?10mm、?14mm高壓聚四氟乙烯軟管組件脈沖試驗(yàn)失效分析及改進(jìn)

張正清

上海市塑料研究所（上海 200090）

工作研究

?10mm、?14mm高壓聚四氟乙烯軟管組件脈沖試驗(yàn)失效分析及改進(jìn)

張正清

上海市塑料研究所（上海 200090）

分析了?10mm、?14mm高壓聚四氟乙烯軟管組件脈沖試驗(yàn)失效模式及機(jī)理，提出了提高高壓聚四氟乙烯軟管組件質(zhì)量可靠性的改進(jìn)方法，并取得了一定的實(shí)效，為進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)。

聚四氟乙烯軟管組件 失效分析 鋼絲增強(qiáng)層

聚四氟乙烯軟管組件（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“軟管組件”）由聚四氟乙烯內(nèi)管、鋼絲增強(qiáng)層及兩端裝有金屬連接件（通常由螺母、接頭及套筒組成）的整體管組成。按照不同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝過(guò)程生產(chǎn)出高壓（工作壓力10.5～21MPa）、中壓（工作壓力7～10.5MPa）和低壓（工作壓力＜7MPa）軟管組件，以滿足不同工作壓力的需要。目前美國(guó)已有最高工作壓力35MPa，能在-55～204℃溫度范圍內(nèi)使用的軟管組件。

軟管組件具有重量輕、耐高低溫、耐腐蝕、耐老化及安裝方便等特點(diǎn)。

根據(jù)外場(chǎng)故障件數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2005年以來(lái)，軟管組件外場(chǎng)質(zhì)量年故障率基本在0.2‰以內(nèi)。從軟管組件出廠質(zhì)量一致性檢驗(yàn)的情況來(lái)看，?10mm、?14 mm高壓軟管組件在脈沖試驗(yàn)時(shí)偶有故障情況，主要現(xiàn)象為?14mm高壓軟管組件管體漏油，?10mm、?14mm高壓軟管組件金屬接頭套筒尾部滲油。高壓軟管組件為不可修復(fù)產(chǎn)品，所以故障即失效。為了解決這兩個(gè)規(guī)格產(chǎn)品的質(zhì)量不穩(wěn)定問(wèn)題，本文針對(duì)其故障現(xiàn)象進(jìn)行了機(jī)理分析和改進(jìn)研究。

1 液壓脈沖試驗(yàn)原理介紹

軟管組件連接的壓力管路中，由于某種外界原因（如閥門(mén)突然關(guān)閉、水泵機(jī)組突然停車(chē)）使油液的流速突然發(fā)生變化，從而引起壓強(qiáng)急劇升高和降低的交替變化，這種壓力現(xiàn)象稱(chēng)為脈沖壓力或水錘波。一般液壓系統(tǒng)管路和管接頭等部件的破壞，是由遠(yuǎn)低于破壞壓力的脈沖壓力所造成的，因此，《聚四氟乙烯軟管組件規(guī)范》（GJB2837—1997）中制定了相應(yīng)的脈沖試驗(yàn)，要求航空飛行器液壓系統(tǒng)軟管組件必須進(jìn)行液壓脈沖試驗(yàn)的驗(yàn)證。

用來(lái)檢驗(yàn)軟管組件承受相應(yīng)壓力和脈沖沖擊的脈沖壓力曲線如圖1所示。對(duì)于高壓軟管組件，脈沖試驗(yàn)以70次/分鐘的頻次，共進(jìn)行25萬(wàn)次脈沖循環(huán)，峰值壓力為工作壓力的150%。通過(guò)脈沖試驗(yàn)動(dòng)態(tài)考核壽命期內(nèi)高壓軟管組件的抗疲勞破壞能力，快速檢測(cè)出設(shè)計(jì)或工藝環(huán)節(jié)的缺陷，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)和工藝的改進(jìn)，提高軟管組件的可靠性。

