管路卡箍聯(lián)接密封性能試驗(yàn)研究

李　濤，陳　巖，李　錚，車保平，徐　丹

(1.中國(guó)兵器科學(xué)研究院， 北京　100089； 2.國(guó)營(yíng)第318廠， 北京　100053；3.河北亞大汽車塑料制品有限公司， 河北 涿州　072750)

在工程機(jī)械、汽車或其他需要傳送流體介質(zhì)的機(jī)器設(shè)備中，為了保證軟管與硬管之間密封聯(lián)接牢固、可靠，常使用卡箍將軟管鎖緊在硬管上?？ü柯?lián)接是低壓管路中軟管與硬管連接的首選方式，具有操作簡(jiǎn)單，維修方便等優(yōu)點(diǎn)。目前，人們對(duì)管路的振動(dòng)、管路布置方面研究較多[1-4]，而對(duì)聯(lián)結(jié)處的密封研究較少?？ü吭O(shè)計(jì)中的卡箍扭矩、過盈量、卡箍形式等變量均對(duì)密封效果有直接影響。常用的卡箍類型有：雙鋼絲卡箍、孔型蝸輪蝸桿卡箍、齒型鋼帶蝸輪蝸桿卡箍、T型彈簧卡箍及無(wú)極卡箍等形式。為了掌握上述變量對(duì)密封效果的作用規(guī)律以改進(jìn)設(shè)計(jì)，本文選擇孔型蝸輪蝸桿卡箍和無(wú)極卡箍，以膠管和鋼管連接為例，開展了相關(guān)試驗(yàn)研究。

1　拔脫力試驗(yàn)

卡箍聯(lián)接示意圖如圖1?？ü繉④浌軌壕o在硬管上，軟管與硬管之間的預(yù)緊力產(chǎn)生軸向的摩擦力，即拔脫力。軟管與硬管之間的預(yù)緊力決定密封效果。所以，在工程實(shí)際中，經(jīng)常用拔脫力評(píng)價(jià)卡箍聯(lián)接的密封性能，且一般地認(rèn)為拔脫力與密封性能成正比關(guān)系。所以，對(duì)卡箍聯(lián)接開展拔脫力試驗(yàn)，是研究其密封性能的重要方法。本項(xiàng)試驗(yàn)以拔脫力為試驗(yàn)測(cè)試目標(biāo)，研究卡箍扭矩、卡箍位置、鼓包位置對(duì)拔脫力和密封性能的影響規(guī)律。試驗(yàn)中拉伸速率均為50 mm/min，膠管長(zhǎng)度100 mm，鋼管插入膠管深度為40 mm，膠管邵氏硬度65，鋼管鼓包高度1 mm，采用高低溫拉伸試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

1.1　卡箍扭矩對(duì)拔脫力的影響

鼓包距鋼管端部5 mm，卡箍距膠管端部5 mm，共進(jìn)行9組試驗(yàn)，每組3個(gè)樣件，取平均值。扭矩分別為0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 N·m。

試驗(yàn)結(jié)果得出如圖3所示的卡箍扭矩對(duì)拔脫力的影響曲線。由圖可知，在其他設(shè)計(jì)變量不變的情況下，拔脫力與扭矩近似成線性關(guān)系。隨著扭矩的增大，拔脫力線性增大?？ü颗ぞ氐拇笮≈苯佑绊懓蚊摿兔芊庑Ч?/p>

1.2　卡箍位置對(duì)拔脫力的影響

鼓包距鋼管端部5 mm，采用扭矩2.0 N·m，進(jìn)行7組試驗(yàn)，每組3個(gè)樣件，取平均值。卡箍距膠管端部距離分別為4、5、6、7、8、9、10 mm。

試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，由圖可知，在其他設(shè)計(jì)參數(shù)不變的情況下，卡箍距膠管端部距離對(duì)拔脫力無(wú)明顯影響。

1.3　鼓包位置對(duì)拔脫力的影響

在鋼管端部一般都有凸起結(jié)構(gòu)(如圖1)。該凸起結(jié)構(gòu)(鼓包)起到防脫、密封的作用?？ü烤嗄z管端部為5 mm，采用扭矩2.0 N·m，進(jìn)行4組試驗(yàn)，每組3個(gè)樣件，取平均值。鼓包距鋼管端部距離分別為5、8、11、14 mm。

