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操作机整机设计原则和设计方法
1. 操作机整机设计原则
(1)最小运动惯量原则 由于操作机运动部件多,运动状态经常改变,必然产生冲击和振动,采用最小运动惯量原则,可增加操作机运动平稳性,提高操作机动力学特性。为此,在设计时应 注意在满足强度和刚度的前提下,尽量减小运动部件的质量,并注意运动部件对转轴的质心配置。
(2)尺度规划优化原则当设计要求满足一定工作空间要求时,通过尺度优化以选定最小的臂杆尺寸,这将有利于操作机刚度的提高,使运动惯量进一步降低。
(3)高强度材料选用原则 由于操作机从手腕、小臂、大臂到机座是依次作为负载起作用的,选用高强度材料以减轻零部件的质量是十分必要的。
(4)刚度设计的原则 操作机设计中,刚度是比强度更重要的问题,要使刚度最大,必须恰当地选择杆件剖面形状和尺寸,提高支承刚度和接触刚度,合理地安排作用在臂杆上的力和力矩,尽量减少杆件的弯曲变形。
(5)可靠性原则 机器人操作机因机构复杂、环节较多,可靠性问题显得尤为重要。一般来说,元器件的可靠性应高于部件的可靠性,而部件的可靠性应高于整机的可靠性。可以通过 概率设计方法设计出可靠度满足要求的零件或结构,也可以通过系统可靠性综合方法评定操作机系统的可靠性。
(6)工艺性原则 机器人操作机是一种高精度、高集成度的自动机械系统,良好的加工和装配工艺性是设计时要体现的重要原则之一。仅有合理的结构设计而无良好的工艺性,必然导致操作机性能的降低和成本的提高。
2.操作机的设计方法和步骤
(1)确定工作对象和工作任务 开始设计操作机之前,首先要确定工作对象、工作任务。
1)焊接任务:如果工作对象是一辆汽车或是一个复杂曲面的物体,工作任务是对其进行弧焊或点焊,则要求机器人的制造精度很高,弧焊任务对机器人的轨迹精度 和位姿精度及速度稳定性有很高的要求,点焊任务对机器人的位姿精度有很高的要求,两种任务都要求机器人具备摆弧的功能,同时要能在狭小的空间内自由地运 动,具备防碰撞功能,故机器人的自由度至少为六个。
2)喷漆任务:如果工作对象是一辆汽车或是一个复杂曲面的物体,工作任务是喷涂汽车的内部和车门或是复杂曲面物体的表面,则要求机器人手腕要灵活,能够在 狭小的空间内自由地运动,具备防碰撞功能;要求机器人能够在长时间内连续稳定可靠地工作;同时要求机器人具备光滑的流线型外表面,漆、气管线最好能从其横 臂和手腕内部通过,使机器人外表不易积漆积灰,不会污染已喷好的工作对象,且漆、气管线也不易损坏;因喷漆机器人是在易燃易爆的工作环境中工作,故要具备 防爆的功能。同时对机器人的轨迹精度和位姿精度及速度稳定性也有较高的要求。机器人的自由度至少应为六个。
3)搬运任务:如果工作对象比较笨重,工作任务是定点搬运,定位精度要求高,则对机器人的承载能力和定位精度有高的要求。如果工作对象比较轻巧,工作任务也是定点搬运,但要求轻拿轻放,且定位精度要求高,则对机器人的速度稳定和定位精度有高的要求。
4)装配任务:对机器人的速度稳定密和位姿精度有很高的要求。
有些机器人能完成多种工作任务,如MOTOMAN-SKI20系列机器人,既可以用于搬运也可以用于点焊,具有快速、精巧、强有力和安全性高的特点;另一 种MOTOMAN-SK6/SK16系列机器人,可以完成弧焊、搬运、涂胶、喷釉和装配多种任务,具有高速、精巧和可靠性高的特点。
设计新型机器人时,要充分考虑以上诸多因素,并应多参考国内外同类产品的先进机型,参考其设计参数,经过反复研究和比较,确定出所要机械部分的特点,定出设计方案。
下面以一台六自由度交流伺服通用机器人为例讲一下设计过程,如图14所示。
(2)确定设计要求
1)负载:根据用户工作对象和工作任务的要求,参考国内外同类产品的先进机型,确定机器人的负载。一般喷漆和弧焊机器人的负载为5~6kg。
2)精度:根据用户工作对象和工作任务的要求,参考国内外同类产品的先进机型,确定机器人未端的最大复合速度和机器人各单轴的最大角速度。
3)精度:根据用户工作对象和工作任务的要求,参考国内外同类产品的先进机型,确定机器人的重复定位精度、如弧焊机器人的重复定位精度为±0.4mm, ABB公司开发的Model 5003型喷漆机器人的重复定位精度为±1mm。同时要确定构成机器人的零件的精度、臂体的尺寸精度、形位精度和传动链的间隙,如齿轮的精度和传动间隙; 还要确定机器人上所用的元器件的精度,如减速器的传动精度、轴承的精度等等。
item20_14.GIF (2419 字节)
4)示教方式:根据用户工作对象和工作任务的要求,确定机器人的示教方式。一般机器人的示教方式有下列几种:
①离线示教(离线编程);
②示教盒示教;
③人工手把手示教。
如果是喷漆机器人,就应该具备人工手把手示教的功能,而对于其他机器人,有前两种功能就可以了。
5)工作空间:根据用户工作对象和工作任务的要求,参考国内外同类产品的先进机型,确定机器人的工作空间的大小和形状。
6)尺寸规划:根据对工作空间的要求,参考国内外同类产品的先进机型,确定机器人的臂杆长度和臂杆转角,并进行尺寸优化。
(3)机器人运动的耦合分析 对大多数非直接驱动的机器人而言,前面关节的运动会引起后面关节的附加运动,产生运动耦合效应。比如将六个轴的电动机均装在机器人的转塔内,通过链条、连 杆或齿轮传动其他关节的设计,再比如同心的齿轮套传动腕部关节的设计,都会产生运动耦合效应。为了解耦,在编机器人运动学控制软件时,后面的关节要多转一 个相应的转数来补偿。对一台六自由度的机器人来讲,如果从2、3轴之间开始就有运动耦合,且3、4、5、6轴之间都有运动耦合,那么3、4、5、6轴电动 机就必须多转相应的转数(有时是正转,有时是反转,依结构而定),来消除运动耦合的影响,3轴要消除2轴的,4轴要消除2轴和3轴的,依此类推,如果都要 正转,到了6轴,电动机就必须有相当高的速度来消除那么多轴的影响,有时电动机的转速会不够,且有运动耦合关系的轴太多,机器人的运动学分析和控制就会很 麻烦。故设计六自由度的交流伺服机器人,一般情况下,前4个轴的运动都设计成是相对独立的,而运动耦合只发生在4、5、6轴之间,即5轴的运动受到4轴运 动的影响,6轴的运动受到4轴和5轴运动的影响。这样做,既能保证机械结构的紧凑,又不会使有耦合关系的轴大多。
(4)机器人手臂的平衡 平衡机器人操作手臂的重力矩优点如下:
·如果是喷漆机器人,则便于人工手把手示教。
·使驱动器基本上只需克服机器人运动时的惯性力,而忽略重力矩的影响。故可选用体积较小、功耗较小的驱动器。
·免除了机器人手臂在自重下落下伤人的危险。
·在伺服控制中因减少了负载变化的影响,因而可实现更精确的伺服控制。
一般机器人操作机因1轴转塔旋转,故不要平衡,4、5、6轴的手臂往往因重力很小,也不要平衡,故要平衡的是2、3轴手臂的重力矩。
1)配重平衡机构:此种机构原理如图2a所示。设手臂质量为m1,配重质量为m2,因关节中心在同一直线上,则不平衡力矩为
M1=m1glcosγ
配重产生的力矩为
M2=m2gl´cosγ
静力平衡条件为
M1=M2
即 m1l=m2l´
item20_15.GIF (6463 字节)
这种平衡机构简单,平衡效果好,易于调整,工作可靠,但增加了手臂的惯量和关节的负载,适用于不平衡力矩较小的情况。
2)弹簧平衡机构:其原理如图2b所示,臂的不平衡力矩为
M1=M11-M12=mglcosγ-Ia
式中 M11——静不平衡力矩;
M12——惯性力矩;
I——手臂对关节轴的转动惯量;
a——臂运动平均加速度。
弹簧产生的平衡力矩为
item2025gs1.gif (1517 字节)
式中 k——弹簧刚度;
l´——弹簧在手臂上安装点到关节轴的距离;
e——弹簧另一端安装点到关节轴的距离;
R——弹簧自由长度。
静力平衡条件为
M2=M11
动力平衡条件为
M2=M11+M12
这种平衡机构结构简单,平衡效果也较好,工作可靠,适用于中小负载,但平衡范围较小。
3)气缸平衡机构:这种平衡机构原理如图2c所示。手臂不平衡力矩为
M1=M11+M12=mglcosγ+Ia
汽缸产生的平衡力矩为
item2025gs2.gif (1442 字节)
式中 F——汽缸活塞推力;
其余参数同上。
静力平衡条件为
M2=M11
动力平衡条件为
M2=M11+M12
汽缸平衡机构多用在重载搬运和点焊机器人操作机上,液压的体积小,平衡力大;气动的具有很好的阻尼作用,但体积较大。
(5)机器人动力学分析 机器人因各轴的重力矩均已基本平衡,故在这些轴运转时,电动机主要需克服的是由各轴转动惯量所带来的动力矩。
1轴:经分析,当机器人末端伸到最远处时,1轴运转起来的转动惯量为最大。计算可得到此处1轴的转动惯量J1如起动时间取为T1,则动力矩为
M1=J1ω1/T1
2轴:经分析,当小臂相对于大臂的夹角为最大时,2轴运转起来的转动惯量为最大,经计算可得到此处2轴的转动惯量为J2。如起动时间取为T2,则动力矩为
M2=J2ω2/T2
3轴:机器人小臂相对于大臂上部中心运转起来的转动惯量即是3轴的转动惯量。同理有
M3=J3ω3/T3
4轴:4轴无重力矩平衡装置,故4轴电动机既要克服起动时的动力矩,也要克服运转时由手腕和负载引起的重力矩。经计算,得出4轴的转动惯量,继而计算出4轴所需的传动扭矩。
5轴:5轴也无重力矩平衡装置,故5轴电动机也是既要克服起动时的动力矩,也要克服运转时由手腕和负载引起的重力矩。经计算,得出5轴的转动惯量,继而计算出的5轴所需的传动扭矩。
6轴:6轴也无重力矩平衡装置,故6轴电动机也是既要克服起动时的动力矩,也要克服运转时由手腕和负载引起的重力矩。经计算,得出6轴的转动惯量,继而计算出的6轴所需的传动扭矩。
(6)电动机的选用 选用好交流伺服电动机,是操作机设计的关键。由于机器人要求结构紧凑、重量轻、运动特性好,故希望在同样功率的情况下,电动机重量要轻、外形尺寸要小。特别是装在机器人横臂或立臂内部的电动机,重量要尽可能轻,外形尺寸要尽可能小。
根据动力学计算得到的各轴所需的传动扭矩,除以减速器的减速比,再将传动链的效率,如减速机的效率、轴承的效率和齿轮的效率等考虑进去,并考虑各轴所需的转速(运动耦合因素也要考虑在内),就可以选用电动机了。
在选用时要注意,交流伺服电动机的速度是可调节的,且在相当大的转速范围内电动机输出的转矩是恒定的,故选用电动机时只要电动机的额定转速大于各轴所需的最高转速就行。
同时还要注意与交流伺服电动机配置在一起的位置编码器的选用,并注明电动机是否需要带制动器等。
(7)减速器的选用 机器人上所用的减速器,常见的有RV减速器和谐波减速器。
RV减速器具有长期使用不需再加润滑剂、寿命长、刚度好、减速比大、低振动、高精度、保养便利等优点,适用于在机器人上使用。它的传动效率为0.8,相对于同样减速比的齿轮组,这样的效率是很高的。
它的缺点是重量重,外形尺寸较大。
谐波减速器的优点是重量较轻,外形尺寸较小,减速比范围大,精度高。
机器人设计中,一般1、2、3轴均采用RV减速器,4、5、6轴常用谐波减速器。
(8)机器人臂体校核 机器人的手臂要进行强度校核和刚度校核,在满足强度和刚度的情况下,手臂要尽可能采用轻型材料,以减少运动惯量,并给平衡机构减少压力。
(9)机构零件校核
1)轴承校核:设计中所用的所有重要轴承都要经过强度校核。在满足尺寸和强度要求的情况下,尽可能地选用国产轴承,以降低机器人的成本。
2)轴的校核:设计中所用的所有较重要的轴都要经过强度校核和刚度校核。
3)齿轮选用:设计中所用的所有齿轮都要经过强度校核。
