（机械电子工程专业论文）高压胶管总成联接的扣压力理论研究.pdf

1一 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：圭! ! ! 至i 考 日期： 年一月一日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：量斗! 垒者导师签名接盍望日期：年一月一日 摘要 高压胶管总成是组成液压系统的基础元件之一，它的性能优劣对 整个液压系统甚至整机设备的性能有着重大的影响。工业的快速发展 也不断要求高压胶管总成具有更高的品质来满足生产需要。目前高压 胶管总成的整体性能较为偏低，胶管接头处失效是最常见的失效形 式，对该种失效形式进行控制的措施及研究依然匮乏。为解决高压胶 管总成接头处联接质量差的问题，本文以研究扣压力为核心展开了如 下研究： 1 在总结分析高压胶管总成常见失效模式的基础上，从高压胶 管和扣压接头两部分对高压胶管总成进行失效机理分析，通过分析确 定引起高压胶管总成失效的主控因素。本文旨在解决胶管接头处的失 效问题，因此重点进行了扣压量对胶管接头失效的影响研究，明确了 解决扣压力问题是解决该问题的本质所在。 2 本文采用量纲分析与分层模拟技术相结合的方法对高压胶管 总成进行研究分析，利用量纲分析解决高压胶管总成结构复杂性的优 点，对高压胶管总成的套筒、高压胶管及芯轴进行量纲分析，在此基 础上推导出扣压力计算公式，填补依靠纯理论对扣压力进行研究的空 白。 3 应用力学理论对高压胶管总成复合增强层的弹性特性进行研 究，确定了相关工程常数，并完成复合增强层刚度矩阵的推导。在此 基础上利用m a r c 软件建立高压胶管总成有限元模型，通过对仿真结 果分析实现对扣压力计算公式正确性的验证。 4 本文进行了现场扣压力计算公式验证实验及扣压量试验，通过 实验验证理论分析和仿真分析的正确性，也获得许多对工程研究有实 用价值的数据。 本文最突出的创新点在于采用量纲分析与分层模拟技术结合的 手段对高压胶管扣压力进行研究分析，并首次推导出了具有实用价值 的扣压力计算公式。 关键词：高压胶管总成；扣压量；扣压力；量纲分析；m a r c 仿真 生直太堂亟堂僮途塞垦墨墅坠至 a b s t r a c t h l 曲。p r e s s u r e h o s e a s s e m b l y i so n eo ft h eb a s i ce l e m e n t so f h y d r a u l i cs y s t e m ，i t sp e r f o r m a n c eh a sh a das i g n i f i c a n ti m p a c to ft h e h y d r a u l i cs y s t e me v e nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l em a c h i n ee q u i p m e n t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r y , h i g h - p r e s s u r eh o s ea s s e m b l i e sm u s t h a v eh i g h e rq u a l i t yt om e e tt h en e e d so fp r o d u c t i o n a tp r e s e n t ，t h e p e r f o r m a n c eo fh i g h - p r e s s u r eh o s ea s s e m b l i e sa r el o w ，f a i l u r eo fh o s e s j o i n t si st h em o s tc o m m o nf a i l u r ef o r m ，b u tt h ec o n t r o lm e a s u r e st os o l v e t h e s ep r o b l e ma r es t i l ld e f i c i e n t t os o l v et h ep o o rq u a l i t yo f c o n n e c t i n g h i g h - p r e s s u r eh o s ea s s e m b l yj o i