圖1 脈沖壓力曲線圖

2 高壓軟管組件故障現(xiàn)象

?10mm、?14mm高壓軟管組件的故障現(xiàn)象主要有兩種形式。

2.1 高壓軟管管體滲油

高壓軟管管體滲油是高壓軟管組件常見(jiàn)的故障現(xiàn)象之一，表現(xiàn)為軟管增強(qiáng)層的斷絲或在某一瞬間爆破，內(nèi)管中壓力油從破口中噴出。故障部位一般位于管體中間彎曲部位。?14mm高壓軟管組件存在軟管增強(qiáng)層的斷絲和滲油故障現(xiàn)象。

2.2 高壓軟管接頭套筒尾部滲油

接頭套筒尾部滲油是高壓軟管組件失效形式最常見(jiàn)的一種，將故障件浸在水槽中進(jìn)行氣密試驗(yàn)時(shí)接頭套筒尾部會(huì)有大量氣泡冒出。?10mm、?14mm高壓軟管組件均存在接頭套筒尾部滲油故障現(xiàn)象。

3 高壓軟管組件故障機(jī)理分析

3.1 高壓軟管管體滲油故障機(jī)理分析

3.1.1 高壓軟管受力理論模型分析

從高壓軟管組件的外形及其在內(nèi)壓作用下的受力狀態(tài)而言，高壓軟管組件類(lèi)似于兩端封閉的圓筒形薄壁容器。因此，在推導(dǎo)高壓軟管組件耐壓強(qiáng)度的計(jì)算方法時(shí)，可將其假設(shè)為圓筒形均質(zhì)薄壁容器來(lái)進(jìn)行受力分析。

設(shè)有一直徑為D、端部封閉的高壓軟管組件，在內(nèi)壓作用下其內(nèi)壁的受力狀態(tài)如圖2所示。若沿管壁的縱橫斷面分割出一微單元體，則作用在該微單元體周向上的應(yīng)力為σ1，作用于軸向上的應(yīng)力為σ2，分別簡(jiǎn)稱(chēng)為周向應(yīng)力和軸向應(yīng)力。

圖2 高壓軟管組件受力狀態(tài)示意圖

根據(jù)材料力學(xué)，薄壁圓筒容器在內(nèi)壓p作用下，其周向應(yīng)力σ1和軸向應(yīng)力σ2可由下式表示：

式中：p——內(nèi)壓作用力，MPa（kg/cm2）；

D——圓筒直徑，cm；

δ——圓筒壁厚，cm。

將σ1和σ2比較，即得σ1=2σ2。

由此可以看出，高壓軟管組件在內(nèi)壓作用下，假設(shè)為均質(zhì)材料時(shí)，其理論模型所產(chǎn)生的周向應(yīng)力要比軸向應(yīng)力大1倍。

3.1.2 高壓軟管組件耐壓強(qiáng)度分析

高壓軟管組件為非均質(zhì)材料構(gòu)成，因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)內(nèi)壓作用下其周向應(yīng)力等于2倍軸向應(yīng)力的基本原理，按高壓軟管組件鋼絲纏繞和編織結(jié)構(gòu)等條件，確定其耐壓強(qiáng)度。高壓軟管組件受壓時(shí)，其周向應(yīng)力和軸向應(yīng)力的合力（均衡力）方向與增強(qiáng)層的纏繞或編織分布方向一致，當(dāng)鋼絲纏繞或編織的角度為理論平衡角度54°44′時(shí)，其周向承壓能力與軸向承壓能力基本相同。