4)键及花键:设计中所用的所有较重要的键及花键都要经过强度校核。
5)销与螺钉:设计中所用的所有较重要的销与螺钉都要经过强度校核。
(10)机械加工工艺性考虑校核 机器人的设计要充分考虑加工装配的方便,且要便于维修和调整。
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[— CF2—CF2—]n 中国称氟纶。由聚四氟乙烯(见氟树脂)为原料,经纺丝或制成薄膜后切割或原纤化而制得的一种合成纤维。聚四氟乙烯纤维强度 17.7~18.5cN/dtex,延伸率25%~50%。在其分子结构中,氟原子体积较氢原子大,氟碳键的结合力也强,起了保护整个碳-碳主链的作用, 使聚四氟乙烯纤维化学稳定性极好,耐腐蚀性优于其他合成纤维品种;纤维表面有蜡感,摩擦系数小;实际使用温度120~180℃;还具有较好的耐气候性和抗 挠曲性,但染色性与导热性差,耐磨性也不好,热膨胀系数大,易产生静电。聚四氟乙烯纤维主要用作高温粉尘滤袋、耐强腐蚀性的过滤气体或液体的滤材、泵和阀 的填料、密封带、自润滑轴承、制碱用全氟离子交换膜的增强材料以及火箭发射台的苫布等。
聚四氟乙烯纤维早在1953年由美国杜邦公司开发,1957年实现工业化生产,80年代初开始生产可溶性聚四氟乙烯纤维,主要是单丝,日本、苏联、奥地利等国也有生产。1984年聚四氟乙烯纤维世界总生产能力为1.2kt。
生产方法有四种:①乳液纺丝法(见化学纤维纺丝)。是工业上采用的主要方法,平均分子量 300万左右、粒径0.05~0.5μm 的聚四氟乙烯乳液(浓度60%)与粘胶丝或聚乙烯醇等成纤性载体混合后,制成纺丝液,纺丝后将载体在高温下碳化除掉,聚合物被烧结而连续形成纤维。这种方 法可制得纤度较小的纤维,但在烧结过程中易产生结构上的缺陷,并混入载体的碳化物,因而强度较低,呈褐色。②糊料挤出纺丝法。将聚四氟乙烯粉末与易挥发物 调成糊料,经螺杆挤出后通过窄缝式喷丝孔纺成条带状纤维,然后用针辊作原纤化处理,可制得强度较高、纤度较大的纤维。③膜裂纺丝法(见化学纤维纺丝)。将 聚四氟乙烯粉末烧结制得圆柱体,经切割或切削后,进行热拉伸等处理,制得白色纤维,强度较低。④熔体纺丝法。以四氟乙烯与4%~5%全氟乙烯、全氟丙基醚 的共聚物熔融后进行纺丝,制得强度较高的纤维。
polytetra fluoroethylen
四氟乙烯的聚合物 。英文缩写为 。 结构为。聚四氟乙烯的分子量较大 ,一般在数百万左右 。 结晶度90%~96%,熔融温度为 307~342 ℃以上。由于氟原子稍大于氢所以相邻的 CF2 单元按锯齿形排列,使整个分子链呈扭曲的螺旋状,氟原子几乎覆盖了整个聚四氟乙烯的表面 。
聚四氟乙烯由单体四氟乙烯经自由基聚合而成。工业上采用悬浮聚合的方法。一般在水中进行,便于热的异出和温度控制。反应温度在40~80℃,反应压力 3~26大气压,引发剂可采用过氧化物或过硫酸盐等。
聚四氟乙烯称为塑料之王 ,具有优秀的力学性能 ,自润滑性质,耐高低温、抗化学腐蚀,耐候性,优异的电性能及耐辐照。广泛地用于原子能工业、国防、航天、电子、电器、化工、机械,作为耐高低温、耐腐蚀、绝缘材料,防粘涂料等。
物理性质
聚四氟乙烯的机械性质较软。具有非常低的表面能。
* 密度:2.1-2.3g/cm³
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化学性质
* 耐腐蚀性:能够承受除了熔融的碱金属,氟化介质以及高于300℃氢氧化钠之外的所有强酸(包括王水)、强氧化剂、还原剂和各种有机溶剂的作用。
* 绝缘性:不受环境及频率的影响,体积电阻可达1018欧姆•厘米,介质损耗小,击穿电压高。
* 耐高低温性:对温度的影响变化不大,温域范围广,可使用温度-190~260℃。
* 自润滑性:具有塑料中最小的摩擦系数,是理想的无油润滑材料。
* 表面不粘性:已知的固体材料都不能粘附在表面上,是一种表面能最小的固体材料。
* 耐大气老化性,耐辐照性能和较低的渗透性:长期暴露于大气中,表面及性能保持不变。
* 不燃性:限氧指数在90以下。
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毒性
Teflon聚四氟乙烯 本身对人没有毒性,但是在生产过程中使用的原料之一全氟辛酸铵(PFOA)被认为可能具有致癌作用。
聚四氟乙烯煮食器具大約在到達溫度500 .F (260℃) 之後開始惡化,並且在660 .F (350℃)之上開始分解 。
這些分解產品可令鳥致死, 和可能在人導致流感像症狀。
(烹調油脂, 油和黃油在大約392 .F (200℃)將開始燒焦和煙,
肉通常油煎在400-450 .F (200-230℃)之間, 但空的煮食器具 如果剩下未看管在一臺熱的火爐上 可能超出這個溫度。
但是, 值得注意到, 食油被加熱對這樣高溫度後之分解 實際上是比那些由聚四氟乙烯生產的更毒。
吸入這副產物可能幻覺 和在罕見個案中'興奮'。
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历史
聚四氟乙烯是一种人工合成的高分子材料,最早由美国化学家彭励格于1938年偶然发现,之后杜邦公司为这一发现申请了专利并以“”为名为其注册了商标。
如今聚四氟乙烯已经被广泛应用于生产与生活的许多领域。
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生产与应用
常用於生產不黏平底鑊
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补充
聚 四氟乙烯是四氟乙烯的聚合物。英文缩写为PTFE。聚四氟乙烯的基本结构为. - CF2 - CF2 - CF2 - CF2 - CF2 - CF2 - CF2 - CF2 - CF2 - CF2 -. 聚四氟乙烯广泛应用于各种需要抗酸碱和有机溶剂的,它本身对人没有 毒性,但是在生产过程中使用的原料之一全氟辛酸铵(PFOA)被认为可能具有致癌作用。
聚四氟乙烯相对分子质量较大,低的为数十万,高的 达一千万以上,一般为数百万(聚合度在104数量级,而聚乙烯仅在103)。一般结晶度为90~95%,熔融温度为327~342℃。聚四氟乙烯分子中 CF2单元按锯齿形状排列,由于氟原子半径较氢稍大,所以相邻的CF2单元不能完全按反式交叉取向,而是形成一个螺旋状的扭曲链,氟原子几乎覆盖了整个高 分子链的表面。这种分子结构解释了聚四氟乙烯的各种性能。温度低于19℃时,形成13/6螺旋;在19℃发生相变,分子稍微解开,形成15/7螺旋。
虽 然在全氟碳化合物中碳-碳键和碳-氟键的断裂需要分别吸收能量346.94和484.88kJ/mol,但聚四氟乙烯解聚生成1mol四氟乙烯仅需能量 171.38kJ。所以在高温裂解时,聚四氟乙烯主要解聚为四氟乙烯。聚四氟乙烯在260、370和420℃时的失重速率(%)每小时分别为1×10- 4、4×10-3和9×10-2。可见,聚四氟乙烯可在 260℃长期使用。由于高温裂解时还产生剧毒的副产物氟光气和全氟异丁烯等,所以要特别注意安全防护并防止聚四氟乙烯接触明火。
力学性能 它的摩擦系数极小,仅为聚乙烯的1/5,这是全氟碳表面的重要特征。又由于氟-碳链分子间作用力极低,所以聚四氟乙烯具有不粘性。
聚四氟乙烯在-196~260℃的较广温度范围内均保持优良的力学性能,全氟碳高分子的特点之一是在低温不变脆。
耐 化学腐蚀和耐候性 除熔融的碱金属外,聚四氟乙烯几乎不受任何化学试剂腐蚀。例如在浓硫酸、硝酸、盐酸,甚至在王水中煮沸,其重量及性能均无变化,也几乎不溶于所有的溶剂, 只在300℃以上稍溶于全烷烃(约0.1g/100g)。聚四氟乙烯不吸潮,不燃,对氧、紫外线均极稳定,所以具有优异的耐候性。
电性能 聚四氟乙烯在较宽频率范围内的介电常数和介电损耗都很低,而且击穿电压、体积电阻率和耐电弧性都较高。
耐辐射性能 聚四氟乙烯的耐辐射性能较差(104拉德),受高能辐射后引起降解,高分子的电性能和力学性能均明显下降。
聚 合 聚四氟乙烯由四氟乙烯经自由基聚合而生成。工业上的聚合反应是在大量水存在下搅拌进行的,用以分散反应热,并便于控制温度。聚合一般在40~80℃, 3~26千克力/厘米2压力下进行,可用无机的过硫酸盐、有机过氧化物为引发剂,也可以用氧化还原引发体系。每摩尔四氟乙烯聚合时放热171.38kJ。 分散聚合须添加全氟型的表面活性剂,例如全氟辛酸或其盐类。
应用 聚四氟乙烯可采用压缩或挤出加工成型;也可制成水分散液,用于涂层、浸渍或制成纤维。聚四氟乙烯在原子能、航天、电子、电气、化工、机械、仪器、仪表、建筑、纺织、食品等工业中广泛用作耐高低温、耐腐蚀材料,绝缘材料,防粘涂层等。
化学性质
耐腐蚀性:能够承受除了熔融的碱金属,氟化介质以及高于300℃氢氧化钠之外的所有强酸(包括王水)、强氧化剂、还原剂和各种有机溶剂的作用。
绝缘性:不受环境及频率的影响,体积电阻可达1018欧姆•厘米,介质损耗小,击穿电压高。
耐高低温性:对温度的影响变化不大,温域范围广,可使用温度-190~260℃。
自润滑性:具有塑料中最小的摩擦系数,是理想的无油润滑材料。
表面不粘性:已知的固体材料都不能粘附在表面上,是一种表面能最小的固体材料。
耐大气老化性,耐辐照性能和较低的渗透性:长期暴露于大气中,表面及性能保持不变。
不燃性:限氧指数在90以下。
物理性质
聚四氟乙烯的机械性质较软。具有非常低的表面能。
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认识热塑性弹性体(一)
概述
最近30多年来,热塑性弹性体作为第三代橡胶在世界各地取得了极为迅猛的发展。现在,热塑性弹性体的产量早已逾越第二代的液体橡胶,成为当今橡胶工业的又一新型材料。
热塑性弹性体具有硫化橡胶的物理机械性能和软质塑料的工艺加工性能。由于不需再像橡胶那样经过热硫化,因而使用简单的塑料加工机械即可很容易地制成最终产 品。它的这一特点,使橡胶工业生产流程缩短了1/4,节约能耗25%-40%,提高效率10-20倍,堪称橡胶工业又一次材料和工艺技术革命。
热塑性弹性体是介于橡胶与树脂之间的一种新型高分子材料,不仅可以取代部分橡胶,还能使塑料得到改性。热塑性弹性体所具有的橡胶与塑料的双重性能和宽广的 特性,使之在橡胶工业中广泛用于制造胶鞋、胶布等日用制品和胶管、胶带、胶条、胶板、胶件以及胶粘剂等各种工业用品。同时,热塑性弹性体还可代替橡胶大量 用在PVC、PE、PP、PS等通用热塑性树脂甚至PU、PA、CA等工程塑料的改性上面,使塑料工业也出现了崭新的局面。
1 热塑性弹性体的种类及性能特点
热塑性弹性体(TPE)可概括为通用TPE和工程TPE两个类型,目前已发展到10大类30多个品种,见表1。从1938年德国Bayer最早发现聚氨酯 类TPE,1963年和1965年美国Phillips和Shell开发出苯乙烯—丁二烯—苯乙烯嵌段聚合物TPE,到70年代美欧日各国开始批量生产烯 烃类TPE以来,技术不断创新,新的TPE品种不断涌现,构成了当今TPE的庞大体系,使橡胶工业与塑料工业结合联姻大大向前迈进了一步。
热塑性弹性体种类与组成
种类 结构组成 制法 用途
硬链段 软链段
-----------------------------------------------------------------
苯乙烯类TPE(TPS)
SBS 聚苯乙烯(PS) BR 化学聚合 通用
