常用工程塑料及其特性（共8篇）
一.热塑性塑料
聚乙烯(PE)
主要特性:高压聚乙烯柔软、透明、无毒；低压聚乙烯刚硬、耐磨、耐蚀，电绝缘性较好
用途举例:高压聚乙烯：薄膜、软管、塑料瓶；低压聚乙烯：化工设备、管道、承载不高的齿轮、轴承等
聚丙烯(PP)
主要特性:强度、硬度、弹性均高于聚乙烯，密度小，耐热性良好，电绝缘性能和耐蚀性能优良，韧性差，不耐磨，易老化
用途举例:法兰、齿轮、风扇叶轮、泵叶轮、把手、电视机(收录机)壳体以及化工管道、容器、医疗器械等
聚氯乙烯(PVC)
主要特性:较高的强度和较好的耐蚀性。软质聚氯乙烯，其伸长率高，制品柔软，耐蚀性和电绝缘性良好
用途举例:废气排污排毒塔、气体液体输送管，离心泵、通风机、接头；软质PVC：薄膜、雨衣、耐酸碱软管、电缆包皮、绝缘层等
聚苯乙烯(PS)
主要特性:耐蚀性、电绝缘性、透明性好，强度、刚度较大，耐热性、耐磨性不高，抗冲击性差，易燃、易脆裂 用途举例:纱管、纱绽、线轴；仪表零件、设备外壳；储槽、管道、弯头；灯罩、透明窗；电工绝缘材料等
ABS塑料
主要特性:较高强度和冲击韧度，良好的耐磨性和耐热性，较高的化学稳定性和绝缘性，易成形，机械加工性好，耐高、低温性能差，易燃，不透明
用途举例:齿轮、轴承、仪表盘壳、冰箱衬里以及各种容器、管道、飞机舱内装饰板、窗框、隔音板等，也可制作小轿车车身及档泥板、扶手、热空气调节导管等汽车零件
聚酰胺(PA)(尼龙或锦纶)
主要特性:强度、韧性、耐磨性、耐蚀性、吸振性、自润滑性良好，成形性好，无毒、无味。蠕变值较大，导热性较差，吸水性高，成形收缩率大
用途举例:尼龙610、66、6等，制造小型零件(齿轮、蜗轮等)；芳香尼龙制作高温下耐磨的零件，绝缘材料和宇宙服等。应注意，尼龙吸水后性能及尺寸发生很大变化
聚碳酸酯(PC)
主要特性:抗拉、抗弯强度高，冲击韧度及抗蠕变性能好，耐热性、耐寒性及尺寸稳定性较高，透明度高，吸水性小，良好的绝缘性和加工成形性，化学稳定性差
用途举例:垫圈、垫片、套管、电容器等绝缘件；仪表外壳、护罩；航空及宇航工业中制造信号灯、挡风玻璃，座舱罩、帽盔等
聚四氟乙烯(塑料王)(PTFE)
主要特性:优异的耐化学腐蚀性，优良的耐高、低温性能，摩擦因数小，吸水性小，硬度、强度低，抗压强度不高，成本较高 用途举例:减摩密封零件、化工耐蚀零件与热交换器以及高频或潮湿条件下的绝缘材料，如化工管道、电气设备、腐蚀介质过滤器等
聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃)(PMMA)
主要特性:透光率92%，相对密度为玻璃的一半，强度、韧性较高，耐紫外线、防大气老化，易成形，硬度不高，不耐磨，易溶于有机溶剂，耐热性、导热性差，膨胀系数大
用途举例:飞机座舱盖、炮塔观察孔盖、仪表灯罩及光学镜片，防弹玻璃、电视和雷达标图的屏幕、汽车风挡、仪器设备的防护罩等
二.热固性塑料
酚醛塑料(PE)
主要特性:一定的强度和硬度, 较高的耐磨性、耐热性，良好的绝缘性和耐蚀性，刚度大，吸湿性低，变形小，成形工艺简单，价格低廉。缺点是质脆，不耐碱
用途举例:插头、开关、电话机、仪表盒、汽车刹车片、内燃机曲轴、皮带轮、纺织机和仪表中的无声齿轮、化工用耐酸泵、日用用具等
环氧塑料(EP)
主要特性:比强度高，韧性较好，耐热、耐寒、耐蚀、绝缘，防水、防潮、防霉，良好的成形工艺性和尺寸稳定性。有毒，价格高
用途举例:塑料模具、精密量具、灌封电器、配制飞机漆、油船漆、罐头涂料、印刷线路等
塑料是以树脂（天然的或合成的）为主要组分，加入一些用来改善使用性能和工艺性能的添加剂而制成的。因其通常在加热、加压条件下塑制成型，故称为塑料。
塑料的分类
1.按树脂的性质分类
热塑性塑料：在特定温度范围内能反复加热软化和冷却硬化的塑料。?如聚乙烯塑料、聚氯乙烯塑料。热固性塑料：因受热或其它条件能固化成不熔不溶性物料的塑料。如酚醛塑料、环氧塑料等。
2.按塑料使用范围分类
通用塑料：指产量大、用途广、成型性好、价廉的塑料。如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等。
工程塑料：指能承受一定的外力作用，并有良好的机械性能和尺寸稳定性，在高、低温下仍能保持其优良性能，可以作为工程结构件的塑料。如ABS、尼龙、聚矾等。
特种塑料：般指具有特种功能（如耐热、自润滑等），应用于特殊要求的塑料。如氟塑料、有机硅等。
塑料的基本性能
1.质轻、比强度高。塑料质轻，一般塑料的密度都在0.9~2.3克/厘米3之间，只有钢铁的1/8~1/
4、铝的1/2左右，而各种泡沫塑料的密度更低，约在0.01~0.5克/厘米3之间。按单位质量计算的强度称为比强度，有些增强塑料的比强度接近甚至超过钢材。例如合金钢材，其单位质量的拉伸强度为160兆帕，而用玻璃纤维增强的塑料可达到170~400兆帕。
2.优异的电绝缘性能。几乎所有的塑料都具有优异的电绝缘性能，如极小的介电损耗和优良的耐电弧特性，这些性能可与陶瓷媲美。
3.优良的化学稳定性能。一般塑料对酸碱等化学药品均有良好的耐腐蚀能力，特别是聚四氟乙烯的耐化学腐蚀性能比黄金还要好，甚至能耐“王水”等强腐蚀性电解质的腐蚀，被称为“塑料王”。
4.减摩、耐磨性能好。大多数塑料具有优良的减摩、耐磨和自润滑特性。许多工程塑料制造的耐摩擦零件就是利用塑料的这些特性，在耐磨塑料中加入某些固体润滑剂和填料时，可降低其摩擦系数或进一步提高其耐磨性能。
5.透光及防护性能。多数塑料都可以作为透明或半透明制品，其中聚苯乙烯和丙烯酸酯类塑料象玻璃一样透明。有机玻璃化学名称为聚甲基丙烯酸甲酯，可用作航空玻璃材料。聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等塑料薄膜具有良好的透光和保暖性能，大量用作农用薄膜。塑料具有多种防护性能，因此常用作防护保装用品，如塑料薄膜、箱、桶、瓶等。
6.减震、消音性能优良。某些塑料柔韧而富于弹性，当它受到外界频繁的机械冲击和振动时，内部产生粘性内耗，将机械能转变成热能，因此，工程上用作减震消音材料。例如，用工程塑料制作的轴承和齿可减小噪音，各种泡沫塑料更是广泛使用的优良减震消音材料。
上述塑料的优良性能，使它在工农业生产和人们的日常生活中具有广泛用途；它已从过去作为金属、玻璃、陶瓷、木材和纤维等材料的代用品，而一跃成为现代生活和尖端工业不可缺少的材料。
1 密封垫的功用及材料
1.1 功用
密封垫广泛用于工程机械及柴油机的管道、壳体的结合面的静密封中, 以其弹性变形填补零件结合面的不平度, 切断泄漏通道, 增加泄漏阻力或承受内外侧压力差等方式防止流动介质 (气体、冷却水、润滑油、齿轮油、液压油、制动液等) 泄漏。如柴油机的汽缸盖、正时齿轮室盖、油底壳、喷油泵侧盖、进排气管, 工程机械底盘中的变速箱盖、方向机侧盖、桥壳后盖、终传动壳体等。
1.2 材料
按材料密封垫有非金属密封垫、非金属与金属组合密封垫、金属密封垫三大类, 其常用材料有橡胶、皮革、石棉、纸、软木、聚四氟乙烯、钢、铁、铝、铜和不锈钢等。用棉、麻、石棉、纸、皮革等纤维素材质制成的密封垫, 其组织疏松, 致密性差, 纤维间有细微缝隙, 很容易被流动介质浸透, 在压力作用下流动介质从高压侧通过这些细微缝隙渗透到低压侧, 即形成渗透泄漏 (约占总泄漏量的10%～20%) 。
1.3 密封垫泄漏形式及原因
密封垫的泄漏有3种形式:界面泄漏、渗透泄漏和破坏性泄漏, 其中以前两种为主要形式。产生界面泄漏的原因是:结合面粗糙和变形;密封垫没有压紧;结合面紧固螺栓伸长变形或松动;密封垫发生塑性变形等。界面泄漏量约占总泄漏量的80%～90%;材料老化、龟裂、变质等会促使密封垫破坏性泄漏, 但安装、使用不当是主要原因;如上所述, 流动介质浸透到细微缝隙中, 造成纤维素材料制成的密封垫的渗透泄漏。
2 常用密封垫
常用密封垫包括普通石棉橡胶密封垫、耐油石棉橡胶密封垫、增强石棉橡胶密封垫、石棉钢片密封垫、混合石棉橡胶密封垫和复合石棉橡胶密封垫等。
2.1 普通石棉橡胶密封垫
普通石棉橡胶密封垫是用石棉、橡胶、结合剂等经辊压而成的各种零件结合面间所用的密封垫, 如发动机汽缸垫、管道法兰盘密封垫等。普通石棉橡胶密封垫因配料、工艺、性能及用途不同分为高压石棉橡胶密封垫 (如XB450) 、中压石棉橡胶密封垫 (如XB350) 和低压石棉橡胶密封垫 (如XB200) 三种。其中高压石棉橡胶密封垫可以用来密封高温 (450℃) 、高压 (6 MPa) 的流动介质, 中压石棉橡胶密封垫可用于温度350℃、压力4 MPa的流动介质的密封;而低压石棉橡胶密封垫只用于一般低压冷却水或蒸气的密封。
普通石棉橡胶密封垫单张成型厚度一般为≤3 mm。
2.2 耐油石棉橡胶密封垫
