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1 前 言 目前工程機械盡管在發(fā)動機技術(shù)、底盤系統(tǒng)、操作環(huán)境等設施中不斷改進,性能已有一定的提升,但仍存在許多薄弱環(huán)節(jié)。尤其是一些配件易疲勞磨損、密封性差等缺點,影響著整機的使用性能,尚需改進。目前各種機械配件基本上采用傳統(tǒng)的各種合金鋼,其優(yōu)點有強度和彈性模量高、韌性好、各向受力均勻、可靠性高、對動載的適應性強以及設計計算理論成熟等,但重量大、機動性差、耐腐蝕性差、維修保養(yǎng)費用高等缺點也很明顯,特別是重量大引起的一系列問題,如不良作業(yè)環(huán)境的適應性差、不利于機動靈活等等。
復合材料由于各組分材料在性能上協(xié)調(diào)作用,可以得到單組分材料無法比擬的優(yōu)越性能,具有剛度大、強度高、重量輕等優(yōu)點。根據(jù)基體不同大致可分為三類:金屬基復合材料(MMC)、陶瓷基復合材料(CMC)和各種纖維增強的樹脂基復合材料(FRP)。它們主要優(yōu)點有:比強度和比模量高;化學穩(wěn)定性優(yōu)良;減摩、耐磨、自潤滑性好;韌性和抗熱沖擊性好;有很大的材料設計自由度,具有耐燒蝕性、耐輻射性、耐蠕變性及特殊的光、電、磁效能。由于性能優(yōu)異,在許多領(lǐng)域已得到廣泛應用。但現(xiàn)今機械裝備業(yè)中僅有密封及耐磨部件等少部分裝置中采用了復合材料,因此研究如何將復合材料應用于工程機械從而改進現(xiàn)有機械的性能,有著重要的實際意義。
從表１可看出復合材料與普通鋼相比具有明顯的優(yōu)越性。 復合材料按用途可分為功能性和結(jié)構(gòu)性兩種，將功能性復合材料如耐磨、耐高溫及防護性材料應用于機械零部件中，可延長部件的使用壽命，提高機械的使用性能；將結(jié)構(gòu)性復合材料用于車體，由于它質(zhì)量輕、強度和模量高，用作承力結(jié)構(gòu)后可大大減輕車身重量，提高機械的作業(yè)效率和機動靈活性。據(jù)粗略計算，在一定的范圍內(nèi)機械重量尤其是工裝重量每減少５％，作業(yè)效率可提高１５％，燃油經(jīng)濟性可提高５％～１０％，車身的機械性可大大提高。
2 工程機械裝備適用復合材料
2.1 在機械內(nèi)燃機系統(tǒng)上的應用
工程機械內(nèi)燃機長期工作在高溫高壓下,活塞與活塞環(huán)、缸壁間不斷產(chǎn)生摩擦,潤滑條件不充分,工作條件非常惡劣,尤其是在大功率的發(fā)動機中,普通的鑄鐵或鋁合金活塞易發(fā)生變形、疲勞熱裂。可采用:
(1)陶瓷纖維增強金屬基復合物,如陶瓷增強鋁基復合材料的耐磨性已達到最好材料Ni-resist鑄鐵的水平,國外推出了氧化鋁纖維增強鋁鎂合金制造的活塞,高溫強度和抗熱疲勞性能明顯提高,并具有較低的線膨脹系數(shù);
(2)金屬基復合材料,比一般的金屬材料耐磨性可提高50%左右,耐熱性也有極大提高,而且改善了發(fā)動機活塞的強度;
(3)碳化硅顆?；蚓ы氃鰪婁X也正在試用制造發(fā)動機活塞,其耐熱性、耐磨性和強度均佳。 在活塞頭的局部或全部采用復合材料后可以提高活塞工作穩(wěn)定性和使用壽命,降低油耗和廢氣排放量,解決目前工程機械發(fā)動機功率大、活塞易磨損的突出現(xiàn)象,有廣闊的應用前景。 傳統(tǒng)的鋁合金鋼套,重量較大,氣缸易變形,耐磨性也不高。70年代國際鎳公司研制石墨鋁基復合材料以代替鑄鐵鋼套,在一定程度上提高了耐磨性、抗咬合性、自潤滑性和功率。如采用碳合金增強的鋁合金鋼套,不但重量較小,減輕氣缸變形,提高耐磨性,而且可降低線膨脹系數(shù)和油耗,改善導熱性。提高柴油機缸體抗磨性可采用鋁基復合材料,并用Al2O3與碳纖維的混合物作為增強物,在鋁合金缸體的內(nèi)表層形成2mm厚含纖維體積約為15%的復合材料層。