SIS 聚苯乙烯(PS) IR 化学聚合 通用
SEBS 聚苯乙烯(PS) 加氢BR 化学聚合 通用、工程
SEPS 聚苯乙烯(PS) 加氢IR 化学聚合 通用、工程
-----------------------------------------------------------------
烯烃类TPE
TPO 聚丙烯(PP) EPDM 机械共混 通用
TPV-PP/EPDM 聚丙烯(PP) EPDM+硫化剂 机械共混 通用
TPV-PP/NBR 聚丙烯(PP) NBR+硫化剂 机械共混 通用
TPV-PP/NR 聚丙烯(PP) NR+硫化剂 机械共混 通用
TPV-PP/IIR 聚丙烯(PP) IIR+硫化剂 机械共混 通用
-----------------------------------------------------------------
双烯类TPE
TPB(1,2-IR) 聚1,2-丁二烯 化学聚合 通用
TPI(反式1,4-IR) 聚反式1,4-异戊二烯 化学聚合 通用
T-NR(反式1,4-NR) 聚反式1,4-异戊二烯 天然聚合 通用
TP-NR(改性顺式1,4-NR) 聚顺式1,4异戊二烯改性物 接枝聚合 通用
-----------------------------------------------------------------
氯乙烯类TPE
TPVC(HPVC) 结晶聚氯乙烯(PVC) 非结晶PVC 聚合或共混 通用
TPVC(PVC、NBR) 聚氯乙烯(PVC) NBR 机械共混 通用
TCPE 结晶氯化聚乙烯(CPE) 非结晶CPE 聚合或共混 通用
-----------------------------------------------------------------
氨酯类TPE(TPU) 氨酯结构 聚酯或聚酯 聚加成 通用、工程
-----------------------------------------------------------------
酯类TPE(TPEE) 酯结构 聚醚或聚酯 聚缩合 工程
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酰胺类TPE(TPAE) 酰胺结构 聚醚或聚酯 聚缩合 工程
-----------------------------------------------------------------
有机氟类TPE(TPF) 氟树脂 F橡胶 化学聚合 通用、工程
-----------------------------------------------------------------
有机硅类TPE
结晶聚乙烯(PE) Q橡胶 机械共混 通用、工程
聚苯乙烯 聚二甲基硅氧烷 嵌段共聚 通用、工程
聚双酚A碳酸酯 聚二甲基硅氧烷 嵌段共聚 工程
聚芳酯 聚二甲基硅氧烷 嵌段共聚 工程
聚砜 聚二甲基硅氧烷 嵌段共聚 工程
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乙烯类TPE
EVA型TPE 结晶聚乙烯(PE) 乙酸乙烯酯 嵌段共聚 通用
EEA型TPE 结晶聚乙烯(PE) 丙烯酸乙酯 嵌段共聚 通用
离子健型TPE 乙烯-甲基丙烯酸离聚体 离子聚合 工程
璜化乙烯-丙烯三元离聚体 离子聚合 通用
熔融加工型TPE 乙烯互聚物 氯化聚烯烃 熔融共混 通用
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世界上已工业化生产的TPE有:苯乙烯类(SBS、SIS、SEBS、SEPS)、烯烃类(TPO、TPV)、双烯类(TPB、TPI)、氯乙烯类 (TPVC、TCPE)、氨酯类(TPU)、酯类(TPEE)、酰胺类(TPAE)、有机氟类(TPF)、有机硅类和乙烯类等,几乎涵盖了现在合成橡胶与 合成树脂的所有领域。它们是由在主链上通过形成硬链段的树脂相和软链段的橡胶相,相互牢固组合在一起而成的。TPE的制造方法,大致可分为化学聚合和机械 共混两大类型。前者是以聚合物的形态单独出现的,有主链共聚、接技共聚和离子聚合之分。后者主要是橡胶与树脂的共混物,其中还有以交联硫化出现的动态硫化 胶(TPE—TPV)和互穿网络的聚合物(TPE—IPN)。
现在,TPE以TPS和TPO为中心,在世界各地获得了迅速发展,两者的产耗量已占到全部TPE的80%左右。双烯类TPE和氯乙烯类TPE也成为通用TPE的重要品种。其它如TPU、TPEE、TPAE、TPF等则转向了以工程为主。
TPE的物理机械性能视聚合物化学结构、分子量、分子量分布和微观构造的不同而各有长短。各种TPE的物性与经济性比较见表2。
热塑性弹性体物性与经济性比较(通用型TPE)
分类 TPS TPO TPB TPVC TCPE
硬度 30A-75A 50A-95A 19D-53D 40A-80A 57A-67D
抗拉强度/MPa 9.8-34.3 2.9-18.6 10.8 9.8-10.6 8.8-29.4
伸长率/% 800-1200 200-600 710 400-900 180-750
弹性/% 45-75 40-60 30-70 30-60
密度/g·cm-3 0.91-1.20 0.89-1.00 0.91 1.20-1.30 1.14-1.28
耐磨性 Δ X ○ △ △
耐屈挠性 ○ Δ ○ ○ ○
耐热性/℃ -60 -120 -60 -100 -100
耐寒性/℃ -70 -60 -40 -30 -30
耐油性 X △ △-○ X-○ ○
耐水性 ◎-○ ◎-○ ◎-○ ◎-○ ◎-○
耐天侯性 x-△ ○ x-△ △-○ ◎
脆化温度/℃ <-70 <-70 -32--42 -30--50 -20-70
价格指数
重量 50-100 65-100 40-50 45-55 75-85
体积 40-93 48-120 36-46 56-69 90-100
注:◎为优,○为良,△为可, x为劣。
续表2 热塑性弹性体物性与经济性比较(工程型TPE)
分类 TPU TPEE TPAE TPF
硬度 30A-80D 40A-70A 40D-62D 61-67
抗拉强度/MPa 29.4-49 25.5-39.2 11.8-34.3 2.0-11.8
伸长率/% 300-800 350-450 200-400 300-650
弹性/% 30-70 60-70 60-70 10
密度/g·cm-3 1.10-1.25 1.17-1.25 1.01-1.20 1.89
耐磨性 ◎ △ ○ ○
耐屈挠性 ◎ ◎ ◎ ○
耐热性/℃ -100 -140 -100 -120
耐寒性/℃ -65 -40 -40 -10
耐油性 ◎ ◎ ◎ ◎
耐水性 ○-△ ○-x ○-△ ○-△
耐天侯性 △-○ △ ○ ◎
脆化温度/℃ <-70 <-70 <-70 <-10
热塑性弹性体的的优点
(1)可用一般的热塑性塑料成型机加工,例如注塑成型、挤出成型、吹塑成型、压缩成型、递模成型等;
(2)能用橡胶注塑成型机硫化,时间可由原来的20min左右,缩短到1min以内;
(3)可用压出机成型硫化,压出速度快、硫化时间短;
(4)生产过程中产生的废料(逸出毛边、挤出废胶)和最终出现的废品,可以直接返回再利用;
(5)用过的TPE旧品可以简单再生之后再次利用,减少环境污染,扩大资源再生来源;
(6)不需硫化,节省能源,以高压软管生产能耗为例:橡胶为188MJ/kg,TPE为144MJ/kg,可节能25%以上;
(7)自补强性大,配方大大简化,从而使配合剂对聚合物的影响制约大为减小,质量性能更易掌握;
(8)为橡胶工业开拓新的途径,扩大了橡胶制品应用领域。
热塑性弹性体的缺点
TPE的耐热性不如橡胶,随着温度上升而物性下降幅度较大,因而适用范围受到限制。同时,压缩变形、弹回性、耐久性等同橡胶相比较差,价格上也往往高于同 类的橡胶。但总的说来,TPE的优点仍十分突出,而缺点则在不断改进之中,作为一种节能环保的橡胶新型原料,发展前景十分看好。(待续)
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2 主要热塑性弹性体发展现状
2.1 苯乙烯类TPE(SBS、SIS、SEBS、SEPS)
苯乙烯类TPE又称TPS,为丁二烯或异戊二烯与苯乙烯嵌段型的共聚物,其性能最接近SBR橡胶。约占全部TPE一半左右。代表性的品种为苯乙烯—丁二烯 —苯乙烯嵌段共聚物(SBS),广泛用于制鞋业,已大部分取代了橡胶;同时在胶布、胶板等工业橡胶制品中的用途也在不断扩大。SBS还大量用作PS塑料的 抗冲击改性剂,也是沥青铺路的沥青路面耐磨、防裂、防软和抗滑的优异改性剂。
以SBS改性的PS塑料,不仅可像橡胶那样大大改善抗冲击性,而且透明性也非常好。以SBS改性的沥青路面较之SBR橡胶、WRP胶粉,更容易溶解于沥青 中。因此,虽然价格较贵,仍然得到大量使用。现今,更以防水卷材进一步推广到建筑物屋顶、地铁、隧道、沟槽等的防水、防潮上面。SBS与S—SBR、NR 橡胶并用制造的海绵,比原来PVC、EVA塑料海绵更富于橡胶触感,且比硫化橡胶要轻,颜色鲜艳,花纹清晰。因而,不仅适于制造胶鞋中底的海绵,也是旅游 鞋、运动鞋、时装鞋等一次性大底的理想材料。
近些年来,异戊二烯取代丁二烯的嵌段苯乙烯聚合物(SIS)发展很快,其产量已占TPS量的1/3左右,约90%用在粘合剂方面。用SIS制成的热熔胶不仅粘性优越,而且耐热性也好,现已成为美欧日各国热熔胶的主要材料。
SBS和SIS的最大问题是耐热性差,使用温度一般不能超过80℃。同时,其强伸性、耐候性、耐油性、耐磨性等也都无法同橡胶相比。为此,近年来美欧等国 对它进行了一系列性能改进,先后出现了SBS和SIS经饱和加氢的SEBS和SEPS。SEBS(以BR加氢作软链段)和SEPS(以IR加氢作软链段) 可使抗冲强度大幅度提高,耐天侯性和耐热老化性也好。日本三菱化学在1984年又以SEBS、SEPS为基料制成了性能更好的混合料,并将此饱和型TPS 命名为“Rubberron”上市。因此,SEBS和SEPS不仅是通用,也是工程塑料用的改善耐天侯性、耐磨性和耐热老化性的共混材料,故而很快发展成 为尼龙(PA)、聚碳酸酯(PC)等工程塑料类“合金”的增容剂。此外,还开发了环氧树脂用的高透明性TPS以及医疗卫生用的生体无毒TPS等许多新的品 种。
SBS或SE8S等与PP塑料熔融共混,还可以形成IPN型TPS。所谓IPN,实际是两种网络互相贯穿在一起的聚合物,故又称之为互穿网络化合物。虽然 它们大多数属于热固性树脂类,但也有不少像TPE的以交叉连续相形态表现出来的热塑性弹性体。用SBS或SE8S为基材与其他工程塑料形成的IPN— TPS,可以不用预处理而直接涂装。涂层不易刮伤,并且具有一定的耐油性,弹性系数在低温较宽的温度范围内没有什么变化,大大提高了工程塑料的耐寒和耐热 性能。苯乙烯类化合物与橡胶接技共聚也能成为具有热塑性的TPE,已开发的有EPDM/苯乙烯、BR/苯乙烯、CI—IIR/苯乙烯、NR/苯乙烯等。
世界TPS最大生产厂家是美国ShellChem。以Kraton、Carifles等商品名共40多个牌号,行销世界各地,仅本土的装置能力1998年 即达23.2万t,据称近几年又有增长,在法国、德国也各有3万t的生产装置。美国PhillipsPetro生产的商品名为Solprene,能力 3.5万t,日本旭化成、弹性体,意大利Enichem,比利时、西班牙、墨西哥、澳大利亚等国也利用其技术生产,能力由0.5万-2.8万t不等。日本 的JSR和俄罗斯以自己的技术各有2.5万t的生产企业。台湾奇美公司有9万t的SBS(含S—SBR)生产装置。
