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高壓軟管總成扣壓技術(shù)的創(chuàng)新與研究

高壓橡膠軟管總成廣泛應(yīng)用于礦山、冶金、化工等機(jī)械設(shè)備中，尤其是井下綜采設(shè)備和工程機(jī)械使用更為普遍。接頭與軟管連接形式有兩種：扣壓式和可拆式?？蹓菏杰浌芙宇^結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠、外形尺寸小、加工方便，采用專用工具裝配。目前，高壓軟管的連接多數(shù)采用金屬快速接頭，其結(jié)構(gòu)為金屬內(nèi)芯與外箍將軟管扣壓成。

扣壓式軟管接頭壓縮量的大小，直接影響著接頭連接性能。壓縮量的含義是橡膠層線變形的百分?jǐn)?shù)，壓縮量的標(biāo)準(zhǔn)是建立在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)的。傳統(tǒng)的壓縮量控制方式為位移控制方式，其壓縮量精度與芯漲量、軟管內(nèi)徑、套筒內(nèi)徑、軟管鋼絲層外徑等制造精度有關(guān)，需要變動(dòng)相應(yīng)扣壓后的D值。而實(shí)際生產(chǎn)中不便去檢測這些參數(shù)。因此存在精度難于控制的問題。高壓橡膠軟管在使用過程中，除軟管本身的質(zhì)量外，管接頭的質(zhì)量直接影響機(jī)械設(shè)備的工作性能和安全生產(chǎn)，而扣壓量是否合理直接關(guān)系到管接頭的質(zhì)量。因此，準(zhǔn)確控制扣壓量，是提高壓橡膠軟管接頭質(zhì)量的關(guān)鍵，高壓橡膠軟管和金屬快速接頭的材質(zhì)性能和尺寸也是影響扣壓質(zhì)量的重要因素。

1.主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備及檢測儀器

KJ-8C型扣壓機(jī)；XK-250＼180型開煉機(jī)；GLGS1.7×4000型硫化罐；XJ-115型橡膠熱喂料擠出機(jī)；YYJ-250型平板硫化機(jī)；JDL-2500N型數(shù)顯拉力試驗(yàn)機(jī)；LX-A型邵爾氏硬度計(jì)；MDR-2000無轉(zhuǎn)子硫化儀。

2.實(shí)驗(yàn)過程

0.1  原理高壓軟管總成質(zhì)量好壞的關(guān)鍵，在于高壓軟管扣壓量的合理設(shè)計(jì)，而高壓軟管接頭，至關(guān)重要，其一是起連接作用，其二是密封作用，其三是抗拔脫作用。

我們采用扣壓式高壓軟管接頭，它由芯管、外套和連接件組成，首先我們從合理設(shè)計(jì)扣壓式接頭入手，扣壓式接頭設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于芯管和外套的設(shè)計(jì)，通常軟管接頭多數(shù)采用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼[EB669-65]，芯管采用45＃鋼，外套采用20＃鋼，這些鋼號(hào)有較好的延伸性能，能適應(yīng)接頭扣壓的要求。接頭扣壓過程中的工作原理為：外套、外表面為光滑圓柱體，內(nèi)表面為一定數(shù)量的鋸齒形溝槽。外槽被扣壓后，鋸齒直接和軟管的鋼絲層接觸，這時(shí)由于扣壓時(shí)產(chǎn)生的徑向壓縮力作用，使軟管的壁后在外套和芯管之間被壓縮，則鋼絲層和內(nèi)膠層被擠壓成波浪形，進(jìn)入外套的鋸齒形溝槽，從而使軟管接頭獲得較大的抗拔脫力，鋸齒數(shù)量和溝槽深度與所用軟管的規(guī)格、結(jié)構(gòu)、骨架層數(shù)、軟管壁厚、內(nèi)膠層的物理機(jī)械性能等有密切關(guān)系。為了裝配時(shí)的操作方便外套內(nèi)經(jīng)應(yīng)略大于軟管骨架層的外徑，一般約大1.0～1.5mm。芯管表面有鋸齒狀的溝槽，一般芯管表面光潔度應(yīng)達(dá)到▽5以上，以防損傷軟管的內(nèi)膠層和消除芯管表面的應(yīng)力集中點(diǎn)，提高芯管疲勞壽命，通常芯管外徑稍大于軟管內(nèi)徑，可在0.5～1.0mm選取，便于接頭裝配芯管插入軟管部分的長度（包括引入段和密封段），根據(jù)軟管規(guī)格、結(jié)構(gòu)、工作壓力和內(nèi)膠層性能確定，一般密封長度為軟管內(nèi)徑的1.5～4倍，芯管插入軟管部分的長度還與外套長度相配合，原則上不應(yīng)小于外套長度，一般使芯管插入段的總長度比外套長5mm左右，依據(jù)多年來積累的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，我們高強(qiáng)度大管徑的軟管，把芯管插入段的總長度和外套分別加長了3個(gè)mm，從而減輕軟管扣壓時(shí)因橡膠冷流現(xiàn)象造成的變形和鼓包。外套、接頭部分剖面圖如圖1、2。

