高壓膠管總成可靠性因素研究

吳雁澤 劉 寶 伊 丹

兗礦集團鄒城金通橡膠有限公司 山東 鄒城 273500

引言

對高壓膠管總成可靠性造成影響的因素有很多,所以需要設(shè)計人員在對其進行研制的過程中,對其影響因素進行全面的考量,一定要嚴格遵守設(shè)計原則,對高壓膠管的內(nèi)膠實際性能進行充分的了解與掌握?？茖W合理的認清金屬探頭、芯桿幾何形狀以及膠料的力學性能等影響要素。以此來提升高壓膠管總成的可靠性以及適用性,使其設(shè)計變得更加完善且安全。

一、高壓膠管總成結(jié)構(gòu)分析

內(nèi)外膠層以及增強層共同組成了高壓膠管的整體構(gòu)架,其中內(nèi)膠層是位于膠管的最深層,其主要的作用是為了提升高壓膠管的密閉性,同時確保膠管內(nèi)的增強層不會在實際的運作過程中被生產(chǎn)所產(chǎn)生的液體腐蝕。而增強層一般都是由鋼絲進行纏繞的,其所處的位置在外膠層與內(nèi)膠層之間,其主要的作用是提升高壓膠管的強度。外膠層則是確保高壓膠管不會受到外部因素侵蝕的外部保護層,上文所闡述的三個組成部分,對高壓膠管的實際應用年限以及具體的運行質(zhì)量有著直接的影響。高壓膠管的強度是否達標,就要看其增強層上所纏繞的鋼絲數(shù)量,同時也看鋼絲層與橡膠層之間的實際連接強度[1]。

當前所生產(chǎn)的高壓膠管的總成結(jié)構(gòu)一般都是相對多元化的,其主要構(gòu)成部位為管體以及接頭,其中由螺母、套筒以及芯子所組成的部位為膠管接頭。第一,套筒。當前高壓膠管的套筒形式相對較為復雜,因為其表面上覆蓋有一定數(shù)量的溝槽,使得其在現(xiàn)實的應用相對較為廣泛。當前最為常見的溝槽形狀為波浪形以及梯形。在多元化的應用形式推動下,不同形狀的溝槽其實際的應用方式也隨之發(fā)生了變化,為切實提升其自身的抗拔力,技術(shù)人員需要對當前不同形狀的溝槽受力情況進行檢測以及數(shù)據(jù)分析,并在數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上,來明確不同溝槽套筒的主要應用范圍以及發(fā)展方向。第二,芯子。芯子的整體結(jié)構(gòu)相對較為多樣,依照當前的內(nèi)膠力學原理對其分析而言,在實際的應用中,要根據(jù)主要的應用情況來甄選出最為合適的齒槽結(jié)構(gòu)、通常情況下,因為膠管接頭在扣壓后,其內(nèi)膠可以將其表面溝槽不損壞的情況給予一定的應用。所以當溝槽的寬度逐漸變窄,且深度變得越來越深時,就說明該高壓膠管的整體密閉性能相對較好。所以,在實際的應用過程中,要將其溝槽的深度以及寬度都要控制在一定最為合理的數(shù)值范圍之內(nèi),以此來對實際的內(nèi)膠厚度進行研究。按照相關(guān)規(guī)定,高壓膠管的內(nèi)部直徑與密封溝槽長度之間的數(shù)值比重始終要保持在4比1,針對壓力相對較大的膠管而言,要對其自身的膠管內(nèi)直徑進行明確的選擇,要按照實際的應用情況來選擇其膠管。

二、高壓膠管總成的連接方式分析

高壓膠管是當前工程機械行業(yè)所要使用的主要元器件之一,在工程機械行業(yè)中的實際應用相對較為廣泛,且使用的種類也相對較為繁多,從而導致了高壓膠管具有一定特殊性以及普遍性。其主要的連接形式都是通過上文闡述的芯子以及套筒所構(gòu)成的,當前高壓膠管的主要管接頭連接方式大體上可以將其分為兩種,分別為扣壓式以及裝配式。

第1,扣壓式。所謂扣壓式就是指在膠管以及膠管接頭裝接完成后,再將外套安置在特定的設(shè)備上進行扣壓,進而使得膠管接頭與膠管可以有效的固定在一起,扣壓式膠管的組合件是一種不可拆卸的固定管接頭結(jié)構(gòu)。當對其進行扣壓后,在膠管接頭與高壓膠管的橡膠層之間就會形成一定的夾緊力。而接頭的密封性則是通過高壓膠管中的內(nèi)膠層來完成的,其外套以及芯子會導致內(nèi)膠層發(fā)生一定的形變,而當扣壓后,使得膠管得到了一定的壓縮量,進而提升了其實際的連接強度?？蹓菏竭B接方式具有一定的密閉性以及抗拔性。其中芯子是由兩個部分共同構(gòu)成的,分別為中間接頭或是機體連接的接頭部分,以及與膠管相連的芯桿部位。一般情況下,芯子的使用材質(zhì)為45號鋼,在芯子的桿部表面上存有一些凹凸的鋸齒,是密封介質(zhì)的迷宮式曲徑,在外部施加壓力的情況下,會發(fā)生一定的形變,以此來提升連接能力。這種連接方式的使用工藝相對較為簡單,且連接的穩(wěn)定性以及效率相對較高。

