吴雁泽 刘 宝 伊 丹
兖矿集团邹城金通橡胶有限公司 山东 邹城 273500
对高压胶管总成可靠性造成影响的因素有很多,所以需要设计人员在对其进行研制的过程中,对其影响因素进行全面的考量,一定要严格遵守设计原则,对高压胶管的内胶实际性能进行充分的了解与掌握。科学合理的认清金属探头、芯杆几何形状以及胶料的力学性能等影响要素。以此来提升高压胶管总成的可靠性以及适用性,使其设计变得更加完善且安全。
内外胶层以及增强层共同组成了高压胶管的整体构架,其中内胶层是位于胶管的最深层,其主要的作用是为了提升高压胶管的密闭性,同时确保胶管内的增强层不会在实际的运作过程中被生产所产生的液体腐蚀。而增强层一般都是由钢丝进行缠绕的,其所处的位置在外胶层与内胶层之间,其主要的作用是提升高压胶管的强度。外胶层则是确保高压胶管不会受到外部因素侵蚀的外部保护层,上文所阐述的三个组成部分,对高压胶管的实际应用年限以及具体的运行质量有着直接的影响。高压胶管的强度是否达标,就要看其增强层上所缠绕的钢丝数量,同时也看钢丝层与橡胶层之间的实际连接强度[1]。
当前所生产的高压胶管的总成结构一般都是相对多元化的,其主要构成部位为管体以及接头,其中由螺母、套筒以及芯子所组成的部位为胶管接头。第一,套筒。当前高压胶管的套筒形式相对较为复杂,因为其表面上覆盖有一定数量的沟槽,使得其在现实的应用相对较为广泛。当前最为常见的沟槽形状为波浪形以及梯形。在多元化的应用形式推动下,不同形状的沟槽其实际的应用方式也随之发生了变化,为切实提升其自身的抗拔力,技术人员需要对当前不同形状的沟槽受力情况进行检测以及数据分析,并在数据信息的基础上,来明确不同沟槽套筒的主要应用范围以及发展方向。第二,芯子。芯子的整体结构相对较为多样,依照当前的内胶力学原理对其分析而言,在实际的应用中,要根据主要的应用情况来甄选出最为合适的齿槽结构、通常情况下,因为胶管接头在扣压后,其内胶可以将其表面沟槽不损坏的情况给予一定的应用。所以当沟槽的宽度逐渐变窄,且深度变得越来越深时,就说明该高压胶管的整体密闭性能相对较好。所以,在实际的应用过程中,要将其沟槽的深度以及宽度都要控制在一定最为合理的数值范围之内,以此来对实际的内胶厚度进行研究。按照相关规定,高压胶管的内部直径与密封沟槽长度之间的数值比重始终要保持在4比1,针对压力相对较大的胶管而言,要对其自身的胶管内直径进行明确的选择,要按照实际的应用情况来选择其胶管。
高压胶管是当前工程机械行业所要使用的主要元器件之一,在工程机械行业中的实际应用相对较为广泛,且使用的种类也相对较为繁多,从而导致了高压胶管具有一定特殊性以及普遍性。其主要的连接形式都是通过上文阐述的芯子以及套筒所构成的,当前高压胶管的主要管接头连接方式大体上可以将其分为两种,分别为扣压式以及装配式。
第1,扣压式。所谓扣压式就是指在胶管以及胶管接头装接完成后,再将外套安置在特定的设备上进行扣压,进而使得胶管接头与胶管可以有效的固定在一起,扣压式胶管的组合件是一种不可拆卸的固定管接头结构。当对其进行扣压后,在胶管接头与高压胶管的橡胶层之间就会形成一定的夹紧力。而接头的密封性则是通过高压胶管中的内胶层来完成的,其外套以及芯子会导致内胶层发生一定的形变,而当扣压后,使得胶管得到了一定的压缩量,进而提升了其实际的连接强度。扣压式连接方式具有一定的密闭性以及抗拔性。其中芯子是由两个部分共同构成的,分别为中间接头或是机体连接的接头部分,以及与胶管相连的芯杆部位。一般情况下,芯子的使用材质为45号钢,在芯子的杆部表面上存有一些凹凸的锯齿,是密封介质的迷宫式曲径,在外部施加压力的情况下,会发生一定的形变,以此来提升连接能力。这种连接方式的使用工艺相对较为简单,且连接的稳定性以及效率相对较高。