耐油石棉橡胶密封垫是以石棉、耐油橡胶和结合剂为主要材料经辊压而成的密封垫, 有Ny300型和Ny 400型两种。Ny300型耐油石棉橡胶密封垫适用于中小功率发动机燃油系、润滑系及冷却系的密封, 而Ny 400型耐油石棉橡胶密封垫可用于温度400℃、压力4 MPa的油料、溶剂、碱类介质的密封。
耐油石棉橡胶密封垫单张成型厚度有1 mm、2 mm、3 mm3种。
2.3 增强石棉橡胶密封垫
增强石棉橡胶密封垫是由石棉橡胶板和一层或多层镀锌钢丝网 (或不锈钢丝网) 组成, 分为耐油增强和高压增强两种。钢丝网夹在石棉橡胶中, 以增加拉伸强度, 使之承受高压和高温。
增强石棉橡胶密封垫单张成型厚度一般不超过3 mm。
2.4 石棉钢片密封垫
石棉钢片密封垫是两面为耐油石棉橡胶板, 中间夹入冲眼不锈钢片作骨架, 经压制、硫化、表面均匀涂敷润滑剂的密封垫。耐油石棉橡胶板为未经硫化的一面光滑、另一面拉毛, 厚度约0.5 mm。不锈钢片厚度为0.2 mm、孔眼直径0.1-1 mm、孔眼排列为每100 mm 36～40孔。目前, 石棉钢片密封垫多使用在体积小、质量轻、功率大的高速二冲程发动机上。
2.5 混合石棉橡胶密封垫
混合石棉橡胶密封垫是由耐油石棉橡胶板、普通石棉橡胶板、增强石棉橡胶反以及钢架石棉板等复合加工而成的密封垫, 可用于各种状态的零件结合面如光滑面、凹凸面及榫槽面等密封, 性能优越, 但结构复杂, 制造成本高。
2.6 复合密封垫
复合密封垫是充分发挥聚四氟乙烯和非金属材料的优点, 利用普通石棉橡胶板和增强石棉橡胶板等制成的密封垫, 具有耐高温、耐高压 (11～45 MPa) 、弹性好、强度高、垫片系数 (开始发生泄漏时密封垫的有效压紧力与内压之比) 小等优点。
3 密封垫的选用
3.1 选用原则
密封垫的选用原则是对于要求不高的场合可凭经验选用, 不合适时再更换。但对那些要求严格的场合, 如压力爆发、可燃气体温度高、有腐蚀性的流动介质、流速高且有一定压力和温度的管道等, 则应根据工作压力、工作温度、流动介质腐蚀性以及零件结合面的状态和形状来选用。
一般来说常温低压条件下选用非金属软密封垫, 中压高温时选用金属与非金属组合的密封垫或金属密封垫;在温度和压力较大波动条件下, 应选用弹性好的或自紧式密封层;在低温、腐蚀性介质或真空条件下, 应选用具有特殊性能的密封垫。
3.2 选用密封垫的影响因素
由上述可知, 零件技术状况及工作条件、密封垫材料及密封性能等对合理选用密封垫有一定影响, 现举例一二予以说明。
(1) 零件结合面状态。零件结合面状态不同, 要求使用的密封垫也不同。例如:光滑的零件结合面, 一般应选用低压、软质和较薄的密封垫;高压工作条件下、零件强度足够时应选用厚而软的密封垫, 不宜采用金属密封垫。因为这时要求的压紧力过大, 导致螺栓较大的变形、零件压紧力减小, 反而使密封垫有效性下降。只有在零件结合面狭窄而光滑的情况下可使用金属密封垫, 因为此时在相同螺栓拧紧力的情况下密封垫有较大的压紧力, 可以保持足够的密封度。
(2) 零件结合面粗糙度。这对密封效果影响很大, 特别是当采用非软质密封垫时。这是因为零件结合面粗糙度大是造成泄漏的主要原因之一。软质密封垫对零件结合面粗糙度要求较低, 这是因为它容易变形, 能堵住两零件结合面微凸体相互接触而形成的泄漏通道, 从而保证了良好的密封效果。
(3) 零件结合面与密封层的硬度差。使用密封垫的目的是使密封垫产生弹性或塑性变形, 以填补零件结合面的微小凹凸不平, 阻止流动介质的泄漏发生。因此应使密封垫硬度低于零件硬度, 二者相差越大, 实现密封就越容易。例如, 当使用金属密封垫时, 为了保证良好的密封效果, 应尽可能选用较软的材料, 使金属密封垫硬度比零件硬度40HRS以上为宜。
(4) 黑色金属零件结合面应选用铜质金属密封垫, 而不能采用铝质金属密封垫, 以免黑色金属零件遭受电腐蚀损坏。
尽管密封垫的种类繁多特性各异, 在选择使用上存在一定的难度, 但只要切实掌握了各类密封垫的理化特性, 在全面分析使用要求的基础上合理选用密封垫就能够有效的保证工程机械的维修质量。
摘要：论述了工程机械维修中密封垫功用及材料, 泄漏形式与原因, 常用密封垫及选用原则等。
摘 要：分别针对MIT/NREL TLP和UmaineHywind Spar两种海上风力机浮式平台主体的水动力特性进行研究，旨在分析两者的系泊稳定性.基于海洋水动力学和结构动力学理论，建立了平台/缆索系统耦合模型，在水深和外界载荷激励相同的情况下，利用有限元分析ANSYS软件中的水动力学计算模块进行时域、频域响应分析，研究了两种平台在海风、海流和随机波联合作用下的动态响应，并分析了两种平台随波浪频率的响应变化.结果表明：MIT/NREL TLP平台的动态响应较大，而UmaineHywind Spar平台动态响应较小；两平台均在低频波浪作用下产生响应峰值.
关键词：海上风力机； 漂浮式平台； 时域； 频域； 动态特性
中图分类号： TK 83 文献标志码： A
海上有丰富的风能资源和广阔平坦的区域，使得近海风力发电技术成为近年来研究和应用的热点.我国已建成了东海大桥海上风电场，计划建设的近海浅水区域风电场有10多个[1].除渤海外，我国黄海、东海和南海平均水深均在40 m以上，浅水区域有限，非常适合漂浮式风力机系统的开发.海上漂浮式风力机的最大特点是克服了在海床底部安装基础结构时受水深影响的缺点，使海上风电场的建设可向深水区发展[2].在海上风力机平台和开发深海油气的平台中，张力腿平台（TLP）和浮柱式平台（Spar）是公认的优秀平台形式[3].TLP是一种典型的深水平台，以其半固定、半顺应的运动特征在深水海洋工程中广为应用，其最重要的特点是平台的竖向运动很小[4-5].Spar平台属于顺应式平台的范畴，凭借其优良的性能和相对较低的造价，成为世界深海风力机和油气开采的主力平台类型之一[6].近年来，我国风电产业发展迅猛，海上石油开发业从近海走向深海[7]，为适应深海平台开发的需要，有关深海平台的相关理论和技术的研究得到了蓬勃发展.
浮式平台的动态特性能够反映平台在外界载荷作用下的响应特性和稳定性，对整个漂浮式风力机系统的稳定性和安全性有重大影响.本文分别选取设计水深相同的MIT/NREL TLP平台和UmaineHywind Spar平台，借助有限元分析ANSYS软件中的水动力计算模块进行时域、频域响应分析计算，分析两种平台在相同风、浪、流作用下的位移动态响应以及平台响应随波浪频率的变化.
1 基本环境载荷
环境载荷指直接或间接由环境作用引起的载荷，包括由环境载荷引起的所有外力，如系泊力、运动惯性力、液舱晃荡力等.漂浮式风力机所受到的环境载荷主要来自风、浪、流，还有内波、地震和海冰（大块浮冰或冰山）.本文仅考虑前三种载荷.
1.1 风载荷
海风对海洋结构物的工作影响很大，通常作用在结构上的风载荷是动态的，但一些结构对风载荷的反应几乎为静态形式.在实际工程中常用设计风速法得到结构所受到的海风载荷.根据我国海上移动平台入级规范可计算作用于构件上的风力F，并应确定合力作用点的垂直高度[8]，即
式中：S为平台在正浮或倾斜状态时受风构件的正投影面积；Ch、Cs分别为受风构件的高度系数和形状系数；P为风压；V为设计风速.
1.2 波浪载荷
波浪载荷是漂浮式风力机平台所受到的主要环境载荷，且较风载荷更为复杂，这也是与陆上风力机最大不同之处.作用在漂浮式平台上的水动力包括波浪激振力、由结构运动产生的辐射力和考虑波浪高阶效应的漂移力.其中：波浪激振力包括由入射波形成的不稳定压力所引起的F-K力（佛汝德-克雷洛夫力）和由于结构存在影响波浪密度分布产生压差而引起的绕射力；辐射力包括附加质量力和辐射阻尼力.对于大尺度结构，一般采用绕射理论对作用于物体表面上的整个水动压力进行积分计算波浪载荷.在绕射理论中，流场用速度势函数描述，该速度势在流体各处应满足拉普拉斯方程，并满足物体表面、自由表面、海底及无穷远处的边界条件.通常总速度势由入射势、绕射势（假定物体固定）和运动着的物体在静水中产生的辐射势组成，从而得到结构物的运动与作用力.描述波浪运动的理论有许多，根据不同要素可分为线性和非线性、有旋和无旋、规则和不规则、单向和多向、浅水和深水等.漂浮式风力机平台一般远离海岸，局部水深几乎不变；与波长相比，水深相对较大.通常用无旋模型描述一个波浪在其生成区域外的传播或在水池内造波机产生的波浪传播.理想流体和无旋流动的假设可使问题大大简化，其方法是引入速度势函数Φ（x，y，z，t），利用速度势给出速度场V（x，y，z，t）=
Φ（x，y，z，t），于是流动的无旋性自动得到保证.在流域内质量守恒（对于不可压缩流体，divV=0）可表示为速度势函数的拉普拉斯方程[9]，即
通过伯努利拉格朗日关系式可得到流域内的压力
式中： p0为参考压力，即大气压力；ρw为海水密度；g为重力加速度.