由于高壓軟管組件伸直狀態(tài)與彎曲狀態(tài)時(shí)的耐壓力不同，故必須分別進(jìn)行分析。

3.1.2.1 高壓軟管組件平直狀態(tài)下耐壓強(qiáng)度

（1）鋼絲編織增強(qiáng)軟管耐壓強(qiáng)度計(jì)算

式中：pB——軟管耐壓強(qiáng)度，kgf/cm2；

η——不同編織層數(shù)的計(jì)算系數(shù)；

N——編織機(jī)錠子數(shù)；

n——每錠鋼絲根數(shù)；

KB——單根鋼絲強(qiáng)度，kgf/根；

D計(jì)——計(jì)算直徑，cm；

一般情況下，由于鋼絲的伸長(zhǎng)率很小，故C3≈1。C4=1-0.015（n-1）。

（2）鋼絲纏繞增強(qiáng)軟管耐壓強(qiáng)度計(jì)算式中：pB——軟管耐壓強(qiáng)度，kgf/cm2；

N——纏繞鋼絲的總根數(shù)；

KB——單根鋼絲的強(qiáng)度，kgf/根；

D計(jì)——計(jì)算直徑，cm；

不同纏繞層數(shù)的修正系數(shù)C2值可以查表；由于鋼絲伸長(zhǎng)率很小，故C3≈1。

從以上軟管耐壓強(qiáng)度計(jì)算公式可知，由于高壓軟管組件為非均質(zhì)材料，聚四氟乙烯內(nèi)管的耐壓強(qiáng)度一般不超過(guò)4MPa,相對(duì)于工作壓力為21MPa的高壓軟管來(lái)講，聚四氟乙烯內(nèi)管所起的作用在力學(xué)計(jì)算中可忽略，高壓軟管組件的耐壓強(qiáng)度與鋼絲的根數(shù)、強(qiáng)度成正比，與軟管計(jì)算直徑的平方成反比。

3.1.2.2 高壓軟管組件彎曲狀態(tài)下耐壓強(qiáng)度

高壓軟管彎曲時(shí)耐壓強(qiáng)度下降的計(jì)算公式為：

式中：p彎曲和p伸直分別代表軟管彎曲和伸直狀態(tài)下的耐壓強(qiáng)度，MPa。

f=R/d

其中：R——軟管內(nèi)側(cè)彎曲半徑，mm；

d——軟管鋼絲層中心直徑，mm。

從高壓軟管彎曲時(shí)耐壓強(qiáng)度下降計(jì)算公式可知，隨著彎曲半徑的減小，耐壓強(qiáng)度也隨之減小。

以上定性分析說(shuō)明高壓軟管的耐壓強(qiáng)度與增強(qiáng)層有關(guān)，內(nèi)管的強(qiáng)度可以忽略不計(jì)，故高壓軟管的故障機(jī)理是鋼絲增強(qiáng)層強(qiáng)度的失效，因此在高壓軟管增強(qiáng)層設(shè)計(jì)時(shí)要有足夠的裕量以保證設(shè)計(jì)的可靠性，采用合理的成型工藝技術(shù)來(lái)保證高壓軟管增強(qiáng)層質(zhì)量一致性，以正確的安裝來(lái)保證高壓軟管組件在試驗(yàn)和使用過(guò)程中的可靠性。

3.2 高壓軟管組件接頭套筒尾部故障機(jī)理分析

?10mm、?14mm高壓軟管組件主要由高壓軟管與金屬連接件組成，連接方式有扣壓式與分離扣壓式兩種。分離扣壓式主要用于更高壓力等級(jí)的產(chǎn)品，如工作壓力為28MPa及以上的軟管組件。?10 mm、?14mm高壓軟管組件總成的連接方式為扣壓式，故本文主要對(duì)扣壓式接頭套筒尾部失效機(jī)理進(jìn)行分析。

3.2.1 高壓軟管組件總成介紹

扣壓式高壓軟管組件是不可拆卸的固定金屬連接件結(jié)構(gòu)，能在軟管和金屬連接件之間形成很大的夾緊力，金屬連接件的密封是由套筒和芯桿使軟管內(nèi)層內(nèi)管變形來(lái)完成的，直接加壓套筒軟管得到一定的壓縮量，從而緊固鋼絲增強(qiáng)層來(lái)保證其連接強(qiáng)度?？蹓菏浇Y(jié)構(gòu)具有良好的耐拔脫和密封性能。芯子由兩部分組成，一是與其它設(shè)備相連的接頭部分，二是與軟管相連的芯桿部分，芯桿的材質(zhì)有30CrMn-Si、1Cr18Ni9Ti等，芯桿的圓周上有光滑凹凸的鋸齒狀，與內(nèi)管鑲嵌在一起形成密封結(jié)構(gòu)。通過(guò)擠壓套筒使其變形來(lái)達(dá)到裹緊芯桿和軟管的目的。