第2,装配式。装配式就是将胶管以及接头在一般的车床上使用老虎钳对其进行拧紧即可。但是这种连接方式的工艺性能相对较弱,在实际的应用中一般不会对其进行应用。但是一些生产方式较为单一,针对一些经营规模相对较小的企业而言,装配式仍是其主要的连接方式之一,需要对其技术加以创新与优化。
总的来说,不管使用哪一种连接方式,当前高压胶管的组合件都要切实满足以下三点要求。第一,在系统特定的压力下,要切实保证其胶管的密封性。第二,在系统的实际运行过程中,高压胶管要能经受住其设备的震动以及冲击的影响。第三,连接结构要相对较为简单,且使用安全,生产制作的工艺要切实符合质量标准[2]。
对高压胶管的总成连接质量的评判标准主要有两个,分别为密封性以及抗拔性。
根据橡胶原理而言,密封性是两个物体表面之间的间隙在受到外部压力的作用下相互靠近,进而形成了一定的封闭。密封元器件存在具有一定的压变性之外,还要拥有一定额定弹性以及机械强度。所谓的弹性就是指其自身拥有一定的形变恢复能力。高压胶管内胶就是十分明显的高弹性材料。可以在外力的作用下,对自身的规格以及尺寸进行改变。内胶变形时,一般都会向安装方向进行变形,将与之相接触的元器件表面缝隙进行填充。当前高压胶管总成结构上方的所有密封形式,都是通过上述方式进行密封的。在芯子相对接触的物体表面,夹取一段已经剥掉外胶的胶管,使其密封性得到一定的提升。因此,内胶层的材质相对较为柔软,可以对芯子之间的间隙进行填满,最大限度的方式压力介质的渗透。倘若增强层对内胶层所施加的外部压力记为Q,那么与之相接触的部位就会形成一定的应力,其公式如下。
公式中的结果为发生形变之前的密封元器件几何面积。
高压胶管的橡胶层与芯子密封面之间所产生的摩擦力,可以形成一定的稳定性,用以来抵抗密封表面的介质压力。当介质压力的实际数值达到一定程度时,就会对原有的阻力进行摆脱,进而导致芯子开始顺应压力方向进行位移,对原有的接触情况造成一定的影响,使得其元器件以及设备的密封性出现问题。而想要切实提升密封压力的方式主要有两种,第一,最大限度的提升接触的压力,也就是使用高弹性橡胶来提升密封件的形变性能。第二,提升其稳定系数。
由于外套的内部齿槽与增强层钢丝之间存在着一定联系,所以会在二者之间形成一定的抗拔力,并将这种力量作用到当前的芯子以及高压胶管内胶层上。高压胶管的总成拔力的最大数值对应的正是胶管的爆破压力。当高压胶管出现破裂时,所扣压的部位也不会出现泄漏。而当介质压力数值达到一定程度后,便可以对其内胶阻力进行克制,使得当前的密封性能失效。
由上述的阐述来看,胶管总成结构的实际连接质量最后都会直接反映在内胶层与芯子之间的实际密封性以及接触应力上。也就是说,当前高压胶管的密封性与其自身的接触应力是相对等的[3]。
(一)金属接头