接頭扣壓是高壓軟管總成生產(chǎn)的關(guān)鍵工序，也是直接決定扣壓后軟管總成質(zhì)量好壞的決定性因素，我們采用徑向扣壓，通過扣壓模具內(nèi)徑尺寸的收縮對(duì)接頭外套施加垂直與軟管軸線方向的擠壓力，使外套直徑縮小，并與芯管配合夾緊軟管，那么扣壓量的大小直接影響軟管和接頭之間的密封性能、抗拔脫強(qiáng)度和使用壽命。計(jì)算軟管扣壓量的經(jīng)驗(yàn)公式為：

ε=d0-d1-DX+D0-D1+D2×100%           

d0-d1-δ

其中ε為軟管壁厚壓縮百分率，%（取決于內(nèi)膠層物理機(jī)械性能）；d0為軟管骨架層外徑，mm；d1為軟管內(nèi)徑，mm；DX為外套扣壓后的外徑，mm；D1為外套扣壓前的外徑，mm；D2為芯管的外徑，mm；δ為軟管骨架層厚度（包括鋼絲交叉、重疊的實(shí)際厚度），δ=鋼絲直徑×管壁內(nèi)鋼絲實(shí)際層數(shù)×2，mm。

一般地，軟管內(nèi)膠硬度高，扣壓量應(yīng)提高，扣壓量降低以后，不

能保證軟管接頭的密封性能和抗拔脫強(qiáng)度。綜合以上諸多因素，我們決定從以下幾個(gè)方面入手，來提高高壓軟管總成扣壓質(zhì)量。

0.2  內(nèi)膠配方的改進(jìn)（適當(dāng)增加扣壓量）眾所周知，白炭黑是橡膠工業(yè)中的一種重要補(bǔ)強(qiáng)填料，將白炭黑混入膠料后，可使膠料具有高粘著性、良好的強(qiáng)度和長的使用壽命，但是填加量太多，固然膠料硬度會(huì)顯著提高，而膠料則會(huì)失去應(yīng)有的彈性形變，對(duì)高壓橡膠軟管總成的扣壓操作帶來不便，為了使內(nèi)膠性能達(dá)到最佳狀態(tài)，即：硬度較高、彈性適宜，我們做了大量實(shí)驗(yàn)。

基本配方：NBR：80 PVCR:20 N330:40 N660:50 ZnO:5硬脂

酸：1.5陶土：30固馬隆：8凡士林：6石蠟：0.5二丁脂：13防老劑：1白炭黑，變量（0、5、10、15、20）。

在151℃溫度，20min測試半成品硫化性能如表1。

由表1數(shù)據(jù)不難看出，白炭黑用量為15份時(shí)，內(nèi)膠綜合性能能達(dá)到最佳狀態(tài)，即內(nèi)膠硬度（84）完全達(dá)到高壓橡膠軟管總成扣壓對(duì)內(nèi)膠硬度方面的要求，而此時(shí)膠料的拉伸強(qiáng)度為12.1MPa，扯斷伸長率為245%，只有具有較高的拉伸強(qiáng)度，保證在形變過程中不破壞，才能有較高的伸長率。一般隨定伸應(yīng)力和硬度增大，則扯斷伸長率下降；回彈性大，永久變形小的，扯斷伸長率大，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)白炭黑用量為15份時(shí)，該膠料拉伸強(qiáng)度、扯斷伸長率相對(duì)較高，回彈性也達(dá)到扣壓時(shí)所要求的最佳狀態(tài)。

