某重型汽車空氣壓縮機(jī)替用管材料性能分析

馮 磊，王一博

某重型汽車空氣壓縮機(jī)替用管材料性能分析

馮 磊，王一博

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

重型載貨汽車上的空氣壓縮機(jī)用通氣管材料，通常使用精密冷拔鍍鋅無縫鋼管進(jìn)行再加工而成，再加工及運(yùn)輸時(shí)管材表面鍍層易被劃傷，防銹能力下降，同時(shí)電鍍鈍化工藝會(huì)產(chǎn)生大量廢液，影響環(huán)境。鋁合金材料自身擁有較好的耐腐蝕能力，通過對(duì)鋁合金無縫管的折彎性能、耐腐蝕性、密封性、耐熱性和經(jīng)濟(jì)性等方面的對(duì)比分析，鋁合金無縫管滿足作為空氣壓縮機(jī)用通氣管的要求，是一種良好的空氣壓縮機(jī)鋼管的替用管材

空氣壓縮機(jī)；鋁合金管；耐腐蝕性能；密封性能；替用管材

目前重型載貨汽車上的制動(dòng)系統(tǒng)普遍采用的是氣壓制動(dòng)。制動(dòng)時(shí)，壓縮后的高壓氣體經(jīng)過制動(dòng)系統(tǒng)多個(gè)閥體的調(diào)節(jié)控制，進(jìn)入制動(dòng)氣室，推動(dòng)制動(dòng)器進(jìn)行制動(dòng)。空氣壓縮機(jī)管路作為制動(dòng)系統(tǒng)的一部分，其主要功能是連接空氣壓縮機(jī)和后續(xù)的空氣處理單元，并對(duì)從中流過的高壓高溫氣體進(jìn)行初步的降溫，使壓縮氣體中的水汽盡快凝結(jié)，從空氣處理單元中排出，避免在后續(xù)的用氣單元中積水、結(jié)冰，影響制動(dòng)系統(tǒng)的正常工作。因此，空氣壓縮機(jī)管路要有良好的密封性、耐腐蝕能力以及散熱性能[1]。

當(dāng)前，各主要重型汽車生產(chǎn)企業(yè)的空氣壓縮機(jī)用通氣管材料主要使用10#或者20#鋼制造的精密冷拔無縫鋼管，表面采用鍍鋅鈍化處理，經(jīng)過切割、折彎、接頭鉚接等工序加工而成[2]。此次分析擬采用鋁合金材料進(jìn)行替代，以實(shí)現(xiàn)耐腐蝕能力提升及整車輕量化目標(biāo)。

鋁合金材料牌號(hào)繁多，從1×××系至9×××系，合金成分差異對(duì)鋁合金本身的耐腐蝕性能影響很大。常用的高強(qiáng)鋁合金2×××系鋁合金材料（以銅為主要合金元素）和7×××系鋁合金材料（以鋅為主要合金元素）的強(qiáng)度較高，但是其耐腐蝕性較差；3×××系鋁合金材料（以錳為主要合金元素）、5×××系鋁合金材料（以鎂為主要合金元素）和6×××鋁合金材料（以鎂和硅為主要合金元素）則具有更好的耐腐蝕性能，屬于中等強(qiáng)度鋁合金。通常情況下，汽車零部件中建議使用5×××系和6×××系鋁合金材料，其加工性能、強(qiáng)度和耐腐蝕性等綜合性能良好，是一種適合汽車工業(yè)應(yīng)用的輕量化材料[3]。同時(shí)，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)推薦，車輛型材宜采用5052、5038、6061、6063等牌號(hào)鋁合金[4]。本文選擇牌號(hào)6 061的鋁合金材料軋制無縫管作為分析對(duì)象，材料規(guī)格為外徑Φ=20 mm、壁厚1.5 mm，從加工性能、耐腐蝕、散熱能力等多個(gè)方面進(jìn)行分析試驗(yàn)。

