管路卡箍联接密封性能试验研究

2018-04-04车保平

兵器装备工程学报 2018年3期

李　涛，陈　岩，李　铮，车保平，徐　丹

(1.中国兵器科学研究院，北京　100089； 2.国营第318厂，北京　100053；3.河北亚大汽车塑料制品有限公司，河北涿州　072750)

在工程机械、汽车或其他需要传送流体介质的机器设备中，为了保证软管与硬管之间密封联接牢固、可靠，常使用卡箍将软管锁紧在硬管上。卡箍联接是低压管路中软管与硬管连接的首选方式，具有操作简单，维修方便等优点。目前，人们对管路的振动、管路布置方面研究较多[1-4]，而对联结处的密封研究较少。卡箍设计中的卡箍扭矩、过盈量、卡箍形式等变量均对密封效果有直接影响。常用的卡箍类型有：双钢丝卡箍、孔型蜗轮蜗杆卡箍、齿型钢带蜗轮蜗杆卡箍、T型弹簧卡箍及无极卡箍等形式。为了掌握上述变量对密封效果的作用规律以改进设计，本文选择孔型蜗轮蜗杆卡箍和无极卡箍，以胶管和钢管连接为例，开展了相关试验研究。

1　拔脱力试验

卡箍联接示意图如图1。卡箍将软管压紧在硬管上，软管与硬管之间的预紧力产生轴向的摩擦力，即拔脱力。软管与硬管之间的预紧力决定密封效果。所以，在工程实际中，经常用拔脱力评价卡箍联接的密封性能，且一般地认为拔脱力与密封性能成正比关系。所以，对卡箍联接开展拔脱力试验，是研究其密封性能的重要方法。本项试验以拔脱力为试验测试目标，研究卡箍扭矩、卡箍位置、鼓包位置对拔脱力和密封性能的影响规律。试验中拉伸速率均为50 mm/min，胶管长度100 mm，钢管插入胶管深度为40 mm，胶管邵氏硬度65，钢管鼓包高度1 mm，采用高低温拉伸试验机。试验现场如图2所示。

1.1　卡箍扭矩对拔脱力的影响

鼓包距钢管端部5 mm，卡箍距胶管端部5 mm，共进行9组试验，每组3个样件，取平均值。扭矩分别为0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 N·m。

试验结果得出如图3所示的卡箍扭矩对拔脱力的影响曲线。由图可知，在其他设计变量不变的情况下，拔脱力与扭矩近似成线性关系。随着扭矩的增大，拔脱力线性增大。卡箍扭矩的大小直接影响拔脱力和密封效果。

1.2　卡箍位置对拔脱力的影响

鼓包距钢管端部5 mm，采用扭矩2.0 N·m，进行7组试验，每组3个样件，取平均值。卡箍距胶管端部距离分别为4、5、6、7、8、9、10 mm。

试验结果如图4所示，由图可知，在其他设计参数不变的情况下，卡箍距胶管端部距离对拔脱力无明显影响。

1.3　鼓包位置对拔脱力的影响

在钢管端部一般都有凸起结构(如图1)。该凸起结构(鼓包)起到防脱、密封的作用。卡箍距胶管端部为5 mm，采用扭矩2.0 N·m，进行4组试验，每组3个样件，取平均值。鼓包距钢管端部距离分别为5、8、11、14 mm。

试验结果如图5所示，由图可知，在其他设计变量不变的情况下，鼓包距钢管端部距离对拔脱力的没有明显影响。

1.4　单/双卡箍对拔脱力的影响

为了研究单卡箍/双卡箍对拔脱力的影响，设计了Φ10、Φ12、Φ16、Φ20等4组不同直径的钢管与胶管连接的管路，每组两个样件，取平均值。所有卡箍的拧紧力矩为2.4 N·m。双卡箍装配时相互错开60°～90°，试验结果如图6所示。

根据实测结果，对于同一管径的卡箍联接，单卡箍与双卡箍下的拔脱力相差不大；双卡箍下的拔脱力比单卡箍下的拔脱力略有增大，平均增大2.4%。这是由于在拔脱过程中，胶管被拉长而产生一定的径向收缩量，在钢管端部拔出第一个卡箍前，只有第一个卡箍起主要作用；钢管端部脱离第一个卡箍后，第二个卡箍起主要作用，所以在拔脱过程中相当于仅有一个卡箍在起主要作用，因而双卡箍下的拔脱力比单卡箍下的拔脱力只是略有增大。同时，对于本试验中4种不同管径的卡箍连接来说，在同样的拧紧力矩下，拔脱力相差不大，无明显变化。

通过拔脱力试验，掌握了卡箍扭矩、卡箍位置、鼓包位置、单/双卡箍等设计因素对拔脱力影响的共性规律，可为卡箍设计和使用提供参考。一般认为在一定范围内，拔脱力越大密封效果越好。但是，管路连接卡箍密封的拔脱力，只能间接反映密封效果。所以，为了研究卡箍各设计因素对密封性能的影响规律，还需进行模拟管路的温度、振动、内部介质压力等工作环境下的动态试验[5-6]，通过整体浸水测试评价其密封效果。

2　密封性能试验

试验和工程实践表明，卡箍扭矩、胶管硬度、单/双/无极卡箍密封形式、钢管与胶管的过盈量等关键设计因素，决定着卡箍密封性能的好坏。在确定各因素的具体设计参数值之前，应科学合理地确定各关键设计因素的水平区间。为此，开展了密封性能试验，为科学确定关键设计因素的水平区间提供依据。

