本帖最后由 子子61961 于 2020-4-15 23:49 編輯 0 @' }* b" d; N J; U5 Z4 j, e
m' ~2 ~2 r9 I; S1 S$ c' |% Z! x在日本做機(jī)械設(shè)計(jì)的感受48:管道流動(dòng)的計(jì)算
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Chapter 1.8 B: X1 P, ~+ \4 F0 S+ R* {2 q6 _* f
有一天,我旁邊的同事問(wèn)我有沒(méi)有時(shí)間,說(shuō)有個(gè)事情要問(wèn)一下我。這個(gè)同事在公司時(shí)間比我長(zhǎng),一般都是我向他請(qǐng)教,我在想這次他問(wèn)我的會(huì)是什么事情。他拿出兩張A4紙來(lái)。我掃了一眼,看到頁(yè)面上方是手繪的管道三次元圖形,下方是手寫(xiě)的計(jì)算過(guò)程,原來(lái)是流體計(jì)算的問(wèn)題。雖然我當(dāng)時(shí)手頭有些事情要做,但我一看到那個(gè)管道圖,就知道,這種計(jì)算問(wèn)題是我所感興趣的,于是我就答應(yīng)他,讓他詳細(xì)介紹一下。
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0 J% A1 Y+ T. J關(guān)于題目,將實(shí)際工況寫(xiě)出來(lái)不太合適,所以我將參數(shù)重新設(shè)定,而計(jì)算原理是相同的。
) e9 s, z' ~: Q1 l題目是,潤(rùn)滑油以一定的流速流入上部的油槽,然后自由流動(dòng),經(jīng)過(guò)管道以及彎頭,最后返回下面的油箱。需要計(jì)算的是,某一管徑,是否夠大,能夠使油流下,上面油槽不溢出。
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1 v4 p$ k; X2 Q; j- n4 J配管內(nèi)徑40mm,總長(zhǎng)度22米,落差6米,直角彎頭6個(gè),
- ?5 \. d% ^0 M+ W( v4 |上部油槽注入流量60L/min,油粘度66號(hào)。/ w& Z( E) D: o
(4月13日發(fā)帖時(shí)流量有誤,已修改,感謝網(wǎng)友指正)& p6 m2 e/ k9 {0 b9 i! @% p/ D( r
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他的計(jì)算結(jié)果是這個(gè)管道直徑足夠?qū)⑦@些油流出。- s+ A( T6 i5 }6 Q8 {9 L
但是當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)中,出現(xiàn)了上部油槽溢出的結(jié)果,也就是管道流量不夠。, h" {5 c1 D: ]3 L9 e
計(jì)算結(jié)果與實(shí)際不符,這是比較麻煩的,他擔(dān)心自己計(jì)算方法有問(wèn)題。9 r# a8 u+ N7 f3 P2 M" t" }1 Q
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在公司里,一般是機(jī)械計(jì)算的問(wèn)題會(huì)多一些,這種流體計(jì)算的問(wèn)題比較少見(jiàn)。大部分同事都是機(jī)械專業(yè)出身,也許機(jī)械的課程不會(huì)有這部分內(nèi)容。我在大學(xué)時(shí)候的專業(yè)是化學(xué)工程,在化工原理的課程里,接觸到了這類知識(shí),所以我覺(jué)得自己有獨(dú)特的發(fā)揮作用的地方。同事愛(ài)自己也說(shuō),他以前沒(méi)做過(guò)這種計(jì)算,這次是在網(wǎng)上臨時(shí)找了一些參考資料,來(lái)計(jì)算的,自己計(jì)算的方法是否正確,他沒(méi)有足夠的信心。因?yàn)槲移綍r(shí)說(shuō)我數(shù)學(xué)是強(qiáng)項(xiàng),所以他想讓我?guī)兔匆幌隆?br />
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# t' u- F C) q& _0 x# W我對(duì)他說(shuō),這個(gè)問(wèn)題我看一看,今天不一定有時(shí)間,如果不急的話,后天周五下班前會(huì)給他回復(fù)。當(dāng)然,我沒(méi)有夸口說(shuō)我是學(xué)這個(gè)專業(yè)的,如果我先吹牛,結(jié)果卻也看不出來(lái)問(wèn)題,那就不好了。" v; ^9 t. ^- h/ Q
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Chapter 2.