波浪理论的分类与3个几何参数（波高H、波长L、水深h）有关.浅水理论与深水（或中等水深）理论之间的区别取决于厄塞尔参数Ur，有
式中：A为波幅；k=2π/L；非线性参数ε=A/h；色散参数μ=kh.
当Ur<1，意味着色散效应较非线性效应占优势，用参数kA≡ε对势函数Φ进行展开，可实现对问题的求解，即
式中，（i）为势函数的i阶导数.
这就是所谓的斯托克斯方法，由此可得到斯托克斯规则波模型.相反，当Ur>1，h/L为小参数，从而得到椭圆余弦波模型和孤立波模型.在大部分海洋工程模型中，水深足够大，故可应用斯托克斯模型[10].
小尺度海洋结构上的波浪力Fw通常采用Morison方程计算，由拖曳力和惯性力组成，即
式中：CD、CM分别为曳力系数和惯性力系数；u为垂直于构件轴线水质点的速度分量；D为直立圆柱的直径.
1.3 海流载荷
海流载荷是由海流作用在海洋工程结构物上所产生的载荷.海流力是作用在海洋结构物上的一种流动阻力.根据水下结构物上的阻力是流体动能函数的原理，可按照稳定流动条件下阻力的数学表达式得到海流力，其计算需合理确定海平面以下某深度的海流速度、阻力系数和惯性力系数.其中，海流设计流速应取为在平台作业海区范围内可能出现的最大流速值，包括潮流流速、风暴涌流速和风成流流速，还应考虑作业海区流速的垂向分布.当波浪存在时，还应对无波浪时的流速垂向分布进行修正，以使瞬时波面处的流速保持不变.
当只考虑海流作用时，作用在平台水下部分构件的海流载荷为式中，Vw为设计海流流速.
应注意海流与波浪的相互作用.当采取Morison公式计算波浪载荷时，应将波浪水质点速度与海流速度矢量相加；当采用绕射理论计算波浪载荷时，海流载荷应按式（8）计算，并与波浪载荷矢量相加.
2 平台建模与计算
2.1 平台模型建立
本文研究对象为MIT/NREL TLP和UmaineHywind Spar平台.TLP平台由麻省理工学院设计的张力腿平台改进得到，以混凝土为压舱物，8根缆索分成4组构成4根筋腱，分别连接4根从底部水平延伸而出的辐条和位于海底的桩基，缆索由于预张力作用始终处于完全张紧状态；Spar平台是缅因大学根据国际能源署（IEA）研发的OC3Hywind Spar改变水深以便于试验比较而得来，主体为一深吃水的细长浮筒，周身附连3根悬链线缆索并通过三脚架连接，以增加平台系泊的抗偏刚度，相邻缆索夹角为120°，且在一定预张力作用下处于半张紧半松弛状态[11].
本文采用ANSYS软件中水动力计算模块进行模型导入和表面网格划分，分析中对系泊系统进行了适当简化，忽略了系泊系统的阻力.对UmaineHywind Spar作了去除三角形连接、缆索直接连在浮筒上的简化，这在静态分析中是合适的，但不适用于所有的动态条件[12].计算中没有对缆索进行线性简化.两平台参数如表1所示.图1分别为MIT/NREL TLP和UmaineHywind Spar平台几何模型.
2.2 响应算子与自由度
浮体波频运动6个自由度响应的稳态幅值称为幅值运动响应算子（response amplitude operator）.该算子是由波浪激励到船体或浮体运动的传递函数，为船体或浮体运动谱与波浪谱的比值，表征单位波幅的特征响应.对于平动，其幅值响应算子Y2yζ（ω）=Syζ（ω）/Sζ（ω）；对于转动，其幅值响应算子Y2θζ（ω）=Sθζ（ω）/Sζ（ω），其中：Syζ（ω）和Sθζ（ω）分别为海上结构物的平动和转动运动谱；Sζ（ω）为波浪谱；ω为入射波浪的频率.
随机波浪可视为无数个振幅、频率不等，初相位随机并沿与x轴成不同角度的方向传播的简单余弦波的叠加.通常把风浪和由此引起的摇荡运动都看成是具备各态历经性的平稳随机过程，平台对任一波浪成分的响应是该成分波波幅的线性函数并与它对其它波浪成分的响应无关.利用平台各自由度的运动幅值响应算子给出在每一个波浪频率下的平台响应并叠加求和，可得到在多个波浪作用下的平台运动方程[13].可用平台位置的幅值响应算子反映在外界环境载荷激励下平台在6个自由度上的运动情况，从而体现平台稳定性.6个自由度上的运动如图2所示.由于风、浪、流均为-180°入射，因此主要分析沿x轴的平动（纵荡）和绕y轴的转动（纵摇）位置幅值响应算子.
2.3 计算工况
在外界激励条件相同时对两种平台进行时域响应分析，风速恒定取为10 m·s-1，设定海流速度从海平面至海底由0.95 m·s-1线性减小至0 m·s-1，随机波谱选择P-M谱，外界海况条件参数如表2所示.利用表2的数据建立平台与缆索在风、浪、流联合作用下的耦合计算模型，分析时间为300 s，时间步长为0.01 s.
3 结果分析
3.1 MIT/NREL TLP平台
3.1.1 时域响应分析
图3（a）、（b）分别为MIT/NREL TLP平台纵荡和纵摇时域位移幅值响应算子，其中纵坐标分别表示对应单位波幅的位移和偏转角.从图3中可看出，平台在风、浪、流载荷作用下绕起始位置作往复运动，纵荡和纵摇运动均在约180 s后开始进入峰值，其中纵荡最大位置幅值响应算子约为5 m·m-1，纵摇最大位置幅值响应算子最大值约为17°·m-1.
3.1.2 频域响应分析
频域响应分析是研究平台随波浪频率变化的运动响应，考虑到载荷的作用方向与平台自身特点，此处分析纵荡、垂荡和纵摇的频域响应.图4（a）、（b）、（c）分别为MIT/NREL TLP平台纵
荡、垂荡和纵摇运动的频域响应算子.从图中可看
出，平台纵荡运动在0.07 rad·s-1左右的波浪频率下产生响应峰值，之后随着波浪频率增大响应急剧降低，约在0.4 ～0.7 rad·s-1之间上升，随后便呈下降趋势；垂荡运动约在波浪频率0.5 rad·s-1时
出现响应峰值，该值前后均为急升急降趋势；而纵摇运动的响应峰值出现在波浪频率0.8 rad·s-1左右；此外，TLP平台的垂荡和纵摇频域响应的峰值接近.
3.2 UmaineHywind Spar平台
3.2.1 时域响应分析
图5为UmaineHywind Spar平台在相同载荷作用下的纵荡和纵摇位置幅值响应算子，其中纵坐标分别表示对应单位波幅的位移和偏转角.从图中可看出，平台在风、浪、流载荷的作用下绕起始位置作往复运动，且比MIT/NREL TLP的运动更为规律.相比于TLP平台，其纵荡位移响应算子均为cm级，平动位移变化很小；由于平台自身结构特性，纵摇位置响应亦很小，最大值不到3°·m-1.
3.2.2 频域响应分析
图6为UmaineHywind Spar平台的纵荡、垂荡和纵摇运动的频域响应算子.由图6可知，
Spar平台纵荡运动在0.07 rad·s-1的波浪频率下即出现响应峰值，且除0.20～0.34 rad·s-1之间有小幅升高外，响应幅值呈下降趋势，且峰值略小于TLP平台的峰值；垂荡运动的响应峰值出现在频率小于0.5 rad·s-1处，峰值较TLP平台的小；纵摇运动的响应峰值出现在频率0.4 ～0.5 rad·s-1之间，
且与TLP平台相比峰值较小；Spar平台的垂荡响应峰值大于纵荡和纵摇的响应峰值.
以上分析说明，在外界风、浪、流载荷作用下：
（1） MIT/NREL TLP平台产生较大动态位移，并引发较大幅度的往复运动和摇摆运动；
（2） UmaineHywind Spar平台动态位移较小，考虑其重心远远低于浮心，稳定性较好；
（3） 两平台的纵荡、垂荡和纵摇运动响应对频率变化均较敏感，并在低频率时出现响应峰值.
4 结 语
本文在给定海况条件下，考虑风、浪、流联合作用，借助有限元分析ANSYS软件中的水动力模块计算分析了两种经典风力机平台的时域和频域响应.当然，由于在计算过程中尚未考虑平台主体与风力机正常运行下的耦合作用，因此实际耦合情况下的稳定性情况尚有待继续分析.若能在后续研究工作中加以解决，并能同时考虑平台与波浪之间的共振效应，则可对这两种经典平台的性能和实用性作出更具现实意义的对比，以期得到在不同海况条件下的最佳平台选择，或者通过对平台的改进以降低危险和建造成本.这将具有更大的实用价值，且将为我国深海漂浮式风力机的发展提供更多有益的参考.
参考文献：
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[12] JONKMAN J.Definition of the floating system for phase IV of OC3[R].NREL/TP-500-47535，2010.
