李慶剛，宮云飛，陳云朋，張國棟，王曉龍，齊磊

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超低膨脹編織塑料軟管的設計

李慶剛，宮云飛，陳云朋，張國棟，王曉龍，齊磊

（長春亞大汽車零件制造有限公司，長春 吉林 130000）

膨脹量對高壓編織軟管來說是一項非常重要的技術參數(shù)。針對超低膨脹量的要求，文章分別在內層材料選擇、內層尺寸設計、編織層材料選擇、編織工藝、外層材料選擇、外層尺寸設計等六個方面進行闡述。說明超低膨脹軟管設計各方面注意事項，為軟管開發(fā)設計提供參考。

膨脹量；塑料；纖維；編織工藝

引言

高壓編織軟管結構通常分為三層：內層、編織層、外層（包覆層），如圖1所示。廣泛應用于液壓舉升系統(tǒng)、液壓制動系統(tǒng)、動力轉向系統(tǒng)、離合助力系統(tǒng)，通過傳輸液體介質達到壓力和能量傳輸?shù)哪康摹Ｓ捎谲嚿聿贾玫脑?，有的液壓軟管長達3~4米。而且系統(tǒng)對響應時間要求嚴格。GB16897-2010中要求的正常膨脹量或低膨脹量的軟管響應時間長，從而影響行車安全。本文通過對內層、編織層、外層進行開發(fā)設計的軟管膨脹量可以滿足GB16897-2010中規(guī)定的低膨脹量軟管的0.2~0.25倍。

1 內層管設計

內層管是軟管的主要工作面，是接觸和傳輸介質的部分，起著密閉介質，保護增強層的作用。

圖1 軟管結構示意圖

1.1 材料選擇

1.1.1基本物理機械性能

軟管絕大部分時間都是在動態(tài)下使用的，并且承壓狀態(tài)又比較復雜。一般來說，不論其品種或使用條件如何，作為內層管必須具有一定的強度、硬度、沖擊韌性、多次沖擊抗力和疲勞極限。為了保證軟管的剛度，材料需要具有一定硬度防止內層管在承壓時從編織層縫隙突出從而提高爆破壓力。材料過軟易造成內層管編織后縮頸嚴重，出現(xiàn)褶皺。同時也可減少因內層管在承壓時的彈性變形過大造成軟管總成的膨脹量增加。材料過硬使軟管總成彎曲半徑過大并且容易打死折。由于裝配金屬接頭的需要，其內層料應具有較好的抗壓縮性、彈性模數(shù)、定伸應力以及應力松弛等力學性能，以保證扣壓后具有良好的密封應力。此外，內層材料還要具備一定的光滑性，以降低介質流動的阻力。

1.1.2耐介質性

內層管是軟管結構中很關鍵的部分，它直接與輸送的物質接觸，必須對輸送介質具有相應的抗耐性。

1.1.3密封性

作為內層管，不論輸送何種介質，都需具有良好的致密性和純潔性，以保證塑料軟管在承壓狀態(tài)下不產生介質滲漏。用于液壓塑料軟管的內層管，其致密性和抗介質性能要求更高。

1.1.4環(huán)保性

軟管在加工和使用過程中不應產生危害人體的物質，也不應產生含有刺激異味的材料。此材料最好可回收再利用。為了減少對環(huán)境的污染，應選擇低析出穩(wěn)定性較好的材料。

1.1.5耐溫性

軟管在工作時，工作介質通常會升溫，軟管的工作環(huán)境也會變化，都會影響軟管的物理性能，從而影響到扣壓部分的密封。軟管內層耐高低溫性能不足，在長時間高低溫脈沖作用下易產生裂紋，從而發(fā)生泄露或管體爆裂。所以對內層管材料的耐溫性要求很高，一般來說是-40℃~120℃，特殊用途耐溫在-70℃~230℃。

1.1.6導電性

在輸送介質的過程中，軟管內部傳輸?shù)挠鸵毫魉佥^快、壓力較大，介質和內層管摩擦產生靜電，靜電積累到一定數(shù)量，會導致內管的靜電擊穿，從而造成軟管組件泄露。特殊用途時需要將靜電及時導出，比保證使用安全，則要求塑料軟管具有較好的導電性能。