第2,裝配式。裝配式就是將膠管以及接頭在一般的車床上使用老虎鉗對其進行擰緊即可。但是這種連接方式的工藝性能相對較弱,在實際的應用中一般不會對其進行應用。但是一些生產(chǎn)方式較為單一,針對一些經(jīng)營規(guī)模相對較小的企業(yè)而言,裝配式仍是其主要的連接方式之一,需要對其技術(shù)加以創(chuàng)新與優(yōu)化。

總的來說,不管使用哪一種連接方式,當前高壓膠管的組合件都要切實滿足以下三點要求。第一,在系統(tǒng)特定的壓力下,要切實保證其膠管的密封性。第二,在系統(tǒng)的實際運行過程中,高壓膠管要能經(jīng)受住其設(shè)備的震動以及沖擊的影響。第三,連接結(jié)構(gòu)要相對較為簡單,且使用安全,生產(chǎn)制作的工藝要切實符合質(zhì)量標準[2]。

三、高壓膠管總成連接質(zhì)量指標分析

對高壓膠管的總成連接質(zhì)量的評判標準主要有兩個,分別為密封性以及抗拔性。

根據(jù)橡膠原理而言,密封性是兩個物體表面之間的間隙在受到外部壓力的作用下相互靠近,進而形成了一定的封閉。密封元器件存在具有一定的壓變性之外,還要擁有一定額定彈性以及機械強度。所謂的彈性就是指其自身擁有一定的形變恢復能力。高壓膠管內(nèi)膠就是十分明顯的高彈性材料。可以在外力的作用下,對自身的規(guī)格以及尺寸進行改變。內(nèi)膠變形時,一般都會向安裝方向進行變形,將與之相接觸的元器件表面縫隙進行填充。當前高壓膠管總成結(jié)構(gòu)上方的所有密封形式,都是通過上述方式進行密封的。在芯子相對接觸的物體表面,夾取一段已經(jīng)剝掉外膠的膠管,使其密封性得到一定的提升。因此,內(nèi)膠層的材質(zhì)相對較為柔軟,可以對芯子之間的間隙進行填滿,最大限度的方式壓力介質(zhì)的滲透。倘若增強層對內(nèi)膠層所施加的外部壓力記為Q,那么與之相接觸的部位就會形成一定的應力,其公式如下。

公式中的結(jié)果為發(fā)生形變之前的密封元器件幾何面積。

高壓膠管的橡膠層與芯子密封面之間所產(chǎn)生的摩擦力,可以形成一定的穩(wěn)定性,用以來抵抗密封表面的介質(zhì)壓力。當介質(zhì)壓力的實際數(shù)值達到一定程度時,就會對原有的阻力進行擺脫,進而導致芯子開始順應壓力方向進行位移,對原有的接觸情況造成一定的影響,使得其元器件以及設(shè)備的密封性出現(xiàn)問題。而想要切實提升密封壓力的方式主要有兩種,第一,最大限度的提升接觸的壓力,也就是使用高彈性橡膠來提升密封件的形變性能。第二,提升其穩(wěn)定系數(shù)。

由于外套的內(nèi)部齒槽與增強層鋼絲之間存在著一定聯(lián)系,所以會在二者之間形成一定的抗拔力,并將這種力量作用到當前的芯子以及高壓膠管內(nèi)膠層上。高壓膠管的總成拔力的最大數(shù)值對應的正是膠管的爆破壓力。當高壓膠管出現(xiàn)破裂時,所扣壓的部位也不會出現(xiàn)泄漏。而當介質(zhì)壓力數(shù)值達到一定程度后,便可以對其內(nèi)膠阻力進行克制,使得當前的密封性能失效。

由上述的闡述來看,膠管總成結(jié)構(gòu)的實際連接質(zhì)量最后都會直接反映在內(nèi)膠層與芯子之間的實際密封性以及接觸應力上。也就是說,當前高壓膠管的密封性與其自身的接觸應力是相對等的[3]。