3.2.2 扣壓量大小對(duì)軟管質(zhì)量的影響

高壓軟管組件總成扣壓量是影響高壓軟管組件接頭總成質(zhì)量的一個(gè)主要因素。

扣壓量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致高壓軟管組件出現(xiàn)過(guò)變形的現(xiàn)象，使總成各部分結(jié)構(gòu)在扣壓時(shí)產(chǎn)生過(guò)大的變形或出現(xiàn)應(yīng)力集中嚴(yán)重的部位，而應(yīng)力集中部位在脈沖條件下易損壞，該部位主要發(fā)生在與接頭密封槽直接接觸的內(nèi)管上。因?yàn)樘淄部蹓簳?huì)發(fā)生變形，所以套筒材料的強(qiáng)度和硬度不宜太高，?10mm、?14mm高壓軟管用套筒內(nèi)孔是具有強(qiáng)抓著力的鋸齒形結(jié)構(gòu)，內(nèi)齒與鋼絲增強(qiáng)層緊密抓著，形成很高的抗拔力，并能使力傳至內(nèi)管和芯桿上形成密封結(jié)構(gòu)。增強(qiáng)層鋼絲是保證軟管在液壓作用下具有一定抗破裂能力的主要因素。過(guò)大的扣壓量可能將增強(qiáng)層鋼絲壓斷，進(jìn)而使其失去增強(qiáng)作用，降低軟管接頭的抗密封性能，這與軟管失效為增強(qiáng)層失效的結(jié)論一致。另外，過(guò)大的扣壓量還可能造成內(nèi)管被壓傷，在脈沖條件下，更易造成內(nèi)管應(yīng)力開(kāi)裂，導(dǎo)致高壓軟管組件的失效。

扣壓量過(guò)小會(huì)造成高壓軟管組件總成時(shí)各部分結(jié)構(gòu)變形不充分，套筒壓縮鋼絲增強(qiáng)層是高壓軟管組件總成抗拔脫強(qiáng)度的重要保證，變形不充分的連接會(huì)造成高壓軟管總成抗拔脫能力低，在高壓脈沖試驗(yàn)或系統(tǒng)液壓沖擊等因素造成的過(guò)高壓力作用下，出現(xiàn)接頭被拉脫，導(dǎo)致高壓軟管組件失效。同時(shí)，內(nèi)管和芯桿接觸部分變形不充分，會(huì)嚴(yán)重降低高壓軟管組件總成的密封性能，脈沖試驗(yàn)或使用中出現(xiàn)接頭套筒處滲油現(xiàn)象。因此，高壓軟管接頭尾部故障機(jī)理主要是增強(qiáng)層強(qiáng)度的失效和內(nèi)管的應(yīng)力開(kāi)裂。

4 改進(jìn)措施

4.1 ?14mm高壓軟管管體的改進(jìn)

4.1.1 故障件的解剖分析

已經(jīng)設(shè)計(jì)定型的?14mm高壓軟管組件無(wú)論是外場(chǎng)使用還是出廠脈沖試驗(yàn)均存在偶有軟管管體彎曲處滲油的情況。該產(chǎn)品增強(qiáng)結(jié)構(gòu)采用“纏繞+編織”的結(jié)構(gòu)，內(nèi)管材料采用杜邦公司的第二代樹(shù)脂T6C。通過(guò)對(duì)故障件解剖后目視檢查發(fā)現(xiàn)主要存在兩方面的問(wèn)題，一是鋼絲纏繞層有斷絲、松動(dòng)現(xiàn)象，二是內(nèi)管有疲勞裂紋。

4.1.2 故障原因分析

通過(guò)對(duì)高壓軟管管體故障機(jī)理分析可知，失效原因是鋼絲增強(qiáng)層強(qiáng)度的失效。解剖發(fā)現(xiàn)鋼絲纏繞層有松動(dòng)和斷絲現(xiàn)象，類(lèi)似于鋼絲增強(qiáng)層的失效，與理論分析相吻合。引起纏繞鋼絲松動(dòng)的可能原因包括扣壓量不夠、軟管組件總成裝配時(shí)操作不當(dāng)引起纏繞鋼絲松動(dòng)以及軟管纏繞增強(qiáng)時(shí)存在松緊不一的情況。經(jīng)過(guò)對(duì)故障件的復(fù)查，扣壓量符合工藝參數(shù)的要求、解剖接頭后未發(fā)現(xiàn)裝配時(shí)增強(qiáng)層的松動(dòng)，這樣唯一的可能性就是與纏繞工藝過(guò)程有關(guān)。

