工程塑料在水压元件中的应用研究杨曙东吴双成聂松林余祖耀李壮云水压元件的研发面临诸多技术难题，特别是水压元件摩擦副的设计及摩擦副对偶材料的选择结合水的理化特性，重点分析水作为液压介质存在的不利因素，提出了水压元件的用材原则；通过研究实例，阐述了工程塑料在水压元件中的优势地位，并指出了设计工程塑料水压元件应注意的问题以天然海水或淡水（不加任何添加剂）为液压介质的水压传动技术具有无污染安全、清洁卫生、结构简单、效率高经济等突出优越性，在众多领域有着广泛的应用前景，已成为目前国际上液压技术的重要发展方向之一然而，天然水具有粘度低润滑性差蒸汽压力高及腐蚀性等缺点，会引起严重腐蚀泄漏、摩擦磨损、气蚀和水击等问题，现有的油压元件不能直接或改进后用于水，必须研制与水相适应的新型水压元件。正确选用材料，特别是正确选用全水润滑水压元件关键摩擦副对偶材料是研制出高性能水压元件的先决条件1水压元件用材原则1.1水作为液压介质存在的不利因素水的理化性能与矿物型液压油有很大差异，影响其使用性能的不利因素主要有八：①具有很强的腐蚀性，25C时，淡水的电导率约为0.1S/m，海水的为5. 3S/m，比液压油的高出约101°倍；②50°C时，运动粘度约为0.56mm/s，只有典型液压油的1/1201/30；③常温下，粘压系数为0.75GPa-只有液压油的约1/3Q④50C时，蒸汽压力约为0.012MPa，比液压油的高出约107倍；⑤弹性模量约为24GPa，是液压油的1.5~24倍，⑥密度为1g/cm3~ 1.025g/cm3，比液压油的高出10%~15%；⑦水中声速约为1550m/s，比液压油中的高出约10%；⑧容易滋生或含有大量微生物这些差异会引起如下一系列技术问题：①引基金项目：国家自然科学基金资助项目（59975031）；国家“九五重点科技攻关项目（96-920-29-07）起材料化学和电化学腐蚀微生物腐蚀等，大大降低材料强度；②使润滑膜厚度大大减小，引起边界摩擦或干摩擦，导致严重的粘着磨损、疲劳磨损、磨粒磨损及腐蚀磨损；③导致高速水流，引起冲蚀磨损，④导致元件内部泄漏损失大大增加；⑤产生严重气蚀，⑥产生水击，引起振动和噪声等。

　　12水压元件用材原则要有效解决水压元件面临的严重腐蚀、泄漏、摩擦磨损、气蚀和水击等问题，研制出高性能的水压元件，除了优良的设计和必要的制造精度以外，先决条件是正确选择水压元件材料，特别是正确选择水压元件关键摩擦副对偶材料因此，水压元件的用材应以能够有效解决上述问题为原则，具体要求为：①耐水腐蚀，包括化学及电化学腐蚀，能够抵御微生物腐蚀；②具有优异的自润滑性能，在水润滑及高速重载工况下摩擦磨损性能良好；③良好的机械性能，良好的抗腐蚀疲劳和抗冲击性能；④良好的抗冲蚀磨损、抗气蚀性能；⑤热稳定性好，热变形温度高；⑥热膨胀系数小、吸水率低，尺寸稳定性好；⑦成形加工工艺性良好，⑧无生物毒性，对环境无害；⑨容易购买且价格合理等。

　　2工程塑料在水压元件中的使用优势工程塑料是指可作为结构材料使用的各类高性能塑料及其复合材料。自从1958年美国杜邦公司首次使用“工程塑料”一词以来，工程塑料已在化学工业、宇航技术核能工业、食品工业、制药业、通用机械工程等领域广泛应甩特别是近年来，通过改性或增强获得的高性能塑料基复合材料，如目前*具代表性且性能优异的碳纤维增强塑料（CFRP），除了具有可与金属媲美的物理机对偶副摩擦系数*大pv值（MPa.mk）CFRP陶瓷0. 1~0.4<10金属陶瓷00-0.6<20金属金属00-0.3<10（4）能够嵌藏异物，顺应性好，具有较好的抗粘着磨损性能（5）具有良好的抗冲击性能和减振作用。