表1 NBR/PVCR/炭黑在151℃×20′的力學(xué)性能

0.3  軟管接頭裝配精度的精確控制軟管裝配前，對(duì)金屬接頭及軟管的質(zhì)量必須嚴(yán)加控制，軟管的整體性能不好、層間差大、密著力不好、內(nèi)膠壁厚不均等，都是直接影響扣壓質(zhì)量的重要因素，軟管接頭裝配前必須先磨掉一定長度的外膠層，磨膠的長度、坡度、骨架層要依據(jù)準(zhǔn)確的壁厚進(jìn)行適量的扣壓，因?yàn)檐浌艿囊?guī)格尺寸（包括內(nèi)徑、外徑、骨架層外徑）在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的波動(dòng)是客觀存在的，但波動(dòng)會(huì)直接影響扣壓后的密封性能?？蹓毫坎蛔銜?huì)造成滲油和接頭拔脫，扣壓量過大會(huì)出現(xiàn)內(nèi)膠裂口和鼓包等質(zhì)量問題。

在進(jìn)行接頭外套和芯桿裝配時(shí)，為方便操作，通常在芯桿表面涂一層潤滑劑，其實(shí)潤滑劑使軟管的密封性能降低，通過解剖觀察和脈沖性能比較，不涂潤滑劑的軟管組合件，沒有鼓包和裂口現(xiàn)象，臨界密封應(yīng)力和脈沖壽命好于涂潤滑劑的，這顯然是由于潤滑劑減小了內(nèi)膠與金屬接頭之間的摩擦，提高了橡膠流動(dòng)性，增加了內(nèi)膠向非扣壓區(qū)域傳遞，使密封應(yīng)力下降。因此，為了減少內(nèi)膠流動(dòng)，減少接頭尾部扣壓區(qū)域內(nèi)膠的明顯減薄、裂口、堆膠和鼓包，將芯桿的外徑尺寸均縮小0.5mm，使芯桿不涂潤滑劑也很容易裝配，為了減少扣壓時(shí)內(nèi)膠沿軸線方向流動(dòng)過大，降低密封應(yīng)力，裝外套時(shí)軟管端部插入外套內(nèi)距根部的空位不能超過2mm～3mm，否則內(nèi)膠向空位流動(dòng)會(huì)降低密封應(yīng)力。

要使高壓軟管總成扣壓得到提高，另一個(gè)關(guān)鍵的地方是，對(duì)生產(chǎn)的高壓橡膠軟管骨架層直徑的精確控制，這就要求從一開始擠出內(nèi)管的時(shí)候，嚴(yán)格工藝要求，一般國際要求公差控制在±0.8mm，而我們通過多年來的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，要求把公差控制在±0.2mm之內(nèi)，從而從源頭上對(duì)骨架層直徑進(jìn)行了有效的控制，即控制好了式（1）中d0，d1的精度，進(jìn)而根據(jù)高壓軟管以及經(jīng)驗(yàn)公式（1），算出理論扣壓量，來指導(dǎo)我們的實(shí)際生產(chǎn)。

例如：ф10-2高壓軟管總成扣壓量，理論值算法如下：

內(nèi)徑10mm兩層0.3mm鋼絲編織軟管需要裝配扣壓式接頭，已知外套直徑D0=26mm，D1=19mm，D2=11mm，軟管的實(shí)際內(nèi)徑d1=10.2mm，骨架層實(shí)際外徑d0=17.4mm，確定壓縮率ε=45%，則外套扣壓后的外徑DX的值是多少？

已知D0=26mm，D1=19mm，D2=11mm，d0=17.4mm，d1=10.2mm，δ=0.3×4×2=2.4mm，ε=45%

將已知值代入式（1）中得：

45%=17.4-10.2-DX+26-19+11×100%

17.4-10.2-2.4

則DX=23.04mm

即外套扣壓后的外徑應(yīng)為23.04mm

所以ф10-2的理論扣壓量為：D0-DX=26-23.04=2.96（mm）

我們在實(shí)際生產(chǎn)中，由于考慮到接頭裝配時(shí)內(nèi)膠與接頭之間的摩擦力，則扣壓量要比理論計(jì)算值稍微大一點(diǎn)。