1 R! t$ C2 N9 |2 {& S在這里將計(jì)算的原理稍微展開(kāi),解說(shuō)一下。" K1 p: c$ N7 F' n4 n
如果讀者對(duì)工程計(jì)算不感興趣也可以跳過(guò)這里,到下一章去看繼續(xù)的進(jìn)展。 Z& Q, Q5 a7 J8 \( ^" X8 y
* v" S1 A$ D" @: ~* a5 Q: x這個(gè)問(wèn)題的計(jì)算思路如下:& @& @' p$ R/ k
流體流過(guò)直管的時(shí)候,流體和管壁摩擦?xí)辛鲃?dòng)損失,, Q' N; J: ^# V! m) I: c
在這里,這個(gè)流動(dòng)損失的計(jì)算結(jié)果,用“壓頭”來(lái)表示,單位是米。
+ m; K5 t7 N7 v( K# g+ }9 D這個(gè)計(jì)算的原理涉及到伯努利方程,簡(jiǎn)化之后的形式比較簡(jiǎn)單。
[+ X& ?' S8 M I3 A- m/ @& m損失壓頭的計(jì)算公式為:h = λ*(L/d)*u*u /2g
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針對(duì)這個(gè)公式,需要的各個(gè)參數(shù)說(shuō)明如下:
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- L, L& i$ p- \0 _' I) ?* g1.其中λ是摩擦系數(shù),想要計(jì)算它,就需要先求出雷諾數(shù)Re。
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雷諾數(shù)Re =d uρ/μ。式中:d 管內(nèi)徑,u 流速m/s,μ流體粘度,ρ流體密度。
: ^) m) o, p8 J% W如果不熟悉,那么知道它是一個(gè)和流動(dòng)有關(guān)的參數(shù)就好。
1 k5 F7 U4 r3 T" \: E0 O) N它的數(shù)值在幾百至幾萬(wàn),通過(guò)它的數(shù)值可以判斷流動(dòng)特性,也可以計(jì)算其他參數(shù)。 O; f/ u; Q- S, ~; {# f9 E# B
它的計(jì)算結(jié)果沒(méi)有米之類的單位,各個(gè)參數(shù)的單位在計(jì)算中抵消了,它是一個(gè)無(wú)量綱數(shù)。
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* [: M! I8 t3 C2 o, u4 k知道雷諾數(shù)Re之后,一方面可以判斷是層流還是湍流,一方面可以用Re來(lái)計(jì)算λ。' B t! a; l+ \. x
對(duì)于油來(lái)說(shuō),一般容易被查到的是它的動(dòng)粘度,μ/ρ,可以代入計(jì)算。
, R5 K) N( B0 N- L8 e- W I d本次計(jì)算得到Re小于2000,判定流動(dòng)形式屬于層流。
8 g, T h: u! S' @0 `: y層流的摩擦系數(shù)計(jì)算公式:λ=64/Re- @% d2 {# }1 s3 N% a
: U) R$ l2 b) _0 h2.其中u表示流速m/s," T0 x) P2 k I' K" T7 d) i: F
管內(nèi)的實(shí)際流速不知道,其實(shí)是需要計(jì)算的,+ k, D4 B+ N: d' m, u! r
但是為了方便計(jì)算,所以這里先假設(shè)一下。7 q0 z- {+ x. S( c
假設(shè)上部注入的油都能流走,那么配管里的體積流量也是60L/min。
( y- w8 B% c- T5 H0 m! N5 t用這個(gè)體積流量除以管道橫截面積,可以得到流速0.796 m/s。3 Q& x5 m% y- N% M' _
計(jì)算到最后的時(shí)候,再看計(jì)算結(jié)果是否成立,來(lái)得知這個(gè)假設(shè)是否成立。8 a$ {" n0 k { T+ e) f3 @- |
' p# p) ^! K! O, } i3.其中L為流過(guò)的管道長(zhǎng)度,包括配管本身長(zhǎng)度,和彎頭的相當(dāng)長(zhǎng)度。6 ~# T( a8 h7 g3 P. f' C& p/ M
流體流經(jīng)直管的時(shí)候會(huì)有一定的摩擦損失,流過(guò)彎頭的時(shí)候也會(huì)有不小的損失,. t! k3 Q" F8 [
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以前我只知道光滑管的轉(zhuǎn)彎處壓力損失,8 i( V Q0 r% Z8 s/ D, g