復(fù)查纏繞工藝原始記錄，其工藝參數(shù)完全符合工藝規(guī)定的要求。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)對(duì)決定纏繞鋼絲質(zhì)量一致性的工藝參數(shù)——鋼絲張力的測(cè)量?jī)H在開(kāi)始生產(chǎn)前調(diào)整過(guò)一次，接著就是批量生產(chǎn)，無(wú)論批次大小，過(guò)程中均沒(méi)有進(jìn)行過(guò)程工藝參數(shù)的監(jiān)視和測(cè)量，技術(shù)文件上也無(wú)此規(guī)定，這可能就是問(wèn)題的關(guān)鍵所在。為了驗(yàn)證該判斷是否正確，在2010年4月28日組織工藝人員對(duì)用于?14mm高壓軟管組件的纏繞鋼絲（?0.4mm）進(jìn)行在線張力測(cè)量，測(cè)量同一線軸放線到不同直徑時(shí)的張力大小，鋼絲張力的變化情況見(jiàn)表1。隨著纏繞鋼絲的使用，線軸上鋼絲數(shù)量會(huì)逐漸減小，鋼絲張力會(huì)隨之變化，到第4、第5次測(cè)量時(shí)，鋼絲張力均已超過(guò)該工序規(guī)定的張力控制標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，張力超過(guò)工藝規(guī)范要求的變化點(diǎn)一般在增強(qiáng)120m左右時(shí)發(fā)生。

表1 同一線軸纏繞鋼絲張力變化情況

由以上分析可知，因鋼絲張力的變化造成纏繞鋼絲松緊不一致的判斷是正確的，也是造成纏繞鋼絲沒(méi)有均勻分布在內(nèi)管上的原因。鋼絲增強(qiáng)層失效造成內(nèi)管耐疲勞強(qiáng)度下降，直至失效。

4.1.3 鋼絲增強(qiáng)工藝改進(jìn)

鋼絲纏繞的圈經(jīng)、密度、角度和編織的角度、鋼絲張力以及加工過(guò)程中鋼絲排布是否整齊等因素對(duì)軟管組件性能的影響非常大，甚至直接決定軟管出廠一致性試驗(yàn)和鑒定試驗(yàn)的成敗。通過(guò)以上對(duì)故障件的解剖分析認(rèn)為本次改進(jìn)的關(guān)鍵點(diǎn)是改進(jìn)纏繞鋼絲松緊不一的問(wèn)題，而產(chǎn)生該問(wèn)題的原因是纏繞設(shè)備不能提供纏繞鋼絲持續(xù)穩(wěn)定的鋼絲張力。

針對(duì)老設(shè)備，根據(jù)纏繞鋼絲張力驗(yàn)證的結(jié)果，在工藝文件上規(guī)定：每纏繞增強(qiáng)約110～120m必須重新檢測(cè)并調(diào)試鋼絲張力，達(dá)到工藝參數(shù)規(guī)定的要求后方可繼續(xù)生產(chǎn)。按新規(guī)定增強(qiáng)的軟管，脈沖試驗(yàn)通過(guò)后解剖結(jié)果表明，鋼絲纏繞層均勻排立在內(nèi)管表面，提高了增強(qiáng)層制造過(guò)程的可靠性，穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)為引進(jìn)新的180線纏繞設(shè)備提供了依據(jù)，配備了張力補(bǔ)償器，以實(shí)現(xiàn)每根纏繞鋼絲單獨(dú)控制張力，保證鋼絲纏繞質(zhì)量。

4.2 高壓軟管組件接頭套筒尾部滲油的改進(jìn)

4.2.1 故障件的解剖分析

對(duì)故障件套筒解剖后目視檢查未發(fā)現(xiàn)鋼絲壓斷的情況，但接頭尾端第一和第二道密封槽處對(duì)應(yīng)的內(nèi)管產(chǎn)生穿透性微裂紋。