材料名称
及牌号
特性
应用
10
灰铸铁件
HT200
HT250
(珠光体灰铸铁件)
较高强度铸件，基体组织为珠光体。
强度、耐磨性、耐热性均较好，减振性也良好;铸造性能较好，需进行人工时效处理。
工作条件为：
①承受较大应力的零件(弯曲应力小于29.40 MPa)。
②摩擦面间的单位面积
压力大于0.49 MPa。
③要求一定的气密性或耐弱腐蚀性介质。
应用举例：
① 一般机械制造中较为重要的铸件，如：气缸、齿轮、机座、金属切削机床床身及床面等。
②汽车、拖拉机的气缸体、气缸盖、活塞、刹车轮、联轴器盘以及汽油机和柴油机的活塞环。
③具有测量平面的检验工件，如：划线平板、V形铁、平尺、水平仪框架等。
④承受7.85 MPa以下中等压力的油缸、泵体、阀体以及要求有一定耐腐蚀能力的泵壳、容器。
⑤圆周速度大于12 m/s～20 m/s的带轮以及其他符合所列条件的零件。
⑥需经表面淬火的零件。
HT300
HT350
(孕育铸铁件)
高强度、高耐磨性铸件、基体组织为100%珠光体，属于需要采用孕育处理的铸件。
强度高，耐磨性好;白口倾向大，铸造性能差，需进行人工时效处理。
工作条件为：
①承受高弯曲应力 (弯曲应力小于49 MPa)及抗拉应力。
②摩擦面间的单位面积压力大于等于1.96 MPa。
③要求保持高度气密性。
①机械制造中重要的铸件，如：床身
导轨，车床、冲床、剪床和其他重型机械等受力较大的床身、机座、主轴箱、卡盘、齿轮、凸轮、衬套;大型发动机的曲轴、气缸体、缸套、缸盖等。
②高压的油缸、水缸、泵体、阀体。
③镦锻和热锻锻模、冷冲模等。
④需经表面淬火的零件。
⑤圆周速度大于20 m/s～25 m/s的皮带轮以及其他符合所列条件的零件。
11
可锻铸铁
黑心可锻铸铁
KTH350-10
KTH370-12
有较高的韧性和强度，用于承受较高的冲击、振动及扭转负荷下工作的零件。
用于制作汽车、拖拉机上的前后轮壳、差速器壳、转向节壳，农机上的犁刀、犁柱，船用电机壳等。
珠光体可锻铸铁KTZ450-06KTZ550-04KTZ650-02KTZ700-02韧性较低，但强度大、硬度高、耐磨性好，且可加工性良好;可代替低碳、中碳、低合金钢及有色合金制造承受较高的动、静载荷，在磨损条件下工作并要求有一定韧性的重要工作零件。可用于制造曲轴、连杆、齿轮、摇臂、凸轮轴、万向接头、活塞环、轴套、犁刀、耙片等。表B1(完)常用黑色金属材料特性及应用
序号
材料名称及牌号特性应用12一般工程用铸造碳钢件ZG270-500中碳铸钢，有一定的韧性及塑性，强度和硬度较高，切削性良好，焊接性尚可，铸造性能比低碳钢好。用于制作飞轮、车辆车钩、水压机工作缸、机架、蒸气锤气缸、轴承座、连杆、箱体、曲拐等。ZG310-570用于制作重负荷零件，如联轴器、大齿轮、缸体、气缸、机架、制动轮、轴及辊子。ZG340-640高碳铸钢，具有高强度、高硬度及高耐磨性，塑性、韧性低，铸造、焊接性均差，裂纹敏感性较大。用于起重运输机齿轮、联轴器、齿轮、车轮、阀轮，叉头。表B2常用有色金属材料特性及应用
序号
材料名称及牌号特性应用1加工铜T1有良好的导电、导热、耐蚀和加工性能，可以焊接和钎焊，易引起“氢病”。用作导电、导热、耐蚀器材。用于制造电线、电缆、导电螺钉、爆破 、化工用蒸发器、贮藏器及各种管道等。T1产品种类有板、带、箔。T2产品种类有板、带、箔、管、棒、线。T2T3有较好的导电、导热、耐蚀和加工性能，可以焊接和钎焊，极易引起“氢病”。用作一般铜材，如：电气开关、垫圈、垫片、铆钉、管嘴、油管及其他管道等。T3产品种类有板、带、箔、管、棒、线。TU1、TU2纯度高，导电、导热性极好，无“氢病”或极少“氢病”;加工性能和焊接、耐蚀、耐寒性均好。主要用作电真空仪器仪表器件。TU1、TU2产品种类有板、带、管、棒、线。TP1TP2焊接性能和冷弯性能好，一般无“氢病”倾向，可在还原性气氛中加工使用。但不宜在氧化性气氛中加工使用。TP1的残留磷量比TP2少，故其导电、导热性较TP2高。用作汽油或气体输送管、排水管、冷凝管、蒸发器等。TP1产品种类有板、带、管。TP2产品种类有板、带、管、棒、线。H62、H63有良好的力学性能，热态下塑性良好，冷态下塑性也可以，可切削性好，易钎焊和焊接，耐蚀，但易产生腐蚀破裂，价格便宜，应用广泛。主要用于各种深引伸和弯折制造的受力零件，如销钉、铆钉、垫圈、螺帽、导管、气压表弹簧、筛网、散热器零件等。表B2(续)常用有色金属材料特性及应用
序号
材料名称及牌号特性应用1加工铜H65性能介于H68和H62之间，有较高的强度和塑性，能良好地承受冷、热压力加工，有腐蚀破裂倾向。用于制作小五金、日用品、中弹簧、螺钉、铆钉和机器零件H68有极为良好的塑性(是黄铜中最佳者)和较高的强度，切削加工性能好，易焊接，对一般腐蚀非常安定，但易产生腐蚀开裂。用于复杂的冷冲压件和深冲件，如散热器外壳、导管、波纹管、弹壳、垫片、等。HPb59-1应用较广的铅黄铜，它的特点是切削性好，有良好的力学性能，能承受冷、热压力加工，易钎焊和焊接，对一般腐蚀有良好的稳定性，但有腐蚀破裂倾向。适用于以热冲压和切削加工制作的各种结构零件，如螺钉、垫圈、垫片、衬套、螺母、喷嘴等。2铸造铜合金ZCuSn5Pb5Zn5耐磨性和耐蚀性好，易加工，铸造性能和气密性较好。适用于在较高负荷、中等滑动速度下工作的耐磨、耐蚀零件。如轴瓦、衬套、缸套、活塞、离合器、泵件压盖、蜗轮等。3变型铝及铝合金1060、1050A这是一组工业纯铝。具有高的可塑性、耐蚀性、导电性和导热性，但强度低，热处理不能强化，可切削性不好;可气焊、原子氢焊和电阻焊，易承受各种压力加工和引伸、弯曲。用于不承受载荷，但要求具有某种特性——如高的可塑性、良好的焊接性、高的耐蚀性或高的导电、导热性的结构元件。1060、1050A产品种类有板、箔、管、线。1035、8A06产品种类有板、型、箔、管、棒、线。1035、8A063A21为Al—Mn系合金，是应用最广的一种防锈铝，这种合金的强度不高(仅稍高于工业纯铝)，不能热处理强化，故常采用冷加工方法来提高它的力学性能;在退火状态下有高的塑性，在半冷作硬化时塑性尚好，冷作硬化时塑性低，耐蚀性好，焊接性良好，切削性能不良。用于要求高的可塑性和良好的焊接性，在液体或气体介质中工作的低载荷零件，如油箱、汽油或润滑油导管、各种液体容器和其他用深拉制作的小负荷零件;线材用作铆钉。3A21产品种类有板、型、箔、管、棒、线。表B2 (续) 常用有色金属材料特性及应用
序号
材料名称及牌号特性应用4铸造铝合金ZL101系铝硅镁系列三元合金。适用于铸造形状复杂、承受中等负荷的零件，也可用于要求高的气密性、耐蚀性和焊接性能良好的零件，但工作温度不得超过200℃。用于水泵及传动装置壳体、水冷发动机气缸体、抽水机壳体、仪表外壳、汽化器等。ZL101A成分、性能和ZL101基本相同，但其杂质含量低，且加入少量Ti以细化晶粒，故其力学性能比ZL101有较大程度的提高。应用同ZL101，主要用于铸造高强度铝合金铸件。ZL102系铝硅二元合金。常在铸态或退火状态下使用，适用于铸造形状复杂、承受较低载荷的薄壁铸件，以及要求耐腐蚀和气密性高、工作温度≤200℃的零件。用于制作仪表壳体、机器罩、盖子、船舶零件等。ZL104系铝硅镁锰系列四元合金。适用于铸造形状复杂、薄壁、耐腐蚀和承受较高静载荷和冲击载荷的大型铸件，但不宜用于工作温度超过200℃的场所。用于制作水冷式发动机的曲轴箱、滑块和气缸盖、气缸体以及其它重要零件。ZL106系铝硅铜镁系列四元合金。适用于铸造形状复杂、承受高负荷的零件，也可用于要求气密性高或工作温度在225℃以下的零件。用于制作泵体、水冷发动机气缸头等。ZL107系铝硅铜三元合金。用于铸造形状复杂、壁厚不均、承受较高负荷的零件。机架、柴油发动机的附件、汽化器零件、电气设备外壳等。表B2(完)常用有色金属材料特性及应用
序号
双曲正弦函数(sinh)，x的函数(f(x))，极限(lim)，角(∠)，
∵ 因为(一个脚站着的，站不住)
∴ 所以(两个脚站着的，能站住)(口诀：因为站不住，所以两个点;因为上面两个点，所以下面两个点)
总和，连加：∑，求积，连乘：∏，从n个元素中取出r个元素所有不同的组合数 (n元素的总个数;r参与选择的元素个数)，幂 等。
数学符号大全及意义之排列组合符号
C 组合数
A (或P) 排列数