n t s ，t h i sp a p e rd os t u d y sa sf o l l o w sw i t h t h el a u n c h e db u c k l ep r e s s u r ea st h ef o c u s 1 b a s e do nt h es u m m a r ya n a l y s i sw i t hc o m m o nf a i l u r eo fh i g h - p r e s s u r eh o s ea s s e m b l y , f a i l u r em e c h a n i s ma n a l y s i sh a sb e e nd o n ef r o m t h et w op a r t so fh i g hp r e s s u r eh o s ea n db u r k ej o i n t s t od e t e r m i n et h e m a i nc o n t r o l l i n gf a c t o r s 1 1 1 em a i np o r p o s et h i sp a p e ri st os o l v et h e f a i l u r eo ft h eh o s ep o i n t s ，t h e r e f o r e ，w ee s p e c i a l l yd or e s e a r c ht ot h e i m p a c to f h o s ej o i n tf a i l u r e ，a n df m dt h ew a y t os o l v et h i sp r o b l e m a n d t h ep a p e rm a k e sc l e a rt h a ts o l v i n gt h ep r o b l e mo fc r i m p i n gf o r c ei st h e e s s e n c e 2 1 1 1 i s p a p e ra d o p t s d i m e n s i o n a l a n a l y s i s a n ds t r a t i f i c a t i o n s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yt oa n a l y s i st h eh i g h - p r e s s u r eh o s ea s s e m b l y ，t h e d i m e n s i o na n a l y s i sa r eu s e dt os o l v ep r e s s u r er u b b e rh o s e sa s s e m b l yw i t h c o m p l e x i t ys t r u c t u r e ，i n c l u d i n gt h eh i g h - p r e s s u r eh o s ea s s e m b l ys o c k e t ， h i g h p r e s s u r eh o s ea n dc o r es h a m ，m e a n w h i l e ，t h ec a l c u l a t i o nf o r m u l ai s d e d u c e d ，f i l lt h eb l a n ko fp u r et h e o r yo fr e s e a r c ho nb u c k l ep r e s s u r e 3 b a s e do nm e c h a n i c st h e o r yo fh i g h - p r e s s u r eh o s e a s s e m b l y , e l a s t i cp r o p e r t i e so fc o m p o s i t ee n h a n c el a y e rw a sa n a l y s i s e d ，r e l e v a n t e n g i n e e r i n gc o n s t a n t sw e r ed e t e r m i n e d ，a n dr e i n f o r c e dl a y e rs t i f f n e s s m a t