1.1.7成本低廉

在滿足上述要求的情況下，盡可能選擇價格低廉的材料以降低產品成本。

1.2 尺寸設計

內層管設計內徑應比要求軟管總成大。因為內層管在編織后會有一定的縮頸。為了避免內層管縮頸過大，所以內層管應具有一定的剛度。內層管的壁厚應根據(jù)材料的硬度和管徑的大小來確定，壁厚過薄，管壁彈性不足，對扣壓尺寸要求較嚴格，容易泄露；而且在反復的高溫脈沖作用下，軟管易破裂發(fā)生爆裂現(xiàn)象。硬度越大的材料，壁厚可適當減小。管徑越大，壁厚也應隨之增加。

2 編織層設計

編織層又稱增強層，是承受壓力的關鍵部位，給予管體必要的強度和剛度，在壓力作用下不變形。

2.1 編織層材料選擇

2.1.1具有足夠的斷裂強度

在高壓軟管結構中，可認為其耐壓強度主要由編織層承擔。因此，盡可能提高材料的斷裂強度，將有利于減少結構層次和尺寸，提高柔韌性，提高軟管性能。

2.1.2耐疲勞性能好，模數(shù)高

編織軟管最大的特點是軟管具有優(yōu)越的可撓曲性，軟管的耐疲勞性能與編織層材料耐疲勞程度非常密切。因此編織層材料必須具備較好的耐疲勞性和高模量特性。

2.1.3具有小的斷裂伸長率

編織層材料的斷裂伸長率往往會使軟管在承壓狀態(tài)下產生擴張變形（結構因素除外），這對軟管的膨脹量影響很大，所以要盡可能選擇斷裂伸長率小的編織線。

2.1.4高溫穩(wěn)定性

如果編織材料在高溫條件下產生收縮變形或強度降低等，則會對軟管的性能產生不利的影響，以致影響其使用壽命。因此編織層材料應在高溫下保持穩(wěn)定的性能。

2.1.5具有一定耐腐蝕性

軟管一般工作在較惡劣的環(huán)境中，如果軟管外層破裂或無外層，油、污水、臭氧、紫外線等因素會對編織層產生腐蝕，降低編織線的強度從而影響軟管的性能，所以編織線應具有一定耐腐蝕性。

2.1.6具有一定的耐磨性

對于無包覆層的高壓軟管，編織層不僅起到增強承壓能力的作用也起到保護內層的作用，編織軟管經常和其他構件摩擦或碰撞。所以編織層材料應具備一定的耐磨性。

2.1.7成本低廉

編織層材料除了要滿足上述特性要求外，還要考慮價格低廉，這對材料的廣泛應用和成本具有一定的現(xiàn)實意義。

事實上，要完全滿足上述特性的材料是不大可能的，但可以根據(jù)結構特點和具體使用要求，盡力選擇較為適宜的編織層材料，如對膨脹量要求較高，對爆破強度要求不高的可選擇斷裂伸長率小，斷裂強度不高的材料。

2.2 編織工藝

2.2.1編織角度α

編織角度是編織的重要特性，它是指股線方向與塑料軟管管軸所傾斜的角度，如圖2。

軟管在壓力下有一個理論上的平衡角。在此角度下編織，如采用的線材無伸長，就不會引起塑料軟管塑料軟管直徑、長度的變化，此角通常稱平衡角或中性角。此時具有較好的彎曲性能，彎曲半徑較小，并且在彎曲時不至于打折。在平衡角下，增強層材料的強度可以得到充分的發(fā)揮。