1 折彎性能

實(shí)際使用中重型汽車空氣壓縮機(jī)管路的折彎角不小于90°、折彎半徑=50 mm，直接使用加工鋼制空氣壓縮機(jī)管的設(shè)備工裝以及工藝參數(shù)對(duì)鋁合金管進(jìn)行折彎加工。結(jié)果顯示，折彎后管路表面無褶皺、開裂，僅圓弧處表面由開始的光滑平面轉(zhuǎn)變?yōu)槟ド懊妗５捎阡X合金管相比鋼管具有伸長率低和屈強(qiáng)比高等特點(diǎn)，導(dǎo)致在同樣的工藝參數(shù)下，鋁合金管在圓弧處變扁、圓弧外側(cè)減薄、回彈比鋼管嚴(yán)重。

對(duì)于彎曲回彈現(xiàn)象，通過綜合分析彎曲回彈的影響因素，根據(jù)彎曲時(shí)的各種條件和回彈趨勢，預(yù)先估算回彈量的大小，對(duì)折彎角度進(jìn)行調(diào)整，在折彎時(shí)進(jìn)行一定量的“過正”彎曲，補(bǔ)償回彈變形；圓弧外側(cè)減薄是彎曲的工藝特點(diǎn)決定的，無法規(guī)避。為了避免減薄量過大，需降低管子彎制時(shí)的阻力。現(xiàn)場對(duì)彎管模的間隙進(jìn)行了微調(diào)，以降低夾緊力改善管子橫剖面上的應(yīng)力分布狀態(tài)，使中性層外移從而達(dá)到減少管子外側(cè)管壁減薄量的目的；對(duì)于圓弧外側(cè)變扁嚴(yán)重的管件，更換有反變形槽的彎管模，并在安裝模具時(shí)保證各部件的管槽軸線在同一水平面上[5]。

采用以上措施對(duì)折彎工藝進(jìn)行優(yōu)化后再次試驗(yàn)，鋁合金管圓弧處折彎質(zhì)量可以達(dá)到與鋼管相同的效果，滿足空氣壓縮機(jī)管路的外觀質(zhì)量要求。鋁合金管與鋼管加工效果對(duì)比如圖1、圖2所示。

圖1 鋁合金管折彎效果

圖2 鋼管折彎效果

2 耐腐蝕性能

由于空壓機(jī)管路要長期與濕熱空氣接觸，為提高管路的耐腐性能，目前所使用的空壓機(jī)用管路材料均需經(jīng)過鍍鋅鈍化處理，而鍍鋅鈍化過程中產(chǎn)生的廢液需要做專業(yè)的處理，否則容易造成環(huán)境污染。同時(shí)，鍍層在后續(xù)的加工運(yùn)輸中容易劃傷，影響防銹效果。

鋁是一種非常活潑的金屬，只要它暴露于空氣中，表面與氧氣迅速反應(yīng)就會(huì)形成Al2O3氧化層。該氧化層可保護(hù)內(nèi)層的鋁材免受進(jìn)一步反應(yīng)，有助于保持其耐用性。這部分氧化層非常?。s2.5 nm），可以通過刮擦去除。然而，暴露的金屬很快又會(huì)與大氣發(fā)生反應(yīng)，保護(hù)能力快速恢復(fù)。這使得鋁材料在普通大氣環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)良的耐腐蝕性，并且還可以對(duì)鋁材進(jìn)行表面處理，進(jìn)一步提高其耐腐蝕性。

研究證明，在鹵素離子含量高的潮濕大氣環(huán)境中，空氣中的鹵素離子（如氯離子）會(huì)侵蝕鋁合金材料表面的氧化膜，破壞防護(hù)層形成腐蝕坑，尤其是在沿海、多雨、潮濕、高溫和工業(yè)污染較為嚴(yán)重的地區(qū)。在長期室外大氣暴露試驗(yàn)中，Ghali[6]給出了6061-T鋁合金在海洋大氣環(huán)境（巴拿馬）下的中、長期腐蝕情況，暴露試驗(yàn)持續(xù)了16年，測得每年平均腐蝕深度為17.3 μm。FUENTE等[7]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在工業(yè)或海洋大氣中，鋁合金的腐蝕情況最嚴(yán)重，暴露16年后觀察到大約100 μm深的腐蝕坑。以上兩個(gè)試驗(yàn)都證明了鋁合金具有較好的長期耐腐蝕性能。