r i xw a sd e r i v e d b a s e do nt h e s e r e s e a r c h ，h i g h - p r e s s u r eh o s e a s s e m b l i e sw e r ee s t a b l i s h e di nt h es o f t w a r em a r c ，t ov e r i f i c a t i o nt h e b u c k l ep r e s s u r ec a l c u l a t i o nf o r m u l a 4 1 1 1 er e a lb u c k l ep r e s s u r ec a l c u l a t i o nf o r m u l aa n de x p e r i m e n t a l r e s u l t sw e r ed o n et ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h es i m u l a t i o na n a l y s i s i i i i i 中南大学硕士学位论文目录 目录 摘! i 要i a b s t r a c t i i 目录。 第一章绪论1 1 1 高压胶管国内外发展现状及趋势1 1 1 1 国内发展现状及趋势概述l 1 1 2 国外发展现状及趋势概述2 1 2 高压胶管总成概述3 1 2 1 高压胶管简述3 1 2 2 高压胶管总成结构特点简述4 1 3 高压胶管总成冷挤压联接概述5 1 3 1 冷挤压联接技术简述5 1 3 2 高压胶管总成研究方法6 1 3 2 高压胶管总成的研究现状7 1 4 课题来源、研究意义及研究内容8 1 4 1 课题来源8 1 4 2 课题的研究意义9 1 4 3 课题的研究内容及研究方法9 第二章高压胶管总成失效机理及扣压力对其影响研究1 l 2 1 高压胶管总成失效模式及影响研究分析1 1 2 2 高压胶管失效机理研究分析1 3 2 2 1 钢丝缠绕高压胶管失效机理分析1 3 2 2 2 钢丝编织高压胶管失效机理分析一1 4 2 3 高压胶管总成接头处失效机理研究分析1 5 2 3 1 胶管接头结构对高压胶管总成失效影响分析，1 5 2 3 - 2 扣压量对高压胶管总成失效影响分析1 6 2 4 扣压力对高压胶管总成失效机理的影响分析1 8 2 5 本章小结1 9 第三章基于量纲分析的高压胶管扣压力的分层模拟研究2 0 3 1 量纲分析法概述2 0 3 1 1 量纲分析发展过程2 0 3 1 2 量纲分析实质及优点。2 0 中南大学硕士学位论文 3 1 3b u c k i n g h a m 的尢定理简介。 3 2 分层模拟在量纲分析中的应用 3 2 1 分层模拟简述 3 2 2 分层模拟方法介绍。 3 3 高压胶管总成的分层模拟研究 3 3 1 高压胶管总成量纲分析 3 3 2 套筒的量纲分析。 3 3 3 高压胶管的量纲分析 3 3 4 芯轴的量纲分析 3 3 5 合并子系统 3 4 高压胶管扣压力计算公式的确定 3 5 本章小结 第四章高压胶管复合层弹性特性分析及扣压力的仿真论证 4 1 高压胶管总成模型简化 4 2 高压胶管单层复合层弹性特性研究 4 2 1 高压胶管总成力学假设 4 2 2 高压胶管单层复合层刚度矩阵确定 4 3 高压胶管多层复合层刚度矩阵确定 4 4 高压胶管扣压力的m r a c 仿真论证 4 4 1m a r e 软件简介一 4 4 2 高压胶管总成实体模型和有限元模型建立 4 4 3 有限元仿真结果分析 4 4 4 特殊节点仿真研究分析 4 5 本章小结 第五章实验研究 5 1 实验原理和实验系统组成 5 1 1 实验原理设计 5 1 2 实验系统组成。5 2 5 2 扣压力计算公式验证实验5 4 5 3 扣压量实验5 7 5 4 本章小结5 9 第六章总结与展望。6 0 6 1 总结6 0 6 2 展望6 1 v 史宣丕堂亟堂鱼迨塞 一 目录 一- 一- = ：! ： 参考文献6 2 致谢6 5 攻读学位期间主要研究成果6 6 v i 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 高压胶管总成在工程领域内有着广泛的应用，它的稳定性对工程的安全和质 量有着极为重要的作用。工程机械在现代化建设中有着举足轻重的作用，因此提 高高压胶管的综合性能对保证工程机械的可靠性有着重要的意义。 