n 元素的总个数
r 参与选择的元素个数
! 阶乘，如5!=5×4×3×2×1=120，规定0!=1
!! 半阶乘(又称双阶乘)，例如7!!=7×5×3×1=105,10!!=10×8×6×4×2=3840
数学符号大全及意义之离散数学符号
∀ 全称量词
∃存在量词
├ 断定符(公式在L中可证)
╞ 满足符(公式在E上有效，公式在E上可满足)
﹁ 命题的“非”运算，如命题的否定为﹁p
∧ 命题的“合取”(“与”)运算
∨ 命题的“析取”(“或”，“可兼或”)运算
→ 命题的“条件”运算
↔ 命题的“双条件”运算的
p<=>q 命题p与q的等价关系
p=>q 命题p与q的蕴涵关系(p是q的充分条件，q是p的必要条件)
A* 公式A的对偶公式，或表示A的数论倒数(此时亦可写为 )
wff 合式公式
iff 当且仅当
↑ 命题的“与非” 运算(“与非门”)
↓ 命题的“或非”运算(“或非门”)
□ 模态词“必然”
◇ 模态词“可能”
∅空集
∈ 属于(如“A∈B”，即“A属于B”)
∉ 不属于
P(A) 集合A的幂集
|A| 集合A的点数
R²=R○R [R
=R
○R] 关系R的“复合”
ℵ Aleph,阿列夫
⊆ 包含
⊂(或⫋) 真包含
另外,还有相应的⊄,⊈,⊉等
∪ 集合的并运算
U(P)表示P的领域
∩ 集合的交运算
-或 集合的差运算
〡 限制
集合关于关系R的等价类
A/R 集合A上关于R的商集
[a] 元素a产生的循环群
I环，理想
Z/(n) 模n的同余类集合
r(R) 关系 R的自反闭包
s(R) 关系 R的对称闭包
CP 命题演绎的定理(CP 规则)
EG 存在推广规则(存在量词引入规则)
ES 存在量词特指规则(存在量词消去规则)
UG 全称推广规则(全称量词引入规则)
US 全称特指规则(全称量词消去规则)
R 关系
r 相容关系
R○S 关系 与关系 的复合
domf 函数 的定义域(前域)
ranf 函数 的值域
f:x→y f是x到y的函数
(x,y) x与y的最大公约数，有时为避免混淆，使用gcd(x,y)
[x,y] x与y的最小公倍数，有时为避免混淆，使用lcm(x,y)
aH(Ha) H关于a的左(右)陪集
Ker(f) 同态映射f的核(或称f同态核)
[1，n] 1到n的整数集合
d(A,B),|AB|,或AB 点A与点B间的距离
d(V) 点V的度数
G=(V,E) 点集为V，边集为E的图G
W(G) 图G的连通分支数
k(G) 图G的点连通度
Δ(G) 图G的最大点度
A(G) 图G的邻接矩阵
P(G) 图G的可达矩阵
M(G) 图G的关联矩阵
C 复数集
I 虚数集
N 自然数集，非负整数集(包含元素“0”)
N*(N+) 正自然数集，正整数集(其中*表示从集合中去掉元素“0”，如R*表示非零实数)
P 素数(质数)集
Q 有理数集
R 实数集
Z 整数集
Set 集范畴
Top 拓扑空间范畴
Ab 交换群范畴
Grp 群范畴
Mon 单元半群范畴
Ring 有单位元的(结合)环范畴
Rng 环范畴
CRng 交换环范畴
R-mod 环R的左模范畴
mod-R 环R的右模范畴
Field 域范畴
Poset 偏序集范畴
二、常用数学符号意义汇总
= 等于
≠ 不等于
≈ 约等于
< 小于
>大于
//平行
平行且相等
⊥垂直
≥ 大于或等于
≤ 小于或等于
≡ 恒等于或同余
π 圆周率 约为3.1415926536
e 自然常数 约为 2.7182818285
|x| 绝对值或(复数的)模
∽ 相似
≌ 全等
远大于
<< 远小于
∪ 并集
∩ 交集
⊆ 包含于
∈ 属于
⊙ 圆
除，求商值，部分编程语言中理解为整除
α，β，γ，φ… 角度;系数
∞ 无穷大(包括正无穷大+∞与负无穷大-∞)
lnx 以e为底的对数(自然对数)
lgx 以10为底的对数(常用对数)
lbx 以2为底的对数
lim 求极限
floor(x) 或[x],亦可写为 下取整函数(直译为“地板函数”)，又称高斯函数
ceil(x) 亦可写为 上取整函数(直译为“天花板函数”)
x mod y模，求余数
x-floor(x) 或{x} 表示x的小数部分
dy，df(x) 函数y=f(x)的微分(或线性主部)
装备制造业具有其独特性，因此其更加注重依靠于高精度技术。
目前，热处理工艺和模具材料等在技术上支持模具制造业。
本文围绕着常用模具材料及其热处理工艺这一主题展开了讨论。
【关键词】模具材料 热处理 合理选择
目前的社会中工业得到了极大的发展，在工业生产的发展过程中，模具开始出现。
在工业中广泛应用模具，能够促进产量进行大幅度的提高，使人们的需求能够得到更好地满足。
随着经济的发展、社会的进步，在人们的生活中模具越来越受到人们的关注，其应用范围也越来越广泛，模具也因此得到了发展，进一步促进经济发展。
在模具制造中模具材料是其进行的基础，模具包括塑料模具钢、热作模具钢和冷作模具钢三类[1]。
一、常用的模具材料
(一)高速钢
由于具有较高的韧性和热塑性，钼系高速钢能够应用的更加广泛，对于精度以及大批量生产冷作模具来说非常重要。
(二)碳素工具钢
在我国已经大量使用、生产碳素工具钢，碳素工具钢具有价格便宜、切削加工性好，退火易软化、锻造性好的优点，其缺点在于需要用水作冷却介质，具有较低的淬透性，因此碳素工具钢容易断裂或变形。
结合碳素工具钢的优点和缺点，也以得出其不适合当大型模具的结论，在进行模具制作时，可以将其做为变形要求不高、形状简单、受力小、制作尺寸小的模具，从而促进资源利用率的提升。
(三)超硬高速钢
为了对难切削材料的需要相适应，超硬高速钢逐渐发展了起来，其目的在于使热硬度和硬度得到进一步的提高。
在其发展过程中，逐渐出现了一些难题，超硬高速钢具有较差的抗弯曲能力和韧性，难以进行加工。
超硬高速钢高含量的碳使其具有较大的硬度，但是其高含量的碳，也使其容易出现韧性差的特点，出现过烧现象。
(四)高碳高铬模具钢
高碳高铬模具钢的优点在于其耐磨性、淬硬性和淬透性良好，不容易变形，属于微变形高耐磨模具钢，与高速钢相比较承载能力较差。
其缺点在于其严重的碳化物偏析，因此需要不断进行改锻、镦拔，对其不均匀性进行改变，使其使用性能得到提高[2]。
(五)基体钢
基体钢就是在在高速钢的基本成分上进行少量其他成分的添加，对含碳量进行适当增减，对钢的性能进行改善，这种钢就是基体钢。
基体钢是冷作模具钢，具有较强的韧性，具有上述钢的全部优点。
除此之外与高速钢相比，基体钢的生产成本较低，具有很高的应用价值。
(六)钢结硬度合金和硬质合金
与其他模具钢相比，硬质合金具有较高的耐磨性和硬度，因此其具有较差的韧性和抗弯强度。
钢结硬质合金是将碳化钨或碳化钛为硬质相，少量合金元素粉末加入铁粉中去作为粘合剂，按照冶金方法烧结粉末而出。
钢是钢结硬质合金的基体，可以对其进行热处理、锻造、焊接和切削。
二、热处理工艺
(一)生冷处理
在深冷处理模具钢后，可以使其力学性能得到提高，从而促进其使用寿命的提高。
可以在回火和淬火工序间对模具钢进深冷处理，深冷处理可以促进钢的抗回火稳定性和耐磨性的提高。
深冷处理不仅能使得模具冷却，还能在硬质合金和热作模具中进行使用[3]。
(二)模具的降温淬火和高温淬火
热作模具钢中部分使用了温度高于常规淬火的温度进行淬火加热，从而对钢中碳化物的形态进行改善，使其数量减少，在进行淬火之后，能够使其使用寿命延长。
(三)真空热处理
在真空热处理后，模具钢变形小，具有较好的表面状态。
其原因在于真空加热时，模具钢表面会出现活性状态，不会产生氧化膜阻止其冷却，也不会脱碳。
在进行真空加热后，脱气效果会出现在钢的表面，因此其力学性能较高，具有较高的抗弯强度和炉内真空度。
在进行真空淬火后，会在一定程度上提高钢的断裂韧性，与常规工艺相比，模具寿命会有40%以上的提高，在实际生产中，已经广泛的应用了冷却模具真空淬火技术。
(四)渗金属和渗硼
在渗硼中固体渗硼的应用最为广泛，在固体渗硼后，其表层会具有较大的抗氧化性、耐腐蚀性、硬度和耐磨性。
冷作模具是渗硼工艺最常用的对象，能够提高其耐磨性，从而促进模具寿命的提高。
对此，可以不再使用高合金钢制作模具，而选择应用中碳钢渗硼。
热挤压模等热作模具也可以使用渗硼来进行处理。
(五)高能束热处理
电子束、激光是高能束热处理的热源[4]。
