某型超長(zhǎng)輕型高壓聚四氟乙烯軟管組件設(shè)計(jì)及工藝研究

姜宇舜 王 鵬

1 上海市塑料研究所有限公司 （上海 201702）2 陸軍航空兵軍事代表局駐上海地區(qū)軍事代表室 （上海 200233）3 上海計(jì)算化學(xué)與化工工程技術(shù)研究中心 （上海 200241）

高壓聚四氟乙烯軟管組件（以下簡(jiǎn)稱“軟管組件”）通常由聚四氟乙烯內(nèi)管（以下簡(jiǎn)稱“內(nèi)管”）、不銹鋼絲增強(qiáng)層和金屬連接件（包括螺母、接頭和套筒）組成，如圖1所示。該類軟管組件廣泛應(yīng)用于航空飛行器的液壓、潤(rùn)滑油、燃油、冷氣系統(tǒng)中[1]，通過(guò)傳輸氣液介質(zhì)達(dá)到壓力和能量的傳輸。

圖1 聚四氟乙烯軟管組件局部結(jié)構(gòu)

隨著我國(guó)航空航天、國(guó)防事業(yè)的發(fā)展，各種型號(hào)的飛機(jī)不斷涌現(xiàn)出來(lái)，對(duì)傳輸能量和氣液介質(zhì)的軟管組件也提出了越來(lái)越高的要求。作為我國(guó)目前唯一具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)研制生產(chǎn)軍用軟管組件的科研單位，SY公司承擔(dān)了越來(lái)越多的型號(hào)項(xiàng)目研制任務(wù)。在此背景下，SY公司與國(guó)內(nèi)某飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所簽訂了技術(shù)協(xié)議，由SY公司承擔(dān)研制某型無(wú)人機(jī)配套的超長(zhǎng)輕型高壓軟管組件。

作為傳遞操控舵面、控制飛行器的液壓力和能量“韌帶”的軟管組件，在脈動(dòng)試驗(yàn)和實(shí)際使用過(guò)程中，由于設(shè)計(jì)或制造的原因，加上受到高、低溫及工作介質(zhì)的壓力脈沖等作用，存在鋼絲增強(qiáng)層斷絲、內(nèi)管爆破、軟管接頭處泄漏等問(wèn)題，給設(shè)備安全帶來(lái)嚴(yán)重隱患，由于軟管組件泄漏致使液壓系統(tǒng)壓力喪失從而引發(fā)事故的事例時(shí)有發(fā)生。影響軟管組件質(zhì)量的因素有內(nèi)管的性能、增強(qiáng)鋼絲的增強(qiáng)角度、軟管與增強(qiáng)鋼絲層之間的張力配合、軟管裝配時(shí)的扣壓量以及接頭的結(jié)構(gòu)形式等[2]。

本研究主要對(duì)軟管組件各零部件及其總成開(kāi)展設(shè)計(jì)和工藝研究，以期為該型軟管組件的進(jìn)一步設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供參考。

1 本型號(hào)軟管組件的研制難點(diǎn)分析

根據(jù)技術(shù)協(xié)議，SY公司承擔(dān)研制的超長(zhǎng)輕型軟管組件的主要技術(shù)要求如表1所示。

對(duì)于SY公司而言，基于之前其他型號(hào)軟管組件的研制經(jīng)驗(yàn)，該型號(hào)軟管組件的研制難點(diǎn)主要包以下幾個(gè)方面：

（1）由于產(chǎn)品壽命指標(biāo)的提高，需選擇新牌號(hào)聚四氟乙烯樹(shù)脂成型內(nèi)管，以提高產(chǎn)品的可靠性和安全性，因此成型工藝需要重新摸索。

（2）現(xiàn)有推壓成型機(jī)成型的內(nèi)管采用間歇式生產(chǎn)工藝，擠出的內(nèi)管需進(jìn)行尺寸裁剪，然后再轉(zhuǎn)至單獨(dú)的燒結(jié)爐（爐腔長(zhǎng)度一般小于2 m）進(jìn)行燒結(jié)，最后置于淬火爐中進(jìn)行淬火處理。該工藝無(wú)法滿足軟管超長(zhǎng)的要求。

（3）內(nèi)管管體鋼絲增強(qiáng)工藝研究。在保證產(chǎn)品性能及承壓效果的前提下，進(jìn)一步降低管體質(zhì)量，以滿足輕型的要求。

（4）金屬連接件的設(shè)計(jì)及裝配工藝研究。

表1 超長(zhǎng)輕型軟管組件主要技術(shù)要求

2 軟管組件設(shè)計(jì)及工藝研究

2.1 內(nèi)管設(shè)計(jì)及工藝研究

2.1.1 內(nèi)管材料的選擇

T62牌號(hào)樹(shù)脂材料是T6C牌號(hào)樹(shù)脂材料的升級(jí)換代產(chǎn)品，與T6C樹(shù)脂相比，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）在聚四氟乙烯基體中填充了醚鍵，降低了材料的結(jié)晶度，增加了材料成型后的韌性和柔性；（2）高相對(duì)分子質(zhì)量、低結(jié)晶度賦予其良好的彎曲疲勞壽命，約為T6C樹(shù)脂的15倍；（3）抗應(yīng)力開(kāi)裂性能是T6C樹(shù)脂的10倍；（4）成型的內(nèi)管不經(jīng)水淬處理即可符合性能要求，采用連續(xù)成型工藝可以進(jìn)一步提高產(chǎn)品的可靠性。

