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1 前 言 目前工程機械盡管在發動機技術、底盤系統、操作環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節。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的各種合金鋼,其優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,如不良作業環境的適應性差、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調作用,可以得到單組分材料無法比擬的優越性能,具有剛度大、強度高、重量輕等優點。根據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)。它們主要優點有:比強度和比模量高;化學穩定性優良;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。由于性能優異,在許多領域已得到廣泛應用。但現今機械裝備業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越性。 復合材料按用途可分為功能性和結構性兩種，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；將結構性復合材料用于車體，由于它質量輕、強度和模量高，用作承力結構后可大大減輕車身重量，提高機械的作業效率和機動靈活性。據粗略計算，在一定的范圍內機械重量尤其是工裝重量每減少５％，作業效率可提高１５％，燃油經濟性可提高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 在機械內燃機系統上的應用
工程機械內燃機長期工作在高溫高壓下,活塞與活塞環、缸壁間不斷產生摩擦,潤滑條件不充分,工作條件非常惡劣,尤其是在大功率的發動機中,普通的鑄鐵或鋁合金活塞易發生變形、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;
(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,而且改善了發動機活塞的強度;
(3)碳化硅顆粒或晶須增強鋁也正在試用制造發動機活塞,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動機功率大、活塞易磨損的突出現象,有廣闊的應用前景。 傳統的鋁合金鋼套,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,在鋁合金缸體的內表層形成2mm厚含纖維體積約為15%的復合材料層。
發動機進氣和燃油系統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,允許發動機小幅度提高轉速來提高功率。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小。若將其鑄造連桿雖成本有所提高,但可大幅度提高發動機效率,剛度、強度和疲勞極限都能滿足高性能發動機的要求。另外開發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材料可減輕30%,發動機功率和燃料經濟性能也有所提高。
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。 在保持原有的結構性能、不影響作業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的鋼質車身骨架減重，最多可減輕20％，30％，這將提高機械車輛的機動性和作業效能。若由于作業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。
傳統的工裝往往都是由合金鋼制成，當機械有較長作業臂時如挖掘機，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，提高了作業效率。例如，在挖掘機作業裝置中，工作臂中斗桿屬于強力結構件，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，但摩擦系數卻同樣小且耐磨性、導熱性優良。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，傳統軍用機械對這方面的重視不夠，現代復雜的戰爭環境中，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增強環氧樹脂、陶瓷纖維增強環氧或高模聚乙烯等復合材料對油管進行適當的纏繞保護，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境進行秘密作業時，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材料將雷達波吸收，避免被雷達發現。
3 結 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，但其表現出的優異性能足毋庸置疑的，從長遠也不是要丟棄傳統材料，傳統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的程度。機械優化時只有充分考慮傳統材料與復合材料的最佳結合，才能最大限度地提高工程機械的現代化水平。
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