魯姍姍 喬小兵 張彥彪 張鶴 梅匯鋒 趙振聲

（一汽解放汽車有限公司 商用車開發(fā)院，長(zhǎng)春 130000）

1 問(wèn)題概述

某商用車高壓軟管爆裂形貌如圖1 所示，高壓軟管在動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中連接在連接泵和轉(zhuǎn)向機(jī)之間，用于傳輸液壓油，在輸送液壓油過(guò)程中軟管需要承受一定的壓力，動(dòng)力轉(zhuǎn)向高壓軟管多數(shù)失效為管接頭部位滲漏，如發(fā)生管體爆裂，會(huì)造成轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)能喪失，車輛失控，造成嚴(yán)重的交通事故，威脅用戶的生命和財(cái)產(chǎn)安全。為確保用戶使用安全，高壓軟管必須滿足脈沖性能、爆破壓力、密封性等要求。

圖1 高壓軟管爆裂失效部位

2 失效特征

高壓軟管爆破部位位于管體，從爆裂軟管拆解的結(jié)果看，橡膠與增強(qiáng)層難以剝離，圖2 為軟管外膠層中部截面，可見(jiàn)圓點(diǎn)痕跡，說(shuō)明內(nèi)膠層與外膠層硫化結(jié)合較好，膠層穩(wěn)定性高，未見(jiàn)其他外膠層缺陷。鋼絲編織層和內(nèi)膠層的破損狀態(tài)分別見(jiàn)圖3、圖4 所示，軟管爆裂處內(nèi)膠層破損形態(tài)為線性。圖5 為破損處鋼絲形貌，鋼絲編織層無(wú)可見(jiàn)的編織缺陷，但鋼絲斷裂部位出現(xiàn)了銹蝕，鋼絲銹蝕降低了鋼絲層的強(qiáng)度。軟管承載層為鋼絲編織層，它是軟管耐壓的決定性因素，強(qiáng)度直接影響軟管的承壓能力，軟管實(shí)際失效為鋼絲層斷裂。

圖2 外膠層剝離狀態(tài)

圖3 編織層破損

圖4 內(nèi)膠層破損

圖5 破損處鋼絲形貌

3 理論分析

高壓軟管結(jié)構(gòu)一般分為三層，即內(nèi)膠層、鋼絲編織層、外膠層，如圖6 所示，鋼絲編織層為其主要承載層，根據(jù)實(shí)際承壓不同鋼絲編織層又可制作為單層和多層，本研究失效高壓軟管為單層鋼絲編織層，軟管受力狀態(tài)見(jiàn)圖7（理論上按均勻材料分析）。

圖6 管體截面

圖7 編織角度受力分解

軟管在編織時(shí)受力分解后為徑向應(yīng)力和軸向應(yīng)力分別見(jiàn)圖8、圖9 所示。徑向力為P1，軸向力為P2；徑向應(yīng)力為α1，軸向應(yīng)力為α2。

圖8 軟管徑向應(yīng)力

圖9 軟管軸向應(yīng)力

式中，p為管內(nèi)流體的壓強(qiáng)；D為膠管直徑；L為管體長(zhǎng)度；a為壁厚。

由上文可知，α1=2α2，即徑向應(yīng)力等于軸向應(yīng)力的2 倍。鋼絲編織時(shí)與軟管軸線方向的夾角稱為包覆角，根據(jù)使用要求，若軟管在承壓時(shí)，管體直徑和長(zhǎng)度都保持不變，且體積呈最大值，軟管的包覆角為平衡角，理論推導(dǎo)為55°44′，此時(shí)的承壓效果最佳。影響軟管平衡角的因素有制造誤差、安裝扭曲變形等。

鋼絲編織軟管爆破壓力理論計(jì)算如下。

式中，PB為爆破強(qiáng)度；K為計(jì)算系數(shù)；C1為編織角度修正系數(shù)；C2為編織松緊修正系；C3為棉線長(zhǎng)度伸長(zhǎng)修正系數(shù)；C4為編織不均勻度修正系數(shù)；KB為單根線的強(qiáng)度；N為錠子數(shù)；n為錠子上線的根數(shù)；i為編織層數(shù)；D為軟管計(jì)算直徑。