我国是世界TPS最大消费国,从1980年开始以SBS为中心,伴随着我国制鞋业(占世界胶鞋产量一半)、建筑业(居世界之首)以及公路业(全球第二)对 TPS的需要,1999年为25万t,2000年为30万t,2001年为35万t,估计2002年可达40万t。而全国生产量1999年为8.8万t, 2000年为13.3万t,2001年为16.8万t,2002年达到21.6万t,年均增长12%以上。目前仍然无法满足市场日益扩大的需要,一半以上 要从境外进口,其中台湾10万t,80%用于制鞋,其余8万t从韩国、日本、俄罗斯等地进口。2001年,国内SBS用于制鞋方面的有27万t,占 78%,公路沥青改性4.5万t,占13%,其他胶粘剂、防水卷材、塑料改性各占3.8%、3.2%和2%。
1982年由北京燕山石化研究院自行研制成功SBS之后,目前已有3家石化企业在生产。北京燕山石化年产规模6万t,生产4万t;岳阳石化年产规模10万 t,生产13万t;茂名石化年产规模5万t,生产5万t。除SBS外,还少量生产SIS和SEBS。生产牌号多达25个,产品应用覆盖了制鞋、道路沥青改 性、塑料改性、防水卷材;胶粘剂等多个领域。中国大陆现已成为世界三大TPS生产基地之一,TPS生产技术已引入到台湾和意大利。
2.2烯烃类TPE(TPU,TPO)
烯烃类TPE系以PP为硬链段和EPDM为软链段的共混物,简称TPO。由于它比其它TPE的比重轻(仅为0.88),耐热性高达100℃,耐天侯性和耐 臭氧性也好,因而成为TPE中又一发展很快的品种。自从1972年在美国由Uniroval公司以TPR的商品名首先上市以来,多年以两位数增长, 2000年生产量已达35万t,到2002年估计可达40万t。现在,TPO已成为美日欧等汽车和家电领域的主要橡塑材料。特别是在汽车上已占到其总量的 3/4,用其制造的汽车保险杠,已基本取代了原来的金属和PU。
1973年出现了动态部分硫化的TPO,特别是在1981年美国Mansanto公司开发成功以Santoprere命名的完全动态硫化型的TPO之后, 性能又大为改观,最高温度可达120℃。这种动态硫化型的TPO简称为TPV,主要是对TPO中的PP与EPDM混合物在熔融共混时,加入能使其硫化的交 联剂,利用密炼机、螺杆机等机械高度剪切的力量,使完全硫化的微细EPDM交联橡胶的粒子,充分分散在PP基体之中。通过这种交联橡胶的“粒子效果”,导 致TPO的耐压缩变形性、耐热老化性、耐油性等都得到明显改善,甚至达到了CR橡胶的水平,因而人们又将其称为热塑性硫化胶。
利用TPV的耐油性,现已用其替代NBR、CR制造各种橡胶制品。TPV还可以与PE共混,同SBS等其它TPE并用,互补改进性能。现在;在汽车上已广 泛作为齿轮、齿条、点火电线包皮、耐油胶管、空气导管以及高层建筑的抗裂光泽密封条,还有电线电缆、食品和医疗等领域,其增长幅度大大超过TPS。
近年,德国又在TPV的基础上推出了聚合型TPO,使TPV的韧性和耐低温等性能又出现了新的突破。美国也开发出综合性能更好的IPN型TPO。1985 年又出现完全动态硫化型的PP/NBR—TPV,它以马来酸酐与部分PP接技,以部分NBR用胺处理,形成胺封末端的NBR。这种在动态硫化过程中能形成 少量接技与嵌段的共聚物,可取代NBR用于飞机、汽车、机械等方面的密封件、软管等。这种共混体由于两种材料极性不同,彼此不能相容,因而在共混时必须加 入MAC增容剂。这类增容剂主要有:亚乙基多胺化合物,例如二亚乙基三胺或三亚乙基四胺;还有液体NBR和聚丙烯马来酸酐化合物等。
现在以AES公司(Monsanto)生产的代表性品种Santoprene(EPDM/PP-TPV)和Geolast(NBR/PP—TPV)为主, 广泛用于机械、电气、建筑、食品、医疗等各领域。尤其是在汽车上面,已占到30%—40%,国外每辆小轿车的TPE用量已达10kg,约占汽车零件的 10%。TPV可以用塑料加工通用的吹塑、注塑和挤出成型等方式生产各种零件。吹塑制品有汽车的空气净化器导管、齿轮罩防护套、联轴节护套等。注塑制品有 塞头衬垫、反光镜衬垫、脚踏刹车衬垫、刹车增力装置导管护套、曲轴罩护套等,还可制造同步带。挤出制品有电线电缆护套、燃料管外层胶和各种密封条。尤其是 汽车上的密封条,使用TPV已成为时髦,包括实心和发泡产品,静密封和准动/动态密封制品等等,已基本取代了橡胶。
目前在烯烃基TPE中,TPO约占80%—85%,TPV占15%-20%。正因如此,世界其他各大知名EPDM合成橡胶生产厂家,如DDE (DuPont-DOW)的NOrdel TP,GoodrichTalcar TR,Exxon—Monsanto的Vistaflex和Thionic Polymer,意大利Montedison的DutralTR,德国Bayer的LeveflexEP和Vestoprene,荷兰DSM的 KeltonTP,英国Enichem的Unepreene,还有日本JSR、三井石化、住友化学、旭化成等,都先后推出有自己特性的TPO、TPV生产 牌号。为适应不同加工方式及用途,一般都在10-20种以上。虽然它们对具体生产方法和生产量大多未公布,但不外乎都是烯烃类的各种熔融共混物。熔融共混 的TPV正成为各橡胶、塑料生产厂家竞相发展的新型橡塑材料和最热门的研发课题。还有各种TPO—TPV之间的相互共混,如EPDM/PP-TPV与 NBR/PP-TPV,ACM/PP-TPV与EPDM/PA-TPV等,也正成为新的改性共混材料。
我国TPO—TPV的生产使用是从1990年后半年开始的,特别是伴随汽车工业的迅猛发展,TPO—TPV用量每年以10%-20%的速度急增。在2002年生产的325万辆汽车中,至少有一半的小轿车已用上了TPO—TPV制造的保险杠和内外装饰板以及零件。
TPV是TPE世界中增长最快的一族,年增长率在10%-20%以上。由于其加工方法和性能最贴近硫化橡胶,以美国为主,在汽车等产品上覆盖面非常宽广,极具发展潜力。目前,国外密封条、护套、衬垫、包皮等大量向TPV转移。
2.3 二烯类TPE(TPB、TPI)
二烯类TPE主要为天然橡胶(C5H8)n的同分异构体,故又称之热塑性反式天然橡胶(TNR)。早在400年前,人们作为天然橡胶即发现了这种材料,但 因其产自于与三叶橡胶树不同的古塔波和巴拉塔等野生树上,因而称为古塔波橡胶、巴拉塔橡胶。这种T—NR用作海底电缆和高尔夫球皮等虽已有100余年历 史,但因呈热塑性状态,结晶性强,可供量有限,用途长期未能扩展。
1963年以后,美、加、日等国先后以有机金属触媒制成了合成的T—NR一反式聚异戊二烯橡胶,称之为TPI。它的微观结构同异戊橡胶(IR)刚好相反, 反式结合99%,结晶度40%,熔点67℃,同天然产的古塔波和巴拉塔橡胶极为类似。因此,已开始逐步取代天然产品,并进一步发展到,用于整形外科器具、 石膏代替物和运动保护器材。近年来,利用TPI优异的结晶性和温度的敏感性,又成功地开发作为形状记忆橡胶材料,倍受人们青睐。
从结构上来说,TPI是以高的反式结构所形成的结晶性作为硬链段,再与其余任意形呈弹性相状态部分的软链段结合而构成的热塑性橡胶。同其他TPE比,优点 是机械强度、耐伤性好,又可硫化;缺点是软化温度非常低,一般只有40-70℃,用途受到限制。目前,国际上只有加拿大Polysar和日本Kurary 两家在生产,产量估计有万t左右。我国青岛科技大学在近期也开发成功TPI,并进行了使用试验,获得国家技术发明二等奖。另外,我国正在开发中的还有大量 产自于湘、鄂、川、贵一带杜仲树上的杜仲橡胶,它也是一种反式1,4聚异戊二烯天然橡胶,资源非常丰富,颇具发展潜力。
1974年,日本JSR公司开发成功BR橡胶(顺式—1,4聚丁二烯)的同分异构体——间同1,2聚丁二烯,简称TPB。它是含90%以上1,2位结合的 间同聚丁二烯橡胶,商品名为RB。微观构造系由硬链段间同结构的结晶部分与软链段任意形柔软部分相互构成的嵌段聚合物。目前世界上只有日本一家生产,虽其 耐热性、机械强度不如橡胶,但以良好的透明性、耐天侯性和电绝缘性以及光分解性,广泛用在了制鞋、海绵、光薄膜以及其他工业橡胶制品等方面,年需求量已超 过2.7万t。
TPB和TPI同其他TPE的最大不同点在于可以进行硫化。解决了一般TPE不能用硫磺、过氧化物硫化,而必须采用电子波、放射线等特殊装置才能提质改性 的问题,从而改进了TPE的耐热性、耐油性和耐久性不佳等的缺点。TPB可在75-110℃的熔点范围之内任意加工,既可用以生产非硫化注射成型的拖鞋、 便鞋,也可以利用硫化发泡制造运动鞋、旅游鞋等的中底。它较之EVA海绵中底不易塌陷变形,穿着舒适,有利于提高体育竞技效果。TPB制造的薄膜,具有良 好的透气性、防水性和透明度,易于光分解,十分安全,特别适于家庭及蔬菜、水果保鲜包装之用。
2.4 氯乙烯类TPE(TPVC、TCPE)
分为热塑性PVC和热塑性CPE两大类,前者称为TPVC,后者称为TCPE。TPVC主要是PVC的弹性化改质物,又分为化学聚合和机械共混两种形式。 化学聚合可通过下面四种方式制取:①高聚合度纯PVC(HPVC);②部分交联PVC;③离子交联PVC;④特殊共聚PVC。①、②又有增塑剂塑化和聚合 并用之分。机械共混主要是部分交联NBR混入PVC中形成的共混物(PVC/NBR)。TPVC实际说来不过是软PVC树脂的延伸物,只是因为压缩变形得 到很大改善,从而形成了类橡胶状的PVC。这种TPVC可视为PVC的改性品和橡胶的代用品,主要用其制造胶管、胶板、胶布及部分胶件。目前70%以上消 耗在汽车领域,如汽车的方向盘、雨刷条等等。其他用途,电线约占15%,建筑防水胶片占10%左右。近年来,又开始扩展到家电、园艺、工业以及日用作业雨 衣等方面。
TPVC最早是从日本发展起来的,1967年先由三菱孟山都公司以Sanprene商品名生产上市,接着住友塑料、东亚合成化学、电气化学等10余个 PVC生产厂家也跟着相继生产,美欧于80年代也研发生产。现在以日本为主,产量已达3万多吨。TPVC由于价格低廉,具有良好的耐天侯性、耐臭氧性、耐 老化性、耐化学药品性等,故而迅速发展成为通用的TPE。然而,由于TPVC的弹性、压缩永久变形以及高温时的形状保持性等都很差,同橡胶无法相比,因而 多年来一直在不停地进行着研究改进。
目前,国际市场上大量销售的主要是PVC与NBR、改性PVC与交联NBR的共混物,现已成为橡胶与塑料共混最成功的典型。美、日、加、德等国家的丁腈橡 胶生产厂家皆有大量生产,在工业上已单独形成了PVC/NBR材料,用其大量制造胶管、胶板、胶布等各种橡胶制品。PVC与其他聚合材料的共混物,如 PVC/EPDM、PVC/PU、PVC/EVA的共混物,PVC与乙烯、丙烯酸酯的接技物等,也都相继问世投入生产。随着环保要求的日益严格,TPVC 逸出的酸气等始终难以彻底解决,污染环境,近来在世界上的增长幅度有所下降,使用范围受到很大影响。
此外,德国HoechstCelanese研究使结晶的CPE与非结晶的CPE两者互混也有TPE的功能。商品名为Hostoprene,简称TCPE, 在60年代中后期,美国DowChem.、日本昭和油化、大阪曹达等也相继生产。主要用于树脂改性,也用以制造电线电缆、汽车部件和建筑防水材料。 1985年美国DuPont开发出氯化聚乙烯与乙烯互聚物的合金,称之为熔融加工型TPE“Alern”,具有近似硫化的CR和NBR的性能,用于制造密 封条、涂胶布和汽车配件等。此外,还有CPE/PVC、CPE/PA也是此类的TPE。1996年由DuPont与Dow Chem联合组建DDE公司,成为产量最大的生产厂家。