這次同事遞給我的資料里,有一份表格,
" d+ X" ^! b: W是關(guān)于流體流經(jīng)實(shí)際配管接頭的壓力損失,3 o) W& g8 ^6 Y' z0 x% Z
這個(gè)資料我是第一次見(jiàn),這次是學(xué)到了。6 p2 D/ J/ ?) b2 w5 `" S
在這個(gè)表里,把流經(jīng)彎頭的損失,折合成長(zhǎng)度,可以方便計(jì)算。
( A/ ]& T5 q: G/ b& D; i3 O( }這段文字稍后的地方有一個(gè)表格,可以查出各種接頭的相當(dāng)長(zhǎng)度。9 E6 s4 p3 s. {
從表格里可以查出,對(duì)于內(nèi)徑40mm的配管,
- W1 h) J# x. J9 J7 Q一個(gè)直角彎頭的流動(dòng)損失,相當(dāng)于2.4米直管。$ s; ^; n' {8 l$ ~* A4 I& |
5 i) q' Q! ^+ w' G: L2 S0 W2 e4.其中d為配管內(nèi)徑,g為重力加速度,直接代入即可。& \8 v N' i' s
6 w% G7 k( \3 J6 s1 u* c, Q將以上參數(shù)都求出后,代入到最初的計(jì)算式里,可以得到流動(dòng)損失壓頭是多少米。
9 p; i) o' |3 X1 ]$ }' U比如說(shuō),如果計(jì)算結(jié)果得到損失壓頭為4米,! ]0 q; Y5 J$ M! O& A
就說(shuō)明,流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí),流動(dòng)損失的壓頭相當(dāng)于4米的高度落差,
" o3 X4 O: F3 e5 }( b實(shí)際前提的落差是6米,落差大于損失壓頭,說(shuō)明以上計(jì)算是成立的,
% U! a! q6 S0 f- o+ Z: C; e' T1 s, B" B所以以上流動(dòng)是成立的,最初假設(shè)的管內(nèi)的流速是可以達(dá)到的。) h) P6 y! e \- q2 |
上部油槽那里注入的油,都會(huì)流出,所以油槽不會(huì)溢出。
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$ }" E0 Y7 |5 Q [# }# J" _# ]如果計(jì)算得到流動(dòng)損失是8米,而落差卻只有6米, F3 A9 C8 b4 A
那么6米的落差,不足以提供8米的流動(dòng)損失,說(shuō)明以上計(jì)算是不成立的,
% P2 X& V: R( O' t說(shuō)明在這個(gè)計(jì)算里,開(kāi)頭假設(shè)的流速是不恰當(dāng)?shù)模?br />
% N8 K3 T5 d' A' J# r上部油槽的注入速度是60L/min是固定的,而管道內(nèi)流速達(dá)不到這么多,
9 a% x8 l! C# z9 z6 C1 q# B0 f所以上部油槽會(huì)溢出。
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計(jì)算過(guò)程如下:
U A; i* G m$ Y/ x(4月13日發(fā)帖時(shí)面積計(jì)算有誤,已修改,感謝網(wǎng)友指正)
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注入流量 Q 60000 cc/min S# q( P$ n! s+ Y9 y) T g
9 B( g9 Y, E; q. D4 {0 \ J% v1 O- A m- }配管內(nèi)徑 d 40 mm
* i: f8 y# @. h7 I& ^# {配管面積 S 1256 mm2" z- c; C9 T- Z/ n0 r2 \! E! Z
管內(nèi)流速 u 0.796 m/s. L3 p: q. Q+ q% c" J2 ]+ U
1 T5 v3 R1 H( D0 E! T* n動(dòng)粘度 miu/rou 66 mm2/s# B& `% {0 Y1 b, y
雷諾準(zhǔn)數(shù) Re 482
0 t- Y4 m) T4 b Re=d*u*rou/miu
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管道長(zhǎng)度 22 m) ?* J: W7 }" o% r; w
直角接頭個(gè)數(shù) 6 個(gè)
% l! n$ B( _! R1 F6 Z( z直角接頭單個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)度 2.4 m- g P/ D3 v" X1 l' W8 Z; J