1 1 高压胶管国内外发展现状及趋势 高压胶管主要应用于工程建筑、石油工业、矿山机械、船舶、各类农业机械、 起重运输、汽车等【，高压胶管质量的好坏直接影响到各类机械在生产使用中的 可靠性，因此，了解掌握国内外胶管的发展现状和趋势，对提高高压胶管的质量， 保证现代化建设的顺利进行具有重要的现实意义。 1 1 1 国内发展现状及趋势概述 我国已有4 0 多年的胶管工业发展历史，胶管工业也是我国橡胶工业的主要 产业之m 2 1 。据不完全统计，我国国内目前胶管行业有8 0 0 多家，具有一定规模 的企业有1 3 0 多家，年生产量在1 0 0 万标米的大概有5 0 几家1 3 】。在“八五 规 划期间，胶管向着大口径、大长度和高压力发展，要求胶管具有耐高温、耐低温、 耐屈挠疲劳等特点，这些特点主要体现在胶管向缠绕或钢丝编织方面发展。随后 高压树脂软管、新型燃油胶管、汽车用胶管及各种异型胶管不断研制问世，促进 了我国胶管工业在各方面的进步。在随后“九五 规划期间，汽车、石油开采、 煤矿开采和冶金等国家重点支柱产业有着稳步的发展，市场对高压编织胶管及缠 绕胶管的需求量日益增大，其总需求量基本在1 2 亿到1 4 亿标米之间【4 】。在这 种形势之下，全国大小胶管厂应运而生，各企业间争夺原料、市场，促使胶管价 格下降，造成了胶管资源浪费，产品质量下降，一度影响了我国胶管产业的发展。 我国国内小型企业的产品质量不如大中型企业的，外资企业的优于其他企业 的。为了保证及提高胶管质量，国家标准采用了国外先进标准及国际标准，促使 国内很多胶管企业要不断改变胶管生产工艺，以满足国内不断变化的胶管需要的 新要求，以巩固企业在国内胶管企业的地位。在2 0 0 0 年时，国内胶管总生产能力 每年约为1 8 亿标米，目前国内胶管年总生产能力为5 7 亿标米左右【5 】，总体来看， 我国胶管行业的潜力依然很大。国内胶管生产中主要以汽车胶管、钢丝编织胶管、 夹布胶管为主，受中国国内汽车行业发展的影响，汽车用胶管发展是最快的。 目前国内胶管生产总体呈现出增长的趋势，但是，目前国内胶管市场中具有 自主知识产权、技术含量高的胶管仍亟待开发研制，下表1 1 中列举出了部分国 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 内近年开发研制的新产品。在汽车用胶管方面，国内主要通过吸收国外产品技术 研制，一些高档轿车用胶管仍不能生产，这就需要通过自主创新来提高国内胶管 的技术与性能水平，来填补国内高档轿车用胶管的空白；在高压胶管方面，国内 胶管脉冲次数低，寿命较短，与国外先进水平有着一定的差距。在国家绿色环保 口号下，胶管工业要不断研究开发新型代用材料，改进加工工艺与技术，较少胶 管生产中的材料消耗，降低生产成本，达到节约资源的目的。开发无噪声汽车刹 车胶管、节能胶管、薄壁胶管及轻体胶管。在生产制造中采用绿色环保原材料， 推广无铅胶管工艺，实现胶管产业的绿色环保生产发展。 表1 - 1 近年国内研究及开发胶管新产品【6 j 1 1 2 国外发展现状及趋势概述 国外胶管工业的发展有着比国内更长久的发展历史，汽车工业、石油开采、 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 采矿业、建筑、机床及海上石油钻探等的快速发展是国外胶管工业发展的助推剂。 从最近几年发展情况来看，随着高科技在胶管生产中不断应用及提高，国外软管 企业为达到世界市场的需求，在竞争中巩固及保持其市场地位和市场分额，国外 胶管制造商做出了一部分战略调整。这些战略调整主要体现在两个方面：其一是 企业内部结构调整，其二是生产向低劳动成本地区转移，主要目的在于提高利润 和保持在该领域中的的主导地位r 7 1 。 目前，美国、欧洲、日本等国家胶管的耗胶量占世界橡胶工业总耗胶量的 2 咧。美国是世界上胶管需求量最大的国家，据统计，1 9 8 9 年生胶消耗总量就达 到了2 9 1 7 万吨左右，占到全世界生胶消耗总量的1 9 2 左右，随着美国汽车工业 的不断发展，美国对胶管需求总量有增无减，生胶的消耗量也不断增加。西欧也 是橡胶工业的发达地区，也主要是受该地区汽车工业的发展影响，在九十年代德 国胶管年销售总额就有5 5 亿马克左右，其中汽车用胶管就占到了6 2 左右。