我抄录几份，分发给其他几人？”
薄珏从怀里掏出那本书放在桌上，然后大步走出正堂。
王徵拿起那本书，翻到薄珏说的那一页，低头看了起来。
......
三日后，薄珏的第一套多层铜环做成。
他用改良后的车床，车刀换了一把新的，刀刃磨得极锋利。
铜片厚度均匀得可以用千分尺量出来，边缘光滑得像镜子。
五层铜片叠在一起，总厚度恰好是预定间隙再多一丝。
他用手推了推，每一层铜片之间都能轻微滑动，但整体又紧密贴合在活塞体上。
他拿起活塞，走向神威一号的试验台。
孙和鼎正在试验台旁边调试他新改进的水力镗床。
看见薄珏过来，他停下手中的活：“做好了？”
“试试。”
薄珏把活塞递给他。
孙和鼎接过活塞，先看了一眼铜环的做工，然后用手推了推铜环，感受了一下弹性和间隙。
“手艺不错。”
他把活塞装进气缸。
常温下，活塞轻松地滑了进去，几乎没有阻力。
“点火。”孙和鼎说。
阿福点燃锅炉下的炭火，水开始咕嘟咕嘟地沸腾。
压力表上的水银柱缓缓上升。
半个大气压。
一个大气压。
一个半大气压。
两个大气压。
锅炉里的水已经完全沸腾，蒸汽通过铜管冲向气缸。
薄珏蹲在气缸旁，盯着活塞。
飞轮开始转动。
一圈、两圈、三圈。
活塞在气缸里来回运动，速度稳定，行程精准。
十圈。
二十圈。
没有卡死，没有漏气。
薄珏又等了片刻，然后站起身，从记录本上撕下一页纸，写了一行字：
“崇祯二十年五月十三，多层膨胀铜环首次装车测试。常温装入，高温自动贴紧。不漏气，不卡死。热胀冷缩，反用亦可。”
随后，他把这页纸夹在《力学初解》的热应力与材料膨胀这一章里，合上书。
......
宋应星蹲在锅炉前，面前摆着一堆铁片和铜片。
他正在测试安全阀。
陛下在《热学初解》里写了一段关于锅炉安全的警告：“锅炉乃压力容器，若压力过高，超过材料极限，必炸裂伤人。故必须设计安全装置，当压力超过限值时，自动泄压。”
宋应星把这段话抄了三遍，贴在作坊的墙上，每天抬头就能看见。
他设计的安全阀是一个由弹簧压住的泄压口。
泄压口开在锅炉顶部，平时被一个铜制阀瓣堵住，阀瓣被弹簧压着，弹簧又用一根可调节的螺丝固定住。
当锅炉内压力升高时，蒸汽的压力作用在阀瓣上，试图将它顶开。
但只要弹簧的弹力大于蒸汽的压力，阀瓣就不会动。
当蒸汽压力超过弹簧弹力时，阀瓣就会被顶开，蒸汽从泄压口喷出，锅炉内压力下降，直到重新低于弹簧弹力，阀瓣复位。
关键是弹簧。
弹簧太软，工作压力下就会漏气。
弹簧太硬，超压了都打不开，等于白装。
宋应星用不同直径的铁丝绕了二十几个弹簧，一一测试。
他把弹簧装在测试架上，一端固定，另一端挂上不同重量的砝码。
砝码的重量从一斤加到十斤，记录每一个弹簧的压缩量。
他在纸上画了一条曲线，横轴是砝码重量，纵轴是压缩量。
曲线的斜率就是弹簧的弹性系数。
他又计算了蒸汽压力作用在阀瓣上的总力。
阀瓣直径约莫一寸，面积约零点七八平方寸。
锅炉安全压力是两个大气压。
不是靠工匠的手艺一层层叠铜片，而是靠材料自身的特性。
热胀冷缩。
铜受热膨胀。
如果能让铜环的膨胀方向朝外，让它在受热后自动压向气缸壁，那就完美了。
但问题是，铜环的内侧是活塞体，外侧是气缸壁。
铜环受热后，它同时向内外两个方向膨胀。
向内的膨胀会被活塞体挡住，向外的膨胀才能贴合气缸壁。
但向内的那部分膨胀力，会作用在活塞体上。
薄珏猛地睁开眼。
他想明白了。
不能用一个整体铜环。
要多层。
每一层都要极薄，薄到受热后几乎只向外膨胀。
他重新拿起那块铜板，用錾子切出五片极薄的铜片，每一片约莫两张纸厚。
他把这些铜片叠在一起，用铆钉固定在活塞体的外壁上。
每一层铜片之间留有极细的缝隙。
当铜片受热膨胀时，每一层铜片都向外膨胀，缝隙被挤压，但因为铜片极薄，向内的膨胀量极小，大部分膨胀力都作用在气缸壁上。
常温下，多层铜环的外径比气缸内径小几丝，活塞能轻松装入。
高温下，铜片受热膨胀，外径增大，自动压紧气缸壁，形成密封。
薄珏拿起这个多层铜环模型，去找王徵。
王徵正在正堂里画偏轮的改进图纸。