從理論上分析，與失效軟管爆破強(qiáng)度直接相關(guān)的參數(shù)K、KB、N、n、i、D均未發(fā)生重大變化，C1、C2、C3、C4是造成軟管承壓失效的關(guān)鍵因素，其中C2、C3影響對(duì)于鋼絲編織而言取值為1，可以忽略，僅C1、C4對(duì)軟管的爆破產(chǎn)生影響，即軟管在工作時(shí)的實(shí)際編織角度偏差和編織的不均勻度導(dǎo)致耐壓性能下降，軟管爆裂失效。

4 現(xiàn)場(chǎng)工藝分析

對(duì)高壓軟管的現(xiàn)場(chǎng)工藝進(jìn)行了分析，工藝流程如圖10 所示。針對(duì)管體爆裂失效現(xiàn)象重點(diǎn)對(duì)內(nèi)膠擠出、鋼絲編織、外膠擠出工藝過(guò)程進(jìn)行分析。

圖10 高壓軟管現(xiàn)場(chǎng)工藝流程

為保證內(nèi)、外膠層含水量滿足產(chǎn)品要求，完成內(nèi)膠層擠出、編織工序后需要間隔15 天左右，再編織外膠層，各工序未見(jiàn)明顯缺陷。鋼絲編織后出現(xiàn)的背股現(xiàn)象如圖11 所示，經(jīng)了解，生產(chǎn)商對(duì)背股數(shù)量和程度沒(méi)有詳細(xì)的控制計(jì)劃，也無(wú)標(biāo)準(zhǔn)要求，質(zhì)量管控僅憑現(xiàn)場(chǎng)人員的標(biāo)記，且無(wú)后續(xù)處理機(jī)制。

圖11 鋼絲編織背股現(xiàn)象

上述兩種工藝控制缺陷不能判定是否直接造成本次軟管失效，建議生產(chǎn)商建立健全對(duì)鋼絲背股缺陷、工藝過(guò)程含水量管控機(jī)制，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

5 安裝狀態(tài)分析

失效高壓軟管實(shí)車安裝狀態(tài)如圖12 所示。軟管在使用過(guò)程中受扭曲、彎曲、振動(dòng)、脈沖壓力，這直接導(dǎo)致了軟管軸向方向角度發(fā)生變化，降低了承壓層的強(qiáng)度，對(duì)軟管的使用壽命造成了嚴(yán)重影響[1]。

圖12 高壓軟管實(shí)車安裝狀態(tài)

當(dāng)軟管發(fā)生過(guò)度彎曲時(shí)，鋼絲編織角隨軟管彎曲發(fā)生改變，即編織角度α≠55°44′。sin54°44′/sinα≠1，編織角度修正系數(shù)C12＞1；同時(shí)彎曲狀態(tài)造成管體編織層的不均勻性，即編織不均勻度C4＜1，由上文軟管爆破壓力理論計(jì)算公式判斷，此狀態(tài)下爆破壓力降低。

此外，高壓軟管失效情況多發(fā)生在車輛行駛里程1 萬(wàn)公里以內(nèi)居多，占比高達(dá)90%，所屬車型為工況較為惡劣的工程車。此安裝工況軟管受路面砂石等影響較大，車輛行駛過(guò)程中，砂石及臨近部件對(duì)軟管的沖擊，進(jìn)一步降低了扭曲狀態(tài)下軟管的承壓能力，加速軟管失效[2]。

6 性能檢驗(yàn)

6.1 膠料性能

高壓軟管內(nèi)膠層的膠料性能檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從技術(shù)要求和檢驗(yàn)結(jié)果分析，高壓軟管所用膠料的拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率、邵爾A 硬度、壓縮永久變形滿足軟管的使用要求[3]。

表1 膠料性能檢驗(yàn)結(jié)果

6.2 鋼絲性能

鋼絲性能如表2 所示，其檢驗(yàn)結(jié)果滿足生產(chǎn)商的進(jìn)廠質(zhì)量要求。無(wú)法判定失效鋼絲層的質(zhì)量問(wèn)題，生產(chǎn)商應(yīng)進(jìn)一步加嚴(yán)進(jìn)廠鋼絲質(zhì)量管控，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

表2 鋼絲性能檢驗(yàn)結(jié)果

6.3 制品性能

制品性能的檢驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。失效軟管實(shí)際工作壓力為18 MPa，管路設(shè)計(jì)爆破壓力為64 MPa，安全系數(shù)為4 左右，故障件爆破壓力雖未達(dá)到64 MPa，但從理論上分析實(shí)際工作最大壓力18 MPa 時(shí)不會(huì)出現(xiàn)爆破失效。