3 密封性能

空氣壓縮機(jī)管使用的是雙刃卡套接頭，是一種比較通用的國標(biāo)接頭。雙卡套直通接頭由三部分組成：接頭體、卡套、螺母。當(dāng)卡套和螺母套在管子上插入接頭體后，再旋緊螺母時(shí)，卡套前端外側(cè)錐面與接頭體錐面貼合，內(nèi)刃均勻地咬入管路表面，形成有效密封。其密封作用的形成主要依靠卡套外錐面與接頭體錐面的配合，以及刃口嵌入管子后與管子的配合。目前重型汽車上的空氣壓縮機(jī)管路的最高工作壓力約1.3 MPa，為了驗(yàn)證鋁合金管鉚接雙刃卡套后的密封性能，按照表1要求進(jìn)行試驗(yàn)[8]。

表1 密封性試驗(yàn)內(nèi)容與方法

試驗(yàn)項(xiàng)目試驗(yàn)介質(zhì)試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)參數(shù)及方法保壓時(shí)間合格判定 氣密性試驗(yàn)空氣增壓氣壓試驗(yàn)機(jī)持續(xù)加壓至管結(jié)構(gòu)最大工作壓力的15%，最高不超過6.3 MPa≥3 min保壓期內(nèi)無氣泡從試驗(yàn)樣件中冒出/無滲油現(xiàn)象 耐壓試驗(yàn)水靜液壓試驗(yàn)機(jī)持續(xù)升壓至管接頭最大工作壓力的2倍，升壓速率不得超過最大工作壓力值的16%≥1 min保壓期內(nèi)無任何泄漏現(xiàn)象 爆破試驗(yàn)水靜液壓試驗(yàn)機(jī)持續(xù)升壓至管接頭最大工作壓力的4倍，升壓速率不得超過最大工作壓力值的16%持續(xù)加壓至連接失效出現(xiàn)可見泄漏的的試驗(yàn)壓力≥4倍最大工作壓力

在上述試驗(yàn)中，管路及其接頭處均未出現(xiàn)任何滲漏現(xiàn)象，爆破試驗(yàn)在壓力達(dá)到5.2 MPa后，管路及接頭處完好，無滲漏現(xiàn)象，試驗(yàn)壓力曲線如圖3－圖5所示。

為了更好地驗(yàn)證鋁合金管作為空氣壓縮機(jī)用管在整車上的可靠性，使用鋁合金無縫管加工一套空氣壓縮機(jī)用管，并安裝到整車上進(jìn)行了12 000 km的可靠性試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中管路連接可靠，無滲漏情況，整車制動(dòng)系統(tǒng)工作正常。

圖3 氣密性試驗(yàn)

圖4 耐壓試驗(yàn)

圖5 爆破試驗(yàn)

4 散熱性能

物體的散熱能力取決于傳熱系數(shù)，傳熱系數(shù)的大小又受壁面兩側(cè)流體的物性、流速、固體表面的形狀、材料的導(dǎo)熱系數(shù)等因素影響。值愈大，傳熱過程進(jìn)行得愈為強(qiáng)烈，散熱效果越好，如式（1）[9]：

式中，1，2分別為圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩表面熱交換系數(shù)，W/(m2·℃)；為管壁厚度，m；為管壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)。

在僅更換材料時(shí)，管路的結(jié)構(gòu)及面對(duì)的散熱環(huán)境均相同，此時(shí)傳熱系數(shù)的比較，也就是比較材料的導(dǎo)熱系數(shù)。6061鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)約為155 W/m·K，鋼的導(dǎo)熱系數(shù)約為54 W/m·K，鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于鋼，所以鋁合金管在散熱能力上優(yōu)于鋼管。