4.2.2 故障原因分析

根據(jù)高壓軟管接頭尾部故障機(jī)理，增強(qiáng)層強(qiáng)度的失效和內(nèi)管的應(yīng)力開(kāi)裂是引發(fā)高壓軟管組件接頭尾部故障的原因。據(jù)此分析，引起故障件內(nèi)管產(chǎn)生穿透性微裂紋的可能原因主要有三個(gè)方面，一是增強(qiáng)層強(qiáng)度失效，二是內(nèi)管的抗彎曲疲勞性能不足，三是接頭密封槽深度太深。解剖套筒后目視檢查未發(fā)現(xiàn)鋼絲壓斷的情況，排除了套筒內(nèi)增強(qiáng)層失效的可能性。從?10mm、?14mm高壓軟管組件接頭的解剖來(lái)看，其共同點(diǎn)為接頭尾端第一和第二道密封槽處對(duì)應(yīng)的內(nèi)管產(chǎn)生穿透性微裂紋，也就是說(shuō)接頭密封筋嵌入內(nèi)管的深度太深，形成對(duì)內(nèi)管的應(yīng)力集中點(diǎn)。內(nèi)管應(yīng)力集中點(diǎn)在脈沖高頻沖擊下逐漸疲勞而引發(fā)銀紋，直至開(kāi)裂失效。這種應(yīng)力集中點(diǎn)如同“骨刺”，要解決該問(wèn)題要么提高內(nèi)管的耐疲勞性能如同增強(qiáng)體質(zhì)，要么降低密封槽深，如同對(duì)“骨刺”動(dòng)手術(shù)切除骨刺，也可以兩種方案同時(shí)實(shí)施。

4.2.3 內(nèi)管的改進(jìn)

上海塑料研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)上海塑研）生產(chǎn)的軟管組件全部采用美國(guó)杜邦公司生產(chǎn)的牌號(hào)為T(mén)6C的第二代通用聚四氟乙烯樹(shù)脂，其結(jié)晶度相對(duì)較高，因此成型后的內(nèi)管相對(duì)較硬，即柔韌性較差。T62樹(shù)脂是杜邦公司生產(chǎn)的第三代高等級(jí)樹(shù)脂，具有彎曲性能好、抗疲勞開(kāi)裂能力強(qiáng)的特點(diǎn)。根據(jù)杜邦公司提供的資料，其彎曲疲勞壽命是T6C的18倍（見(jiàn)表2）。

表2 兩種樹(shù)脂彎曲疲勞壽命對(duì)比

鑒于T62樹(shù)脂的優(yōu)異性能，國(guó)際上早在上世紀(jì)90年代初期就已使用T62樹(shù)脂代替T6C樹(shù)脂生產(chǎn)用于航空、航天飛行器的聚四氟乙烯軟管組件，如美國(guó)的Parker公司、Eaton公司和Titeflex公司等。所以，從提高軟管組件可靠性的角度來(lái)看，應(yīng)該使用T62樹(shù)脂代替T6C樹(shù)脂生產(chǎn)用于高壓軟管組件的聚四氟乙烯內(nèi)管。

4.2.3.1 ?10mm內(nèi)管的改進(jìn)

根據(jù)聚四氟乙烯樹(shù)脂牌號(hào)的不同，內(nèi)管成型工藝可分為非連續(xù)成型工藝（如T6C樹(shù)脂）和連續(xù)成型工藝（如T62樹(shù)脂）兩種，成型工藝流程主要有冷藏、配料、存放、預(yù)成型、推壓、燒結(jié)及淬火。兩種內(nèi)管成型工藝的不同點(diǎn)主要在推壓步驟以后，非連續(xù)成型工藝在推壓步驟以后切割內(nèi)管，然后分別集中燒結(jié)和水淬火。連續(xù)成型工藝為邊推邊燒結(jié)的方式，內(nèi)管推壓后直接進(jìn)行連續(xù)干燥、燒結(jié)，干燥和燒結(jié)爐為一體式垂直燒結(jié)爐，燒結(jié)后經(jīng)空氣淬火而得到成品內(nèi)管。該成型工藝省去了切割內(nèi)管這一可能損傷內(nèi)管的工序。T6C樹(shù)脂僅可用非連續(xù)成型工藝生產(chǎn)內(nèi)管，而T62樹(shù)脂既可用連續(xù)成型工藝生產(chǎn)內(nèi)管，也可用非連續(xù)成型工藝生產(chǎn)內(nèi)管。眾所周知，聚四氟乙烯內(nèi)管結(jié)晶度與相對(duì)密度呈正相關(guān)關(guān)系，隨著結(jié)晶度的增加，相對(duì)密度也增加。相對(duì)密度低，表明結(jié)晶度低，柔韌性好，更適合于高壓軟管組件。30t推壓機(jī)生產(chǎn)的?10mm改進(jìn)前后內(nèi)管性能比較分別見(jiàn)表3和表4。