　　械性能以外，还具有一系列金属材料所不具备的优异特性：抗氧化耐腐蚀性能好，化学稳定性好，能够抵御淡水和海水侵蚀；在水中的弯曲模量几乎不变比强度、比模量高（见表1），疲劳强度高，CFRP的疲劳极限是其抗拉强度的70%~ 8（%，而多数金属材料的疲劳极限只有其抗拉强度的40%~5（%.因而，CFRP耐疲劳性能好，抗疲劳磨损性能好。

　　表1几种国产塑料基复合材料。金属材料及陶瓷材料的性能现代水压传动的发展，为工程塑料提供了新的用武之地，下面是几个研究应用实例平板阀平板阀具有密封性能好、响应速度快流通能力大及抗污染能力强等优点，特别适宜于低粘度介质，已成为水压方向控制阀和阀配流式水压柱塞泵配流阀的主要结构形式阀芯采用工程塑料，可大大减轻重量，提高其响应速度，同时具有缓冲作用，可避免阀芯因冲击、振动而产生噪声和工作不稳定根据材料力学知识，阀芯与阀座相撞时（冲击能全部被吸收而不使阀芯回弹）的接触应力材料的密度。

　　增强的PEEK塑料3种材料为例，在撞击速度相同时，三者的接触应力之比为由此可见，工程塑料阀芯的冲击应力小，减振性好，可提高平板阀的可靠性和使用寿命工程塑料是目前水压平板阀阀芯的*佳使用材料滑靴滑靴是轴向柱塞式水压泵中的重要部件之一，既与斜盘组成高压高速对偶副，又与柱塞球头组成高压、低速对偶副，即使是采用静压支承设计，金属材料也难以满足水润滑时滑靴的工作需要所示的滑靴结构中，工程塑料主要作为滑靴的承力耐磨件，可承受较大的工作pv值，充分发挥了其自润滑、摩擦磨损性能好的特点；金属材料则主要起包球作用，利用了其良好的延展丨性该结构加工工艺性良好，实际使用效果颇佳缸套缸孔柱塞副是水压柱塞泵中的关键摩擦副之一。由于水的低粘度，在同等规格、同等泄漏损失的条件下，水压柱塞泵缸孔柱塞副的配合间隙只有油压柱塞泵的1/5，约4m~6Pm，这就意味着要提高配合精度这样，不仅要增加制造成本，而且会因为压力、温度的作用及固体杂质侵入等引起缸孔变形而导致柱塞卡死等严重故障工程塑料具有弹塑性、自适应、自润滑性能，是优异的密封耐磨材料。用工程塑料作缸孔套与金属或陶瓷柱塞组成对偶副，可有效克服上述问题，获得满意的使用效果，在不影响机械效率的情况下，可使容积效率达到95%以上采用所示结构，柱塞与缸孔的配合长度保持定值，不仅可防止材质较硬的柱塞端部对缸孔产生刮削，而且可控制配合间隙中的泄漏流量为定值。

　　（4）径向滑动轴承实践证明，普通球轴承及圆锥辊子轴承在水润滑条件下的寿命会大大降低，根本无法满足水压泵的使用需要。而纯陶瓷轴承仍处在发展阶段，没有实际应甩工程塑料滑动轴承在水润滑、中等速度及负荷条件下可以安全可靠地工作，而且抗冲击、减振，为水压泵提供了*为可行的轴承解决方案目前，国内外93%以上的水压泵均采用静压或动压支承工程塑料滑动轴承。

　　除此之外，在水压元件中工程塑料还用于止推轴承、组合密封、阀套等零部件。

　　4设计使用工程塑料应注意的问题工程塑料具有一定的吸水率，会引起零件尺寸不稳定，特别是设计配合间隙时应充分考虑此问题，以防抱轴、卡死等现象发生工程塑料热变形温度较低，一般为200°C~ 30C.要充分考虑冷却散热问题，其对偶材料选取导热性能较好的金属材料为宜目前，纤维增强的工程塑料多数为各向异性，应正确设计零件受力方向使之与材料的强度取向一致，以充分发挥材料强度。

　　正确采用动压、静压支承原理，尽可能降低摩擦副间的接触应力，提高承载能力。

　　与陶瓷及金属材料相比，工程塑料质软，抗冲蚀磨损性能较差，因此应避免产生高速水流，加强系统污染控制，防止冲蚀磨损危害总之，要扬长避短，充分发挥工程塑料的使用优势，以研制出工作可靠、使用寿命长的各类高性能水压元件。