可控性能好、处理环境清洁、不需要冷却介质、工件变形小、可以根据需要选择加热面积、加热速度快就是其共同特点，自动化处理能够更加容易实现，从而使得模具寿命提高，促进其应用更加广泛。
(六)化学热处理
化学惹出灵促进模具表面抗氧化性、耐蚀性和耐磨性进行提升。
在化学热处理中大多数所采用的都是工艺都是在模具钢的表面进行处理。
使用高温回火的合金钢模具，可以在回火的时候对其表面进行氮碳或液氮的共渗。
在液氮工艺中，目前使用最多的就是高频渗氮和离子渗氮等工艺。
离子液氮能够促使液氮时间缩短，获取高质量渗层。
离子液氮还能使抗热疲劳性、耐磨性、抗蚀性进行提高。
热挤压模、压铸模在氧碳共渗后能够促进其抗疲劳性能的提高。
对于冷冲模、冷挤压模、冷镦模来说，氧碳共渗的应用效果较好。
结语：
本文就常用模具材料及其热处理工艺进行了探讨，首先介绍了常用的模具材料，随后介绍了热处理工艺。
我国在研究开发模具热处理的过程中，在不同程度上推广应用了新的模具热处理技术。
在科学技术进步的过程中，我国模具热处理具有越来越精湛的工艺，这促进了我国的工业发展越来越好[5]。
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模具材料与热处理工艺选择问题【2】
【摘 要】影响模具寿命的因素很多，其中模具材料选择不当或热处理工艺不合适，是造成模具早期失效的关键因素。
【关键词】模具材料;热处理工艺;模具寿命
0.引言
模具是一种重要的加工工艺装备，是国民经济各工业部门发展的重要基础之一。
随着工业生产的发展，对工业产品的品种、形状、数量、质量等的要求越来越高，对模具的需要量相应增加，对模具质量的要求也越来越高;模具性能好坏，寿命高低，直接影响产品的质量和经济效益。
模具寿命是直接影响产品质量、加工效率和成本的重要因素之一，也是衡量模具制造水平的重要指标。
模具的失效分为偶然失效和工作失效。
偶然失效是指模具因设计错误、使用不当引起模具过早破损;工作失效是指模具因正常破损而结束寿命。
总的失效形式主要以表面损伤、塑性变形、断裂为主。
影响模具寿命的因素是多方面的，其中，热处理不当约占45%，选材不当、模具结构不合理约占25%，工艺问题约占10%;润滑问题、设备问题等因素约占20%，由此可见模具材料与热处理是影响模具寿命诸因素中的主要因素。
1.冷冲模具材料及其热处理的选择
冷冲模具的使用寿命通常和模具的硬度、强度、耐磨度及抗冲击韧性有着直接的关系。
因此，对模具材料和热处理工艺过程的要求就更高。
对冷作模具材料的主要性能要求是：良好的耐磨性、高强度、足够的韧性、良好的抗疲劳性能、良好的抗擦伤和咬合性能以及良好的工艺性能。
1.1低淬透性冷作模具钢及其热处理
满足这些性能要求的冷作模具材料有低淬透性冷作模具钢、低变形冷作模具钢、高合金工具钢等，其中碳素工具钢是使用最多的低淬透性冷作模具钢，其特点是含碳量高，马氏体转变温度点(以下简称Ms点)低，临界冷却速度快，在快速淬火冷却时，产生热应力变形，使模具沿主导方向收缩变形，材料的含碳量越高，收缩量越大。
这种收缩会在模具内部产生很大的内应力，必须通过回火或其他的方法有效地消除内应力。
当然这种变形量的大小要受模具截面尺寸、淬火加热温度、淬火冷却方式和回火温度等因素的影响。
因此，淬火和回火工艺是影响低淬透性冷作模具寿命的主要因素。
因为碳素工具钢模具多为中、小截面(10～50mm)。
为减小淬火变形，T10A，T12A一般选择较低的淬火温度。
当采用硝盐浴或碱浴冷却时，淬火加热温度可选择810～820℃;如果是水-油冷却，加热温度为760～780℃。
对于T8A钢，根据模具截面尺寸的增大适当提高淬火温度以提高模具的淬火后硬度。
采用水淬时，对于截面厚度t小于15mm的制件，加热温度应选择800～820℃;截面厚度t在30～50mm时，加热温度应选择820～830℃。
采用硝盐浴分级淬火时，可在以上所述淬火温度上做适当调整。
碳素工具钢的硬度随回火温度的升高而下降，当回火温度超过200℃时硬度就会明显下降。
而且当回火温度在200～250℃时，会产生回火脆性，导致韧性下降。
因此，韧性要求比较高的碳素工具钢模具应该避免在此温度回火。
同时，采用250℃回火时，淬火马氏体会产生不同程度的分解，使模具产生收缩变形。
因此，为了减少收缩变形，在保证模具使用性能的条件下，应尽可能降低回火温度。
1.2低变形冷作模具钢及其热处理
低变形冷作模具钢是在碳素工具钢基础上加入少量合金元素发展起来的，CrWMn是其典型钢种。
CrWMn钢具有高淬透性，淬火时不需要强烈的冷却，淬火变形比碳素工具钢明显减少。
但是，这类钢的变形同样受到淬火加热温度、冷却方法、回火工艺和模具截面尺寸的影响。
该钢淬火温度的选择，由于钨形式碳化物，所以这种刚在淬火及低温回火后具有比铬钢和9SiCr钢更多的过剩碳化物和更高的硬度。
当采用800℃加热淬火时，既能获得较高的硬度(63HRC)还可以获得较高的抗弯强度和韧性。
如果继续提高淬火温度，硬度上升但冲击韧度、抗弯强度会降低。
当淬火温度大于850℃时，硬度也开始下降。
因此，为减小变形并获得高的耐磨性，由这些钢制造的模具，其淬火加热温度不宜过高。
CrWMn钢淬火常用的冷却介质是硝盐浴和矿物油，其中硝盐浴的使用温度较高而冷却能力却比油大。
对于精度要求高的模具，根据硬度要求选择不同的温度进行等温淬火，等温时间不宜过长，等温后随硝盐浴一起缓冷。
CrWMn钢等温淬火后比普通淬火的强韧性高，对于易产生断裂的模具可采用等温淬火。
该钢淬火后于150～160℃回火，可使原来淬火后膨胀的体积产生收缩。
回火温度升高到220～240℃，又开始出现尺寸膨胀，在260～320℃回火时，会出现尺寸膨胀的最大值，而继续提高温度，变形又趋于收缩。
当CrWMn钢要获得大于60HRC的硬度时，回火温度应不超过200～220℃。
因此，在选择回火温度时应根据模具的结构、尺寸和硬度要求合理选择回火温度。
选择合理的回火温度可以最大限度地消除由淬火产生的内应力，有效提高模具的寿命。
1.3高合金工具钢及其热处理
高耐磨微变性冷作模具钢、高强度高耐磨冷作模具钢、高强韧性冷作模具钢主要是高合金工具钢，用来制造模具的常用牌号有Cr12，Cr12MoV，Cr6WV，Cr5MoV和Cr4W2MoV等。
这类钢的含碳量高，同时含有大量的碳化物形成元素，具有高的淬透性、耐磨性和热硬性。
高合金工具钢由于淬透性高淬火时不需要快速冷却，因此产生的内应力小。
高合金钢模具淬火温度的选择应首先考虑控制淬火变形。
试验证明：当淬火温度为1030～1040℃时模具的变形量最小，接近于零。
低于这个温度淬火，制件发生胀大变形;高于这个温度淬火，制件收缩变形。
淬火温度为1100℃时，收缩量会急剧增大。
为防止模具在高温下氧化和脱碳，一般应在盐浴炉中加热。
冷却方法的选择则根据模具的具体情况和要求而定。
截面尺寸大的模具可用150～200℃的油来充当淬火冷却介质，停留一段时间出油后空冷;大多数中、小尺寸的模具可以采用250～300℃的硝盐浴分级冷却;精度要求高、形状不对称的模具可以采用540～600℃的氯化盐和250～300℃的硝盐浴2次分级冷却;精度要求很高，需要严格控制变形的模具，可以采用2次分级冷却，并在硝盐浴中停留一段时间后随硝盐浴一起缓慢冷却，这样可以最大限度地减小内应力，避免模具开裂或产生细小的裂纹，从而提高模具的使用寿命。
高碳高铬钢的回火抗力高，回火时马氏体的分解和残余奥氏体的转变是影响模具尺寸变形的两个主要因素。
Cr12MV钢采用低温淬火和低温回火时，可以获得高度硬度、强度和断裂韧度;若采用高温淬火与高温回火，将获得良好的热硬性，其耐磨性、硬度也较高，但抗压强度和断裂韧度较低;而采用中温淬火与中温回火，可以获得最好的强韧性配合。
在生产中，采用何种淬回火工艺，应根据模具的工作条件来确定。
2.结论
模具材料是模具制造业的物质基础和技术基础，其品种、规格、质量对模具的性能、使用寿命起着决定性作用。
模具热处理是保证模具性能的重要工艺过程。
它对模具的寿命有着直接的影响。
当热处理工艺不当时，热处理造成的组织结构不合理、晶粒度超标等会导致主要性能如模具的韧性、冷热疲劳性能、抗磨损性能等下降，从而影响模具的工作寿命。
因此，对于不同的冷冲模具应该选择不同的模具材料以及相应的热处理工艺。
【参考文献】
[1]程培源.模具寿命与材料[M].北京：机械工业出版社，.