另外， 日本的胶管行业在世界胶管行业中也有重要的地位，在1 9 9 2 年日本汽车用胶管销 售额9 8 5 亿日元，从需求量方面看，从1 9 9 2 年蛰 1 9 9 3 年一年间汽车用胶管需用量 增加了1 ，钢丝编织或缠绕胶管增加了2 。在工程机械需求量日益增加下，促 使市场对钢丝编织或缠绕胶管的需求量更大，在1 9 9 3 年日本生胶消耗总量为3 0 6 万吨是1 9 9 2 年的3 0 2 万吨的1 0 1 3 | 9 。1 3 】。从以上数据可清楚看出，整个世界胶管 的需求和生产总量都呈现出了快速发展的势头，这也就亟需胶管行业对胶管生产 工艺及技术进行改进提高，不断开发研制新产品，以满足市场的需求。 随着高科技在胶管生产中的不断采用，国外也在不断开发研究新产品，尤其 是汽车工业的发展，使得汽车用胶管在整个胶管行业中占据最重要的地位。故此， 汽车用胶管的新动向是胶管行业的指向标，目前汽车用胶管的研究开发的最具代 表性的新产品有低透性汽车空调管、低膨胀汽车制动胶管、新型燃油管、三角形 断面钢丝增强型吸引胶管、氢化氯丁耐寒胶管等。 1 2 高压胶管总成概述 1 2 1 高压胶管简述 下图1 1 所示为高压钢丝编织( 缠绕) 胶管总成结构，高压钢丝编织( 缠 绕) 胶管一般都是由内胶层、复合增强层及外胶层三部分构成，内胶层主 要作用是用来通油及承受一定的压力，复合增强层是高压胶管的主要骨架， 承受胶管内外压力的主要结构，根据使用条件的不同，复合增强层在高压 胶管总的层数也不尽相同，通常情况下复合增强层选取高聚乙烯等为基体， 通过高性能的粘接树脂将高聚乙烯与钢丝紧密连接在一起。外胶层主要对 3 中南大学硕士学位论文 第一章 胶管进行保护，以免复合增强层受到外界的腐蚀等破坏因素影响，而 高压胶管使用寿命降低。 高压钢丝编织胶管高压钢丝缠绕胶管 图1 1高压胶管结构形式图 用于液压系统的高压油管种类繁多，但从总体来看可分为来高压胶管和软导 管两大类。在社会生产中应用最广泛的是高压胶管。高压胶管按照制作工艺可分 为高压钢丝编织胶管与高压钢丝缠绕胶管两大类，根据钢丝编织或缠绕增强层层 数不同，高压钢丝编织或缠绕胶管能够满足不同的压力要求，应用于不同的条件 及领域中。但从总体上看，高压钢丝编织或缠绕胶管主要用于石油开发、矿井液 压支架，其均适用于工程建筑、冶金锻压、起重运输、矿山机械、船舶、机床、 注塑及农业机械、另外在各工业部门机械化、自动化液压系统中应用亦十分广泛。 1 2 2 高压胶管总成结构特点简述 高压胶管总成是各类工程机械的主要配套元件，高压胶管总成主要由芯轴、 胶管及外套组成( 图1 - 2 所示) ，高压胶管总成的联接方式主要有扣压式联接和 装配式联接两种。装配式联接由于其工艺稳定性差，一般不采用。扣压式联接是 目前高压胶管总成生产中应用最广泛的一种联接方式，装好胶管和接头后，通过 采用专门的设备对外套进行扣压，通过外套的变形使胶管和接头联接在一起，这 种联接方式的主要特点是效率高，废品率低，接头体积小，劳动强度小，适合大 批量生产。下图l 。3 所示分别为装配式和扣压式联接。 三点蓁砉鲁翡； 一 i 一 _ 。 l 胶管；2 套筒：3 芯子；4 螺母 图l - 2 高压胶管总成结构形式 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 装配式联接扣压式联接 l 芯管2 外套 图l - 3高压胶管总成的两种联接方式 本文主要对扣压式高压胶管总成进行研究，高压胶管总成是通过扣压机压缩 外套产生塑性变形，进而实现胶管与接头的扣压式联接，这是一种不可拆卸的固 定接头连接，这种结构在橡胶层与芯子中间产生很大的夹紧力，其总成的联接强 度主要是由外套变形使胶管产生一定的压缩量来保证的，密封性是内胶层借助于 外套和芯子使内胶层产生一定变形来实现的。因此扣压式高压胶管总成具有良好 的抗拔脱能力及密封性能。 1 3 高压胶管总成冷挤压联接概述 1 3 1 冷挤压联接技术简述 冷挤压联接技术作为一种新型的联接方法，由于其具有连接效率高、对环境 无污染、节约材料及劳动强度低等特点，而广泛应用于现代生产中。将金属在低 于其再结晶的温度下或其他材料在低于熔点下，同种或多种材料利用媒介等在外 力作用下将被连接材料连接在一起，并使其具有一定的密封性的联接技术称之为 “冷挤压连接技术 【1 4 1 。冷挤压联接技术应用十分广泛，如胶管总成的连接、 金属管道的环连接和建筑领域的螺纹钢连接等都属于冷挤压联接范围，下图1 4 所示即为胶管总成应用冷挤压联接技术联接的应用实例。 叠。