我国生产使用的TPVC主要有HPVC,从90年代开始研究,只有少量生产供应。目前以PVC/NBR和PVC/EVA共混的形式居多,除个别商品共混料 外,大多由橡胶加工厂自行参混,广泛用于制造油罐、胶管、胶鞋等,已部分取代了CR和NBR以及NR、SBR,效果甚佳,用量逐年扩大。
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2.5 聚氨酯类TPE(TPU)
聚氨酯类TPE系由与异氰酸酯反应的氨酯硬链段与聚酯或聚醚软链段相互嵌段结合的热塑性聚氨酯橡胶,简称TPU,欧美的TFU最为发达。TPU具有优异的 机械强度、耐磨性、耐油性和耐屈挠性,特别是耐磨性最为突出。缺点是耐热性、耐热水性、耐压缩性较差,外观易变黄,加工中易粘模具。目前在欧美等国主要用 来制造滑雪靴、登山靴等体育用品,并大量用以生产各种运动鞋、旅游鞋,消耗量甚多。TPU还可通过注塑和挤出等成型方式生产汽车、机械以及钟表等零件,并 大量用于高压胶管(外胶)、纯胶管、薄片、传动带、输送带、电线电缆、胶布等产品。其中注塑成型占到40%以上,挤出成型约为35%左右。
早在1930年,TPU即在德国问世,由于未开发出合适产品,长期没有得到重视。1958年,美国Goodrich公司以“Estane”商品上市,它是 一种无交联键的完全热塑性聚合物,机械性能优异,但压缩永久变形较大。不久,Mobav公司研发出商品名为Texin的带交联键的热塑性PU橡胶,而后其 质量不断改进,品种逐步增多,世界各生产厂家竞相开发,标新立异,开始得到快速发展。在异氰酸酯与短链二醇(乙二醇、丙二醇、1,4—丁二醇或双酚A)形 成的硬链段和异氰酸酯与长链多元醇形成的软链段所构成的聚合物中,随其比例的大小,单体种类的不同,出现了各种各样的聚酯型和聚醚型TPU。异氰酸酯的种 类主要为MDI(二苯甲烷二异氰酸酯),常用的还有无黄变性的HDI(六亚甲基二异氰酸酯)、MDI(异佛尔酮二异氰酸酯)以及加氢MDI等。长链的多元 醇有聚烷撑二醇(特别是PTMG)一类的聚醚,聚烷撑己二酸酯、聚己内酯、聚碳酸酯等聚酯类。
近年来,为改善TPU的工艺加工性能,还出现了许多新的易加工品种。如适于双色成型,能增加透明性和高流动、高回收的可提高加工生产效率的制鞋用TPU。 用于制造透明胶管的无可塑、低硬度的易加工型TPU。供作汽车保险杠等大型部件专用的、以玻璃纤维增强的、可提高刚性和冲击性的增强型TPU等等。特别是 在TPU中加入反应性成分,在热塑成型之后,通过“熟成”而形成的不完全IPN(由交联聚合物与非交联聚合物形成的IPN)发展十分迅速。这种IPN- TPU又进一步改进了TPU的物理机械性能。此外,TPU/PC共混型的合金型TPU,更提高了汽车保险杠的安全性能。另外,还有高透湿性TPU、导电性 TPU,并且出现了专用于生体、磁带、安全玻璃等方面的TPU。
在国际上,TPU生产厂家以美日欧为主已达30余家之多,品种牌号十分丰富。德国Bayer、BASF,英国ICI(为享斯迈收购)、Anchor等重点 着眼于以制鞋为主,美国的DDE、Mobay和日本的Elastoran、Polyurethane等以汽车机械部件为主,均共同向周围领域扩张。作为 TPU同族的PUR,特别是液体聚氨酯橡胶(LPU又称CPU)的发展尤为迅速,已大量进入胶带、胶鞋领域,并且开始步入自行车胎、工业轮胎等方面。用 TPU和LPU代替一部分橡胶已经指日可待,至于在工程橡胶塑料部件方面的发展更不必待言。此外,在医疗卫生方面用于导管、薄膜、片材、异型件、安全套, 电子通讯方面用制电线电缆护套,航空航天方面用其制造油罐、气球等都是新的增长点。
2.6 聚酯类TPE(TPEE)
聚酯类TPE(TPEE)是以聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)为硬链段,以脂肪族聚醚,例如四甲撑二醇(PTMEGT)为软链段交替组合而成的共缩聚物。 如以非结晶的聚酯代替聚醚,还可进一步提高TPEE的耐热性。TPEE是1972年DuPont以Hytrel商品名最早在美国上市的工程类TPE中最有 代表性的产品,分为压制、注塑、挤出、吹塑以及阻燃、卫生、耐紫外线等多个品种。因其具有优异的机械强度、耐热性、耐油性和耐久性,易于加工成型,故在世 界各地发展较快。目前,大约有35%用于工业橡胶制品,例如胶管、胶带;20%为汽车配件方面;其余为家电使用,如消音齿轮、电话编码器卡等。缺点是硬度 大,不易制出柔软的制品,同时耐压缩变形性、耐热水性和耐强酸性都较差。此外,质量的均一性和价格也都是问题,故而多年来一直在对其进行改进。美国 General Electric(Valox)、荷兰Akzo Chem.(Arnite1)、日本东洋纺(Pelprene)等世界级的大化工公司都已涉足TPEE开发并开始实现商业化生产。新改进的TPEE有,以 聚己内酯为软链段的聚酯—醚共聚物,可以提高其耐水解性、耐寒性,进一步改进耐热、耐天候性和机械强度。还有与PA、PC类共混的聚合物合金、超耐热的 TPEE和耐天候的TPEE等,主要用于汽车的外板以及外装部件。
2.7 酰胺类TPE(TPAE)
酰胺类TPE主要是以尼龙—6、尼龙—66、尼龙—11、尼龙—12为硬链段和以聚乙二醇、聚丙二醇为软链段构成的一系列尼龙型热塑弹性体,简称 TPAE。它们实际上已远离橡胶,缺乏弹性,价格也较TPEE要高。主要优点是保留了尼龙树脂的各个长处,如强韧性、耐化学药品性、耐磨性等,具有非常好 的消音性,用于消音齿轮、纯管、运动鞋、网球拍、树脂共混等。
TPA巨是一种较新的工程类TPE,1979年Huls公司开始在德国上市,以后大日本油墨化学、德国AtoChem.(PEBAX)、美国EMS等也陆 续投入生产,世界需求量约在万吨左右。TPAE的优点是比重小,易于成型加工,硬度调节范围大;缺点为耐强酸性、耐强碱性以及耐热水性都不如TPEE,而 且价格也偏高。为使之进一步高性能化和低成本化,又出现了TPAE与TPU的合金共混物,同ABS树脂复合共混的双色成型物,它们在登山靴、滑雪靴等领域 受到欢迎。
2.8 有机氟类TPE
有机氟类TPE乃系利用氟碳化物乳液聚合而得的氟橡胶(A)与氟树脂(B)组合形成的B—A—B型嵌段聚合物。它保留了氟橡胶和氟树脂的耐热性、耐油性、 耐化学药品性和耐天候性等长处,为TPE中性能最高、价格最贵的材料。由于有机氟类TPE(TPF)不需硫化,现已成为食品和医疗方面理想的材料。
2.9 有机硅类TPE
近年来,有机硅类TPE在美国发展较快,有DOW Corning公司研发的聚苯乙烯与聚二甲基硅氧烷的嵌段共聚物,GeneralElectric公司研制的聚双酚A碳酸酯与聚二甲基硅氧烷的嵌段共聚 物,以及UnionCarbide公司开发的聚芳酯、聚砜与聚二甲基硅氧烷的嵌段共聚物等。具有耐低温、绝缘、耐天侯、耐臭氧等一系列优良特性,用于各种 无需补强硫化的橡胶制品。我国山东大学跟踪研发取得了阶段性成果。国际上还出现有机硅改性的SEBS,有机硅IPN的TPAE、TPEE、TPO以及 SEBS等。
3 热塑性弹性体应用前景
综上所述,30多年来,TPE正向着硫化橡胶和工程塑料两种类型方向发展,出现了四代产品。
第一代(1958—1967年)TPU、TPS、TPI、TPO、TPVC
第二代(1968-1977年)TPV、TPB、TPEE
第三代(1978-1987年)TPAE、TPF、MPR
第四代(1988-今) TPQ、TP-NR
上述四代TPE,在世纪前的1970-1990年之间,以年均10%以上的速度飞速发展,1999-2000年以6%的速度迅猛前进。作为一种新型的弹性 体材料——具有橡胶塑料双重性格的聚合物,既取代了部分橡胶同时也改性了塑料。2001年,以TPO、TP—NR的出现和发展为标志,TPE又开始进入新 的发展时期。
TPE的发展已大大扩宽了橡胶工业的领域,同塑料展开了竞争。其应用已从制鞋、汽车、建筑、工业,进一步扩大到电子通讯、医疗卫生以及高新技术等方面。
世界TPE的具体品种用量,目前仍以TPS为主体,大约占TPE总量的一半左右,TPO发展上升到26%,其余TPUl3%,其他11%。现在TPE已成为橡胶和塑料工业共同争夺的可贵原材料。
4 结束语
21世纪是环保世纪,是资源再生利用的时代。作为最具环保型的TPE来说,客观上已迎来了大发展的新纪元。由于TPE的生产再利用和使用后的资源再生性都 强,而且又节能,作为一种新材料已成为社会各界关注的焦点。事实上,凡是对耐热性要求不严的橡胶制品,都有可能逐步为TPE所取代,除目前已进入的制鞋、 汽车、建筑、胶粘剂方面外,在电子通讯、医疗卫生等领域的应用前途也非常广阔。
当今,TPE正瞄准向着高新技术的方向发展,其生产使用技术早已成为全世界研发的重点。除茂金属催化的TPO、加氢的SBS和SIS、环氧化TPE等已经 产业化之外,离聚体TPE、液晶性TPE等也已进入工业化实用阶段,砜化TPE、含三嗪TPE等现已取得重大进展。DDE与PolyOne公司正在研发以 茂金属为基础的烯烃新材料,Zeon与AES公司合作开发耐高温TPX,苏威工程聚合物与TRS公司一起提供更适用于汽车用的TPV,GLS与BASF公 司研制开发软触摸应用的TPE及与其结合的硬基材。近年来,尤其是生物分解性TPE已成为攻关的热门话题,世界各国几乎年年都有新的报道。例如1992年 的聚(β—羟基烷醇酯),1994年的聚醚型热塑性聚氨酯,1995年的1,5二烷基酮和己内酯共聚物、聚(L—交酯)—嵌段—聚异丁烯—嵌段—聚(L— 交酯),1997年的乙烯丙烯酸共聚物和环氧化天然橡胶的混合物、含有淀粉的聚氨酯,等等。
TPE今后的开发方向是:①茂金属催化的新TPE;②电子射线、放射线后交联的高性能TPE;③异种材料复合成型以及发泡成型技术;④TPE混合物的再生 活化技术;⑤配方设计技术;⑥用TPE作增溶剂制出新的聚合物混合体一现代炼金术(Alchemy)等。归根结底,这些高新技术要能生产出高新技术材料和 产品,TPE才具有强大的生命力和广阔的发展前途。
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丙烯酸工程机械漆
一、组成:由丙烯酸树脂、进口颜料、优质助剂等组成。
二、特性:漆膜光泽高、丰满度好,有优异的附着力,耐水性、耐候性等。
三、用途:适用于各类工程机械、矿山机械等。
四、技术指标:Q/ZLN015-2004
项目
指标
漆膜颜色及外观
漆膜平整光亮,在色差范围内
粘度(涂-4粘度计)S≥
60
干燥时间,实干h≤
4
光泽(60°)≥
85
硬度(双摆)≥
0.5
附着力(级)≤
2
五、施工参考
1、使用本漆时,必须将漆彻底搅均。
2、用配套稀释剂,调整喷涂粘度,以空气喷涂为主。
3、当调到施工粘度后,应静置熟化10-15min后施工。
4、如漆中有不溶物或机械杂质,可过滤后施工。
六运输、贮存
1、产品在运输时,应防止雨淋、日光曝晒,避免碰撞,并应符合交通部门的有关规定。
2、产品应存放在阴凉通风处,防止日光直接照射,并隔绝火源,远离热源的库房内。
七、安全防护
施工场地应有良好的通风设施,油漆工应戴好眼镜、手套、口罩等,避免皮肤接触和吸入漆雾。施工现场严禁烟火。