模具材料与热处理工艺选择问题【3】
【摘 要】随着科学技术的发展和不断提高，模具材料的热处理工艺的选择问题得到了很好的解决。
近几年，我国模具行业发展迅速，不过模具材料的水平和热处理工艺跟发达国家相比，还有很大的差距。
目前模具市场的竞争非常激烈，如何提高模具的生产质量和减少产生周期是一个很重要的问题。
延长模具的性能会带来巨大的经济效益和社会效益。
从理论上讲，模具的性能主要包括精度和表面光洁度。
【关键词】模具材料 热处理工艺 问题研究
在现阶段，模具是一种很重要的加工工艺装备，也是我国制造业发展的重要基础。
随着我国工业的不断发展，对模具材料的性能要求越来越高，对模具材料的需求也相应的增加。
模具材料的性能好坏决定着产品的质量和经济效益。
而模具的寿命对于加工效率和成本也有非常大的影响。
从理论上讲，模具的失效分为工作失效和偶然失效，工作失效指的.是模具在正常工作时发生破损而导致模具寿命的结束。
偶然失效指的是模具由于设计的错误从而导致模具过早的破损。
影响模具寿命的因素包括五点：第一热处理不当，占百45%[1]。
第二，选材不当导致模具结构的不合理，占25%。
第三，工艺问题，占大约10%。
第四，润换问题导致设备损坏，占大约20%。
由此可见，模具材料与热处理之间的关系是影响模具寿命最主要的因素。
解决热处理工艺问题是增加模具寿命的关键。
1 模具材料简介
1.1 冷作模具材料
在模具材料中，冷作模具的种类一般比较多，而且形状结构的差异也比较大。
这种模具材料的工作条件和性能不是很相同。
因此，在选择冷作模具时候，要进行综合的考虑，才能发挥材料的功能。
目前，我国常用的冷作模具材料主要分为四大类：高速钢、硬质合金、碳素工具钢和合金工具钢[2]。
1.2 热作模具材料
在模具材料中，热作模具的选用比较苛刻，热作模具通常要在600℃左右的高温下进行工作，因此对于模具材料的选择有更高的要求，模具材料的强度，硬度，耐磨性和抗冷热疲劳度都要很好。
此外，模具材料还要具备抗氧化性和抗腐蚀性。
为了更好地适应先进的加工技术，很多新设备对于模具材料的韧性也做出了比较高的要求，随着一些新型热加工技术的出现和发展，新型模具材料也应运而生。
例如，铁基高温合金、镍基高温合金和难熔合金用来做高温的热作模具材料[3]。
1.3 塑料模具材料
随着石油化工行业的不断发展，塑料模具已经成为了非常重要的工业原料。
近年来，塑料制品越来越多，因此用于制品的塑料模具消耗量也很多。
与传统的冷作和热作模具相比，塑料模具的性能更为特殊。
塑料模具具有较高的硬度，一般的耐磨性和足够的深化深度。
此外，塑料模具还有较低的耐热性，在200℃-250℃的温度下工作，塑料模具不变形，不养化，稳定性很好。
最后，塑料模具的耐腐蚀性比热作和冷作模具要好很多。
1.4 玻璃模具材料
玻璃模具材料是一种新型的模具，目前，随着科学的不断发展，很多大型公司都在研制性能更好的玻璃模具材料来代替其他模具[4]。
2 冷作模具材料及其热处理的选择
对于冷作模具来讲，其使用寿命与模具的硬度，强度和耐磨性有很大的关系。
因此，对于冷作模具的热处理工艺要求很高。
对于冷作模具材料的主要性能要求是：首先要有很好的耐磨性，高强度和足够的韧性;其次要具有很好的抗疲劳性，抗擦伤性以及咬合性。
2.1 低淬透性冷作模具钢及其热处理
满足以上性能要求的冷作模具材料包括低淬透性冷作模具钢，低变形冷作模具钢和高合金工具钢等。
在低淬透性冷作模具钢中使用最多的是碳素工具钢，其主要特点是含碳量比较高，耐热性比较好，可以在临界迅速地冷却并产生热应力的变形，这种变形可以主导模具的收缩方向。
碳素工具钢的含碳量越高，其收缩量也就越大[5]。
除此之外，碳素工具钢的收缩会导致模具内部产生很大的内应力，这种内应力必须通过回火或者其他的方法进行消除。
当然对于这种变形量的大小也要受到模具截面尺寸和淬火加热温度的影响。
因此，影响低淬透性冷作模具钢冷作模具寿命的主要因素就是淬火的工艺。
2.2 低变形冷作模具钢及其热处理
对于低变形冷作模具钢来讲，其主要是在碳素工具钢的基础上添加少量的合金元素发展起来的。
其中CrWMn是典型的钢种，这种钢结构具有很好的高淬透性。
并且在淬火的时候不需要进行强烈的冷却，淬火的变形量也比碳素工具钢要明显减少。
但是，这类钢的变形也同样受到淬火加热温度和模具截面尺寸的影响。
低变形冷作模具钢淬火温度在选择的时候，由于钨形式碳化物，这种钢在淬火低温回火时都具有很多的碳化物，并且具有很高的硬度。
当采用800℃进行加热淬火时，可以得到较高的硬度(63HRC)，还可以获得较高的抗弯强度和韧性。
如果继续提高淬火温度时，低变形冷作模具钢的硬度就会慢慢地降低，而且抗弯强度也会降低。
当淬火温度大于850℃时，硬度不断开始下降。
所以，为了减少低变形冷作模具钢的变形量和提高耐磨性，淬火的温度不宜过高[6]。
2.3 高合金工具钢及其热处理
对于高合金工具钢来讲，其主要性能与碳素工具钢有一定的区别，高合金工具钢的高强度和耐磨性都比碳素工具钢要好很多。
高合金工具钢的含碳量很高，同时还具有大量的碳化物元素，因此高合金工具钢具有很高的淬透性、耐磨性和热硬性。
高合金工具钢在淬火时候不需要进行快速的冷却，因此产生的内应力比较小。
高合金钢模具的淬火温度的选择，首先要考虑控制淬火的变形。
而冷却的方法则要根据模具的具体要求和情况而定。
高合金工具钢的回火抗力很高，因此，在回火的时候很容易导致马氏体的分解和残余奥氏体的转变，这两种转变和分解都会影响模具尺寸的变形。
因此高合金工具钢一般都采用低温淬火和低温回火。
这样可以很好地获得高强度、高韧性和高耐磨性。
此外，在模具材料生产过程中，要根据模具的工作条件来确定何种方法淬火和回火。
结语
在整个模具制造行业中，模具的材料是其物质基础和技术的基础。
模具材料性能的好坏时时刻刻影响着模具的寿命。
因此要提高模具的寿命必须要对模具进行热处理，模具的热处理工艺是保证模具性能的重要过程，与模具的寿命息息相关。
如果模具材料的热处理工艺不当，就会导致模具性能不良，例如模具的韧性，冷热疲劳性能和抗磨损性能的下降。
从而严重地影响模具的工作寿命，还会降低产品的质量。
因此。
对于不同的冷冲模具应该选择不同的模具材料以及相应的热处理工艺。
参考文献
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1 定西隧道概况
1.1 工程概况
连霍国道主干线 (GZ45) 天定高速公路TD19合同段定西属公路双车道单洞隧道, 隧道埋深较浅, 隧道围岩属风积新黄土和强风化泥岩, 黄土具有湿陷性, 对隧道的基底造成威胁, 而且黄土和强风化泥岩极易塌方变形, 给施工带来一定难度。隧道全长2 505 m (SK325+835-SK327+890) , 埋深最大达到164 m左右。地表分布有6.0～33.4 m的新黄土 (Q3eol) , 其余均为第三系泥岩 (N) 。其中V类围岩段长120 m, 占4.8%;IV类围岩段长2 385 m, 占95.2%。暗洞按新奥法原理施工, 隧道衬砌断面采用三心圆设计, 标准断面净面积为62.8 m2, 紧急停车带净宽13.0 m, 建筑界限高度5.0 m。隧道断面采用喷锚支护复合模筑混凝土衬砌, 内夹防排水层。路面采用单面横坡, 坡度2%～4%, 路面双侧设排水沟, 线路中心设深埋中心排水沟。隧道衬砌明洞结构为现浇钢筋混凝土, 厚度为70 cm。暗洞结构为喷锚支护复合衬砌。初期支护以锚杆、钢拱架、钢筋网及喷射混凝土组成联合支护体系, 二次衬砌为模筑混凝土结构, 二者之间设防水、排水设施。
1.2 工程地质和水文地质
隧址区地表覆盖着第四系上更新统风积新黄土, 受历年的剥蚀风化, 厚薄不均, 厚度6.0～33.4m;中部为第三系全风化泥岩, 分布较为普遍;下部为第三系强风化泥岩, 埋藏较深。地层岩性分述如下:一是新黄土 (Q3eol) , 淡黄色, 土质均匀, 岩芯柱状及饼状, 大孔隙, 垂直节理发育, 具湿陷性, 层厚为6.0～33.4 m, 半坚硬;二是第三系泥岩 (N) , 棕黄～棕红色, 全风化, 结构已完全破坏成土状及碎屑状, 致密, 坚硬, 细腻均匀, 次生节理发育, 遇水软化, 失水干裂, 易风化, 层厚49.0～105.4 m;三是第三系泥岩 (N) , 紫红色, 强风化, 结构已部分破坏, 构造层理不清, 泥质胶结, 成岩性差, 易风化, 节理发育可见细微裂隙, RQD约为77%～94%, 厚度15.3～26.2 m, 未穿透。隧址区地表沟谷平时干涸, 暴雨来临, 洪水在山沟容易形成小的山洪。隧址区地下水类型属于孔隙裂隙水, 勘察期间钻孔内未发现地下水。
2 黄土工程特性及其灾害
2.1 黄土的成分和结构
黄土成分以粉土为主, 包含细砂、粉土、黏粒等。黄土的结构取决于粗颗粒级配、接触的关系, 孔隙的类型和大小, 胶联结构的类型、状态及特征。原生黄土以支架接触、镶嵌接触和分散接触等关系的粗颗粒构成黄土的基本骨架, 决定黄土结构的稳定性;黄土孔隙率高达40%～50%, 发育为粒间小孔和各种特有的大孔隙 (如虫孔, 植物根孔, 裂隙, 封闭空洞, 潜蚀空洞等) , 他直接影响黄土的压缩性和湿陷性;水胶联合是黄土颗粒之间的主要联结形式, 在干燥时赋予黄土相当高的强度, 但遇水后联结削弱强度降低。残积坡积等次生黄土多具不等粒“斑状”结构, 大孔隙多, 形状复杂。
2.2 黄土的基本工程地质特征
湿陷性是黄土在自重压力或外力荷载情况下, 由于含水量的增加而产生的急骤显著附加下沉, 从而引起地面的变形和建筑物的破坏。湿陷性地层主要是晚更新世Q3马兰黄土和全新世Q4新近堆积黄土。黄土浸水过程中, 湿陷处于发展期, 此时土的抗剪强度降低最多, 当湿陷压密过程基本结束时, 土的含水量虽高, 但此时土的抗剪强度却高于湿陷过程相应值。黄土矿物中含有伊利石, 蒙脱石等粘土矿物, 这些黏土矿物 (尤其是伊利石) 具有较好的亲水性[3], 受水浸润后与水发生作用形成空洞, 是导致湿陷的主要原因之一;黄土中的柱状节理发育, 粉粒吸水性较差, 故而黄土具有较好的渗透性, 地表水迅速下渗至泥岩或砂岩层以泉水形式流到沟谷。