盛啪 图l - 4 胶管总成冷挤压连接( 扣压连接) 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 冷挤压联接从形式上可分为高压胶管接头的扣压联接和薄壁金属管道的扣 压联接。薄壁铜管和不锈钢管的扣压联接方式是由美国v i c t a u l i e 公司 1 5 , 1 6 在二 十世纪的八九十年代首先提出的，这种连接方式不需要做任何联接前的机加工， 只需要选择合适的接头及扣压设备进行联接即可完成。但这种连接方法主要用于 较小压力情况下的不锈钢管等的薄壁金属管道联接。本文主要研究高压胶管接头 的扣压联接，对于薄壁金属管道扣压联接不再赘述。高压胶管转接头的扣压联接 主要是一种基于扣压机联接的冷挤压联接，这种联接方式效率高，且联接件质量 较高，耐压性较好，因此广泛应用于现代化生产设备中。 扣压机是实现高压胶管总成冷挤压联接的主要设备，最初是由几家胶管生产 厂家推出的，如英国的g a t e s 公司、美国的n r p 公司等【1 7 】，但是就目前国内 国外的发展情况来看，目前专用扣压机设备生产厂家以芬兰的f i n n p o w e r 公 司和德国的u n i f l e x 最为突出【博】，技术也较其他生产厂家更为先进。随着国内 工业的快速向前发展，对扣压机的需求也越来越多样化，按其加工能力要求，扣 压机发展有两大趋势：其一是扣压机向大吨位发展的趋势：其二是由通用扣压机 向专用扣压机方向发展。下图卜5 为德国的h m 6 6 0 i 型大吨位扣压机，图1 - 6 为 长沙金帆机电设备制造有限公司所开发研制j k k 6 0 型专用侧开口扣压机。 图1 5h m 6 6 0 i 卧式扣压机图图1 石j k k 6 0 型侧开口式扣压机 1 3 2 高压胶管总成研究方法 高压胶管总成是基于扣压机联接的冷挤压联接，但由于高压胶管总成结构上 较为复杂，高压胶管总成主要由高压胶管和接头两部分组成，高压胶管由外胶层、 钢丝复合增强层及内胶层组成，外胶层与内胶层属于不同的材料，钢丝复合层为 复合材料，材料性能特征更为复杂。接头有套筒及芯轴两部分组成，套筒一般采 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 用2 0 号钢为材料进行加工生产，芯轴一般为4 5 号钢材料加工而成。因此说，高 压胶管总成的冷挤压联接过程是一种多种材料在扣压力作用下产生塑性或弹性 变形的过程。这也就增加了对高压胶管总成进行研究的难度。 高压胶管钢丝复合增强层的材料特性是较为复杂的复合材料，首先，复合材 料包含了常规材料中存在的力学问题，但由于复合材料自身的不均匀性、各向异 性、材料形状、含量及单层厚度，铺层顺序等因素的存在，在对复合材料进行研 究时，采用常规材料的力学研究理论及方法等都需要重新研究，以确定是否适用 于复合材料。其次，复合材料中也存在许多常规材料不存在的力学问题，如层间 应力，应变耦合，温热效应及纤维脱胶等问题，也使得研究复合材料不能单纯依 靠常规力学理论进行。高压胶管总成是一种集复合材料及多种其他材料为一体的 冷挤压联接，常采用弹塑性力学、复合材料力学、连续介质力学等多种力学相结 合的手段对其进行研究，在对高压胶管总成进行宏观力学性能与细观结构关系的 研究时，通常需要引入复合材料代表单元【1 9 1 1 2 0 及采取相应的材料屈服极限【2 1 1 进 行分析。通常采用力学理论对高压胶管总成结构进行分析建模容易出现两个极端 情况，其一研究所得到的结论较为复杂，实用性不强；其二，对高压胶管总成结 构进行过度简化处理，造成结果误差偏大。以上分析说明了若是对高压胶管总成 的研究仅仅建立在力学基础上，难度大且结果不很理想。 基于以上分析，本文在杨务滋导师及周立强老师的指导下，将对高压胶管总 成结构采用量纲分析与分层模拟技术相结合的方法进行研究，利用量纲分析解决 复杂问题的独特优点，以得到具有了一定理论价值与工程实用价值的研究结果。 1 3 2 高压胶管总成的研究现状 本课题主要针对扣压联接所需扣压力及其联接质量来进行高压胶管总成研 究的，目前扣压设备主要向着专用、大吨位方向发展，扣压机冷挤压联接主要是 通过扣压机模具收缩，使接头套筒产生变形，进而压缩胶管产生变形，在外压力 的作用下套筒及芯轴的牙纹分别于胶管的钢丝增强层及内胶层，完成联接。胶管 总成的联接强度主要是由套筒与增强层结合部分决定，其密封性主要是由芯轴与 内胶层卡紧所堆积在芯轴牙纹中的胶体来保证。 