直角接頭合計(jì)相當(dāng)長(zhǎng)度 14.4 m
/ k: y" N* O, A8 _& }4 D總長(zhǎng)度 L 36.4 m
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+ {. f. L; i# C; E總壓頭損失 H 3.90 m/ N3 ?# R5 k2 M. a) B% @% U2 X+ d
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2020-4-15 22:30 上傳
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那份表格,我在中文網(wǎng)站也有找到,也貼在這里。
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2020-4-13 22:35 上傳
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Chapter 3.0 f6 K6 y( R6 E2 r3 j
之后我找時(shí)間,看了一下他的計(jì)算過(guò)程。
6 e- V1 \5 o1 d' W1 E, H% i' z結(jié)果發(fā)現(xiàn),他的計(jì)算也是按照以上思路來(lái)的,基本沒(méi)什么大問(wèn)題。
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1 d" J& a- ]7 j$ `' P: A, w: V油槽下面有一個(gè)大口進(jìn)小口的局部壓頭損失他沒(méi)有算,1 S( [3 R3 D* g# X+ G6 o7 m" Q
但是我算了一下壓頭損失不大,不會(huì)影響最終結(jié)果。8 l% ?) o5 ~9 Z" b0 ^! v. {
計(jì)算結(jié)果是壓頭損失為3.9米,小于6米的落差,說(shuō)明這個(gè)流動(dòng)是成立的。1 N0 H4 j/ | g. p+ ]" q
那么實(shí)際為什么溢出了呢,問(wèn)題出在哪里,我不知道,比較無(wú)奈。
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到了周五,我找到他,略微消沉地對(duì)他說(shuō),他的計(jì)算沒(méi)什么大問(wèn)題。計(jì)算結(jié)果是對(duì)的,但是實(shí)際為什么溢出了,我暫時(shí)沒(méi)什么頭緒。他說(shuō)好的。3 Z2 }" E E% c$ U* G% S4 f. v ]) T; U
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我們閑扯了幾句,我說(shuō)我以前大學(xué)學(xué)過(guò)這些東西,背過(guò)雷諾準(zhǔn)數(shù)的計(jì)算公式,不過(guò)這次他找到的公式和我記的公式,用的字母表記不太一樣。另外他的公式用的是動(dòng)粘度,就是把粘度除以密度的結(jié)果拿來(lái)用的。計(jì)算原理上,他寫(xiě)的計(jì)算沒(méi)有什么大問(wèn)題,基本就是這么算的。但是我們倆還是不知道,為什么計(jì)算結(jié)果沒(méi)問(wèn)題,但是實(shí)際卻上部油溢出了。我倆簡(jiǎn)單討論了幾句,我向他確認(rèn)油的標(biāo)號(hào),他說(shuō)確實(shí)是66號(hào),沒(méi)有記錯(cuò)。: @# i' b2 P1 i6 b9 o# Z1 Q
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然后在和他的談?wù)撝,提到管道?nèi)流速大小的問(wèn)題。我打開(kāi)抽屜,拿出一本YOKOHAMA油管的選型目錄。目錄后面的附錄里,有一個(gè)圖表,可以根據(jù)流量和管徑,速查管內(nèi)的流速。同時(shí)在右側(cè)流速的標(biāo)尺那里,有標(biāo)出送油管道和回油管道的流速范圍,比如這種回油管道,流速一般控制在0.6~1.2米每秒的范圍之內(nèi)。我們的計(jì)算結(jié)果是0.796米每秒,也算是正常。/ a, |( t" G6 M$ F: ?' `0 T5 ^+ L( O4 z
4 r7 r# L4 v6 Y8 U6 e. ]他貌似是第一次看到這個(gè)表,我把資料遞過(guò)去,他仔細(xì)看了看表的內(nèi)容。- |$ E, ~; M) z# E