该试验选择特种车辆、重型车辆中常用且泄漏故障多发的内径为Φ20的胶管，根据《GJB2460军用夹布橡胶软管规范》[7]，胶管厚度5 mm。

2.1　卡箍扭矩试验

由拔脱力试验和工程经验可知，卡箍扭矩是影响卡箍密封性能的关键因素。扭矩过小，胶管无法和钢管有效压紧而导致泄漏甚至脱开；扭矩过大，胶管在高温环境中会快速老化而失去弹性，也容易使卡箍由于结构强度不足而断裂。考虑到该管路在使用中介质压力一般为0.15～0.5 MPa，按照试验压力为其工作压力的1.5倍，所以试验压力确定为0.8 MPa。通过压力泵调压阀缓慢加压至试验压力，保压3 min，观察有无气泡冒出。试验从2 N·m，以0.2 N·m为增量不断加大，最终测得静态密封临界值为3 N·m，所以动态试验的卡箍扭矩应大于等于3 N·m。

2.2　钢管与胶管的过盈量试验

现场装配时，发现钢管与胶管在过盈量为0.5 mm时，配合较松。经试验测试，此过盈量下管路泄漏量比过盈量为1 mm或1.5 mm时的泄漏量大。过盈量为1.5 mm时，已感觉手工难以安装。考虑到有些时候须在外场进行安装、维修的可操作性，不宜增大过盈量。所以钢管与胶管的过盈量取为1～1.5 mm。

2.3　胶管硬度试验

根据GJB2460《军用夹布橡胶软管规范》，胶管邵氏硬度为65±5。设计了邵氏硬度55、65、75三种硬度的胶管试验。根据我国军标GJB150.16A《军用装备实验室环境试验方法第16部分：振动试验》中的履带车典型谱型，采用综合试验箱，设置箱内试验温度100 ℃，振动时间1小时。发现硬度55的胶管非常易于与钢管发生相对滑动甚至脱开。试验时在振动过程中曾发生脱开现象；另外，振动后加压测试密封效果，也观察到明显的相对滑动。在各种试验条件下，发现邵氏硬度75的胶管泄漏点数量与泄漏量都明显高于邵氏硬度65的胶管。所以，在后续的试验中，确定使用邵氏硬度65的胶管。这也验证了我国军标规定胶管邵氏硬度为65±5，是合理的。试验所用高温振动综合试验箱、履带车典型谱型以及试验用谱型如图7、图8所示。

3　密封性能动态试验

前面通过试验，基本掌握了各因素的合理设计区间，为开展密封性能动态试验奠定了基础。为搞清各设计参数对密封性能的影响，进行多因素对卡箍联接密封性能影响[8]的试验，寻找最佳的设计参数组合。

无极卡箍是当前使用非常广泛的一种卡箍形式。无极卡箍的结构特点能够使得卡箍的压紧力在圆周方向分布非常均匀，有效避免孔型蜗轮蜗杆卡箍在蜗杆处压力明显减小而导致泄漏的缺陷。并且，无极卡箍采用专用工具进行一次性夹紧，大大减小了夹紧力的随机性，在选型得当的前提下，提高了密封可靠性。本试验为三因素混合水平试验，试验因素与水平如表1所示。

3.1　试验方案设计

根据试验设计方案所得到的结果如表2所示，共进行8组试验。其中无极卡箍使用专用工具一次性夹紧，不涉及扭矩。每组试验安排卡箍密封12处。单卡箍/双卡箍联接密封、无极卡箍联接密封如图9、图10所示。

表2　试验设计方案

3.2　试验过程

采用综合试验箱(见图7)，振动控制谱型(见图8)，设置环境温度100 ℃，施加气体压力0.8 MPa并封闭，垂直轴向振动，共5个阶段，每个阶段12 min，共1小时。振动完毕后，自然冷却2小时，观察冷却过程中压力变化情况。然后拆卸，整体浸水加压至0.3 MPa，检测并记录漏点。

3.3　试验结果及分析

振动初始阶段，由于环境温度影响的缘故，管路内压力稍微升高，随后全程压力稳定。这表明振动过程中管路并没有发生泄漏。振动完成后，1小时内压力降至0.1～0.3 MPa，2小时后压力降至0。这表明随着降温，管路发生泄漏。拆卸后，发现卡箍蜗杆有振松的情况，拧紧力矩减小1～2 N·m。经高温后，胶管发生一定的老化，拆卸后弹性降低，无法回弹至初始状态，表面的压痕明显。这是各组试验的普遍情况。将管路整体浸入水中，加压检测并记录泄漏点。本次试验为了便于对比不同参数组合的卡箍密封效果，对试验条件要求苛刻，不但环境温度设置较实际情况偏高，而且振动过程中施加的压力也偏高。振动冷却后，连接处均有泄漏发生。试验结果见表2中之第8列。经统计分析，泄漏点数量与三因素的关系如图11所示。

由图11并结合前面试验可知，钢管和胶管的过盈配合量、卡箍形式、卡箍扭矩均对密封效果有较大影响。过盈量1.5 mm下泄漏点显著减少；无极卡箍的泄漏点显著减少；卡箍扭矩较小时，无法达到密封效果，而扭矩也不是越大越好，本试验条件下最佳扭矩值为3.5 N·m。所以，在卡箍设计时，应根据输送介质流量压力、装配维修工艺、工作环境等确定过盈量、卡箍形式及扭矩值。

卡箍密封管路泄漏时有发生，其原因主要是孔型蜗轮蜗杆卡箍承受的压紧力沿圆周分布不均匀，蜗杆处压力明显降低。其次是过盈量、扭矩等参数值选择不当。还有在工程实际中，工人现场装配时扭矩的随机性较大，许多情况下根本没有给出扭矩的规定值，或者不使用扭矩扳手，拧紧程度完全靠个人感觉，普遍存在扭矩偏大或偏小。