工程塑料在水下設(shè)備中的運(yùn)用

孫海威

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引 言

為保衛(wèi)及維護(hù)國(guó)家海洋主權(quán)，當(dāng)務(wù)之急就是必須大力發(fā)展軍民兼用的適應(yīng)海上應(yīng)用的高技術(shù)海洋探測(cè)裝備。然而，海洋環(huán)境惡劣、氣候瞬間變化，使得設(shè)備難以布放與回收，這就要求裝備自身具備體積小、重量輕、運(yùn)載靈活等特性。海洋探測(cè)設(shè)備是一種精密的水中探測(cè)儀器，因此在設(shè)計(jì)與制造階段，對(duì)其組成的運(yùn)動(dòng)部件及密封性等均提出了很高的要求，也就是說(shuō)制造出的設(shè)備應(yīng)具備很高的抗腐蝕性能，同時(shí)又要其運(yùn)動(dòng)件運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，以確保設(shè)備適應(yīng)海洋環(huán)境下的工作狀態(tài)。

1 選材原則及方法

2.1 選材原則

選用工程塑料制成的零件與金屬件的設(shè)計(jì)制造相同，要做到選材合理[1]，必須滿(mǎn)足以下幾方面的要求。

1）使用性：材料必須符合使用要求。如作為傳動(dòng)零件，在滿(mǎn)足機(jī)械性能的條件下，也應(yīng)兼顧其熱性能和抗蝕性能；同樣用作電氣零件的需在滿(mǎn)足介電性能的同時(shí)，應(yīng)考慮機(jī)械性能與熱性能等。

2）工藝性：判別選用的材料是否具備良好工藝性，應(yīng)依據(jù)結(jié)構(gòu)件的特點(diǎn)及批量的多少來(lái)分析。對(duì)于批量大的零件一般采用選用注射成型的熱塑性塑料；如構(gòu)件尺寸較大時(shí)，通常選用可澆注成型的材料為宜。

3）經(jīng)濟(jì)性：在滿(mǎn)足使用要求和工藝性能的前提下，通常優(yōu)先選用價(jià)格較低的國(guó)產(chǎn)材料。需注意的是，經(jīng)濟(jì)性不能僅從材料的單價(jià)來(lái)衡量，而應(yīng)以制造出的零件成本為準(zhǔn)則。

1.2 選材方法

1）在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)零部件的使用工況應(yīng)具備的性能及要求應(yīng)有所了解，特別是其工作環(huán)境及可能發(fā)生變化的范圍等。因?yàn)闂l件變化將會(huì)引起材料性能發(fā)生變化。

2）掌握所選材料的性能特征，以及該特征在實(shí)際使用環(huán)境中的性能。同時(shí)在選材時(shí)應(yīng)注意改性后的性能以及加入其他填料對(duì)樹(shù)脂性能的影響。

3）初選時(shí)通常會(huì)有幾種材料性能相近，此時(shí)必須經(jīng)綜合考慮后，選擇其中各項(xiàng)性能指標(biāo)適宜產(chǎn)品使用工況的，且具備良好工藝性的一種。

2 常用結(jié)構(gòu)件選材簡(jiǎn)介

1）對(duì)于只要求有一定機(jī)械強(qiáng)度和耐熱性的結(jié)構(gòu)件，如構(gòu)件外殼、支架、蓋板和罩子等通常選用價(jià)格低廉、成型工藝好的材料，如聚苯乙烯、聚丙烯和ABS塑料等。要求透明的零件，選用有機(jī)玻璃、聚苯乙烯或聚碳酸酯。

2）耐磨傳動(dòng)構(gòu)件應(yīng)具有較高的強(qiáng)度、剛度、韌性和良好的耐沖擊、疲勞性以及較高的熱變形溫度，如大型齒、蝸輪主要選用MC尼龍、澆注成型；要求抗疲勞強(qiáng)度較高的構(gòu)件一般選用聚甲醛；在腐蝕介質(zhì)中工作通常采用氯化聚醚。

3）對(duì)于減摩自潤(rùn)滑零件來(lái)說(shuō)，一般受力較小，對(duì)強(qiáng)度要求不高，但應(yīng)具備良好的自潤(rùn)性和較低的摩擦系數(shù)，同時(shí)還應(yīng)具有一定的耐油性和較高的熱變形溫度。這類(lèi)塑料主要有聚四氟乙烯和填充的聚四氟乙烯等。

