李　濤，陳　巖，李　錚，車保平，徐　丹

(1.中國兵器科學(xué)研究院， 北京　100089； 2.國營第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)

在工程機械、汽車或其他需要傳送流體介質(zhì)的機器設(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。卡箍聯(lián)接是低壓管路中軟管與硬管連接的首選方式，具有操作簡單，維修方便等優(yōu)點。目前，人們對管路的振動、管路布置方面研究較多[1-4]，而對聯(lián)結(jié)處的密封研究較少。卡箍設(shè)計中的卡箍扭矩、過盈量、卡箍形式等變量均對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型彈簧卡箍及無極卡箍等形式。為了掌握上述變量對密封效果的作用規(guī)律以改進設(shè)計，本文選擇孔型蝸輪蝸桿卡箍和無極卡箍，以膠管和鋼管連接為例，開展了相關(guān)試驗研究。

1　拔脫力試驗

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，在工程實際中，經(jīng)常用拔脫力評價卡箍聯(lián)接的密封性能，且一般地認為拔脫力與密封性能成正比關(guān)系。所以，對卡箍聯(lián)接開展拔脫力試驗，是研究其密封性能的重要方法。本項試驗以拔脫力為試驗測試目標，研究卡箍扭矩、卡箍位置、鼓包位置對拔脫力和密封性能的影響規(guī)律。試驗中拉伸速率均為50 mm/min，膠管長度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機。試驗現(xiàn)場如圖2所示。

1.1　卡箍扭矩對拔脫力的影響

鼓包距鋼管端部5 mm，卡箍距膠管端部5 mm，共進行9組試驗，每組3個樣件，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。

試驗結(jié)果得出如圖3所示的卡箍扭矩對拔脫力的影響曲線。由圖可知，在其他設(shè)計變量不變的情況下，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。卡箍扭矩的大小直接影響拔脫力和密封效果。

1.2　卡箍位置對拔脫力的影響

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

試驗結(jié)果如圖4所示，由圖可知，在其他設(shè)計參數(shù)不變的情況下，卡箍距膠管端部距離對拔脫力無明顯影響。

1.3　鼓包位置對拔脫力的影響

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，進行4組試驗，每組3個樣件，取平均值。鼓包距鋼管端部距離分別為5、8、11、14 mm。

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

1.4　單/雙卡箍對拔脫力的影響

為了研究單卡箍/雙卡箍對拔脫力的影響，設(shè)計了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。雙卡箍裝配時相互錯開60°～90°，試驗結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)實測結(jié)果，對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，膠管被拉長而產(chǎn)生一定的徑向收縮量，在鋼管端部拔出第一個卡箍前，只有第一個卡箍起主要作用；鋼管端部脫離第一個卡箍后，第二個卡箍起主要作用，所以在拔脫過程中相當于僅有一個卡箍在起主要作用，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，對于本試驗中4種不同管徑的卡箍連接來說，在同樣的擰緊力矩下，拔脫力相差不大，無明顯變化。

通過拔脫力試驗，掌握了卡箍扭矩、卡箍位置、鼓包位置、單/雙卡箍等設(shè)計因素對拔脫力影響的共性規(guī)律，可為卡箍設(shè)計和使用提供參考。一般認為在一定范圍內(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)計因素對密封性能的影響規(guī)律，還需進行模擬管路的溫度、振動、內(nèi)部介質(zhì)壓力等工作環(huán)境下的動態(tài)試驗[5-6]，通過整體浸水測試評價其密封效果。

2　密封性能試驗

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

該試驗選擇特種車輛、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

由拔脫力試驗和工程經(jīng)驗可知，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)境中會快速老化而失去彈性，也容易使卡箍由于結(jié)構(gòu)強度不足而斷裂?？紤]到該管路在使用中介質(zhì)壓力一般為0.15～0.5 MPa，按照試驗壓力為其工作壓力的1.5倍，所以試驗壓力確定為0.8 MPa。通過壓力泵調(diào)壓閥緩慢加壓至試驗壓力，保壓3 min，觀察有無氣泡冒出。試驗從2 N·m，以0.2 N·m為增量不斷加大，最終測得靜態(tài)密封臨界值為3 N·m，所以動態(tài)試驗的卡箍扭矩應(yīng)大于等于3 N·m。