(注:该说明书是我们试验和经验的积累,可作为施工参考,随着产品的不断改进,有关数据随时会改变,恕不另行通知)
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要了解飞机的飞行原理就必须先知道飞机的组成以及功用,飞机的升力是如何产生的等问题。这些问题将分成几个部分简要讲解。
一、飞行的主要组成部分及功用
到目前为止,除了少数特殊形式的飞机外,大多数飞机都由机翼、机身、尾翼、起落装置和动力装置五个主要部分组成 :
1. 机翼——机翼的主要功用是产生升力,以支持飞机在空中飞行,同时也起到一定的稳定和操作作用。在机翼上一般安装有副翼和襟翼,操纵副翼可使飞机滚转,放下襟翼可使升力增大。机翼上还可安装发动机、起落架和油箱等。不同用途的飞机其机翼形状、大小也各有不同。
2. 机身——机身的主要功用是装载乘员、旅客、武器、货物和各种设备,将飞机的其他部件如:机翼、尾翼及发动机等连接成一个整体。
3. 尾翼——尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼。水平尾翼由固定的水平安定面和可动的升降舵组成,有的高速飞机将水平安定面和升降舵合为一体成为全动平尾。垂直尾翼包括固定的垂直安定面和可动的方向舵。尾翼的作用是操纵飞机俯仰和偏转,保证飞机能平稳飞行。
4.起落装置——飞机的起落架大都由减震支柱和机轮组成,作用是起飞、着陆滑跑,地面滑行和停放时支撑飞机。
5. 动力装置——动力装置主要用来产生拉力和推力,使飞机前进。其次还可为飞机上的其他用电设备提供电源等。现在飞机动力装置应用较广泛的有:航空活塞式发动 机加螺旋桨推进器、涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮风扇发动机。除了发动机本身,动力装置还包括一系列保证发动机正常工作的系统。
飞机上除了这五个主要部分外,根据飞机操作和执行任务的需要,还装有各种仪表、通讯设备、领航设备、安全设备等其他设备。
二、飞机的升力和阻力
飞 机是重于空气的飞行器,当飞机飞行在空中,就会产生作用于飞机的空气动力,飞机就是靠空气动力升空飞行的。在了解飞机升力和阻力的产生之前,我们还要认识 空气流动的特性,即空气流动的基本规律。流动的空气就是气流,一种流体,这里我们要引用两个流体定理:连续性定理和伯努利定理
流体的连续性定理:当流体连续不断而稳定地流过一个粗细不等的管道时,由于管道中任何一部分的流体都不能中断或挤压起来,因此在同一时间内,流进任一切面的流体的质量和从另一切面流出的流体质量是相等的。
连续性定理阐述了流体在流动中流速和管道切面之间的关系。流体在流动中,不仅流速和管道切面相互联系,而且流速和压力之间也相互联系。伯努利定理就是要阐述流体流动在流动中流速和压力之间的关系。
伯努利定理基本内容:流体在一个管道中流动时,流速大的地方压力小,流速小的地方压力大。
飞 机的升力绝大部分是由机翼产生,尾翼通常产生负升力,飞机其他部分产生的升力很小,一般不考虑。从上图我们可以看到:空气流到机翼前缘,分成上、下两股气 流,分别沿机翼上、下表面流过,在机翼后缘重新汇合向后流去。机翼上表面比较凸出,流管较细,说明流速加快,压力降低。而机翼下表面,气流受阻挡作用,流 管变粗,流速减慢,压力增大。这里我们就引用到了上述两个定理。于是机翼上、下表面出现了压力差,垂直于相对气流方向的压力差的总和就是机翼的升力。这样 重于空气的飞机借助机翼上获得的升力克服自身因地球引力形成的重力,从而翱翔在蓝天上了。
机翼升力的产生主要靠上表面吸力的作用,而不是靠下表面正压力的作用,一般机翼上表面形成的吸力占总升力的60-80%左右,下表面的正压形成的升力只占总升力的20-40%左右。
飞机飞行在空气中会有各种阻力,阻力是与飞机运动方向相反的空气动力,它阻碍飞机的前进,这里我们也需要对它有所了解。按阻力产生的原因可分为摩擦阻力、压差阻力、诱导阻力和干扰阻力。
1. 摩擦阻力——空气的物理特性之一就是粘性。当空气流过飞机表面时,由于粘性,空气同飞机表面发生摩擦,产生一个阻止飞机前进的力,这个力就是摩擦阻力。摩 擦阻力的大小,决定于空气的粘性,飞机的表面状况,以及同空气相接触的飞机表面积。空气粘性越大、飞机表面越粗糙、飞机表面积越大,摩擦阻力就越大。
2.压差阻力——人在逆风中行走,会感到阻力的作用,这就是一种压差阻力。这种由前后压力差形成的阻力叫压差阻力。飞机的机身、尾翼等部件都会产生压差阻力。
3.诱导阻力——升力产生的同时还对飞机附加了一种阻力。这种因产生升力而诱导出来的阻力称为诱导阻力,是飞机为产生升力而付出的一种“代价”。其产生的过程较复杂这里就不在详诉。
4.干扰阻力——它是飞机各部分之间因气流相互干扰而产生的一种额外阻力。这种阻力容易产生在机身和机翼、机身和尾翼、机翼和发动机短舱、机翼和副油箱之间。
以上四种阻力是对低速飞机而言,至于高速飞机,除了也有这些阻力外,还会产生波阻等其他阻力。
三、影响升力和阻力的因素
升力和阻力是飞机在空气之间的相对运动中(相对气流)中产生的。影响升力和阻力的基本因素有:机翼在气流中的相对位置(迎角)、气流的速度和空气密度以及飞机本身的特点(飞机表面质量、机翼形状、机翼面积、是否使用襟翼和前缘翼缝是否张开等)。
1. 迎角对升力和阻力的影响——相对气流方向与翼弦所夹的角度叫迎角。在飞行速度等其它条件相同的情况下,得到最大升力的迎角,叫做临界迎角。在小于临界迎角 范围内增大迎角,升力增大:超过临界临界迎角后,再增大迎角,升力反而减小。迎角增大,阻力也越大,迎角越大,阻力增加越多:超过临界迎角,阻力急剧增 大。
2.飞行速度和空气密度对升力阻力的影响——飞行速度越大升力、阻力越大。升力、阻力与飞行速度的平方成正比例,即速度增大到原来的 两倍,升力和阻力增大到原来的四倍:速度增大到原来的三倍,胜利和阻力也会增大到原来的九倍。空气密度大,空气动力大,升力和阻力自然也大。空气密度增大 为原来的两倍,升力和阻力也增大为原来的两倍,即升力和阻力与空气密度成正比例。
3,机翼面积,形状和表面质量对升力、阻力的影响——机 翼面积大,升力大,阻力也大。升力和阻力都与机翼面积的大小成正比例。机翼形状对升力、阻力有很大影响,从机翼切面形状的相对厚度、最大厚度位置、机翼平 面形状、襟翼和前缘翼缝的位置到机翼结冰都对升力、阻力影响较大。还有飞机表面光滑与否对摩擦阻力也会有影响,飞机表面相对光滑,阻力相对也会较小,反之 则大。
飞行原理简介(二)
飞机能自由地飞行在空中,靠的是飞行员对飞机正确的操控。飞行员操作飞机,就是运用油门、杆、舵改变飞机的空气动力和力矩,从而改变飞行状态。为了解飞机的操作原理我们就需要知道飞机的平衡、安定性和操作性等相关知识。下面从这三方面开始简要讲解飞机的飞行操作原理。
为了让大家理解其中的术语,我们先介绍一些基础知识:飞机的重心和飞机的坐标轴。
飞机的重心:飞机的各部件燃料、乘员、货物等重力之和是飞机的重力,飞机重力的着力点叫做飞机重心。
飞机的坐标轴也叫机体轴是以机体为基准,通过飞机重心的三条相互垂直的坐标轴。
一、飞机的平衡、安定性和操作性
(一).飞机的平衡是指作用于飞机的各力之和为零,各力重心所构成的各力矩之和也为零。飞机处于平衡状态时,飞机速度的大小和方向都保持不变,也不绕重心转动。飞机的平衡包括俯仰平衡、方向平衡和横侧平衡。
①飞机的俯仰平衡是指作用于飞机的各俯仰力矩之和为零。飞机取得平衡后,不绕纵轴转动,迎角保持不变。作用于飞机的俯仰力矩很多,主要有:机翼力矩、水平尾翼力矩及拉力(推力)力矩。
影响俯仰平衡的因素:加减油门,收放襟翼、收放起落架和重心变化等。飞行中,影响飞机俯仰的因素是经常存在的。为了保持飞机的俯仰平衡,飞行员可前后移动驾驶杆偏转升降舵或使用调整片,产生操纵力矩,来保持力矩的平衡。
②飞机的方向平衡是作用于飞机的各偏转力矩之和为零。飞机取得方向平衡后,不绕立轴转动,侧滑角不变或没有侧滑角。
影 响飞机方向平衡的因素:飞机一边机翼变形,左右两翼阻力不等;多发动机飞机,左右两边发动机工作状态不同,或者一边发动机停车,从而产生不对称拉力;螺旋 桨发动机,油门改变,螺旋桨滑流引起的垂直尾翼力矩随之改变。飞机的方向平衡受破坏时最有效的克服方法就是适当蹬舵或使用方向舵调整片,利用偏转方向舵产 生的方向操纵力矩来平衡使机头偏转的力矩,从而保持飞机的方向平衡。
③飞机的横侧平衡是作用于飞机的各滚转力矩之和为零。飞机取得横侧平衡后,不绕纵轴滚转,坡度不变或没有坡度。作用于飞机的滚转力矩,主要有两翼升力对重心形成的力矩:螺旋桨旋转时的反作用力矩。
影 响飞机的横侧平衡:飞机一边机翼变形,两翼升力不等;螺旋桨发动机,油门改变,螺旋桨反作用力矩随之改变;重心左右移动(如两翼油箱耗油量不等),两翼升 力作用点至重心的力臂改变,形成附加滚转力矩。飞机的横侧平衡受破坏时,飞行员保持平衡最有效的方法就是适当左右压驾驶杆或使用副翼调整片,利用偏转副翼 产生的横侧操纵力矩来平衡使飞机滚转的力矩,以保持飞机的横侧平衡。飞机的方向平衡和横侧平衡是相互联系、相互依赖的,方向平衡受到破坏,如不修正就会引 起横侧平衡的破坏。
(二).飞机的安定性就是飞行中,当飞机受微小扰动(如阵风、发动机工作不均衡、舵面的偶尔偏转等)而偏离原来的平衡状态,并在扰动消失后,不经飞行员操纵,飞机自动恢复原来平衡状态的特性。飞机的安定性包括:俯仰安定性、方向安定性和横侧安定性。
飞机安定性的的强弱,一般由摆动衰减时间、摆动幅度、摆动次数来衡量。当飞机受到扰动后,恢复原来平衡状态时间越短,摆动幅度越小,摆动次数越少,飞机的安定性就越强。
飞机安定性的强弱,主要取决于飞机的重心位置、飞行速度、飞行高度和迎角的变化。
(三).飞机除应有必要的安定性外,还应有良好的操作性,这样才能保证飞行员有意识的飞行。
飞机的操作性是只指飞机在飞行员操纵升降舵、方向舵和副翼下改变其飞行状态的特性。操纵动作简单、省力,飞机反应快,操作性就好,反之则不。飞机的操纵性同样包括俯仰操纵性、方向操纵性和横侧操纵性。
① 飞机的俯仰操纵性是飞行员操纵驾驶杆使升降舵偏转之后,飞机绕横轴转动而改变迎角等飞行状态的特性。在直线飞行中,飞行员向后拉驾驶杆,升降舵向上偏转一 个角度,在水平尾翼上产生向下的附升力,对飞机重心形成俯仰操作力矩,迫使机头上仰,迎角增大。驾驶杆前后的每个位置对应着一个迎角或飞行速度。
飞行中,升降舵偏转角越大,气流动力越大,升降舵上的空气动力也越大,从而枢轴力矩也越大,所需杆力(飞行员操纵驾驶杆所施加的力)也越大。在模拟飞行中,如果使用微软的力回馈摇杆这种力可以体验到。
②飞机的方向操纵性,就是在飞行员操纵方向舵后,飞机绕立轴偏转而改变其侧滑角等飞行特性。与俯仰角相似,在直线飞行中,每一个脚蹬位置,对应着一个侧滑角,蹬右舵,飞机产生左侧滑;蹬左舵,飞机产生右侧滑。
方向舵偏转后,同样产生方向舵枢轴力矩,飞行员需要用力蹬舵才能保持方向舵偏转角不变。方向舵偏转角越大,气动动压越大,蹬舵力越大。
③ 飞机的横侧操纵性是指在飞行员操纵副翼后,飞机绕纵轴滚转而改变滚转角速度、坡度等飞行状态的特性。比如:飞行员向左压驾驶盘,右副翼下偏,右翼升力增 大,左副翼上偏,左翼升力减小,两翼升力之差,形成横侧操纵力矩,使飞机向左加速滚转。在横侧操纵中,驾驶盘左右转动的每一个位置,都对应着一个滚转角速 度。驾驶盘左右转动的角度越大,滚转角速度越大。如果飞行员要想保持一定的坡度,就必须在接近预定坡度时将盘回到中立位置,消除横侧操纵力矩,在横侧阻转 力矩的阻止下,使滚转角速度消失。有时,飞行员甚至可以向飞机滚转的反方向压一点驾驶盘,迅速制止飞机滚转,使飞机准确地达到预定飞行坡度。