金属接头一般由三个部分共同组成,分别为芯杆、套筒以及连接部分。外部表面的锯齿深度、表面沟槽之间的距离都与胶管接头的扣压密闭性有着千丝万缕的联系、扣压后的锯齿会直接与铜丝进行接触,在扣压力以及压缩力的双重作用下,高压胶管的管壁与芯杆之间的间隙会被不断的压缩,增强层上的钢丝以及内胶层都会在压力的作用下,不断的陷入到锯齿沟槽之中,进而使得胶管接头在短时间内获得了极大的抗拔力。但是要是其表面的锯齿沟槽过浅,其管壁的增强层厚度过大,内胶层的强度以及厚度相对较高,那么在对其进行施加压力后,会使得锯齿沟槽不能被充分的填充,对其整体的密封性以及抗拔力产生一定的不良影响。
所以,对增强层将缠绕的钢丝锯齿深度一般要控制在三到四毫米左右,其中编织管的长度控制在二到三毫米。要是胶管的实际规格相对较小,且是单层钢丝编织,或是使用了双层钢丝对其进行编制,其高胶管的管壁相对较薄,内胶层的伸展率相对较低,其胶料力学性能好,套筒沟槽的深度可以适当的浅一些,表面的锯齿数量也可以适当的减少,通常情况下三到四个最为合适。其中外部套管的长度要比芯杆被扣压部分的长度短上四到六毫米最为合适,以此来行之有效的防御内胶层的堆胶以及鼓包,进而对其密封性造成不良的影响。
(二)芯杆的形状
上文所阐述的金属接头与胶管之间的主要连接与密封的元器件就是芯杆,芯杆的表面形状是多样化的,最为常见的形状为锯齿形、沟槽型以及波浪形。而如何甄选其结构类型才能有效的确保设备的密封性以及抗拔性,则是需要技术人员切实依照实际压力以及当前的实际工作条件和高压胶管的总成结构来进行甄选以及确定的。根据当前最为流行的甄选形式而言,锯齿形以及小圆弧是普遍的选择,图弧形以及沟槽型在芯杆胶管扣压后,其胶管的轴向开始延长,上下方的内胶层会明显的变厚,出现堆胶的情况出现,尤其是内胶层的硬度一旦出现波动或是胶管的密封性出现了下降时,会对整体的机械设备运行状态造成严重的影响。但是由于内胶层不会出现一定程度上的裂口,也就是说其可以承担相对较大的压缩量。所以,在实际的设计生产过程中,一般都是生产异性小圆弧形状的芯杆。根据美国的SAE胶管标准而言,其内胶的强度需要达到八十度,其强力也相对较高,对扣压量的范围也相对较高,内胶一般不会出现裂口。锯齿性芯杆的实际适用范围相对较大,且机械加工相对较为容易,对其进行装配也相对较为简单抗拔性也会得到一定的增强,最大限度的防止堆胶以及鼓包的形象[4]。
除此之外,在扣压的过程中,由于胶管的受到一定的外力施加,会使得胶料流动到锯齿沟槽中,进而导致橡胶的自身延展性都是一个沟槽外壁以及内部槽壁的限制,当内胶层受到阻力时,就会在沟槽中形成一定的体积压缩过程,使得压缩模量变得增长,从而在芯杆与内胶层之间的接触区域形成一定的密封空间,对介质压力进行阻挡,以此来提升高压胶管总成结构的抗拔性以及密封性。虽然反锯齿沟槽的齿尖相对较为锐利,对内胶层容易造成一定损害,但是圆弧形以及槽型芯杆的齿尖相对较为圆滑,不会对内胶层造成撕裂。
(三)胶料力学的效能