試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，由圖可知，在其他設(shè)計(jì)變量不變的情況下，鼓包距鋼管端部距離對(duì)拔脫力的沒有明顯影響。

1.4　單/雙卡箍對(duì)拔脫力的影響

為了研究單卡箍/雙卡箍對(duì)拔脫力的影響，設(shè)計(jì)了Φ10、Φ12、Φ16、Φ20等4組不同直徑的鋼管與膠管連接的管路，每組兩個(gè)樣件，取平均值。所有卡箍的擰緊力矩為2.4 N·m。雙卡箍裝配時(shí)相互錯(cuò)開60°～90°，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，對(duì)于同一管徑的卡箍聯(lián)接，單卡箍與雙卡箍下的拔脫力相差不大；雙卡箍下的拔脫力比單卡箍下的拔脫力略有增大，平均增大2.4%。這是由于在拔脫過程中，膠管被拉長(zhǎng)而產(chǎn)生一定的徑向收縮量，在鋼管端部拔出第一個(gè)卡箍前，只有第一個(gè)卡箍起主要作用；鋼管端部脫離第一個(gè)卡箍后，第二個(gè)卡箍起主要作用，所以在拔脫過程中相當(dāng)于僅有一個(gè)卡箍在起主要作用，因而雙卡箍下的拔脫力比單卡箍下的拔脫力只是略有增大。同時(shí)，對(duì)于本試驗(yàn)中4種不同管徑的卡箍連接來(lái)說(shuō)，在同樣的擰緊力矩下，拔脫力相差不大，無(wú)明顯變化。

通過拔脫力試驗(yàn)，掌握了卡箍扭矩、卡箍位置、鼓包位置、單/雙卡箍等設(shè)計(jì)因素對(duì)拔脫力影響的共性規(guī)律，可為卡箍設(shè)計(jì)和使用提供參考。一般認(rèn)為在一定范圍內(nèi)，拔脫力越大密封效果越好。但是，管路連接卡箍密封的拔脫力，只能間接反映密封效果。所以，為了研究卡箍各設(shè)計(jì)因素對(duì)密封性能的影響規(guī)律，還需進(jìn)行模擬管路的溫度、振動(dòng)、內(nèi)部介質(zhì)壓力等工作環(huán)境下的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)[5-6]，通過整體浸水測(cè)試評(píng)價(jià)其密封效果。

2　密封性能試驗(yàn)

試驗(yàn)和工程實(shí)踐表明，卡箍扭矩、膠管硬度、單/雙/無(wú)極卡箍密封形式、鋼管與膠管的過盈量等關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素，決定著卡箍密封性能的好壞。在確定各因素的具體設(shè)計(jì)參數(shù)值之前，應(yīng)科學(xué)合理地確定各關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素的水平區(qū)間。為此，開展了密封性能試驗(yàn)，為科學(xué)確定關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素的水平區(qū)間提供依據(jù)。

該試驗(yàn)選擇特種車輛、重型車輛中常用且泄漏故障多發(fā)的內(nèi)徑為Φ20的膠管，根據(jù)《GJB2460軍用夾布橡膠軟管規(guī)范》[7]，膠管厚度5 mm。

2.1　卡箍扭矩試驗(yàn)

由拔脫力試驗(yàn)和工程經(jīng)驗(yàn)可知，卡箍扭矩是影響卡箍密封性能的關(guān)鍵因素。扭矩過小，膠管無(wú)法和鋼管有效壓緊而導(dǎo)致泄漏甚至脫開；扭矩過大，膠管在高溫環(huán)境中會(huì)快速老化而失去彈性，也容易使卡箍由于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足而斷裂?？紤]到該管路在使用中介質(zhì)壓力一般為0.15～0.5 MPa，按照試驗(yàn)壓力為其工作壓力的1.5倍，所以試驗(yàn)壓力確定為0.8 MPa。通過壓力泵調(diào)壓閥緩慢加壓至試驗(yàn)壓力，保壓3 min，觀察有無(wú)氣泡冒出。試驗(yàn)從2 N·m，以0.2 N·m為增量不斷加大，最終測(cè)得靜態(tài)密封臨界值為3 N·m，所以動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的卡箍扭矩應(yīng)大于等于3 N·m。

