CN103291677A

CN103291677A - 一种用于水液压元件中的套类零件及其制作方法和应用

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Publication number: CN103291677A
Application number: CN2013101982347A
Authority: CN
Inventors: 朱碧海; 赵天梁
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2013-05-24
Filing date: 2013-05-24
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2033-05-24
Also published as: CN103291677B

Abstract

本发明公开了一种用于水液压元件的套类零件，其为中空筒体结构，筒体材料为筒骨材料经机械加工制成，筒体外周还可以加配合套形成强度更高的筒体结构。本发明另外还公开了一种用于水液压元件的套类零件，其为中空筒体结构，其特征在于，所述筒体材料由骨粉末与高分子材料混合得到的复合材料。本发明还公开了其制备方法和应用。本发明的用于水液压元件中的套类零件主要承受压缩力，采用天然骨材料制作套类零件，由于骨的微观组织结构中的微小空洞和细胞组织的粘弹性，使其具有很好的水润滑能力和适度的抗冲击能力。

Description

一种用于水液压元件中的套类零件及其制作方法和应用

技术领域

本发明涉及水液压元件，具体涉及一种用于水液压元件中的套类零件及其制作方法和应用。

背景技术

海（淡）水液压技术是适应人类进入海洋的需求，在流体动力技术方面的新发展。水液压技术的集中体现就是各种水液压元件，如滑阀、泵、柱塞、滑动轴承等。由于水体中环境恶劣，如海洋环境中海洋生物的侵蚀、水中微小颗粒的磨料磨损等，这些水液压元件的摩擦副在海（淡）水中工作时最常见的问题就是腐蚀和磨损。最常见的摩擦副结构形式是“轴（如销、柱塞、阀芯）与套类（如轴承套、柱塞套和滑阀阀套）”，特别是其中的套类零件，如滑阀阀套、柱塞套和滑动轴承套，其腐蚀和磨损更是严重，因此如何提高套类零件的耐磨和耐腐蚀性能，已成为目前领域中需要主要克服和解决的技术问题。

陶瓷的硬度高和高弹性模量，可用在高温、腐蚀性强、高摩擦性的使用环境中。高性能的工程陶瓷用作机械零件越来越多，如涡轮增压器的转子和汽车发动机中的挺杆头，食品加工设备中使用的无油润滑轴承、航空涡轮叶片等。但是，因为陶瓷的脆性，不能承受拉应力、弯曲应力和截面突变等，很难制作液压元件的复杂受力和复杂形状的零件，用陶瓷做的液压元件有很多不足。特别是工程陶瓷不适合于与金属材料摩擦副配对，会导致金属零件磨损太快，如果直接用陶瓷与陶瓷配对摩擦副，其中必有一件因陶瓷的脆性不能满足零件受力要求。因此，陶瓷材料虽然耐腐蚀性能比较好，机械性能优越，但加工性很差，不适合开孔和开槽零件的结构，而且与钢件对磨时，如果出现磨粒，很容易磨损和卡阻，因此用作海水或水液压元件的关键摩擦副零件还是受到限制的。

由于陶瓷材料的局限性，目前出现了采用工程塑料作为套类零件的方案，例如

工程塑料等。PEEK450CA30是30%碳纤维与PEEK复合的工程塑料,PEEK450GL30是30%玻璃纤维与PEEK复合的工程塑料，二者广泛用在各种结构形式机械零件和人工骨科材料；WG101和PEEK450FC30都是用来制作水润滑滑动轴承的工程塑料。PEEK450FC30除含碳纤维外还添加有改善其摩擦磨损性能的石墨、聚四氟乙烯。WG101是英国威格斯公司的耐磨材料产品，是减磨材料与PAEK复合的工程塑料，表现出比PEEK450FC30更耐磨的性能。但是由于塑料有吸水性、老化和蠕变的特点，尺寸不稳定，也不耐磨料磨损，特别是用在海水液压元件中，由于水体中微小颗粒较多，其耐磨料磨损仍然是弱项，而且塑料还存在蠕变和老化等弱点。

发明内容：

本发明提供一种用于水液压元件的套类零件及其制作方法和应用，目的在于通过采用天然的动物骨头材料经过机械加工制成套类零件，作为水液压元件中的套类零件，从而解决水液压元件中的套类零件的耐磨性和耐腐蚀性问题。