胶料力学作为确保高压胶管密封性以及脉冲使用年限的基础,其力学性能的好坏将直接对高压胶管的密封性以及抗拔性产生影响。若是胶料的力学性能存在问题,那么即便使用了最优秀的加工方式以及最为合适的接头,也很难保障其密封性的质量,例如,一个十六毫米的钢编胶管,使用的两种结构一致的芯杆以及外套,并再同等条件下,使用了相对的扣压量以及装配工艺方式。但是在使用胶料时,二者选择了两种不同的胶料,对其脉冲寿命进行考核,胶料力学性能相对较好的高压胶管其脉冲寿命可以达到40万次以上,但是胶料力学性能相对较差的高压胶管脉冲寿命仅能达到10万到20万次。胶料力学性能是衡量当前高压胶管总成结构密封性的重要参考指标,根据现实的扣压试验以及设备解刨显示,胶料力学相对较好的胶管在对其进行扣压后,其内胶层的延伸长度也不会变得很大,即便是扣压量提升到整体的六十个百分点,其内胶层也不会出现任何的裂口。但是要是胶料力学性能相对较差的话,其扣压量达到整体的五十个百分点时,内胶层就有可能出现相对较为严重的裂口现象。
(四)装配工艺
在对高压胶管进行装配之前,技术人员需要对金属接头以及高压胶管的质量进行分析与控制。要是胶管的性能存在问题,例如,内部层间距离过大,内胶层的管壁相对过厚等问题,这些问题都会直接影响到实际的扣压质量。在对胶管的接头进行装配之前,技术人员要将外胶层进行一定程度上的处理,也就是要磨掉一定长度的外胶层,而对其进行磨胶也是需要一定的技术支持的。要是磨胶的长度以及骨架层受到一定的影响,那么会直接影响到高压胶管的使用年限以及耐压强度,高压胶管接头的扣压量要切实根据当前的管壁厚度来进行扣压,由此胶管的实际规格在一定的标准范围内进行波动是一定存在的,但是这种波动是会对其密封性能造成一定的影响的,其扣压量不会产生渗油或是拔脱,在对接头外套以及芯杆进行装配时,为了便于技术人员对其进行操作,一般都会芯杆的表面涂上一层润滑剂,对其涂润滑剂的主要作用是使其密封性进行降低,并对其进行解剖观察,将其性能与脉冲性能进行比较,没有涂抹润滑剂的组件,不会出现鼓包或是裂口的现象,其脉冲寿命以及密封性都要高于涂抹了润滑剂的组件,这是由于润滑剂将内胶层与金属接头之间的摩擦力降低了,提升了橡胶的流动性,内胶层开始向非扣压区域进行位移,进而使得组件的密封性下降。所以,为切实降低内胶层的位移,技术人员要对组件上下方的扣压区域中的内胶料适当的降低,为切实降低扣压下,内胶层的流动,技术人员要对其根部空位进行控制,以此来防止组件密封性的下降。
(五)芯杆的匹配性
组件的外套与芯杆之间要具有相对较高的匹配性,若是二者之间的匹配性不高的话,就会导致其内胶层出现断裂或是增强层的钢丝被压断的情况。扣压之后的芯杆表面上的齿槽要切实落在外套的齿槽之间,二者要形成一个整体。通常情况下,技术人员会使用15到20号的钢材,而芯杆则要使用45号钢,在对其进行扣压的过程中,外套的延伸要比芯杆略微长出一些,若是以40%为扣压量的话,在增强层的钢丝胶管的外套被延伸到2.0到2.5毫米时,芯杆也是不需要进行验收的,但是要是外套在延伸后,二者的锯齿相对,就会导致其内胶层断裂。所以二者的匹配性一定要高[5]。
综上所述,随着经济的发展与科技的进步,我国的胶管行业得到了一定的发展。但是在发展过程中,我国胶管行业也受到了一定的挑战。尤其是在高压胶管总成的可靠性上。因此,需要当前的有关技术人员对影响高压胶管总成可靠性的因素进行分析,特别是需要对金属接头、芯杆形状以及接头装配工艺等因素进行分析,以此来充分的了解与掌握好高压胶管可靠性的影响因素,从而有效的促进我国胶管行业的全面繁荣发展。
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