看见薄珏进来，他抬起头：“密封有进展了？”
薄珏把多层铜环模型放在桌上，把自己的思路说了一遍。
王徵听完，沉默了片刻。
然后他站起身，走到薄珏面前，拿起那个多层铜环模型，对着光看了看。
五层铜片叠在一起，铜片之间的缝隙均匀而细密，肉眼几乎看不见。
“妙啊。”
王徵放下模型，看着薄珏：“你怎么想到的？”
“陛下那本《力学初解》里提到铜的膨胀率，我自己计算一下，但单层铜环膨胀力太大，向内的膨胀会把活塞往外挤，向外的膨胀又不够。”
“多层的话，每一层都极薄，膨胀力向外，不向内。”
王徵点了点头：“那你怎么保证每一层铜片都平整贴合？”
薄珏愣了一下。
他还没想到这个。
铜片是手工剪出来的，边缘难免有毛刺。
五层叠在一起，毛刺累积起来，反而会增加摩擦。
“得用车床车。”
薄珏说：“用精度更高的车床，车出厚度均匀的铜片，边缘光滑，不能有毛刺。”
“那就去车。”
王徵说：“我给你三天时间，做出第一套能用的多层铜环。”
薄珏点了点头，转身要走。
“等等。”
王徵叫住他：“陛下赐的那本《力学初解》，能不能先借我抄录几份，分发给其他几人？”
薄珏从怀里掏出那本书放在桌上，然后大步走出正堂。
王徵拿起那本书，翻到薄珏说的那一页，低头看了起来。
......
三日后，薄珏的第一套多层铜环做成。
他用改良后的车床，车刀换了一把新的，刀刃磨得极锋利。
铜片厚度均匀得可以用千分尺量出来，边缘光滑得像镜子。
五层铜片叠在一起，总厚度恰好是预定间隙再多一丝。
他用手推了推，每一层铜片之间都能轻微滑动，但整体又紧密贴合在活塞体上。
他拿起活塞，走向神威一号的试验台。
孙和鼎正在试验台旁边调试他新改进的水力镗床。
看见薄珏过来，他停下手中的活：“做好了？”
“试试。”
薄珏把活塞递给他。
孙和鼎接过活塞，先看了一眼铜环的做工，然后用手推了推铜环，感受了一下弹性和间隙。
“手艺不错。”
他把活塞装进气缸。
常温下，活塞轻松地滑了进去，几乎没有阻力。
“点火。”孙和鼎说。
阿福点燃锅炉下的炭火，水开始咕嘟咕嘟地沸腾。
压力表上的水银柱缓缓上升。
半个大气压。
一个大气压。
一个半大气压。
两个大气压。
锅炉里的水已经完全沸腾，蒸汽通过铜管冲向气缸。
薄珏蹲在气缸旁，盯着活塞。
飞轮开始转动。
一圈、两圈、三圈。
活塞在气缸里来回运动，速度稳定，行程精准。
十圈。
二十圈。
没有卡死，没有漏气。
薄珏又等了片刻，然后站起身，从记录本上撕下一页纸，写了一行字：
“崇祯二十年五月十三，多层膨胀铜环首次装车测试。常温装入，高温自动贴紧。不漏气，不卡死。热胀冷缩，反用亦可。”
随后，他把这页纸夹在《力学初解》的热应力与材料膨胀这一章里，合上书。
......
宋应星蹲在锅炉前，面前摆着一堆铁片和铜片。
他正在测试安全阀。
陛下在《热学初解》里写了一段关于锅炉安全的警告：“锅炉乃压力容器，若压力过高，超过材料极限，必炸裂伤人。故必须设计安全装置，当压力超过限值时，自动泄压。”
宋应星把这段话抄了三遍，贴在作坊的墙上，每天抬头就能看见。
他设计的安全阀是一个由弹簧压住的泄压口。
泄压口开在锅炉顶部，平时被一个铜制阀瓣堵住，阀瓣被弹簧压着，弹簧又用一根可调节的螺丝固定住。
当锅炉内压力升高时，蒸汽的压力作用在阀瓣上，试图将它顶开。
但只要弹簧的弹力大于蒸汽的压力，阀瓣就不会动。
当蒸汽压力超过弹簧弹力时，阀瓣就会被顶开，蒸汽从泄压口喷出，锅炉内压力下降，直到重新低于弹簧弹力，阀瓣复位。
关键是弹簧。
弹簧太软，工作压力下就会漏气。
弹簧太硬，超压了都打不开，等于白装。
宋应星用不同直径的铁丝绕了二十几个弹簧，一一测试。
他把弹簧装在测试架上，一端固定，另一端挂上不同重量的砝码。
砝码的重量从一斤加到十斤，记录每一个弹簧的压缩量。
他在纸上画了一条曲线，横轴是砝码重量，纵轴是压缩量。
曲线的斜率就是弹簧的弹性系数。
他又计算了蒸汽压力作用在阀瓣上的总力。
阀瓣直径约莫一寸，面积约零点七八平方寸。
锅炉安全压力是两个大气压。