平衡角推導方法如下：

當軟管承受內壓時，軟管內產生徑向力，它能引起軟管沿母線方向斷裂，產生軸向力，它能引起軟管沿橫截面方向斷裂，為了方便，取軟管一個結矩，即單位長度來討論。

根據(jù)管體受力分析可知：

式中：

P1——周向上的彈性力；

P2——軸向上的彈性力；

P——軟管承受的內壓力；

D——軟管編織層的平均直徑；

T——編織行程

由圖中幾何關系可知

所以α=54°44′ （6）

圖2 平衡角示意圖

當編織角度偏離此角時，將產生下列情況。

1）軟管在內壓作用下、管體幾何形狀發(fā)生如下變化，影響使用性能。即：小于平衡角時，直徑增大，長度縮短。大于平衡角時，直徑縮小，長度增加。

2）耐壓能力降低

表1 不同編織角度與耐壓力的關系

對于多層編織結構的塑料軟管，常由于設備工藝等關系或者有意地安排，使第一編織層編織角度略小于平衡角，而第二編織層編織度略大于平衡角，通常被稱為配合角的結構。其特點是能塑料軟管在承壓情況下更好的發(fā)揮各層骨架材料的作用，以獲得更為理想的使用性能。若兩層編織結構仍然滿足不了使用要求時，則應從材料結構上予以從新考慮。因為三層或三層以上的編織結構，不僅理論上的平衡角非常困難，而且在實際中也是一種綜合性的浪費，并且組裝總成等其他方面也會有弊端。

2.2.2編織行程

編織角度在實際生產過程中，是以相應的編織行程來體現(xiàn)的。所謂編織行程，是指股線的一個螺旋編織物單向量的長度，即載線錠子每轉一周其管牽引的距離，又稱“編織節(jié)距”通常以mm標識。

（1）行程的度量方法度量N/2+1股線間的中心距離（按順時針排列的線束，其中N為編織機錠子數(shù)目），

（2）編織行程的計算將軟管沿半徑方向剖開，編織層根據(jù)旋轉原理展開在平面上，則形成一個編織行程的直角三角形（如圖2），從這個直角三角形內，可以求得編織行程。

式中

D計——計算直徑，mm；

D內——內層管內徑，mm；

δ內——內層管壁厚，mm；

δ編——編織層厚度，mm；

當α為54°44′時，可簡化為下式：T=2.22D計。

2.2.3編織密度

由于在同一方向各個線股不能緊密靠著，而是由相反方向股線分割，他們中間形成縫隙。編織密度系由被編織線遮蔽的表面與整個被編織了的軟管外表面的比例而定，當此比例近于1時，編織將無縫隙，當被遮蔽的面積小于1時，則編織將有用于平均分布的縫隙，而且上述比例越小，則縫隙的密度越大，編織密度用%表示。編織密度不足會造成內層管在壓力作用下被強行穿過縫隙而爆破。當編織角度為一定時，編織密度越大承壓能力越強。編織密度可以通過更換旦數(shù)更大的編織線和使用錠數(shù)更多的編織機來實現(xiàn)。不宜為了提高承壓能力而一直增加編織密度，編織線無法在內層管外表面排布造成編織點回落，編織過程無法進行。因纖維線在編織過程中會發(fā)生壓扁，無法精確計算。所以需要應在試制過程中來確定。

2.2.4編織張力

編織張力指錠子正常放線時所需要的牽引力也是指編織線對軟管的勒緊力。不同編織張力會導致內層管在編織后有不同程度的縮徑，編織張力越大縮徑越嚴重。軟管編織張力大，脈沖性能就會好一些。因為所有的編織交叉點都能緊貼在一起，編織線的交叉點更接近一條直線，軟管在內壓下引起的位移量減小，提高脈沖壽命；軟管編織張力大也會影響軟管的膨脹量，因為編織線會緊緊的和內層管外表面接觸，內層管外表面會有一定程度的變形，將編織的空隙填滿，軟管在承壓時內層管不會向外擴張而且編織線也不會向外擴張從而減小膨脹量。一般來說在保證內層管編縮徑不大的基礎上，編織張力越大越好。

2.2.5強度計算

2.2.5.1 軟管受力分析

從軟管的外形及其在內壓作用下的受力狀態(tài)而言，軟管類似于兩端封閉的薄壁圓筒容器。因此在推導耐壓強度的計算方法時，可把塑料軟管作為圓筒形薄壁容器來進行受力分析。