我們都在給對(duì)方提供新的信息,雖然暫時(shí)還沒(méi)有突破口。" l7 a: X2 a" p; t( l" A/ ~
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2020-4-13 22:35 上傳
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+ v( w+ f: A0 B' x然后談了一會(huì)兒,兩分鐘后又想到了這個(gè)表,再拿起來(lái)看的時(shí)候,他注意到,表下方寫(xiě)的是,此圖表的適用條件是,油最大粘度66cst,且油溫40度時(shí)的情況。然后他說(shuō),當(dāng)時(shí)實(shí)際溢出的時(shí)候,也許油溫低于40度,只是室溫的20度。剛說(shuō)到這里時(shí),我們都沒(méi)太在意,我想當(dāng)然地說(shuō),溫度降低20度,粘度應(yīng)該不差多少,估計(jì)粘度稍微高一點(diǎn)點(diǎn),最后的計(jì)算結(jié)果比4米高一點(diǎn)點(diǎn)而已,應(yīng)該沒(méi)啥問(wèn)題。他沒(méi)有說(shuō)什么。; R# g! N: D6 V$ Y! _1 z
& W8 A) m) }3 J! p; x) V, {我說(shuō)話的時(shí)候想的是,我在現(xiàn)場(chǎng)曾經(jīng)摸到過(guò)潤(rùn)滑油,沒(méi)覺(jué)得有很黏的樣子。但是說(shuō)完話之后,我覺(jué)得有點(diǎn)沒(méi)底氣,對(duì)于這一點(diǎn),我并沒(méi)有足夠的記憶信息來(lái)作為支撐,在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)娜毡韭殘?chǎng)里,說(shuō)話是要盡量有依據(jù)的,很多事情處理時(shí),是需要有確認(rèn)核實(shí)的習(xí)慣。我意識(shí)到這一點(diǎn),于是就說(shuō),粘度和溫度的關(guān)系曲線在網(wǎng)上可以搜到的。我們都轉(zhuǎn)向自己的電腦,上網(wǎng)搜了一下,也許是網(wǎng)站不同,他還沒(méi)找到,我就先搜到了油溫和粘度的圖表。我打開(kāi)圖片之后他也過(guò)來(lái)看。在圖上一查才知道,油溫降低了20度,粘度增加到了原來(lái)的2倍,那么合計(jì)壓頭也變?yōu)?倍,達(dá)到了8米,超過(guò)了落差6米,所以計(jì)算不成立。說(shuō)明假設(shè)的這個(gè)管內(nèi)流速,實(shí)際達(dá)不到,實(shí)際流出的管內(nèi)流速要低于流入的速度,所以就會(huì)導(dǎo)致油從上部油槽溢出了。這樣一想,他的問(wèn)題就得到了合理解釋,我們很高興。他問(wèn)我是在哪個(gè)網(wǎng)站搜到的,我說(shuō)是日本雅虎,搜索結(jié)果列表里的第二條鏈接。然后他讓我把我搜到的圖表打印一下,我打印出來(lái),他到打印機(jī)那里去拿回打印件。有了這些信息做依據(jù),他對(duì)自己的計(jì)算就有信心了,也就可以繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)了。! O7 y6 ]! }' h( T
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Chapter 4.$ J5 H# D% ?" A: J0 |# g: E5 h! l
看看還有時(shí)間,然后我又扯了點(diǎn)兒別的,我說(shuō)比如從俄羅斯到中國(guó)有長(zhǎng)長(zhǎng)的輸油管道,石油在里面流,流到一定距離就會(huì)流不動(dòng)了,所以中間要加上一些泵站,來(lái)再次推動(dòng)石油流動(dòng),也是同樣的原理。他說(shuō)“瘦戴絲嘎”,然后問(wèn)我,從俄羅斯到中國(guó),真有那么長(zhǎng)的管道么。我又沒(méi)了底氣,趕緊改口,說(shuō)那個(gè)管道前幾年說(shuō)是要修建,現(xiàn)在不知道建好沒(méi),但是肯定的是,從我的家鄉(xiāng)中國(guó)東北平原,通往北京地區(qū)肯定是有輸油管道的。我父母上班的的公司,就是為輸油管道提供管子的。然后他又問(wèn)我,那管子怎么做的,是不是也是像我們公司某分廠那樣,用離心鑄造法做出來(lái)的。我又猶豫了一下,說(shuō)那個(gè)不太清楚,我父母上班的這個(gè)工廠是做抽油桿抽油泵的,管道是在別的下屬工廠做的。他說(shuō)原來(lái)如此。