6.4 模擬驗(yàn)證

6.4.1 管體熱老化模擬驗(yàn)證

對(duì)管體進(jìn)行熱老化模擬驗(yàn)證，在125 ℃下老化72 h，管體未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，排除由熱老化導(dǎo)致的管體爆裂。

6.4.2 管體爆破模擬驗(yàn)證

對(duì)管體進(jìn)行缺陷模擬，在內(nèi)膠壓傷、扎眼、鋼絲繩背股（跳絲）情況下進(jìn)行爆破試驗(yàn)，如圖13～圖15 所示。失效軟管管體壓力爆破均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的64 MPa，排除由于設(shè)計(jì)原因?qū)е鹿荏w的瞬間爆裂。

圖13 內(nèi)膠層壓傷后模擬爆破

圖14 內(nèi)膠層扎眼模擬爆破

圖15 鋼絲編織層背股（跳絲）模擬爆破

6.4.3 PVT 壽命模擬驗(yàn)證

為驗(yàn)證軟管在長(zhǎng)時(shí)間疲勞狀態(tài)下，不同的安裝狀態(tài)對(duì)軟管爆破壓力的影響，進(jìn)行了Z 型、L 型兩種安裝狀態(tài)的PVT 壽命模擬試驗(yàn)，同種安裝形態(tài)下的扭轉(zhuǎn)角度又細(xì)分為10°、20°、30°，模擬安裝狀態(tài)如圖16 所示。

圖16 模擬安裝狀態(tài)

軟管漏油與爆裂現(xiàn)象如圖17 所示。Z 型安裝狀態(tài)的軟管進(jìn)行13 萬(wàn)次疲勞循環(huán)后，30°扭轉(zhuǎn)角的軟管在扣壓部位出現(xiàn)爆裂和漏油；加大扭轉(zhuǎn)角度至60°，L 型安裝狀態(tài)的軟管進(jìn)行4 萬(wàn)次疲勞循環(huán)后，軟管扣壓部位出現(xiàn)爆裂。

圖17 軟管漏油與爆裂現(xiàn)象

試驗(yàn)結(jié)果證明，高壓軟管在扭曲狀態(tài)下，使用壽命急速降低，扭轉(zhuǎn)角為30°時(shí)，性能下降56%，扭轉(zhuǎn)角60°時(shí)，性能下降86%。模擬驗(yàn)證中軟管失效形式雖與管體失效不同，是由于試驗(yàn)環(huán)境與實(shí)車工況還存在差異，但能夠驗(yàn)證實(shí)車的安裝方式會(huì)急劇縮短高壓軟管的使用壽命，最終造成軟管失效。

7 結(jié)論

a.高壓軟管的膠料性能和鋼絲性能滿足標(biāo)準(zhǔn)使用要求，且爆破壓力達(dá)到64 MPa，因此，理論上該產(chǎn)品能夠滿足實(shí)際使用要求，承受18 MPa 工作壓力。

b.高壓軟管的生產(chǎn)工藝過(guò)程雖在鋼絲背股缺陷、工藝過(guò)程含水量管控方面不夠完善，但對(duì)此類失效不足以造成嚴(yán)重影響。

c.根據(jù)實(shí)際安裝狀態(tài)分析，高壓軟管在工作時(shí)，使用過(guò)程中受扭曲、彎曲、振動(dòng)、脈沖壓力，后經(jīng)模擬驗(yàn)證，隨著管體的扭轉(zhuǎn)角度加大，軟管性能急劇下降，在實(shí)車狀態(tài)下，受工況環(huán)境與安裝狀態(tài)的綜合影響，軟管承壓性能降低，最終軟管管體爆裂失效。

改進(jìn)建議如下。

a.制造工藝流程方面，建議生產(chǎn)商提高入廠鋼絲的彎曲次數(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，建立健全對(duì)鋼絲背股缺陷、工藝過(guò)程含水量管控機(jī)制，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

b.軟管安裝狀態(tài)方面，建議裝車時(shí)增加高壓軟管總成的安裝扭曲要求，使軟管保持最佳承壓效果，同時(shí)盡量減少軟管與相鄰部位零部件的接觸，避免相鄰部件在車輛運(yùn)行時(shí)對(duì)軟管造成擠壓、撞擊等應(yīng)力作用。

c.由于原材料嚴(yán)重偏析導(dǎo)致鍛坯熱處理工藝時(shí)間大幅延長(zhǎng)，降低了生產(chǎn)效率，增加了生產(chǎn)成本，根本的解決措施是改善材料成分的一致性、均勻性。