四、高壓膠管總成可靠性因素分析

(一)金屬接頭

金屬接頭一般由三個部分共同組成,分別為芯桿、套筒以及連接部分。外部表面的鋸齒深度、表面溝槽之間的距離都與膠管接頭的扣壓密閉性有著千絲萬縷的聯(lián)系、扣壓后的鋸齒會直接與銅絲進行接觸,在扣壓力以及壓縮力的雙重作用下,高壓膠管的管壁與芯桿之間的間隙會被不斷的壓縮,增強層上的鋼絲以及內(nèi)膠層都會在壓力的作用下,不斷的陷入到鋸齒溝槽之中,進而使得膠管接頭在短時間內(nèi)獲得了極大的抗拔力。但是要是其表面的鋸齒溝槽過淺,其管壁的增強層厚度過大,內(nèi)膠層的強度以及厚度相對較高,那么在對其進行施加壓力后,會使得鋸齒溝槽不能被充分的填充,對其整體的密封性以及抗拔力產(chǎn)生一定的不良影響。

所以,對增強層將纏繞的鋼絲鋸齒深度一般要控制在三到四毫米左右,其中編織管的長度控制在二到三毫米。要是膠管的實際規(guī)格相對較小,且是單層鋼絲編織,或是使用了雙層鋼絲對其進行編制,其高膠管的管壁相對較薄,內(nèi)膠層的伸展率相對較低,其膠料力學性能好,套筒溝槽的深度可以適當?shù)臏\一些,表面的鋸齒數(shù)量也可以適當?shù)臏p少,通常情況下三到四個最為合適。其中外部套管的長度要比芯桿被扣壓部分的長度短上四到六毫米最為合適,以此來行之有效的防御內(nèi)膠層的堆膠以及鼓包,進而對其密封性造成不良的影響。

(二)芯桿的形狀

上文所闡述的金屬接頭與膠管之間的主要連接與密封的元器件就是芯桿,芯桿的表面形狀是多樣化的,最為常見的形狀為鋸齒形、溝槽型以及波浪形。而如何甄選其結(jié)構(gòu)類型才能有效的確保設(shè)備的密封性以及抗拔性,則是需要技術(shù)人員切實依照實際壓力以及當前的實際工作條件和高壓膠管的總成結(jié)構(gòu)來進行甄選以及確定的。根據(jù)當前最為流行的甄選形式而言,鋸齒形以及小圓弧是普遍的選擇,圖弧形以及溝槽型在芯桿膠管扣壓后,其膠管的軸向開始延長,上下方的內(nèi)膠層會明顯的變厚,出現(xiàn)堆膠的情況出現(xiàn),尤其是內(nèi)膠層的硬度一旦出現(xiàn)波動或是膠管的密封性出現(xiàn)了下降時,會對整體的機械設(shè)備運行狀態(tài)造成嚴重的影響。但是由于內(nèi)膠層不會出現(xiàn)一定程度上的裂口,也就是說其可以承擔相對較大的壓縮量。所以,在實際的設(shè)計生產(chǎn)過程中,一般都是生產(chǎn)異性小圓弧形狀的芯桿。根據(jù)美國的SAE膠管標準而言,其內(nèi)膠的強度需要達到八十度,其強力也相對較高,對扣壓量的范圍也相對較高,內(nèi)膠一般不會出現(xiàn)裂口。鋸齒性芯桿的實際適用范圍相對較大,且機械加工相對較為容易,對其進行裝配也相對較為簡單抗拔性也會得到一定的增強,最大限度的防止堆膠以及鼓包的形象[4]。

除此之外,在扣壓的過程中,由于膠管的受到一定的外力施加,會使得膠料流動到鋸齒溝槽中,進而導致橡膠的自身延展性都是一個溝槽外壁以及內(nèi)部槽壁的限制,當內(nèi)膠層受到阻力時,就會在溝槽中形成一定的體積壓縮過程,使得壓縮模量變得增長,從而在芯桿與內(nèi)膠層之間的接觸區(qū)域形成一定的密封空間,對介質(zhì)壓力進行阻擋,以此來提升高壓膠管總成結(jié)構(gòu)的抗拔性以及密封性。雖然反鋸齒溝槽的齒尖相對較為銳利,對內(nèi)膠層容易造成一定損害,但是圓弧形以及槽型芯桿的齒尖相對較為圓滑,不會對內(nèi)膠層造成撕裂。