發(fā)動機進氣和燃油系統(tǒng)零部件采用玻璃纖維增強尼龍材料可改善效能,尼龍12/不銹鋼復合材料制成的濾清器,可以比以往材料過濾效果好,耐腐蝕,重量輕且降低成本。氣門、挺柱、搖臂、彈簧以及渦流增壓器的渦輪等部件改用陶瓷復合材料后,可提高其工作耐疲勞度,允許發(fā)動機小幅度提高轉(zhuǎn)速來提高功率。另外,氣缸蓋、活塞銷以及排氣管等部件采用陶瓷復合材料,較傳統(tǒng)材料更輕量化、耐疲勞、耐腐蝕、耐沖壓、使用壽命長。 美國杜邦公司新開發(fā)出的剛玉纖維增強鋁鋰合金,其重量輕、強度好、抗拉強度很大且膨脹系數(shù)小。若將其鑄造連桿雖成本有所提高,但可大幅度提高發(fā)動機效率,剛度、強度和疲勞極限都能滿足高性能發(fā)動機的要求。另外開發(fā)的一種不銹鋼加強的鐵合金造價較低,制造成連桿重量比傳統(tǒng)材料可減輕30%,發(fā)動機功率和燃料經(jīng)濟性能也有所提高。
2.2 在車體、工作裝置及部分零部件上的應用
1984年,碳纖維復合材料已成功地用于制造汽車的主動軸、彈簧、發(fā)動機蓋、離合器磨擦片、支架推桿、制動盤及其總成等,但其存在易變形、磨損等缺點,采用碳纖維改性材料與金屬基體的復合物,可提高使用壽命,降低維護和修理的費用。 在保持原有的結(jié)構(gòu)性能、不影響作業(yè)性能的情況下適當采用復合材料如玻璃纖維增強塑料(玻璃鋼)做成車身骨架可使傳統(tǒng)的鋼質(zhì)車身骨架減重，最多可減輕20％，30％，這將提高機械車輛的機動性和作業(yè)效能。若由于作業(yè)要求需保持原有重量，也可在部分采用復合材料車身后加裝其它設備。
傳統(tǒng)的工裝往往都是由合金鋼制成，當機械有較長作業(yè)臂時如挖掘機，挖掘裝置需自重較大。將復合材料應用于工裝中，可以以較輕的重量取得相同的性能，這樣，車體重心將更加穩(wěn)固，在相同馬力情況下，可以加大工作裝置的尺寸，完成更多的工作量，提高了作業(yè)效率。例如，在挖掘機作業(yè)裝置中，工作臂中斗桿屬于強力結(jié)構(gòu)件，需用能承受較大拉壓應力和彎矩的材料。采用硼纖維增強鋁基復合材料與合金鋼相結(jié)合，重量減輕2／3，即可達到相同的力學性能指標。鏟斗則可采用碳纖維增強金屬基復合材料，既重量小，義不粘土、易于物料的自由流動、可設計性也得到提高。 用石墨／鋁復合材料制成的軸承重量可比巴氏合金減少一半，但摩擦系數(shù)卻同樣小且耐磨性、導熱性優(yōu)良。碳銅復合材料同樣可作為自潤滑軸承材料。在中等載荷及潤滑條件下鋁／石墨復合材料可代替銅基或錫基合金，具有更好的耐磨性。 制動鼓傳統(tǒng)用鑄鐵制造，但鑄鐵比重大，導熱性差，用碳化硅顆粒增強鋁合金金屬基復合材料可用來解決這個問題，重量比鑄鐵輕50％~60％，慣性力、噪音、都大大減小，且磨損小導熱性比鑄鐵提高5～7倍。
2.3 在軍用機械車體防護上的應用
軍用工程車輛往往有一定的防護需求，傳統(tǒng)軍用機械對這方面的重視不夠，現(xiàn)代復雜的戰(zhàn)爭環(huán)境中，軍用施工機械隨時會面臨敵人的偵察和攻擊。一旦受到打擊，很小的火力都有可能使操作手受傷或油管被紛飛的彈片劃破，造成整機的癱瘓和戰(zhàn)斗力的喪失。
駕駛室壁采用高強度陶瓷復合裝甲及防彈玻璃相結(jié)合，可對一般的子彈和彈片進行基本防護，保證操作手的安全。液壓油管采用柔韌性較好的防護性材料，如Kevlar增強環(huán)氧樹脂、陶瓷纖維增強環(huán)氧或高模聚乙烯等復合材料對油管進行適當?shù)睦p繞保護，這些材料常用來做防彈衣，具有很好的防割性能，這樣保證彈片即使劃過也不會損傷油管。
另外，軍用工程機械在特殊環(huán)境進行秘密作業(yè)時，往往需要對敵方的雷達波進行防護。除機械外型設計下采用熱紅外線和自身電磁隱形外，主要是使用吸波材料，即在車體表面涂沫能大量吸收雷達波的新型介質(zhì)材料將雷達波吸收，避免被雷達發(fā)現(xiàn)。
3 結(jié) 論 以下對復合材料在工程機械中進行了可行性應用探討，更多的細節(jié)問題還有待于進一步研究和探索。盡管可靠性方面還需要具體的驗證，成本也還偏高，但其表現(xiàn)出的優(yōu)異性能足毋庸置疑的，從長遠也不是要丟棄傳統(tǒng)材料，傳統(tǒng)材料的許多方面都是復合材料無法替代的，機械的減重也只能保持在一個適當?shù)某潭?。機械優(yōu)化時只有充分考慮傳統(tǒng)材料與復合材料的最佳結(jié)合，才能最大限度地提高工程機械的現(xiàn)代化水平。
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