設有一直徑為D、端部封閉的塑料軟管，在內壓作用下其內壁面的受力狀態(tài)如下圖所示。若沿管壁的橫斷面上分割出一微單元體，則作用在此微單元體周向上的應力為σ1，作用于軸向上的力為σ2，并分別簡稱為周向應力和軸向應力。

圖3 編織軟管受力示意圖

式中

σ1——周向應力；

σ2——軸向應力；

P——內壓作用力，MPa（kgf/cm2）；

D——圓筒直徑，cm；

δ——圓筒壁厚，cm；

1式和2式對比σ1=2σ2，由此可以看出所產生的的周向力要比軸向力大一倍。

由于塑料軟管為非均質材料構成，因此在設計計算中應根據(jù)塑料軟管在內壓下，其周向應力等于2倍軸向應力的基本原理，并按塑料軟管的具體結構、選用骨架材料等條件，確定其耐壓強度的計算方法。

在塑料軟管耐壓強度計算中，可認為塑料軟管的內壓負荷全部由骨架層承擔。從而，塑料軟管在內壓作用下，當壓力達到PB（塑料軟管爆破）時，則由式1,2可得出塑料軟管耐壓強度的基本計算公式：

式中PB——塑料軟管耐壓強度；

N——編織機錠子數(shù)；

n——每個錠子上編織線根數(shù)；

KB——編織線強度，kgf/根；

D計——計算直徑，cm。計算方法見8式；

η——不同編織層數(shù)的計算（不同編織層數(shù)的計算η列于表）；

其中A的取值為0.02；

式中ε——線材斷裂伸長率；

i——骨架層層數(shù)。

表2 不同編織層數(shù)的計算系數(shù)η

3 外層設計

外層是軟管的外保護層，用來保護編織層及內層，使其不受外界損傷和侵蝕。

3.1 材料選擇

外層的主要作用是保護軟管的整體結構，尤其是保護編織層不受外界損傷。因此，也有把軟管的外層稱作為外保護層。

作為外層，除了具有與內層材料相應的性能以外，還必須滿足使用環(huán)境和工作條件的需要。如頻繁摩擦的軟管，其外層需要一定的耐磨性能和抗撕裂性能；又如長期暴露在大氣中或在惡劣氣候條件下使用的軟管，其外層應具有優(yōu)異的抗老化性能和耐腐蝕性能。一般來說外層材料和內層材料為同一類但不同牌號，外層材料選擇較軟的材料，以提高管子柔性。

3.2 尺寸設計

外層的主要作用是保護編織層，所以外層要有一定的厚度將編織層包覆住，不能將編織層裸露，起到保護的作用。但不宜過厚使管體外徑過大，柔韌性差；外層過厚造成外層材料用量大，成本增加，且容易橢圓，控制不住同心度。

4 結論

通過對軟管各設計參數(shù)的分析，詳細介紹了超低膨脹量軟管設計時的關鍵參數(shù)。在實際設計中應根據(jù)客戶的要求，具體問題具體分析，對各個參數(shù)進行平衡和綜合，并進行充分試驗驗證。達到性能和成本最優(yōu)狀態(tài)。

[1] 呂錦新.液壓軟管的彎曲半徑對軟管承壓能力的影響.上海飛機研究所.

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Design of ultra-low expansion woven plastic hose

Li Qinggang, Gong Yunfei, Chen Yunpeng, Zhang Guodong, Wang Xiaolong, Qi Lei

( Chinaust Auto Parts Manufacturing co. Ltd, Jilin ChangChun 130000 )

The expansion volume is a very important technical parameter for high pressure weaving hoses. Aimed at the requirement of ultra-low expansion,The selection of the inner material, the design of the inner size, the selection of woven material, woven process, the selection of the outer material, the design of the inner size and so on six aspects are explainsed In this article. This paper describes the design of ultra-low expansion hose and provides reference for hose development design.

Expansion volume; Plastic; Fiber; Weaving process

A

1671-7988(2018)16-150-04

U462

A

1671-7988(2018)16-150-04

CLC NO.: U462

陳云朋，學士學位，助理工程師，就職于長春亞大汽車零件制造有限公司。 研發(fā)方向：汽車管路開發(fā)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.16.053