2.3 黄土隧道的主要工程地质灾害
在黄土地区修建道路隧道, 或多或少会受到物理地质作用并产生一定的工程地质灾害, 概括起来主要有:塌方、塌顶、坍洞、滑坡、滑塌、洞内风积尘土[4]。地震可引起黄土层剧烈运动使得结构更加松散, 稳定性降低。黄土区地震波卓越周期一般为0.15～0.30 s, 其传播速度为150～600 m/s。地震对黄土隧道破坏性较大, 应引起足够重视。因地震产生的灾害主要有:破坏黄土的天然直立性, 使高边坡滑塌, 砂土液化。黄土区降水量较小, 年降水量一般为205～860 mm, 降水主要集中在7—9月, 约占全年的60%以上, 故而夏季雨水多、易成灾。水作用产生的灾害主要有:地表冲刷, 水土流失, 隧道湿水, 产生下伏洞穴, 腐蚀钢材、混凝土。定西黄土隧道围岩分类比较复杂, 隧道构造节理较发育, 洞身围岩为IV, V类围岩, 围岩自身稳定性较差, 受地质构造影响程度较大, 易发生塌陷现象。在隧道浅埋段施工过程中防坍塌、冒顶是本工程的施工重点。
3 定西隧道施工期变形特点分析
3.1 隧道施工方案
定西隧道围岩主要为第三、第四系泥岩、新黄土, 洞身开挖主要以人工配合挖掘机进行。如在IV类围岩开挖施工中出现破碎岩层, 可采用光面爆破进行开挖, 出碴方式采用无轨运输, 侧翻装载机出碴, 8T自卸汽车运输。隧道V级围岩采用双侧壁导坑法先行开挖, 待侧壁导坑支护完毕后, 再进行正洞上下台阶法开挖及支护施工, 正洞开挖与每单侧导坑间隔开挖距离 (已支护完毕断面间隔距离) 控制在5～8 m。开挖时采用上下台阶开挖法 (开挖高度要考虑工字钢的利用率) , 即环形开挖中心留核心土法, 下台阶左、右间隔开挖;上台阶纵向长度控制在5～8 m, 下台阶与上台阶距离控制在5～8 m, 土质围岩的情况下采用人工配合机械进行, 开挖方法见第98页图1。
3.2 典型断面监测数据
定西隧道出口浅埋洞段地表典型监测数据见第98页图2, 典型断面锚杆布设位置图见第98页图3, 锚杆轴力测试结果见第98页表2、表3。
3.3 黄土隧道的主要工程性质及原因分析
由上述监测数据可以看出, 黄土隧道和岩质隧道与一般土质隧道有很大区别。黄土区别于其他土质的显著特征就是结构性和湿陷性。定西市是严重缺水地区, 自古被称做“贫瘠甲天下”的地方, 因此我们暂不考虑湿陷性的影响。通过监测数据总结出以下主要特点:一是由地表下沉监测数据可以看出, 忽略测量误差, 隧道浅埋段地表几乎没有下沉;二是拱顶下沉和水平收敛并不是随着掌子面的开挖而立刻发生的, 而是一衬喷射混凝土施工完成几天后才显著发生。掌子面刚刚开挖后洞周黄土还保持原有状态, 由于结构性, 洞周黄土变形很小;一衬喷射混凝土是多孔透气结构, 由于风化作用, 黄土逐渐失水, 基质吸力逐渐增大, 卸荷节理逐渐产生, 洞周黄土逐渐卸荷, 松动变形增大。在仰拱施工前隧道的变形主要集中在这里。仰拱开挖前, 最大拱顶下沉量只有2 cm以下, 仰拱开挖后最大拱顶下沉量也只是4 cm左右。由于黄土的结构性, 使黄土隧道的变形相对很小。三是由锚杆轴力监测数据可以看出, 松动圈的范围也是相对很小的。黄土隧道一般按疏松石质隧道的普氏理论计算、设计。但实际上, 由于黄土的结构性, 无论变形还是受力都远小于设计计算值。黄土具有流变性, 因此围岩压力和隧道变形不会在短期内完成达到稳定, 应加强后期监控测量。
施工顺序为1—2—3—4—5下一循环
(kN)
4 结论
黄土是第四纪大陆松散堆积物, 与人类活动密切相关, 近年来陆续修建了一些黄土公路隧道, 黄土隧道施工技术取得突破性进展。而黄土地层中修建的隧道明显区别于山岭隧道和一般土质隧道, 具有明显的黄土工程特性。一是经黄土试验段的应力测量, 在一定程度上反映了土质隧道围岩压力是变形压力和松动压力两部分组成, 说明洞周土体也具有一定自承能力, 应尽量去保护和利用它。这也是在土质隧道中采用“新奥法”原理施工的一个显著特点。二是黄土隧道一般按疏松石质隧道的普氏理论计算、设计, 但实际应力和变形都小于设计值, 设计偏于保守, 没有考虑黄土结构性的影响。三是鉴于以往先拱后墙法施工的黄土隧道运营后出现的病害及目前的支护手段, 黄土隧道施工应该优选先墙后拱法。做到开挖自上而下, 衬砌自下而上。四是在土质隧道中, 由于黄土的流变性, 洞围土体变形所经历的时间长, 而模筑衬砌施工得又较早, 衬砌要承受土体后续变形所引起的荷载, 因此, 模筑衬砌就不能仅作为安全储备来考虑, 应加强后期监控量测。
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关键词：用途和型号；户内式高压熔断器；户外式高压熔断器；高压熔断器的选择
中图分类号：TM563 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2014） 18-0000-01
一、高压熔断器用途和型号
熔断器是高、低压配电系统中一种常见的保护元件，作短路保护，在一定条件下也可起过载保护作用。熔断器使用时串联在电路中，通过熔体的电流小于等于其额定电流时，熔体不会熔断，只有在超过其额定电流并达到熔断电流时熔体才会熔断。当线路中出现短路（或过载）电流时，通过熔体的电流大于规定值，熔体过热而被熔化，能自动分断电路，可避免电网或电器设备损坏，防止事故的发生，保护电路中的电气设备。在3kV-35kV小容量装置中，熔断器可用于保护线路、变压器电动机及电压互感器等。
高压熔断器的分类有下几种方法：按安装地点可分为户内式和户外式；按动作特征性可分为固定式和自动跌落式；按工作特性可分为有限流作用和无限流作用。在冲击短路电流到达之前能切断短路电流的熔断器称为限流式熔断器，否则称非限流式熔断器。
二、户内式高压熔断器
RN1系列熔断器为限流式有填料高压熔断器，瓷质熔件管的两端焊有黄铜罩，黄铜罩的端部焊卜管盖，构成密封的熔断器熔管。熔管的陶瓷芯上绕有工作熔体和指示熔体，熔体两端焊接在管盖上，管内填充满石英砂之后再焊上管盖密封。
熔体用银、铜和康铜等合金材料制成细丝状，熔体中间焊有降低熔点的小锡球。指示熔丝为一根由合金材料制成的细丝。在熔断器保护的电路发生短路时，熔体熔化后形成电弧，电弧与周围石英砂紧密接触，根据电弧与固体介质接触加速灭弧的原理，电弧能够在短路电流达到瞬时最大值之前熄灭，从而起到限制短路电流的作用。
熔体的熔断指示器在熔管的一端，正常运行时指示熔体拉紧熔断指示器。工作熔体熔断时也使指示熔体熔断，指示器被弹簧推出，显示熔断器已熔断。
RN2型高压熔断器是用于电压互感器回路作短路保护的专用熔断器。RN2型与RN1型熔断器结构大体相同。由于电压互感器的一次额定电流很小，为了保证RN2型的熔絲在运行中不会因机械振动而损坏，所以RN2型熔断器的熔丝是根据对其机械强度要求来确定的。从限制RN2型熔断器所通过的短路电流考虑，要求熔丝具有一定的电阻。各种规格的RN2型熔断器，对熔丝的材料、截面、长度和电阻值大小均有一定要求；更换熔丝时不允许随意更改，更换后的熔丝材料、截面、长度和电阻值均应符合要求，否则会在熔断时产生危险过电压。
RN2型高压熔断器的容管没有熔断指示器，运行中应根据接于电压互感器二次电路中仪表的指示来判断高压熔丝是否熔断。
RN2系列熔断器件是绕在陶管芯上的熔丝，由三级不同截而的康铜丝组成。采用不同截面组合是为了限制灭弧时产生的过电压幅值。
常用的高压熔断器，有RN2、RNS5、RN6和RXNM1—6、RXNT1—10系列高压熔断器以及RXNT2—IO型高压熔断器。
三、户外式高压熔断器
（一）跌落式熔断器
跌落式熔断器是喷射式熔断器。熔管由环氧玻璃钢或层卷纸板组成，其内壁衬以红钢纸或桑皮做成消弧管。熔体又称熔丝，熔丝安装在消弧管内。熔丝的一端固定在熔管下端，另一端拉紧上面的压板，维持熔断器的通路状态。熔断器安装时，熔管的轴线与铅垂线成一定倾斜角度，以保证熔丝熔断时熔管能顺利跌落。
当熔丝熔断时，熔丝对压板的拉紧力消失，上触头从抵舌上滑脱，熔断器靠自身重力绕轴跌落。同时，电弧使熔管内的消弧管分解生成大人量气体，熔管内的压力剧增后由熔管两端冲出，冲出的气流纵向吹动电弧使其熄灭。熔管内所衬消弧管可避免电弧与熔管直接接触，以免电弧高温烧毁熔管。
（二）限流式熔断器
RXW—35型限流式熔断器如RXW图所示。它是35kV户外式高压熔断器，主要用于保护电压互感器。熔断器由瓷套、熔管及棒形支持绝缘子和接线端帽等组成。熔管装于瓷套中，熔件放在充满石英砂填粒的熔管内。RXFW9—35型限流式熔断器的灭弧原理与RN系列熔限流式有填料高压熔断器的灭弧原理基本相同，均有限流作用。
此外，还有RW3—10、RW7—10、RW5—35、RW10—35、RW10—10F和RXW0—35等系列高压熔断器。为了保证在暂时性故障后迅速恢复供电，有些高压熔断器具有单次重合功能。例如RW3—10Z型单次黍合熔断器，它具有两根熔件管，平时只有一根接通工作，当这根熔件管断开后，相隔一定时问（约0.3 S以内），另一根熔件管借助于重合机构而自动重合，得以恢复供电。
四、高压熔断器的选择
（一）熔断器规格的选择
1.额定电压的选择：可按电网的额定电压或高于电网的额定电压选择。
2.额定电流的选择：应大于或等于熔体的额定电流。
（二）熔体额定电流的选择
1.100KVA以上配电变压器高压侧熔丝的额定电流，按配变高压侧额定电流的1.5-2倍选择。
2.100KVA及以下配电变压器高压侧熔丝的额定电流，按配变高压侧额定电流的2-3倍选择。
3.配电变压器低压侧熔丝的额定电流，按配电变压器低压侧额定电流1-1.2选择。
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