工程塑料合金在水工金属结构上的应用

摘 要 该文主要对工程塑料合金的应用价值进行分析,从该材料的特性方面结合数据及工程实践进行论述,证明工程塑料合金在水工金属结构上的应用前景广阔。

关键词 工程塑料合金;滑块;轴承;水工金属结构

中图分类号 TQ 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2010)092-0081-01

在许多大、中型水利工程中,金属结构所占的比重是相当大的,而且其作用也不可忽视。但是在实际工程中,水工金属结构依然要面对一些由客观因素而引起的技术障碍,例如金属材料在各种工况下的腐蚀及磨损等,虽然对这些问题已经有了解决方法,但不可否认,其中的成本增加和资源浪费是不可避免的。水工金属结构中,经常运行的钢闸门上有许多零部件,如滑块、轴承等承压构件通常选择铸钢和钢基铜塑复合材料等;经过工程实践证明,这些材料的耐腐蚀性及耐磨性在一些规模较大、要求较高的工程上就略显不足,多数零部件由于锈蚀、磨损而报废,甚至导致整个工程出现安全隐患。针对于此,研究和开发减摩耐磨新材料就成了一项十分重要的课题,工程塑料合金则应用而生。这种材料具有出色的低摩擦系数、自润滑性,耐腐蚀、抗磨损、承载力大、抗老化,是理想的减摩耐磨材料。

1 工程塑料合金概述

工程塑料合金泛指工程塑料(树脂)的共混物,主要包括以聚碳酸酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、尼龙、聚甲醛、聚苯{TodayHot}醚、聚四氟乙烯等塑料为主体的共混体系,以及在某些场合常被归属于工程塑料的丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物树脂改性材料。

工程塑料合金材料是以不同单体共聚的超高分子为基础,采用复合型稀土金属化合物及多种改性添加剂,通过特殊的生产工艺制造而成的新型塑料合金材料。该材料有各向性无界面突变的均质性,抗酸碱性介质及电化学腐蚀,不会发生传统材料产品在海水中易电化学腐蚀、易锈蚀损坏的现象,并且不会在短时间内发生脱层、开裂、掉块等引起性能突变的现象。

2 工程塑料合金的摩擦学特性

磨损是由机械作用引起的物质从物体表面不断损失的过程,这个复杂的过程按照磨损机理可分为5个类型,即粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损和冲蚀磨损。而工程塑料合金的摩擦与磨损可用粘着理论来说明。所谓粘着理论即两个零件的接触面发生在粗糙微体的顶部,然后在荷载作用下,粗糙微体产生变形,当零件有相当运动时,接触的某一部分突点产生粘着,一个零件的粗糙微体跑到另一个零件上。

工程塑料合金的摩擦系数小,主要优点是磨损率比较小并且能够预测,在特制的稀土化合物及含油改性下,由于其分子间的作用力强,并形成结晶,具有较高的硬度和自润滑性,同时工作可靠,所以广泛地应用在中等荷载与中速的轴承轴瓦上。

对于轴承的各种工程塑料合金,其PV值(即法向接触应力与滑动速度的乘积)是一个有用的设计数据。

附图 磨损引起的尺寸变化

如附图所示的一块金属表面的工程塑料合金,克服摩擦所消耗的功率为μWV,假设滑块的体积磨损率()与其能量损耗率成正比,即V°μWV。

设滑块的磨损深度为d,则磨损体积为V=A·d

因而其变化率V°=A·d°,式中d°是d随时间的增长率,由此得到:

上式表明滑块的尺寸变化率与乘积PV值成正比,它是一个比材料实际磨损体积更有用的参数。对任何一种工程塑料合金都可以规定PV的许用值,由于使用的配方及工艺不同,其材料的硬度及摩擦系数不同。考虑到工程塑料合金的摩擦系数小于(0.007~0.3),因此在无供油或初始涂脂时,其实际极限值在2600~34500(kg·cm-2)·(m·min-1)之间。

3 工程塑料合金在实际工程中的应用

工程塑料合金一般在水工金属结构上主要做为滑块、轴套和止水来应用。该材料的密度为1.14~1.4kg/m3,仅是金属的1/8,而价格却是铜和合金钢的1/2~1/3,但其使用性能和寿命却比金属好。在无油和水润滑等恶劣的工况条件下,由工程塑料合金材料的使用寿命高于由青铜、巴氏合金、锌基合金、尼龙、聚四氟乙烯PTFE和其它复核材料制作的轴承和滑块。

目前在水工金属结构工程中已经有许多的实际应用案例,比如上海苏州河河口水闸的闸门底轴球面轴承,轴承内径φ2000mm,外径φ2180mm,共14套,全部采用的是HQⅡ2000JD-MGB型球面轴承;北京官厅水库工程的弧门支铰轴承,尺寸为φ600mm×φ520mm×600mm,采用华-复核式Ⅱ型结构的滑动轴承;大朝山水电站4000kN坝顶顶门机的动滑轮由MGB工程塑料合金滑动轴承替代了原来使用的三层复合轴承;小浪底400t门式启闭机,闸门抓梁滑轮轴承也是采用的工程塑料合金滑动轴承。以上各工程均为水利大型项目,至今运行良好。

4 结束语

目前,在国内塑料合金生产品种结构中,高附加值的特种工程塑料合金的生产几乎处于空白,基本是通用塑料合金和改性产品的生产。而我国塑料合金业大部分是通过塑料混炼挤出工艺生产塑料合金的加工型企业,远远不能满足水利水电及其它行业的技术需求,加工工艺有待提高。因此发展塑料合金生产、提高国产树脂的竞争力和国内塑料加工的水平十分重要和必要。

参考文献

[1]马盈三,杨吉敏,王跃琪,马源.工程材料合金耐磨性分析.郑州轻工业学院学报,9,1.

[2]中华人民共和国行业标准,水电水利工程钢闸门设计规范(SL 74-95).中国水利水电出版社,1995.

作者简介

杨世杰(1981—),男,助理工程师,主要从事水利金属结构设计。

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