表3 ?10mmT6C內(nèi)管性能

表4 ?10mmT62內(nèi)管性能

從表3和表4可以看出，T62樹(shù)脂生產(chǎn)的內(nèi)管其相對(duì)密度小于T6C樹(shù)脂生產(chǎn)的內(nèi)管，說(shuō)明其柔韌性更好，更適合于高壓軟管組件，這與杜邦公司的使用推薦是一致的。

4.2.3.2 ?14mm內(nèi)管改進(jìn)前后主要參數(shù)比較

上海塑研從奧地利DUNST公司引進(jìn)了80t連續(xù)化生產(chǎn)線，而過(guò)去使用30t國(guó)產(chǎn)推壓機(jī)實(shí)施分步法生產(chǎn)，改進(jìn)前后兩種工藝和內(nèi)管主要參數(shù)比較見(jiàn)表5?？梢钥闯觯倪M(jìn)后內(nèi)管壁厚偏差規(guī)范從±0.2 mm提高到±0.13mm，該變化對(duì)接頭扣壓后內(nèi)管應(yīng)力的減小是有益的，穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量。改進(jìn)后采用了連續(xù)燒結(jié)成型工藝，避免了分步法成型工藝因切割內(nèi)管生管可能出現(xiàn)的碰傷，這種碰傷隱患在后續(xù)的燒結(jié)工藝中是無(wú)法消除的。

4.2.4 接頭密封槽深度的改進(jìn)

高壓軟管組件總成一般由內(nèi)到外分別由芯桿、內(nèi)管、增強(qiáng)層及套筒組成，其生產(chǎn)裝配過(guò)程為：扣壓機(jī)通過(guò)模具扣壓套筒，使套筒發(fā)生彈塑性變形，在套筒變形的作用下，依次使增強(qiáng)層、內(nèi)管和芯桿發(fā)生彈性或塑性變形，最終使軟管和接頭連接在一起。

高壓軟管組件接頭必須與內(nèi)管、設(shè)備之間有良好的密封性能，在使用過(guò)程中不會(huì)發(fā)生泄漏、拉脫等故障現(xiàn)象，同時(shí)，與內(nèi)管直接接觸的密封槽又不宜太深，太深可能會(huì)增加內(nèi)管的變形量，造成應(yīng)力疲勞，在液壓系統(tǒng)脈沖壓力的沖擊下，逐漸產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致高壓軟管組件的失效。規(guī)格為?10mm、?14mm的高壓軟管組件用接頭原設(shè)計(jì)槽深在0.35～0.5mm之間，在扣壓總成后，對(duì)內(nèi)管有一定的損傷，再經(jīng)過(guò)高壓脈沖試驗(yàn)后，產(chǎn)生縱向穿透性微裂紋，微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展會(huì)導(dǎo)致內(nèi)管被貫穿，造成高壓軟管組件失效，降低其質(zhì)量可靠性。理論上的定性分析和反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證證明，高壓軟管組件用接頭密封槽深設(shè)計(jì)控制在0.15～0.20mm之間比較合適，改進(jìn)后，對(duì)通過(guò)脈沖試驗(yàn)的軟管組件進(jìn)行解剖，發(fā)現(xiàn)扣壓部位的內(nèi)管幾乎沒(méi)有微裂紋產(chǎn)生，說(shuō)明這種設(shè)計(jì)能滿足規(guī)格為?10mm、?14mm的高壓軟管組件的性能要求，改進(jìn)取得了成功。