飞机的操纵性不是一成不变的,它要受到许多因素的制约,影响飞机操纵性的因素有飞机重心位置的前后移动、飞行的速度、飞行高度、迎角等。
飞行原理简介(三)
这部分我们要了解飞机最简单的运动形式:平飞、上升和下降。
平 飞、上升和下降指的是飞机既不带倾斜也不带侧滑的等速直线飞行。这也是飞机最基本的飞行状态。飞机平飞、上升和下降性能是飞机最基本的飞行性能,如:平飞 最大速度、平飞最小速度、最大上升角、最大上升率,升限、最小下降角、最大下降距离等,这些都是飞行员首先要学习和掌握的。
一. 平飞
飞 机作等速直线水平的飞行,叫平飞。平飞中作用于飞机的外力有升力、重力、拉力(或推力)和阻力。平飞时,飞机无转动,各力对重心的力矩相互平衡,且上述各 力均通过飞机重心。为保持平飞,需要有足够的升力以平衡飞机的重量,为了产生这一升力所需的飞行速度,叫平飞所需速度影响平飞所需速度的因素:
飞机重量 在其它因素都不变的条件下,飞机重量越重,为保持平飞所需的升力 就越大,故平飞所需速度也越大。相反,飞机重量越轻,平飞所需速度就越小。
机翼面积 机翼面积大,升力也大。为了获得同样大的升力以平衡飞机重量,所需平飞速度就小。反之,机翼面积小,平飞所需速度就大。
空 气密度空气密度小,升力也小,为了获得同样大的升力以平衡飞机重量,平飞所需速度就增大。反之,空气密度大,平飞所需速度就减小,空气密度的大小是随飞行 高度以及该高度的气温气压而变化的,飞行高度升高,或在同一高度上,气温升高或气压降低,空气密度都会减小。反之增大。
升力系数 升力系数大,平飞所需速度就小。因为,升力系数大,升力大,只需较小的速度就能获得平衡飞机重量的升力。反之,升力系数小,平飞所需速度就大。
而 升力系数的大小又决定于飞机迎角的大小和增升装置的使用情况。迎角不同,开力系数不同,平飞所需速度也就不同。在小于临界迎角的范围内,用大迎角平飞,升 力系数大,平飞所需速度就小,用小迎角平飞,升力系数小,平飞所需速度就大,即是 说,平飞中每一个迎角均有一个与之对应的平飞所需速度。
增升装置的使用情况不同,升力系数大小也不同,平飞所需速度也将下一样。(比 如放襟翼起飞,由于升力系数大,为平衡飞机重量所需的速度就小,即离地速度小,起飞滑跑距离就短)。
1. 最大平飞速度,在一定的高度和重量下,发动机加满油门时,飞机所能达到的稳定平飞速度,就是飞机在该高度上的最大平飞速度。平飞最大速度是理论上飞机平飞 所能达到的最大速度,而并不是飞机实际的最大使用速度,由于飞机强度等限制,最大使用速度比平飞最大速度可能要小。比如三叉戟飞机,在海平面,标准大气, 全收状态下,平飞最大速度为480海里/小时,而最大使用速度则规定为365海里/小时。
2. 平飞最小速度,是飞机作等速平飞所能保持的最小速度。如有足够的可用拉力或可用功率,那么平飞最小速度的大小受最大升力系数的限制。因为临界迎角的升力系 数最大, 所以与临界迎角相对应的平飞速度(失速速度),就是平飞最小速度。 对飞机的要求来说,平飞最小速度越小越好,因平飞最小速度越小,飞机就可用更 小的速度接地,以改善飞机的着陆性能。临界迎角对应的平飞速度,是平飞的最小理论速度。实际上当飞机接近临界迎角时,由于机翼上气流严重分离,飞机出现强 烈抖动,飞机不仅易失速而且安定性、操纵性都差。所以实际上要以该速度平飞是不可能的。为保证安全,对飞行迎角的使用应留有一定的余量,不允许在临界迎角 状态飞行。
3. 平飞有利速度就是以有利迎角保持平飞的速度。以有利速度平飞,升阻比最大平飞阻力最小,航程较远。
4. 经济速度就是用最小所需功率作水平飞行时的速度。用经济速度平飞所需功率最小,即所用发动机的功率最小,比较省油,航时较长。与经济速度相对应的迎角,叫经济迎角。
在 平飞中改变速度的基本操纵方法是:要增大平飞速度,必须加大油门,并随着速度的增大而前推驾驶杆;同理,要减小平飞速度则必须收个油门,并随着速度的减小 而后拉驾驶杆。也就是说,从一个平飞状态改变到另一个乎飞状态,必须同时操纵油门和驾驶杆。此外,对螺旋桨飞机正必顶要修正因加减油门而引起的螺旋桨副作 用的影响。但是必须指出,上述改变平飞速度的操纵规律只有在大于经济速度的范围内才适合。
二. 上升
飞机沿向上倾斜的轨迹所作的等速直线飞行就叫上升。上升是飞机取得高度的基本方法。上升中作用于飞机的外力和平飞相同,有升力、重力、拉力(或推力)和阻力。
飞机的上升性能主要包括最大上升角、最大上升率、上升时间和上升限度。
1.上升角和上升梯度
上升角是飞机上升轨迹与水平线之间的夹角。上升角越大,说明经过同样的水平距离后,上升的高度越高。上升高度与水平距离的比值,就是上升梯度。飞机的剩余拉力(或剩余推力)越大,或飞机重量越轻,则上升角和上升梯度越大。
2. 上升率和最快上升速度
在 上升中,飞机每秒钟所上升的高度,叫上升率,也叫上升垂直速度,上升率越大,表明飞机上升到一定高度所需的时间越短,飞机就能迅速取得高度。所以说,飞机 的最大上升率是飞机重要的飞行性能之一。 剩余功率越大,或飞机重量越轻功率越大。因为飞机上升的过程,实际就是将剩余功率变成势能的过程。在飞机重量不变的情况下,剩余功率越大,飞机在单位时间 内增加的势能就越多,上升率也就越大。在剩余功率一定的情况下,飞机重量越轻,在单位时间内上升的高度越高、上升率也就越大。在重量一定的情况下升率的大 小主要决定于剩余功率的大小,而剩余功率的大小又决定于油门位置和上升速度。在油门位置一定的情况下,用不同速度上升,由于剩余功率大小不同,上升率大小 也就不同。对低速螺旋桨飞机,加满油门,在有利速度附近,剩余功率最大,所以用近似有利速度的速度上升,可以得到最大的上升率。
3. 上升时间和上升限度
上 升率的变化决定于剩余功率的变化。所以,上升率随飞行高度的变化,也就决定于剩余功率随飞行高度的变化。就可以确定出飞机在各个飞行高度上的最大上升率以 及最快上升速度。在额定高度以上,随着高度的升高,发动机发出的功率减小,可用功率减小,剩余功率随之减小。所以,最大上升率随着高度的升高一直减小。 既然最大上升率随高度的增加要一直减小,那么上升到一定高度,上升率势必要减小到零。这时飞机不可能再继续上升。上升率等于零的高度叫做理论上 升限度,简称理论升限。
飞机上升到预定高度所需的最短时间,叫上升时间。
飞机由平飞转入上升的基本操纵方法是:加大油门 到预定位置,同时柔 和后拉驾驶杆,使飞机逐渐转入上升,及至接近预定上升角(上升率)时,即前推驾驶杆,以便使飞机稳定在预定的上升角。必要时,调整油门.以保持预定的上升 速度。对螺旋桨飞机,还应注意修正螺旋桨副作用的影响。飞机由上升转入平飞,飞行员就应前推驾驶杆,减小迎角,以减小升力。只有升力小于重力第一分力,飞 机产生向下的向心力之后,飞机运动轨迹才会向下弯曲,才可能转入平飞。
飞机由上升转入平飞的基本操纵方法是:柔和地前推驾驶 杆减小升力,同时收小油门,使飞机逐渐转入平飞,待上升角接近零时,即后拉驾驶盘保持平飞。必要时调整油门,以保持等速平飞,对螺旋桨飞机,还应注意修正螺旋桨副作用的影响。
三. 下降
飞机沿向下倾斜的轨迹所作的等速直线飞行就叫下降。下降是飞机降低高度的基本方法。下降中作用于飞机的外力和平飞相同,有升力、重力、拉力(或推力)和阻力。飞机的下降根据需要可用正拉力、零拉力或负拉力进行。拉力近似于零(闭油门)的下降叫下滑。
飞机的下降性能主要包括最小下降角、最小下降率和最大下降距离。
1. 下降角和下降率
下降轨迹与水平线之间的夹角叫下降角。飞机每秒钟所降低的高度叫下降率。下降率越大,飞机降低高度越快,下降到一定高度的时间就短。
2. 下降距离
飞 机下降一定高度所通过的水平距离,叫下降距离。下降距离的长短,取决于下降高度和下降角。下降高度越高,下降角越小,下降距离就越长。以有利迎角下降,因 升阻比最大,下降角最小,故下降距离最长。能获得最大下降距离的下降速度,叫做最大下降距离下降速度。对零拉 力下滑时,最大下滑距离速度就等于有利速度。凡是使升阻比减小,下降角增大的因素都将使下降距离缩短。如在放起落架、襟翼,飞机结冰等情况下,升阻比减 小,下降角增大,下降距离缩短,飞机用负拉力下降 时,下降角增大,下降距离缩短。飞行中常可根据滑翔比的大小来估计下降距离的长短。滑翔比是下降距离与下降高度之比。滑翔比就是飞机每降低一米高度所前进 的距离。在高度一定的情况下,滑翔比越大,下降距离就越长。在无风和零拉力的情况下,滑翔比就等于飞机的升阻比。
下降的操纵原理
操 纵驾驶杆改变下降角。下降速度、下降率以及下降距离在稳定的下降中,一个迎角对应一个下降速度。移动驾驶杆改变迎角,就可相应地改变下降速度、下降角、下 降率以及下降距离。在下降第一范围内,后位驾驶杆,迎角 增大,升力系数增大,下降速度减小,下降角减小,下降率减小,下降距离增长,反之,前推驾驶盘,下降速度增大,下降角、下降率增大,下降距离缩短,用有利 迎角下 降,下降角最个,下降距离最远。用经济迎角下降,下降率最小。下降中,主要是操纵驾驶盘和油门,保持好下降速度和下降角。只要油门在规定位 置,操纵驾驶杆保持好规定的下降速度,就可以获得预定的下降角。
加、减油门改变下降角、下降距离。下降中,不动驾驶盘,即迎角保持下变,加油门可使下降角减小,下降速度稍增 大,下降距离增长,减油门可使下降角增大, 下降速度稍减小,下降距离缩短。 加油门,拉力增大,下降速度增大,升、阻力增大。
飞机由平飞转入下降的基本操纵方法一般是:柔和前推驾驶盘,以减小迎 角,使飞机逐渐转入下降,同时收小油门,减小拉力。待飞机接近预定的下降角(下 降率)时,应及时后拉驾驶盘,保持好预定的下降角下降。
飞机由下滑转平飞的基本操纵方法是:加大油门至平飞位置,同时柔和地后拉驾驶盘以减小下降角,待飞机接近平飞状态时,应向前回盘,保持平飞。
飞行原理简介(四)
飞机的每次飞行,不论飞什么课目,也不论飞多高、飞多久,总是以起飞开始以着陆结束。 起飞和着陆是每次飞行中的两个重要环节。所以,我们首先需要掌握好起飞和着陆的技术。
一. 滑行
飞机不超过规定的速度,在地面所作的直线或曲线运动叫滑行。
对 滑行的基本要求是:飞机平稳地开始滑行,滑行中保持好速度和方向,并使飞机能停止在预定的位置。飞机从静止开始移动,拉力或推力必须大于最大静摩擦力,故 飞机开始滑行时应适 当加大油门。飞机开始移动后,摩擦力减小,则应酌量减小油门,以防加速太快,保持起滑平稳。滑行中,如果要增大滑行速度,应柔和加大油门,使拉力或推力大 于摩擦力,产生加速度,使速度增大,要减小滑行速度,则应收小油门,必要时,可使用刹车。
二. 起飞
飞机从开始滑跑到离开地面,并升到一定高度的运动过程,叫做起飞。
飞机起飞的操纵原理
飞 机从地面滑跑到离地升空,是由于升力不断增大,直到大于飞机重力的结果。而只有当飞机速度增大到一定时,才可能产生足以支持飞机重力的升力。可见飞机的起 飞 是一个速度不断增加的加速过程。 ;剩余拉力较小的活塞式螺旋桨飞机的起飞过程,一般可分为起飞滑跑、离地、小 角度上升(或一段平飞)、上升四个阶段。对有足够剩余拉力的螺旋桨飞机,或有足够剩余推力的喷气式飞机,因可使飞机加 速并上升,故起飞一般只分三个阶段,即起滑跑、离地和上升。
(一)起飞滑跑的目的是为了增大飞机的速度,直到获得离地速度。拉力或推力愈大,剩余拉力或剩余推力也愈大,飞机增速就愈快。起飞中,为尽快地增速,应把油门推到最大位置。
1.抬前轮或抬尾轮
前三点飞机为什么要抬前轮?