按照本发明的一个方面，提供一种用于水液压元件的套类零件，其为中空筒体结构，其特征在于，所述筒体为筒骨经机械加工制成。

作为本发明的改进，所述筒骨优选是动物长骨，更优选是长骨中的骨干段。

作为本发明的改进，动物长骨可以是牛、驴、马、羊和狗的长骨中的骨干段。此部位是骨密质结构，长期承受动物躯干重压，具有较好的压缩极限强度。

作为本发明的改进，所述的水液压元件可以为水液压比例阀、水液压伺服阀、柱塞泵或者滑动轴承，其中的套类零件可以为滑阀阀套、柱塞套或轴承套等。

作为本发明的改进，外周上可配合套接作为加强件的加强筒体。

按照本发明的另一个方面，提供一种用于水液压元件的套类零件，其为中空筒体结构，其特征在于，所述筒体材料由骨粉末与高分子材料混合得到的复合材料。

按照本发明的又一个方面，提供一种用于水液压元件的套类零件的制备方法，其特征在于，包括：选取中空筒状的骨材料，对骨材料进行机械加工，从而得到套类零件。

作为本发明的进一步优选，所述机械加工包括截取一定长度的直筒以及对直筒筒体车外圆和内孔的步骤。

作为本发明的进一步优选，所述机械加工还可以包括对筒体进行倒角和/或钻孔的步骤。

作为本发明的进一步优选，所述方法还可以包括对机械加工后的套类零件进行打磨抛光和/或涂层的步骤。

按照本发明的再一个方面，提供一种水液压元件，其中，该水液压元件中包括上述的套类零件。

作为本发明的进一步优选，上述水液压元件为轴承、柱塞泵或滑阀，相应的套类零件为轴承套、柱塞套或滑阀阀套。

本发明的用于水液压元件中的套类零件主要承受压缩力，采用天然骨材料制作套类零件，由于骨的微观组织结构中的微小空洞和细胞组织的粘弹性，使这种套类零件具有较好的水润滑能力和抗冲击能力。

附图说明

图1为本发明实施例中的牛股骨骨干段示意图，其中（a）为未加工的牛股骨，（b）为车床加工外圆后的牛股骨；

图2为本发明一个实施例的用作液压阀阀套的结构示意图；

图3为本发明另一个实施例的用作柱塞泵的柱塞套的结构示意图；

图4为本发明再一个实施例的用作水压伺服阀阀套的结构示意图，其中，1为阀体，2为组合阀套I，3为阀芯，4为组合阀套II，5为固定阀套的套筒；

图5为本发明实施例的牛股骨与其他材料摩擦磨损试验时的摩擦系数随试验时间变化的关系曲线图；

图6为本发明实施例的牛股骨分别与316L、PEEK、氧化铝陶瓷配对进行摩擦磨损试验时磨损量的比较图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

液压元件的套类零件一般为“短管”形零件，其外圆一般与固定它的基体类零件过盈或过渡配合，内孔与轴类零件（柱塞、阀芯或轴颈）的外圆间隙配合。内孔承受来自轴类零件的径向作用力，同时还与轴类零件的外圆相对滑动和相对转动，因此，套类零件主要受压应力，所用材料要求压缩强度要高，摩擦磨损性能要好。

套类零件的外圆一般与固定它的基体类零件过盈或过渡配合，内孔与轴类零件（例如柱塞、阀芯和轴颈）的外圆间隙配合。套类零件也可以由多个简单的套类零件分段组装而成。

如图2和3，本实施例中的套类零件应用于水液压元件中，其采用动物骨干段材料经机械加工制成。本实施例中以阀套为例，具体说明利用动物骨干段材料制作的工艺。

如图1所示，哺乳动物股骨（可以是牛、驴、马、羊和狗的长骨，人骨除外）中的骨干段除去骨髓后即为一中空、壁厚均匀且近似圆形的密骨质结构，因长期承受动物躯干重压和运动冲击，表现出较好的压缩极限强度和压缩弹性模量。

首先，将除去骨髓后的中空、壁厚均匀且近似圆形的密骨质结构进行风干。

然后，用机械加工方法先截取股骨中的“直”和“圆”的筒段，用车床加工外圆后以外圆为基准加工内孔。套类零件的内孔和外圆的尺寸应结合所应用的场合去确定，例如可以对天然动物骨进行车外圆、车内孔、钻孔、倒角、切断等加工处理。