目前国内对胶管总成扣压联接的研究日趋增多，美国的a k a s a k a = 1 及 l o u g h 2 3 】分析了影响胶管总成密封性的因素，外套的内牙纹深度及牙纹间距等都 对胶管总成的密封性有直接的影响。在扣压力的作用下，胶管的增强层与内胶层 分别被压进套筒和芯轴的牙纹间隙，使胶管总成具有抗拔脱强度和密封性，但芯 轴和套筒的牙纹深度及间距大小要选择在合理的范围内，不然会影响胶管总成的 联接强度和密封性能；马艳丽等1 2 4 1 人对芯轴与套筒的匹配程度对胶管密封性的 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 影响，指出芯轴与套筒尺寸若是匹配不合理，很容易造成内胶层被压裂，钢丝增 强层被压断的严重后果，因此就要求在进行胶管总成生产过程中，要严格按照要 求进行芯轴与套筒的配套选择，以免造成对胶管总成质量的严重影响；陈平安 2 5 j 提出了扣压量选择是否合理，对胶管的强度及密封性也具有直接的影响，扣压量 的选择要依据所要扣压的胶管结构特点、胶管壁厚、内胶层的力学性能等多种因 素进行综合考虑选择，单层钢丝编织胶管扣压量一般选择为3 5 - 4 0 之间，两 层钢丝编织胶管扣压量选择为4 0 - - 4 5 之间，而对于钢丝缠绕胶管，其扣压量 一般可选择为5 5 - - 6 0 之间；凌学俭、韩锦芝【2 6 】都提出了胶管总成生产扣压工 艺等对胶管总成性能的影响，通过采用实验的方法对胶管总成的各元素分析，得 出扣压工序对胶管总成质量的影响程度最大。 通过查阅大量国内外文献，至今为止对高压胶管总成的研究多数是从实验或 经验的角度对其进行研究，缺乏系统深入的理论研究，可以说在胶管总成的理论 研究还处于初级阶段，更深一步的理论研究亟待进行。本文是在杨务滋导师的指 导下完成的，杨务滋导师研究高压胶管总成及扣压机设备二十多年来，形成了一 套具有自己特色的高压胶管总成研究方法，曾指导杨超口7 】利用材料力学、塑性 力学等与a n s y s 建模分析结合的手段，对胶管总成进行了力学分析，并最终建 立了相关的力学模型，提出了扣压胶管总成的质量控制策略并设计出扣压机控制 系统，这是先于他人的对高压胶管总成进行了深入的理论研究，并获得了一定的 成果。 目前对扣压力的研究基本依靠经验或实验进行，十分缺乏理论指导，因此在 高压胶管总成生产过程中极易造成扣压力过大，出现扣压力过剩及扣压设备庞大 的缺点。为解决这些问题，本文将在分析扣压力对胶管总成失效机理影响基础上， 采用量纲分析法推导扣压力计算公式，这基本也是首次摆脱依靠经验或实验，独 立采用量纲分析法定量的解决扣压力计算难题，为扣压机行业的发展及提高胶管 总成质量奠定理论基础。 1 4 课题来源、研究意义及研究内容 1 4 1 课题来源 本课题来源于长沙金帆机电设备制造有限公司改进扣压杌设计、提高扣压机 冷挤压联接技术水平项目。在长沙金帆机电设备制造有限公司对扣压机长期的开 发制造中发现，高压胶管总成冷挤压联接中存在许多相关的实际问题需要解决， 其中最主要的两个问题是：扣压前准备时间较长和胶管总成扣压质量难以保证。 在用户第一次使用扣压机扣压胶管时，需要进行反复的调试，才能达到满意的扣 8 中南大学硕士学位论文第一章绪论 压效果，严重影响到了生产效率。高压胶管总成扣压处失效发生率很高，严重影 响到胶管总成使用可靠性，对生产带来严重后果。 1 4 2 课题的研究意义 高压胶管总成是一种基于扣压机联接的冷挤压联接件，冷挤压工艺一般具有 “耗材少，效率高”的优点。研究高压胶管总成联接理论的意义体现在： 首先，改进高压胶管总成生产工艺，提高胶管总成质量。随着高压胶管总成 的应用范围越来越广，对其各方面性能要求不断提高，目前胶管总成质量难以满 足现代生产需要。另外提高高压胶管总成质量，可以提高机器设备在使用过程中 的可靠性，降低事故发生率，促进工业机械的发展。 其次，促进扣压机设备发展。扣压机是制造胶管总成的主要设备，国内目前 在设计、制造扣压机时，扣压力的确定都是凭经验、试验、类比等方法进行的， 很容易造成设备能力过剩、体积过大等缺陷，造成资源浪费，且效率低下。 最后，填补对高压胶管总成定量研究及理论研究的空白。目前国内外对基于 扣压机联接的胶管总成联接研究基本为实验分析及经验推导，理论及定量研究十 分匮乏，这在很大程度上阻碍了扣压机向前发展的速度，也对高品质胶管的生产 有重大影响。因此，本文的研究内容具有十分重大的现实意义。 