基于上述優(yōu)異的特性，采用T62樹(shù)脂作為產(chǎn)品內(nèi)管材料，不僅可以保證產(chǎn)品的性能符合使用要求，更能提高其可靠性和安全性，保證在整個(gè)壽命期內(nèi)的使用。

2.1.2 內(nèi)管設(shè)計(jì)

內(nèi)管在鋼絲增強(qiáng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生收縮變形，一般要求內(nèi)管的尺寸比相應(yīng)規(guī)格尺寸大0.1～0.5 mm，因此內(nèi)管的內(nèi)徑設(shè)定為5.4 mm。根據(jù)內(nèi)管內(nèi)徑尺寸，通過(guò)有關(guān)工程計(jì)算，求得內(nèi)管壁厚為0.9 mm。由于0.9 mm壁厚的內(nèi)管為靜態(tài)設(shè)計(jì)，考慮到實(shí)際生產(chǎn)、使用情況及質(zhì)量控制要求，管體的壁厚設(shè)定為0.95 mm，質(zhì)量（G）為40 g/m。為進(jìn)一步保證內(nèi)管的同心度，嚴(yán)格控制內(nèi)管壁厚公差，將內(nèi)徑公差設(shè)定為±0.2 mm，壁厚公差設(shè)定為±0.15 mm。

2.1.3 內(nèi)管成型工藝研究

與T6C樹(shù)脂材料相比，T62樹(shù)脂材料雖然具有許多優(yōu)異的性能，但是其熔融黏度低，很難擠出成型。欲使軟管組件的設(shè)計(jì)既滿足性能要求，又滿足超長(zhǎng)輕型的要求，必須解決以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。

（1）解決成型難問(wèn)題

根據(jù)料腔尺寸、內(nèi)管尺寸及T62樹(shù)脂材料的熱收縮率等，設(shè)計(jì)內(nèi)管成型的口芯模；由于內(nèi)徑為5 mm的內(nèi)管的壓縮比大、出管速率快，故需要調(diào)整推壓板的速率，相應(yīng)提高干燥爐和燒結(jié)爐的溫度，保證內(nèi)管燒透，以滿足高壓內(nèi)管的性能要求。

（2）控制牽引速率

采用連續(xù)推壓成型設(shè)備，成型后的內(nèi)管經(jīng)干燥、燒結(jié)、空氣淬火后盤繞在內(nèi)管卷?yè)P(yáng)機(jī)上，每一毛坯可以生產(chǎn)一根軟管，每一盤軟管長(zhǎng)20～30 m，可以滿足超長(zhǎng)的要求。但是必須控制內(nèi)管的牽引速率，保證其與盤繞速率一致。

（3）控制內(nèi)管壁厚極差

鋼絲增強(qiáng)層的耐壓能力在很大程度上取決于內(nèi)管的外徑，外徑越小，鋼絲增強(qiáng)層的耐壓能力越高，管體質(zhì)量越小。因此，必須控制好內(nèi)管的壁厚極差。根據(jù)內(nèi)管設(shè)計(jì)尺寸，壁厚極差確定為±0.2 mm。

2.2 鋼絲增強(qiáng)層設(shè)計(jì)及工藝研究

2.2.1 鋼絲增強(qiáng)層設(shè)計(jì)

SY公司常規(guī)?5 mm高壓軟管組件的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)采用雙層編織形式，此次為滿足軟管組件輕型的要求，不銹鋼絲增強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)為單層高密度的編織形式。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，根據(jù)軟管組件的爆破壓力指標(biāo)計(jì)算增強(qiáng)強(qiáng)度，保證產(chǎn)品滿足標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的指標(biāo)要求，包括比較嚴(yán)苛的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)項(xiàng)目要求。根據(jù)力學(xué)計(jì)算結(jié)果得到表2所示幾種方案。

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，由于操作過(guò)程中受工藝條件等因素的限制，爆破壓力實(shí)際值不可能與理論值完全吻合，理論計(jì)算值一般要比實(shí)際值高8～10 MPa。故采用的編織工藝室溫爆破壓力應(yīng)不小于116.5 MPa（GJB 2837—1997中 ?5 mm室溫爆破指標(biāo)值為108.5 MPa）。

以上4種方案中，方案1，2和4基本能夠滿足軟管組件關(guān)于室溫爆破壓力的要求。通過(guò)前期試驗(yàn)驗(yàn)證，方案2的爆破壓力為125～130 MPa，方案4的爆破壓力為103～115 MPa。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果與輕型的要求，采用方案2進(jìn)行增強(qiáng)結(jié)構(gòu)生產(chǎn)加工。