本实施例以加工水压伺服阀阀套为例，其具体加工工艺流程如下：

1、在准备的牛股骨骨干段中选择形状尺寸相对规则的毛坯。

2、在选择的股骨骨干段上截取长度为40mm的“直”和“圆”的一段，去除骨中的骨髓，清洗，然后自然风干。

3、粗车外圆，用双顶尖固定住毛坯材料，将不规则的外圆试样车成满足圆度要求的试样。

4、精车外圆，保证外圆尺寸优选例如Φ30mm。

5、以外圆为基准，粗、精车内孔，保证内孔尺寸优选例如Φ24mm。

6、粗、精车两端面，将试样长度控制在优选例如35mm。

实际加工过程中发现刀具的磨损小，切屑短、形状规则，同时加工的骨零件尺寸稳定，采用磨削等精加工方法，可以达到较好的表面粗糙度，能达到IT5～6级精度。这些都说明天然牛股骨具有良好的切削加工性能。

如图4为水压伺服阀的滑阀偶件结构图，其中阀套采用组合式阀套结构，阀芯3采用金属材料或陶瓷材料，组合阀套2材料为天然牛股骨，起支撑导向作用，组合阀套4材料为金属，起节流窗口作用。固定阀套2、4的套筒5采用金属材料。其中组合阀套2、4和套筒5 之间用过盈配合联接在一起，套筒5和阀体1配合，保证间隙为0.001～0.003mm，阀芯3和组合阀套2、4之间为间隙配合，保证间隙为0.001～0.003mm。

另外还可以通过过盈配合的方式在金属套内镶嵌本实施例的骨材料套类零件，与其他材料组成摩擦副，一方面能获得更好的摩擦学性能，同时也能提高这种套类材料的强度，使之能应用于一些对摩擦副材料的强度、比压要求更高的场合。比如可以应用于水液压柱塞泵中的柱塞套，柱塞泵泵轴的滑动轴承等。也可以将骨材料例如牛股骨制成粉末，与其他性能优异的高分子材料混合得到综合性能更佳的复合材料。

动物骨骼主要由有机物和无机物构成，有机物主要为蛋白质（胶原和非胶原蛋白），使骨具有一定的韧度；而无机物主要是羟基磷灰石（HA）晶体，常呈细针状结晶（长20～40nm，宽2～3nm），形成“天然陶瓷材料”，使骨具有一定的硬度。无论哪种类型的骨，其表层（外层）均质密而坚硬，称为骨密质又称皮质骨。由骨密质往里，其骨的结构疏松，呈海绵状，由许多骨小梁构成，称骨松质，又称松质骨。密质骨主要存在于长骨骨干和其他类型骨的骨表面；松质骨主要存在于椎骨、长骨干骺端和肋骨等处。密质骨骨层厚，硬度大，故抗压力和张力的力量强。

选用的骨材料除用干燥未脱细胞骨以外，还可以用脱细胞骨。脱细胞骨形成的孔隙可以用聚四氟乙烯来填充，以进一步改善其摩擦学特性。

如表1-表3，以牛长骨的密质骨力学性能（表1）与常用工程陶瓷材料（表2）、工程塑料（表3）的性能对比。

Figure 2013101982347100002DEST_PATH_IMAGE001

从表1可以看出，羚牛和家牛股骨的压缩强度比拉伸强度大，由此可以推断出驴、马等大型体格动物的压缩强度与拉伸强度的大小关系与之类似。

表2常用工程陶瓷的性能

Figure 2013101982347100002DEST_PATH_IMAGE002

从表2可以看出，工程陶瓷的压缩强度比抗拉强度高一个数量级，高弹性模量、高压缩强度、高硬度、耐高温是其机械性能的特点，但易脆、不易加工和不能承受拉应力，零件的截面面积变化不能太大。

表3常用

工程塑料的性能

耐磨性：PEEK WG101>PEEK450FC30>PEEK450CA30>PEEK450GL30

从表3可以看出，

工程塑料的压缩强度和拉伸强度差不多，其中PEEK450FC30的压缩强度和拉伸强度与表1中的牛股骨的数值较为接近。PEEK的高强度，高硬度是其机械性能的特点，但塑料有吸水性、老化和蠕变的特点，尺寸不稳定，也不耐磨料磨损。