表5 兩種工藝和內(nèi)管主要參數(shù)比較

4.3 ?10mm、?14mm的高壓軟管組件改進(jìn)小結(jié)

對(duì)?10mm高壓軟管組件進(jìn)行了纏繞工藝和接頭密封槽深度的改進(jìn)，按GJB2837—1997《聚四氟乙烯軟管組件規(guī)范》的規(guī)定通過(guò)了鑒定試驗(yàn)，對(duì)T62樹(shù)脂在30t推壓機(jī)上成型的內(nèi)管性能與T6C樹(shù)脂成型的內(nèi)管性能進(jìn)行了比較，確認(rèn)了T62內(nèi)管的性能優(yōu)勢(shì)。

對(duì)?14mm高壓軟管組件進(jìn)行了纏繞工藝、內(nèi)管及接頭密封槽深度的改進(jìn)，改進(jìn)后按GJB2837—1997《聚四氟乙烯軟管組件規(guī)范》的規(guī)定通過(guò)了鑒定試驗(yàn)，其中脈沖試驗(yàn)按35萬(wàn)次進(jìn)行，比規(guī)范規(guī)定的25萬(wàn)次加嚴(yán)了10萬(wàn)次，彎曲試驗(yàn)按56萬(wàn)次執(zhí)行，比規(guī)定的40萬(wàn)次加嚴(yán)了16萬(wàn)次。

5 結(jié)論

（1）改進(jìn)前，高壓軟管組件脈沖模式下的管體泄漏主要是由于增強(qiáng)層增強(qiáng)工藝可靠度不夠，在液壓脈沖作用下造成增強(qiáng)鋼絲的松動(dòng)、斷絲，直至高壓軟管組件的失效；改進(jìn)后，對(duì)纏繞機(jī)鋼絲每纏繞110～120m進(jìn)行一次鋼絲張力的檢測(cè)與調(diào)整，鋼絲張力符合工藝參數(shù)要求后再繼續(xù)生產(chǎn)，保證了高壓軟管組件鋼絲增強(qiáng)層的質(zhì)量。

（2）改進(jìn)前，高壓軟管組件選用T6C樹(shù)脂作為內(nèi)管材料，通過(guò)水淬火處理后?10mm內(nèi)管相對(duì)密度平均為2.143；改進(jìn)后，選用T62樹(shù)脂，通過(guò)水淬火處理后?10mm內(nèi)管相對(duì)密度平均為2.138。相對(duì)密度低，說(shuō)明其結(jié)晶度低，柔韌性更好，更適合高壓軟管組件使用。?14mm高壓軟管組件使用T62內(nèi)管后，加嚴(yán)檢驗(yàn)結(jié)果表明使用T62內(nèi)管的高壓軟管組件比T6C內(nèi)管在產(chǎn)品質(zhì)量上有明顯的提高。

（3）改進(jìn)前，高壓軟管組件脈沖模式下扣壓部位泄漏主要是由接頭密封槽深設(shè)計(jì)不合理造成的；改進(jìn)后，通過(guò)減小接頭密封槽深解決了內(nèi)管應(yīng)力開(kāi)裂的問(wèn)題，該方案可為其它類(lèi)似設(shè)計(jì)提供參考。

Failure Analysis of ?10 mm, ?14 mm High-pressure Polytetrafluoroethylene Hose Assemblies during Pulse Test and the Improvement

Zhang Zhengqing

Discussed the failure modes of ?10 mm and ?14 mm high- pressure polytetrafluoroethylene (PTFE) hose assemblies in pulse test and analyzed the failure mechanisms. Put forward the methods to improve the quality reliability of the high- pressure PTFE hose assemblies and achieved certain effects, which laid a foundation for the further improvement of products quality.

Polytetrafluoroethylene hose assembly; Failure analysis; Wire enhancing layer

（略）

TQ325.4

2014年4月

張正清 男 1965年生 管理學(xué)學(xué)士學(xué)位主要從事聚四氟乙烯成型工藝研究和質(zhì)量管理工作 曾公開(kāi)發(fā)表文章3篇