(三)膠料力學的效能

膠料力學作為確保高壓膠管密封性以及脈沖使用年限的基礎(chǔ),其力學性能的好壞將直接對高壓膠管的密封性以及抗拔性產(chǎn)生影響。若是膠料的力學性能存在問題,那么即便使用了最優(yōu)秀的加工方式以及最為合適的接頭,也很難保障其密封性的質(zhì)量,例如,一個十六毫米的鋼編膠管,使用的兩種結(jié)構(gòu)一致的芯桿以及外套,并再同等條件下,使用了相對的扣壓量以及裝配工藝方式。但是在使用膠料時,二者選擇了兩種不同的膠料,對其脈沖壽命進行考核,膠料力學性能相對較好的高壓膠管其脈沖壽命可以達到40萬次以上,但是膠料力學性能相對較差的高壓膠管脈沖壽命僅能達到10萬到20萬次。膠料力學性能是衡量當前高壓膠管總成結(jié)構(gòu)密封性的重要參考指標,根據(jù)現(xiàn)實的扣壓試驗以及設(shè)備解刨顯示,膠料力學相對較好的膠管在對其進行扣壓后,其內(nèi)膠層的延伸長度也不會變得很大,即便是扣壓量提升到整體的六十個百分點,其內(nèi)膠層也不會出現(xiàn)任何的裂口。但是要是膠料力學性能相對較差的話,其扣壓量達到整體的五十個百分點時,內(nèi)膠層就有可能出現(xiàn)相對較為嚴重的裂口現(xiàn)象。

(四)裝配工藝

在對高壓膠管進行裝配之前,技術(shù)人員需要對金屬接頭以及高壓膠管的質(zhì)量進行分析與控制。要是膠管的性能存在問題,例如,內(nèi)部層間距離過大,內(nèi)膠層的管壁相對過厚等問題,這些問題都會直接影響到實際的扣壓質(zhì)量。在對膠管的接頭進行裝配之前,技術(shù)人員要將外膠層進行一定程度上的處理,也就是要磨掉一定長度的外膠層,而對其進行磨膠也是需要一定的技術(shù)支持的。要是磨膠的長度以及骨架層受到一定的影響,那么會直接影響到高壓膠管的使用年限以及耐壓強度,高壓膠管接頭的扣壓量要切實根據(jù)當前的管壁厚度來進行扣壓,由此膠管的實際規(guī)格在一定的標準范圍內(nèi)進行波動是一定存在的,但是這種波動是會對其密封性能造成一定的影響的,其扣壓量不會產(chǎn)生滲油或是拔脫,在對接頭外套以及芯桿進行裝配時,為了便于技術(shù)人員對其進行操作,一般都會芯桿的表面涂上一層潤滑劑,對其涂潤滑劑的主要作用是使其密封性進行降低,并對其進行解剖觀察,將其性能與脈沖性能進行比較,沒有涂抹潤滑劑的組件,不會出現(xiàn)鼓包或是裂口的現(xiàn)象,其脈沖壽命以及密封性都要高于涂抹了潤滑劑的組件,這是由于潤滑劑將內(nèi)膠層與金屬接頭之間的摩擦力降低了,提升了橡膠的流動性,內(nèi)膠層開始向非扣壓區(qū)域進行位移,進而使得組件的密封性下降。所以,為切實降低內(nèi)膠層的位移,技術(shù)人員要對組件上下方的扣壓區(qū)域中的內(nèi)膠料適當?shù)慕档?為切實降低扣壓下,內(nèi)膠層的流動,技術(shù)人員要對其根部空位進行控制,以此來防止組件密封性的下降。

(五)芯桿的匹配性

組件的外套與芯桿之間要具有相對較高的匹配性,若是二者之間的匹配性不高的話,就會導致其內(nèi)膠層出現(xiàn)斷裂或是增強層的鋼絲被壓斷的情況。扣壓之后的芯桿表面上的齒槽要切實落在外套的齒槽之間,二者要形成一個整體。通常情況下,技術(shù)人員會使用15到20號的鋼材,而芯桿則要使用45號鋼,在對其進行扣壓的過程中,外套的延伸要比芯桿略微長出一些,若是以40%為扣壓量的話,在增強層的鋼絲膠管的外套被延伸到2.0到2.5毫米時,芯桿也是不需要進行驗收的,但是要是外套在延伸后,二者的鋸齒相對,就會導致其內(nèi)膠層斷裂。所以二者的匹配性一定要高[5]。

結(jié)論

綜上所述,隨著經(jīng)濟的發(fā)展與科技的進步,我國的膠管行業(yè)得到了一定的發(fā)展。但是在發(fā)展過程中,我國膠管行業(yè)也受到了一定的挑戰(zhàn)。尤其是在高壓膠管總成的可靠性上。因此,需要當前的有關(guān)技術(shù)人員對影響高壓膠管總成可靠性的因素進行分析,特別是需要對金屬接頭、芯桿形狀以及接頭裝配工藝等因素進行分析,以此來充分的了解與掌握好高壓膠管可靠性的影響因素,從而有效的促進我國膠管行業(yè)的全面繁榮發(fā)展。