2.2.2 鋼絲增強(qiáng)工藝研究

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，編織角度、張力以及加工過(guò)程中鋼絲排布是否整齊等因素對(duì)軟管組件性能的影響非常大，甚至直接決定產(chǎn)品試驗(yàn)的成敗。為此，在編織增強(qiáng)結(jié)構(gòu)過(guò)程中采取了以下措施：

（1）嚴(yán)格控制鋼絲合股工藝，防止編織過(guò)程中出現(xiàn)跳絲、斷絲現(xiàn)象；

（2）通過(guò)計(jì)算、摸索和試驗(yàn)，調(diào)整編織速率與牽引速率，嚴(yán)格控制編織角度和張力，以提高增強(qiáng)層的耐壓性。

表2 增強(qiáng)工藝參數(shù)對(duì)照

2.3 金屬連接件的設(shè)計(jì)及裝配工藝研究

2.3.1 金屬連接件的設(shè)計(jì)

按照設(shè)計(jì)的內(nèi)管和編織軟管的外形尺寸，初步設(shè)計(jì)金屬連接件的結(jié)構(gòu)尺寸，然后根據(jù)材料力學(xué)原理對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核，要求設(shè)計(jì)強(qiáng)度須大于產(chǎn)品爆破強(qiáng)度的1.5倍。

軟管組件的密封效果通過(guò)接頭和內(nèi)管的變形來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此接頭的密封形式對(duì)于軟管組件至關(guān)重要。?5 mm高壓軟管組件金屬連接件的密封形式主要有2種——倒刺式和多槽式。由于內(nèi)管材料采用T62樹(shù)脂，材質(zhì)相對(duì)較軟，倒刺式接頭要求內(nèi)管變形較大，易造成內(nèi)管壁厚偏薄，甚至刺傷內(nèi)管，影響軟管組件的性能；而多槽式結(jié)構(gòu)采用梯形槽式，由于與內(nèi)管的接觸面積大，扣壓時(shí)對(duì)內(nèi)管的刺傷較小。因此，金屬連接件采用多槽式密封結(jié)構(gòu)。

2.3.2 裝配工藝研究

根據(jù)金屬連接件形式，確定軟管組件裝配（總成）采用直接插入扣壓式裝配形式。首先將套筒套裝在軟管上，然后旋入金屬接頭，最后通過(guò)扣壓實(shí)現(xiàn)軟管組件的密封和抗拉脫效果。

由于內(nèi)管材料、增強(qiáng)結(jié)構(gòu)及接頭密封形式均經(jīng)過(guò)了設(shè)計(jì)改進(jìn)和優(yōu)化，裝配時(shí)完全不能按照常規(guī)的?5 mm高壓軟管組件裝配工藝參數(shù)執(zhí)行。根據(jù)扣壓尺寸理論計(jì)算結(jié)果，結(jié)合T62樹(shù)脂材料的特性，設(shè)計(jì)扣壓尺寸為?10.5 mm±0.1 mm。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 內(nèi)管檢驗(yàn)、試驗(yàn)

為有效保證軟管組件的質(zhì)量，提高其可靠性，按照GJB 2837—1997的要求，對(duì)內(nèi)管進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證項(xiàng)目見(jiàn)表3。同時(shí)，對(duì)于5.4 m長(zhǎng)的內(nèi)管，肉眼根本無(wú)法檢驗(yàn)內(nèi)壁質(zhì)量，因此，采用工業(yè)電子數(shù)顯內(nèi)窺鏡進(jìn)行內(nèi)管內(nèi)壁檢驗(yàn)。

表3 軟管組件試驗(yàn)項(xiàng)目

3.2 軟管組件驗(yàn)證試驗(yàn)

為有效驗(yàn)證軟管組件性能的可靠性，對(duì)軟管組件進(jìn)行了3輪摸底試驗(yàn)和1輪鑒定試驗(yàn)，試驗(yàn)按GJB 2837—1997的要求進(jìn)行，試驗(yàn)項(xiàng)目見(jiàn)表3。

驗(yàn)證結(jié)果表明，研制的超長(zhǎng)輕型高壓軟管組件滿足GJB2837—1997的要求，順利通過(guò)了各項(xiàng)驗(yàn)證試驗(yàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)開(kāi)展超長(zhǎng)輕型高壓軟管組件各零部件及總成的設(shè)計(jì)、工藝研究和試驗(yàn)驗(yàn)證工作，可以確定該型號(hào)軟管組件能夠滿足使用要求。該超長(zhǎng)輕型軟管組件的研制成功有助于推動(dòng)新戰(zhàn)術(shù)型號(hào)產(chǎn)品的研發(fā)和應(yīng)用，并且能夠打破國(guó)外超長(zhǎng)輕型高壓軟管組件在該領(lǐng)域的技術(shù)壁壘，打造我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高端產(chǎn)品，具有顯著的軍事效益。