5 經(jīng)濟(jì)性

目前，鍍鋅鈍化無縫鋼管的價(jià)格約為1.4～1.8萬元/噸，鋁合金無縫管的價(jià)格約為3.2～3.5萬元/噸，鋁合金管價(jià)格約為鋼管的兩倍。由于鋁的密度約為鋼密度的1/3，所以即使單位重量的鋁合金價(jià)格更高，當(dāng)鋁合金管的價(jià)格在鋼管價(jià)格的3倍以下時(shí)，鋁合金空氣壓縮機(jī)用管的成本仍具優(yōu)勢。使用鋁合金管替代鋼管加工空氣壓縮機(jī)用管，可以直接使用相同的設(shè)備工裝，無新增投入。同時(shí)，鋁合金空氣壓縮機(jī)管還能降低零件重量，每米可以實(shí)現(xiàn)降重0.45 kg，有利于整車輕量化。

6 結(jié)論

綜上分析，6061鋁合金管在重量、成本、散熱能力方面優(yōu)于目前使用的鍍鋅鈍化鋼管。其自身防腐性能優(yōu)越，即使未作任何表面處理，在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件下通?？梢允褂脭?shù)年，表面的輕微劃傷對(duì)其耐腐蝕能力影響微弱，降低了生產(chǎn)運(yùn)輸難度。還可以避免鋼管鍍鋅、鈍化的廢液處理問題，與環(huán)境更為友好，在密封性能、折彎性能方面滿足作為空氣壓縮機(jī)管路的要求，還可以與空氣壓縮機(jī)鋼管使用同樣的加工設(shè)備，材料的替換成本低。由此可見，6061鋁合金管是一種良好的空氣壓縮機(jī)用鋼管的替用管材。

[1] 吉安卡洛·珍達(dá).汽車底盤設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2020.

[2] 謝偉鋼,范盈圻.汽車構(gòu)造與原理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2021.

[3] 潘復(fù)生,張丁非.鋁合金及應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2006.

[4] 全國有色金屬標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).一般工業(yè)用鋁及鋁合金擠壓型材:GB/T 6892－2006[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.2006.

[5] 王亮,劉京濤.鋁合金汽車板材彎曲性能測試方法[J].理化檢驗(yàn):物理分冊,2019,55(8):569-571.

[6] GHALI E.Corrosion Resistance of Aluminum and Magnesium Alloys:Understanding,Performance,and Testing[M].Canada:John Wiley and Sons,2011.

[7] FUENTE D D L,OTERO H E,MORCILLO M.Studies of Long-term Weathering of Aluminium in the Atmo- sphere[J].Corrosion Science,2007,49(7):3134-3148.

[8] 全國管路附件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).卡套式管接頭技術(shù)條件:GB/T 3765－2008[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社. 2008.

[9] 楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京:高等教育出版社. 2006.

Performance Analysis of a Heavy Vehicle Air Compressor Alternative Pipe Material

FENG Lei, WANG Yibo

( Shaanxi Heavy-duty Automobile Company Limited, Xi'an 710200, China )

Heavy duty truck air compressor ventilation pipe material, usually using precision cold-drawn galvanized seamless steel pipe reprocessing, reprocessing and transportation of the pipe surface coating is easy to be scratched, rust resistance decline, at the same time electroplating passivation process will produce a lot of waste liquid, affecting the environment. Aluminum alloy material itself has a good corrosion resistance, through the bending performance of aluminum alloy seamless pipe, corrosion resistance, sealing, heat resistance and economic and other aspects of the comparative analysis, aluminum alloy seamless pipe meets the requirements of air compressor ventilation pipe, is a good alternative pipe materialfor air compressor steel pipe.

Air compressor; Aluminum alloy pipe; Corrosion resistance; Sealing performance; Alternative pipe material

U465

A

1671-7988(2023)20-126-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.020.025

馮磊（1987－），男，助理工程師，研究方向?yàn)槠嚬に嚰夹g(shù)，E-mail:fenglei@sxqc.com。