2.2　鋼管與膠管的過盈量試驗

現(xiàn)場裝配時，發(fā)現(xiàn)鋼管與膠管在過盈量為0.5 mm時，配合較松。經(jīng)試驗測試，此過盈量下管路泄漏量比過盈量為1 mm或1.5 mm時的泄漏量大。過盈量為1.5 mm時，已感覺手工難以安裝?？紤]到有些時候須在外場進行安裝、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

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)計了邵氏硬度55、65、75三種硬度的膠管試驗。根據(jù)我國軍標GJB150.16A《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第16部分：振動試驗》中的履帶車典型譜型，采用綜合試驗箱，設(shè)置箱內(nèi)試驗溫度100 ℃，振動時間1小時。發(fā)現(xiàn)硬度55的膠管非常易于與鋼管發(fā)生相對滑動甚至脫開。試驗時在振動過程中曾發(fā)生脫開現(xiàn)象；另外，振動后加壓測試密封效果，也觀察到明顯的相對滑動。在各種試驗條件下，發(fā)現(xiàn)邵氏硬度75的膠管泄漏點數(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)的試驗中，確定使用邵氏硬度65的膠管。這也驗證了我國軍標規(guī)定膠管邵氏硬度為65±5，是合理的。試驗所用高溫振動綜合試驗箱、履帶車典型譜型以及試驗用譜型如圖7、圖8所示。

3　密封性能動態(tài)試驗

前面通過試驗，基本掌握了各因素的合理設(shè)計區(qū)間，為開展密封性能動態(tài)試驗奠定了基礎(chǔ)。為搞清各設(shè)計參數(shù)對密封性能的影響，進行多因素對卡箍聯(lián)接密封性能影響[8]的試驗，尋找最佳的設(shè)計參數(shù)組合。

無極卡箍是當前使用非常廣泛的一種卡箍形式。無極卡箍的結(jié)構(gòu)特點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，無極卡箍采用專用工具進行一次性夾緊，大大減小了夾緊力的隨機性，在選型得當?shù)那疤嵯拢岣吡嗣芊饪煽啃?。本試驗為三因素混合水平試驗，試驗因素與水平如表1所示。

3.1　試驗方案設(shè)計

根據(jù)試驗設(shè)計方案所得到的結(jié)果如表2所示，共進行8組試驗。其中無極卡箍使用專用工具一次性夾緊，不涉及扭矩。每組試驗安排卡箍密封12處。單卡箍/雙卡箍聯(lián)接密封、無極卡箍聯(lián)接密封如圖9、圖10所示。

表2　試驗設(shè)計方案

3.2　試驗過程

采用綜合試驗箱(見圖7)，振動控制譜型(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，共5個階段，每個階段12 min，共1小時。振動完畢后，自然冷卻2小時，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，檢測并記錄漏點。

3.3　試驗結(jié)果及分析

振動初始階段，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。這表明振動過程中管路并沒有發(fā)生泄漏。振動完成后，1小時內(nèi)壓力降至0.1～0.3 MPa，2小時后壓力降至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，無法回彈至初始狀態(tài)，表面的壓痕明顯。這是各組試驗的普遍情況。將管路整體浸入水中，加壓檢測并記錄泄漏點。本次試驗為了便于對比不同參數(shù)組合的卡箍密封效果，對試驗條件要求苛刻，不但環(huán)境溫度設(shè)置較實際情況偏高，而且振動過程中施加的壓力也偏高。振動冷卻后，連接處均有泄漏發(fā)生。試驗結(jié)果見表2中之第8列。經(jīng)統(tǒng)計分析，泄漏點數(shù)量與三因素的關(guān)系如圖11所示。

由圖11并結(jié)合前面試驗可知，鋼管和膠管的過盈配合量、卡箍形式、卡箍扭矩均對密封效果有較大影響。過盈量1.5 mm下泄漏點顯著減少；無極卡箍的泄漏點顯著減少；卡箍扭矩較小時，無法達到密封效果，而扭矩也不是越大越好，本試驗條件下最佳扭矩值為3.5 N·m。所以，在卡箍設(shè)計時，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。還有在工程實際中，工人現(xiàn)場裝配時扭矩的隨機性較大，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拔脫力基本沒有影響。

2) 在本試驗中，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，可使用無極卡箍替代傳統(tǒng)的孔型蝸輪蝸桿卡箍?？紤]到振動和高溫老化對卡箍密封的影響，卡箍密封處應(yīng)盡量遠離熱源、振源，定期檢修有無松動、泄漏現(xiàn)象。

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