2.2　鋼管與膠管的過盈量試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)裝配時(shí)，發(fā)現(xiàn)鋼管與膠管在過盈量為0.5 mm時(shí)，配合較松。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，此過盈量下管路泄漏量比過盈量為1 mm或1.5 mm時(shí)的泄漏量大。過盈量為1.5 mm時(shí)，已感覺手工難以安裝?？紤]到有些時(shí)候須在外場(chǎng)進(jìn)行安裝、維修的可操作性，不宜增大過盈量。所以鋼管與膠管的過盈量取為1～1.5 mm。

2.3　膠管硬度試驗(yàn)

根據(jù)GJB2460《軍用夾布橡膠軟管規(guī)范》，膠管邵氏硬度為65±5。設(shè)計(jì)了邵氏硬度55、65、75三種硬度的膠管試驗(yàn)。根據(jù)我國(guó)軍標(biāo)GJB150.16A《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第16部分：振動(dòng)試驗(yàn)》中的履帶車典型譜型，采用綜合試驗(yàn)箱，設(shè)置箱內(nèi)試驗(yàn)溫度100 ℃，振動(dòng)時(shí)間1小時(shí)。發(fā)現(xiàn)硬度55的膠管非常易于與鋼管發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)甚至脫開。試驗(yàn)時(shí)在振動(dòng)過程中曾發(fā)生脫開現(xiàn)象；另外，振動(dòng)后加壓測(cè)試密封效果，也觀察到明顯的相對(duì)滑動(dòng)。在各種試驗(yàn)條件下，發(fā)現(xiàn)邵氏硬度75的膠管泄漏點(diǎn)數(shù)量與泄漏量都明顯高于邵氏硬度65的膠管。所以，在后續(xù)的試驗(yàn)中，確定使用邵氏硬度65的膠管。這也驗(yàn)證了我國(guó)軍標(biāo)規(guī)定膠管邵氏硬度為65±5，是合理的。試驗(yàn)所用高溫振動(dòng)綜合試驗(yàn)箱、履帶車典型譜型以及試驗(yàn)用譜型如圖7、圖8所示。

3　密封性能動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

前面通過試驗(yàn)，基本掌握了各因素的合理設(shè)計(jì)區(qū)間，為開展密封性能動(dòng)態(tài)試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。為搞清各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)密封性能的影響，進(jìn)行多因素對(duì)卡箍聯(lián)接密封性能影響[8]的試驗(yàn)，尋找最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)組合。

無(wú)極卡箍是當(dāng)前使用非常廣泛的一種卡箍形式。無(wú)極卡箍的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)能夠使得卡箍的壓緊力在圓周方向分布非常均勻，有效避免孔型蝸輪蝸桿卡箍在蝸桿處壓力明顯減小而導(dǎo)致泄漏的缺陷。并且，無(wú)極卡箍采用專用工具進(jìn)行一次性?shī)A緊，大大減小了夾緊力的隨機(jī)性，在選型得當(dāng)?shù)那疤嵯?，提高了密封可靠性。本試?yàn)為三因素混合水平試驗(yàn)，試驗(yàn)因素與水平如表1所示。

3.1　試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案所得到的結(jié)果如表2所示，共進(jìn)行8組試驗(yàn)。其中無(wú)極卡箍使用專用工具一次性?shī)A緊，不涉及扭矩。每組試驗(yàn)安排卡箍密封12處。單卡箍/雙卡箍聯(lián)接密封、無(wú)極卡箍聯(lián)接密封如圖9、圖10所示。