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2020-4-13 22:35 上傳
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短短幾句話,我說(shuō)話的時(shí)候稍微擴(kuò)展了一點(diǎn),結(jié)果他提問(wèn)的時(shí)候我就答不出來(lái),我挺不好意思的。不過(guò)他提問(wèn)的時(shí)候是給我留面子的,所以我不會(huì)很窘迫。這些話的背景是這樣的。在我讀高中的時(shí)候,我父親曾經(jīng)跟我說(shuō)過(guò)一句話,“輸油管道里的油,流到一定距離就流不動(dòng)了”,這句話到現(xiàn)在居然還有印象,至于具體原理,是我讀大學(xué)學(xué)過(guò)流體力學(xué)之后才理解的。而俄羅斯到中國(guó)的管道,以前看新聞?wù)f是要修,有三條備選線路,有沒(méi)有修好我沒(méi)有確認(rèn)過(guò)。我父母的工作單位,是東北輸油管理局下轄的鐵嶺八三機(jī)械廠,那時(shí)候廠里的產(chǎn)品主要是抽油桿和抽油泵,我父親曾做過(guò)機(jī)加工藝設(shè)計(jì)的工作,所以我在機(jī)械方面也受到熏陶。我的童年是在工廠的家屬院兒里度過(guò)的,懷念小時(shí)候和工廠子弟一起玩耍的日子,作為輸油系統(tǒng)的子弟,感謝公司對(duì)我們的照顧。至于輸油管道的制造,不在鐵嶺這個(gè)廠,而是在另一個(gè)下轄的遼陽(yáng)鋼管廠進(jìn)行制造,我父母有同事調(diào)動(dòng)去到那里工作。我后來(lái)才想起來(lái),我聽(tīng)父母同事說(shuō)過(guò),輸油管道是用卷板機(jī)將鋼板卷成螺旋狀然后用自動(dòng)焊機(jī)進(jìn)行焊接成管道的。這次跟同事聊天的時(shí)候,我居然沒(méi)想起來(lái),有點(diǎn)遺憾。& @, ]% z. d1 o' ] g: u
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跟同事的談話就是上面這樣。
' p- s( N: A9 m這里面有兩個(gè)點(diǎn)值得注意。) ?" f$ P4 q9 d% O+ c
' g( @6 a" q% K一個(gè)是,搜集信息的能力。他最初是不會(huì)這個(gè)流體計(jì)算的,但是他遇到這個(gè)問(wèn)題沒(méi)有躲避,而是能夠到網(wǎng)上去找資料,并且找到正確的公式進(jìn)行計(jì)算,這是一種搜集信息的能力。我問(wèn)他有沒(méi)有找外協(xié)單位計(jì)算,他說(shuō)找過(guò)但是人家不太愿意算,所以他不得不自己搜索信息進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)這次計(jì)算,他有增長(zhǎng)了自己的知識(shí)點(diǎn),這是他努力的收獲。
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3 c: u9 |. W# c" U3 ^" m+ l一個(gè)是,討論問(wèn)題的方式。在這次討論的過(guò)程中,一開(kāi)始雙方都沒(méi)有頭緒,經(jīng)過(guò)相互的提供信息,注意到問(wèn)題點(diǎn),然后搜集相關(guān)信息,對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn),最終找到了問(wèn)題所在,這可以說(shuō)是一次成功的討論。在討論的過(guò)程中,每一方不會(huì)“因?yàn)樽约邯?dú)占某信息所以炫耀自己從而降低對(duì)方”,也不會(huì)“因?yàn)閷?duì)方有錯(cuò)誤而嘲諷從而使對(duì)方面子受損”,而是,兩者向著目標(biāo)去進(jìn)行談?wù)摚词固峁┬畔r(shí)岔開(kāi)了話題也能及時(shí)收回來(lái),這樣才能在平和的氣氛中,集思廣益,得到合適的結(jié)果,這樣才會(huì)發(fā)揮出團(tuán)隊(duì)的效應(yīng)。9 }" U# R( U c9 A5 A, p
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(4月13日發(fā)帖時(shí)題目中數(shù)據(jù)有誤,已修改,感謝網(wǎng)友指正) 1 z+ K! q+ Q4 t/ M; j2 C
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