前 三点飞机的停机角比较小,如果在整个起飞滑跑阶段都保持三点姿态滑跑,则迎角和升力系数较小,必然要将速度增大到很大才能产生足够的升力使飞机离地,这 样,滑咆距离势必很长。因此,为了减小离地速度,缩短滑跑距离,当速度增大到一定程度时就需要抬起前轮作两点姿态滑跑,以增大迎角和升力系数。
抬前轮的时机和高度
抬 前轮的时机不宜过早或过晚。抬前轮过早,速度还小,升力和阻力都小,形成的上仰力矩也小。要拾起前轮,必须使水平尾翼产生较大的上仰力矩,但在小速度情况 下,水平尾翼产生的附加空气动力也小,要产主足够的上仰力矩就需要多拉杆。结果,随着滑跑速度增大,上仰力矩又将迅速增大,飞行员要保持抬前伦的平衡状 态,势必又要用较大的操纵量进行往复修正,给操纵带来困难。同时,抬前轮过旱,使飞机阻力增大而增长起飞距离。如果抬前轮过晚,不仅使滑跑距离增长,而且 还由于拉杆抬前轮到离地的时间很短,飞行员不易修正前轮抬起的高度而保持适当的离地迎角。甚至容易使升力突增很多 而造成飞机猛然离地。各型飞机抬前轮的速度均有其具体规定。前轮抬起高度应正好保持飞机离地所需的迎角,前轮抬起过低,势必使迎角和升力系数过小,离地速 度增大,滑跑距离增长,前轮抬起过高,滑跑距离虽可缩短,但因飞机阻力大,起飞距离将增长,而且迎角和升力系数过大,又势必造成大迎角小速度离地,离地 后,飞机的安定住差操纵性也不好。仰角过大,还可能造成机尾擦地。从既要保证安全又要缩短滑跑距离的要求出发,各型飞机前轮抬起高度都有其具体规定。飞行 员可从飞机上的俯仰指示器或从机头与天地线的关系位置来判断前轮抬起的高度是否适当。
后三点飞机为什么要抬尾轮
后三点飞 机与前三点飞机相比,停机角比较大,因此三点滑跑中迎角较大,接近其临界迎角,如果整个滑跑阶段都保持三点滑跑,升力系数比较大,飞机在较小的速度下即能 产生足够的升力使飞机离地。此时滑跑距离虽然很短,但大迎角小速度离地后,飞机安定性操纵性都差,甚至可能失速。因此后三点飞机,当滑跑速度增大到一定 时,飞行员应前推驾驶杆,抬起机尾作两点滑跑,以减小迎角。与前三点飞机抬前轮一样,为了既保证安全,又缩短滑跑距离,必须适时正确地抬机尾。抬机尾过早 或过晚,过高或过低,不仅会增长滑跑距离,起飞距离,而且会危及 飞行安全。各型飞机抬机尾的速度和高度也都有其具体规定。
2. 保持滑跑方向
对 螺旋桨飞机而言,起飞滑跑中引起飞机偏转的主要原因是螺旋桨的副作用。 起飞滑跑中,螺旋桨的反作用力矩力图使飞机向螺旋桨旋转的反方向倾斜,造成两主轮对地面的作用力不等,从而使两主轮的摩擦力不等,两主轮摩擦力之差对重心 形成偏转力矩。螺旋桨滑流作用在垂直尾翼上也产主偏转力矩。前三点飞机抬前轮时和后三点飞机抬尾轮时,螺旋桨的进动作用也会使飞机产生偏转。加减油门和推 拉笃驶杆的动作愈粗猛,螺旋桨副作用影响愈大。为减轻螺旋桨副作用的影响,加油门和推拉驾驶杆的动作应柔和适当。滑跑前段,因舵的效用差,一般可用偏转前 轮和刹车的方法来保持滑跑方向。滑跑后段应用舵来保持滑跑方向。随着滑跑速度的不断增大,方向舵的效用不断提高,就应当回舵,以保持滑跑方向。
喷气飞机起飞滑跑方向容易保持,其原因是;一是喷气飞机都是前三点飞机, 而前三点飞机在滑跑中具有较好的方向安定住,二是没有螺旋桨副作用的影响,所以在加油门和抬前轮时,飞机不会产主偏转。
(二) 当速度增大到一定,升力稍大于重力,飞机即可离地。离地时作用于飞机的力。此时升力大于重力,拉力或推力 大于阻力。
离 地时的操纵动作,前三点飞机和后三点是不同的。前三点飞机是因飞行员拉杆产生上仰操纵力矩,而使飞机作两点滑跑的。随着滑跑速度的增大、上仰力矩增大,迎 角将会增大。虽然飞行员不断向前推杆以保持两点滑跑姿态,但 原来的俯仰力矩平衡总是随速度的增大而不断被破坏,在到达离地速度时,迎角仍会有自动增大的趋势。所以,前三点飞机一般都是等其自动离地。后三点飞机则不 然,飞机到达离地速度时,一般都需带杆增大迎角而后离地。这是因为后三点飞机在两点滑跑中,飞行员是前推杆,下偏升降舵来保持的,随着速度增大,下俯操纵 力矩增大,将使迎角减小,飞行员虽不断带杆以保持两点滑跑,但在到达离地速度时,迎角仍会有减小的趋势。所以,必须向后带杆增大迎角飞机才能离地。后三点 飞机,正确掌握离地时机是很重要的。离地过早或过晚,都将给飞行带来不利。 机轮离地后,机轮摩擦力消失,飞机有上仰趋势,应向前迎杆制止。对螺旋浆飞机,机轮摩擦力矩也消失,飞机有向螺旋桨旋转方向偏转的趋势,应用舵制止。
(三) 一段平飞或小角度上升对剩余拉力比较小的活塞式螺旋浆飞机,飞机离地还尚未达到所需的上升速度,故需作一段平飞或小角度上升来积累速度。飞机离地后在12 米高度向前迎杆,减小迎角,使飞机平飞加速或作小角度上升加速。飞机刚离地时,不宜用较大的上升角上升。 上升角过大,这会影响飞机增速,甚至危及安全。为了减小阻力,便于增速,飞机高地后,一般不低于5米高度收起落架。收起落架时机不可过早或过晚。过早,飞 机离地大近,如果飞机有下俯,就可能重新接地,危及安全;过晚,速度大大,起落架产生的阻力很大,不易增速,还可能造成起落架收下好。在一段平飞或小角度 上升中,特别要防止出现坡度,因为这时飞行高度低,飞机如有坡度,就会向下侧滑而可能使飞机撞地。因此发现飞机有坡度应及时纠正。
(四)当速度增加到规定时,应柔和带杆使飞机转入稳定上升,上升到规定高度起飞阶段结束。
影响起飞滑跑距离的因素影响起飞滑跑距离的困素有油门位置、离地迎角、襟翼反置、起飞重量、机场标高与气温、跑道表面质量、风向风速、跑道坡度等。这些因素一般都是通过影响离地速度 或起飞滑跑的平均加速度来影响起飞滑跑距离的。
油门位置 油门越大,螺旋桨拉力或喷气推力越大,飞机增速快,起飞滑跑距离就短。所以,一般应用最大功率或最大油门状态起飞。
离 地迎角离地迎角的大小决定于抬前轮或抬机尾的高度。离地迎角大,离地速度小,起飞滑跑距离短。但离地迎角又不可过大,离地迎角过大,下仅会因飞机阻力大而 使飞机增速慢延长滑跑距离,而且会直接危及飞行安全因此从既要保证飞行安全又要使滑跑距离短出发,各型飞机一般都规定有最有利的离地迎角值。
襟翼位置 放下襟翼,可增大升力系数,减小离地速度,因而能缩短起飞滑跑距离。
起飞重量 起飞重量增大,不仅使飞机离地速度增大,而且会引起机轮摩擦力增加,使飞机不易加速。因此,起飞重量增大,起飞滑跑距离增长。
机场标高与气温 机场标高或气温升高都会引起空气密度减小,一放面使拉力或推力减小,飞机加速慢;另一方面,离地速度增大,因此起飞滑跑距离必然增长。所以在炎热的高原机场起飞,滑跑距离显著增长。
跑道表面质量 不同跑道表面质量的摩擦系数,滑跑距离也就不同。跑道表面如果光滑平坦而坚实,则摩擦系数小,摩擦力小,飞机增速快,起飞滑跑距离短。反之跑道表面粗糙不平或松软,起飞滑跑距离就长。
风向风速 起飞滑跑时,为了产生足够的升力使飞机离地,不论有风或无风,离地空速是一定的。但滑跑距离只与地速有关,逆风滑跑时,离地地速小,所以起飞滑跑距离比无风时短。反之则长。
滑跑坡度 跑道有坡度,会使飞机加速力增大或减小。
三. 着陆
飞机从一定高度下滑,井降落地面滑跑直至完全停止运动的整个过程,叫着陆。
飞机着陆的操纵原理
与 起飞相反,着陆是飞机高度下断降低、速度不断减小的运动过程。飞机从一定高度作着陆下降时,发动机处于慢车工作状态,即一般采用带小油门下滑的方法下降。 飞行高度降低到接近地面时,必须在一定高度上开始后拉驾驶杆,使飞机由下滑转入平飘这就是所谓“拉平”。机拉平后,飞机速度仍然较大,不能立即接地.需要 在离地0.5~1米高度上继续减小速度,这个拉平后继续减小速度的过程,就是平飘。在这个过程中,随着飞行速度的不断减小,飞行员不断后拉驾驶杆以保持升 力等于重力。在离地0.15~0.25米时,将飞机拉成接地所需的迎角,升力稍小于重力,飞机轻柔飘落接地飞机接地后,还需要滑跑减速直至停止,这个滑跑 减速过程就是着陆滑跑。 由上可见,飞机着陆过程一般可分为五个阶段:下滑段、拉平段、平飘段、接地和着陆滑跑段。
(一)拉平
拉 平是飞机由下滑转入平飘的曲线运动过程,即飞机由下滑状态转入近似平飞状态的过程。为完成这个过程,飞行员应拉杆增加迎角:使升力大于重力第一分力,此两 力之差为向心力,促进飞机向上作曲线运动,减小下滑角。对某些飞机,因放襟翼后,上仰力矩较大,下滑中通常是向下顶杆以保持飞机的平衡,所以开始拉平时只 需松杆,后再逐渐转为拉杆。拉杆或松杆增大迎角,阻力也同时增大,且因下滑角不断减小,重力也跟着减小,所以阻力大于重力飞行速度不断减小。可见飞机在拉 平阶段中,下滑角和下滑速度都逐渐减小,同时高度不断降低。飞行员应根据飞机的离地和下沉接近地面的情况,掌握好拉杆的分量和快慢,使之符合客观实际,才 能做到正确的拉平。如高度高、下沉慢、俯角小,拉杆的动作应适当慢一些;反之,高度低、下沉快、俯角大,拉杆的动作应适当快一些。
(二)平飘
飞 机转入平飘后,在阻力的作用下,速度逐渐减小,升力不断降低。为了使飞机升力与飞机重力近似相等,让飞机缓慢下沉接近地面,飞行员应相应不断地拉杆增大迎 角,以提高升力。在离地约0.15--0.25米的高度上将飞机拉成接地迎角姿态,同时速度减至接地速度,是飞机轻轻接地。
在平飘过程中,飞行员应根据飞机下沉和减速的情况相应地向后拉杆。一般来说:在平飘前段,需要的拉杆量较少。因为此时飞机的速度较大,在速度减小,升力减小时,只需稍稍拉杆增加少量的迎角,就能保持平飘所需的升力。如拉杆量过多,会使升力突增,飞机将会飘起。
在平飘后段,需要的拉杆量较多。因为此时飞机的速度较小,如拉杆量与前段相同,增加同样多迎角,升力增加小,飞机将迅速下沉;此外随着迎角的增大,阻力增大,飞机减速快,也将使飞机迅速下沉,因此只有多拉杆,迎角增加多一些,才能得到所需的升力,使飞机下沉缓慢。
总之,在平飘中,拉杆的时机、分量、和快慢,由飞机的速度和下沉情况来决定。飞机速度大,下沉慢,拉杆的动作应慢些;反之,速度小,下沉快拉杆的动作应适当加快。
此外,为了使飞机平稳地按预定方向接地,在平飘过程中,还须注意用舵保持好方向。如有倾斜,应立即以杆舵一致的动作修正。因此时迎角大速度小,副翼效用差,姑应利用方向舵支援副翼,即向倾斜的反方向蹬舵,帮助副翼修正飞机的倾斜。
(三)接地
飞 机在接地前会出现机头自动下俯的现象。这是因为飞机在下沉过程中,迎角要增大,迎角安定力矩使机头下俯,另外由于飞机接近地面,地面的影响增强,下洗速度 减小,水平有效迎角增大,产生向上的附加升力,对重心形成的力矩使机头下俯。故在接地前,还要继续向后带杆,飞机才能保持好所需的接地姿态。
为减小接地速度和增大滑跑中阻力,以缩短着陆滑跑距离,接地时应有较大的迎角,故前三点飞机以两主轮接地,而后三点飞机以通常以三轮同时接地。
(四)着陆滑跑
着陆滑跑的中心问题是如何减速和保持滑跑方向。
飞机接地后,为尽快减速,缩短着陆滑跑距离,必须在滑跑中增大飞机阻力。滑跑中飞机阻力有气动阻力、机轮摩擦力、以及喷气反推力和螺旋桨负拉力等。滑跑中,增大飞机迎角,放减速板(或减速率),以及使用反推、螺旋桨负拉力、刹车等都能增大飞机阻力。
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