4）耐高溫零件用工程塑料，工程上常用的塑料一般只能在80～120℃范圍內(nèi)工作，當(dāng)受力較大時(shí)，只能在60～80℃左右工作。為適應(yīng)不同的工況，今年來(lái)又研發(fā)出新型的耐熱塑料，如聚砜、聚酰亞胺和芳香尼龍等，通常用于制造軸承、型齒等摩擦傳動(dòng)件，可在150～270℃下長(zhǎng)期工作。

3 應(yīng)用舉例

用于海洋探測(cè)的某航行器推進(jìn)系統(tǒng)，其軸徑為30 mm，工作轉(zhuǎn)速為2 700 r/min，在工作過(guò)程中時(shí)常受到一定外界沖力的作用。設(shè)計(jì)時(shí)考慮到其實(shí)際使用工況及工作環(huán)境等因素的影響，確定采用工程塑料制成滑動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)形式。作為軸承材料，首先考慮的是有良好的耐磨性和較低的摩擦系數(shù)。而作為衡量滑動(dòng)軸承性能優(yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo)是軸承材料的pv值，也就是壓力與速度的乘積。基于此，通過(guò)對(duì)多種材料的性能指標(biāo)對(duì)比，并借鑒成熟產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)，確定選用尼龍材料制造。設(shè)計(jì)時(shí)考慮到塑料的膨脹系數(shù)較金屬材料要大的多，由于工作時(shí)軸徑高速旋轉(zhuǎn)，在軸承與軸徑接觸部為因摩擦，導(dǎo)致溫度上升而引起材料發(fā)生變形。同時(shí)塑料都有一定的吸油以及吸水性，也會(huì)引起體積膨脹，尤其值得注意的是塑料中尼龍的吸水性最大，因此其配合間隙不能用金屬零件的動(dòng)配合的潤(rùn)滑理論來(lái)計(jì)算，其配合間隙應(yīng)適當(dāng)放大[2]。對(duì)于用塑料制成滑動(dòng)軸承的裝配間隙一般采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：式中：C為配合間隙；s為軸承壁厚；K為線(xiàn)膨脹系數(shù)；tp-to為軸承工作溫升；0.04為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。對(duì)與軸承的外徑取值應(yīng)略比軸承座內(nèi)徑大點(diǎn)，其差值被稱(chēng)為壓配過(guò)盈量，目的是在將軸承壓入后具有一定的預(yù)緊力，使其與軸承座固為一體。由于塑料的彈性模量較小，裝配時(shí)蠕變較金屬大些，因而所預(yù)留的過(guò)盈量較之金屬軸承要大，這樣才能確保足夠的預(yù)緊力。對(duì)與用尼龍6或尼龍66制成的軸承所預(yù)留的過(guò)盈量可按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：h=0.008D+0.08.式中：h為壓配過(guò)盈量；D為軸承的公稱(chēng)直徑。塑料軸承的長(zhǎng)徑比通常取1：1的比例，此時(shí)容易發(fā)散熱量；為使軸系運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，一般也已不超過(guò)1.5：1為原則。由于塑料的導(dǎo)熱系數(shù)很小，因此軸承的厚度不宜過(guò)大，如厚度過(guò)大不利于摩擦產(chǎn)生的熱量散發(fā)，易引起因塑料蠕變被擠出或?qū)е戮植繙囟冗^(guò)高“燒焦”；另外塑料的線(xiàn)膨脹系數(shù)較大，制作出的軸承長(zhǎng)度越長(zhǎng)、厚度也大，其膨脹率也就越大，影響軸系運(yùn)轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生抱軸或出現(xiàn)咬住現(xiàn)象[2]。軸承的厚度一般取其內(nèi)徑的1/10～1/20。按上述理論設(shè)計(jì)出的塑料滑動(dòng)軸承，取配合間隙C為0.12 mm、壓配過(guò)盈量h為0.32 mm、厚度為3 mm、長(zhǎng)度L為36 mm，裝于軸系在水下累計(jì)工作已超過(guò)100 h，其運(yùn)行狀態(tài)良好，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)提出的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

作為工程材料三大支柱之一的塑料，近年來(lái)隨著技術(shù)的更新，新品種不斷涌現(xiàn)，性能不斷提高，塑料材料已逐步滲透到各行各業(yè)，使用范圍不斷擴(kuò)大，加工設(shè)備及工藝也在不斷改進(jìn)。其根本是高性能的塑料是今后工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，也是未來(lái)尖端技術(shù)的基礎(chǔ)，新技術(shù)和新工藝對(duì)工程材料的要求也就越來(lái)越高。

[1] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[2] 王鵬駒.塑料模具技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.