天然的骨材料本身就是一种生物陶瓷，尺寸稳定，有与工程塑料相当的压缩强度，骨组织内部流动性细胞组织形成微小的空洞和孔隙，为加工后的内孔表面形成天然的微“水坑”，不仅有利于改善水润滑效果，还能容纳工作介质中固体颗粒，以减轻磨料磨损。另外，未脱细胞的干燥骨组织中残留的细胞材料具有“脂”的特性，能减轻摩擦阻滞，特别适合于伺服阀和比例阀的阀套选材。因此天然骨的材料具有天然的耐腐蚀性。

利用MMU-10F端面腐蚀磨损试验机对天然牛股骨进行摩擦磨损试验，通过试验的方法来研究其摩擦学性能。该试验机转速通过变频器调速***来控制，载荷由液压***驱动的液压缸来施加，上下试样的接触形式为环面接触，上试样通过球铰自动调心，保证上下试样均匀接触。试验时分别将316L(022Cr17Ni12Mo2)、PEEK、AL₂O₃陶瓷作为上试样，天然牛股骨作为下试样。图5为不同摩擦副配对下摩擦系数随时间变化的关系曲线，由图5可以看出，与现在常用的金属对陶瓷、金属对PEEK等常用阀芯阀套摩擦副配对材料相比，天然牛股骨和316L、PEEK、AL₂O₃陶瓷分别配对组成摩擦副进行摩擦磨损试验时，天然骨和316L、AL₂O₃陶瓷配对时摩擦力小，摩擦系数小且随着试验时间的增加摩擦系数不断趋于稳定。伺服阀和比例阀要求阀芯阀套之间摩擦磨损小，阀芯在阀套里移动灵活，无黏着卡滞现象。传统的金属和陶瓷、陶瓷和陶瓷的配对方式无法满足比例阀和伺服阀的高要求，容易出现卡滞或卡死现象。天然牛股骨分别与316L和AL₂O₃陶瓷配对作为摩擦副时的良好的摩擦性能，满足了伺服阀和比例阀对阀套类材料的要求。图6为天然牛股骨分别与316L、PEEK、AL₂O₃陶瓷试样时的磨损量比较图，从该图可以发现天然牛股骨与PEEK配对进行摩擦磨损试验时，磨损量比较大，这主要是因为天然骨与PEEK之间发生了粘着磨损，PEEK表面出现撕裂现象，导致PEEK表面磨损严重，粘着磨损的发生也与天然骨和PEEK材料的组织成分中都含大量的碳元素有关。同时，也可以看出天然牛股骨的磨损量比配对的金属和陶瓷都要多，说明它的强度还比不上金属和陶瓷。但是试验时所选择的工况(比压p=0.42MPa，v=0.44m/s)已能完全反映水压伺服阀阀芯和阀套正常工作时的工况。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于水液压元件中的套类零件，其为中空筒体结构，其特征在于，所述筒体由筒骨材料经机械加工制成。

2.根据权利要求1所述的用于水液压元件中的套类零件，其特征在于，所述筒骨材料优选动物长骨，更优选是长骨中的骨干段。

3.根据权利要求1或2所述的用于水液压元件中的套类零件，其特征在于，所述筒骨可以是牛、驴、马、羊或狗的长骨中的骨干段。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的用于水液压元件中的套类零件，其特征在于，所述的水液压元件为滑阀、柱塞泵或者轴承，所述的套类零件对应为滑阀阀套、柱塞套或轴承套。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的用于水液压元件中的套类零件，其特征在于，所述筒体外周上可配合套接加强筒体。

6.一种用于水液压元件中的套类零件，其为中空筒体结构，其特征在于，所述筒体材料为由动物骨头粉末与高分子材料混合制得的复合材料。

7.一种用于水液压元件中的套类零件的制备方法，其特征在于，该方法包括：

选取中空筒状的骨材料，对骨材料进行机械加工，从而得到套类零件。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述机械加工包括对骨材料截取一定长度的直筒以及对直筒筒体进行车外圆和内孔的步骤。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述机械加工还可以包括对筒体进行倒角和/或钻孔的步骤。

10.一种水液压元件，其特征在于，该水液压元件中的套类零件为权利要求1-6中任一项所述的套类零件。