表2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

3.2　試驗(yàn)過程

采用綜合試驗(yàn)箱(見圖7)，振動(dòng)控制譜型(見圖8)，設(shè)置環(huán)境溫度100 ℃，施加氣體壓力0.8 MPa并封閉，垂直軸向振動(dòng)，共5個(gè)階段，每個(gè)階段12 min，共1小時(shí)。振動(dòng)完畢后，自然冷卻2小時(shí)，觀察冷卻過程中壓力變化情況。然后拆卸，整體浸水加壓至0.3 MPa，檢測(cè)并記錄漏點(diǎn)。

3.3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

振動(dòng)初始階段，由于環(huán)境溫度影響的緣故，管路內(nèi)壓力稍微升高，隨后全程壓力穩(wěn)定。這表明振動(dòng)過程中管路并沒有發(fā)生泄漏。振動(dòng)完成后，1小時(shí)內(nèi)壓力降至0.1～0.3 MPa，2小時(shí)后壓力降至0。這表明隨著降溫，管路發(fā)生泄漏。拆卸后，發(fā)現(xiàn)卡箍蝸桿有振松的情況，擰緊力矩減小1～2 N·m。經(jīng)高溫后，膠管發(fā)生一定的老化，拆卸后彈性降低，無(wú)法回彈至初始狀態(tài)，表面的壓痕明顯。這是各組試驗(yàn)的普遍情況。將管路整體浸入水中，加壓檢測(cè)并記錄泄漏點(diǎn)。本次試驗(yàn)為了便于對(duì)比不同參數(shù)組合的卡箍密封效果，對(duì)試驗(yàn)條件要求苛刻，不但環(huán)境溫度設(shè)置較實(shí)際情況偏高，而且振動(dòng)過程中施加的壓力也偏高。振動(dòng)冷卻后，連接處均有泄漏發(fā)生。試驗(yàn)結(jié)果見表2中之第8列。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，泄漏點(diǎn)數(shù)量與三因素的關(guān)系如圖11所示。

由圖11并結(jié)合前面試驗(yàn)可知，鋼管和膠管的過盈配合量、卡箍形式、卡箍扭矩均對(duì)密封效果有較大影響。過盈量1.5 mm下泄漏點(diǎn)顯著減少；無(wú)極卡箍的泄漏點(diǎn)顯著減少；卡箍扭矩較小時(shí)，無(wú)法達(dá)到密封效果，而扭矩也不是越大越好，本試驗(yàn)條件下最佳扭矩值為3.5 N·m。所以，在卡箍設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)輸送介質(zhì)流量壓力、裝配維修工藝、工作環(huán)境等確定過盈量、卡箍形式及扭矩值。

卡箍密封管路泄漏時(shí)有發(fā)生，其原因主要是孔型蝸輪蝸桿卡箍承受的壓緊力沿圓周分布不均勻，蝸桿處壓力明顯降低。其次是過盈量、扭矩等參數(shù)值選擇不當(dāng)。還有在工程實(shí)際中，工人現(xiàn)場(chǎng)裝配時(shí)扭矩的隨機(jī)性較大，許多情況下根本沒有給出扭矩的規(guī)定值，或者不使用扭矩扳手，擰緊程度完全靠個(gè)人感覺，普遍存在扭矩偏大或偏小。

4　結(jié)論

1) 在其他設(shè)計(jì)變量不變的情況下，拔脫力與卡箍擰緊力矩近似成線性關(guān)系。隨著扭矩的增大，拔脫力近似呈線性增大；鼓包距鋼管端部距離、卡箍距膠管端部距離對(duì)拔脫力基本沒有影響。

2) 在本試驗(yàn)中，過盈量為1.5 mm配合下的密封效果明顯優(yōu)于過盈量為1 mm；無(wú)極卡箍的密封效果明顯優(yōu)于孔型蝸輪蝸桿單卡箍與雙卡箍。本文試驗(yàn)條件下蝸輪蝸桿卡箍的最佳扭矩值在3.5 N·m左右。

3) 為減少漏點(diǎn)，可使用無(wú)極卡箍替代傳統(tǒng)的孔型蝸輪蝸桿卡箍?？紤]到振動(dòng)和高溫老化對(duì)卡箍密封的影響，卡箍密封處應(yīng)盡量遠(yuǎn)離熱源、振源，定期檢修有無(wú)松動(dòng)、泄漏現(xiàn)象。

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