1 4 3 课题的研究内容及研究方法 由1 3 2 节分析知道，目前国内对胶管总成的研究基本是出于定性分析研究 阶段，缺乏深入、定量的理论研究。本文从分析扣压力对高压胶管总成失效影响 的基础上，重点进行扣压力计算公式的推导，以解决扣压力计算困难的难题。为 实现这一最终目的，本文采用的研究方法如下所述： 一、高压胶管总成失效机理及扣压量研究分析 在对高压胶管总成生产使用过程中出现的失效模式进行总结的基础上，从两 个方面对高压胶管总成失效机理进行研究分析，其一，利用相关力学理论对高压 胶管进行失效机理研究；其二，利用量纲分析与实验结合的手段，对高压胶管总 成接头处的失效机理进行研究，重点分析了扣压量对接头失效的影响。扣压力与 扣压量有着直接的关系，本文通过解决扣压力对扣压量的影响问题，来实现提高 高压胶管总成质量的目的。 二、采用量纲分析法对高压胶管扣压力进行分层模拟研究 采用量纲分析法与分层模拟技术相结合的方法，从定量研究出发，对扣压力 计算公式进行纯理论研究推导，并在实验基础上确定所推导公式的相关参数。 三、高压胶管总成弹性特性研究 9 中南大学硕士学位论文 本节主要通过采用材料力学、弹 胶管总成进行材料弹性特性研究，在 成对复合增强层的刚度矩阵的推导， 四、m a r c 软件仿真研究 利用m a r c 软件对高压胶管总成结构进行有限元建模，通过对有限元模型求 解，通过对高压胶管总成在联接过程中各层的应力和变形情况的分析，寻找扣压 力对联接的影响，并验证论文所推导的扣压力计算公式的正确性。 五、实验分析 根据论文研究内容设计相关实验测试系统，根据实验目的进行现场实验来验 证论文理论分析的正确性。 中南大学硕士学位论文 第二章高压胶管总成失效机理及扣压力对其影响研究 第二章高压胶管总成失效机理及扣压力对其影响研究 高压胶管总成是液压系统中的基础元件，它的质量好坏，直接会影响液压系 统甚至整机的使用性能。因此对高压胶管总成在实际生产使用中的失效模式及失 效机理进行研究，找出产生故障或失效的原因及规律，分析引起高压胶管总成失 效的主要因素，并对其加以控制，对提高高压胶管总成的质量，保证其在生产使 用中的可靠性具有重要意义。 2 1 高压胶管总成失效模式及影响研究分析 高压胶管总成主要应用场是矿山机械、煤炭机械及工程机械等场合，其工作 使用环境比较恶略，造成其失效的因素也较为复杂，其中胶管总成质量的好坏是 高压胶管总成制造质量的基础。高压胶管总成中胶管胶料的性能是确保高压胶管 总成质量的前提条件。另外接头的形状、装配合理与否及扣压量是否合理也是决 定高压胶管总成质量的重要因素。分析其在试验和使用过程中故障产生的原因及 对安全和使用的影响，是提高国产胶管质量的有效途径。对高压胶管总成质量的 因素存在多元化，也就使得其在生产使用中失效形式的多样性。 在进行高压胶管总成的失效模式分析时切不可将胶管总成的失效与故障混 为一谈，失效模式是指产品丧失规定功能的表现形式，对不可修复产品出现第一 次故障时即为失效【2 8 】。根据对失效模式的定义，高压胶管总成常见的失效模式 有如下六种常见的形式幽l ： ( 1 ) 高压胶管总成接头处渗漏：该失效形式是高压胶管总成失效形式中最常见 的一种。导致这种失效形式出现的原因主要是内径公差不合理，扣压不均 匀；在扣压时使胶管与接头联接出胶管内胶层破损、长期使用疲劳磨损、 使用过程中压力不均匀造成的扣压处应力松弛等。 ( 2 ) 高压胶管总成胶管爆裂：该失效形式对生产及工人都会有较大的危害，极 有可能引起火灾等，这种失效形式主要由于胶管增强层强度不够，使用过 程中工作压力长期超出胶管的最高压力或是疲劳破坏，另外胶管内胶层生 产时有杂质等。 ( 3 ) 高压胶管总成接头拔脱：该失效形式危害性比较大，主要引起原因胶管与 接头扣压时的配合公差太大、安装胶管总成时不合理及扣压量不合理等。 ( 4 ) 接头套筒破裂：该失效形式不多见，出现的原因主要由接头金属外套所用 材料不合理，强度低于胶管的实际工作所需强度或是加工、焊接质量较差。 ( 5 ) 胶管或金属管鼓包：胶管的鼓包是常见，出现这种形式失效的原因主要是 成质量问题和系统因素。其中最主要的原因来源于高压胶管总成的质量问题，因 此可认为要提高胶管总成在工作中的可靠性，关键在于制造、设计及使用过程中 保证高压胶管总成的整体质量。 胶管制造h 总成制造h 系统集成h 使用与维护 正常 使用 甲j 罨共鬈一 胶管破裂等ii 胶管接头拔脱 存在安全问题 系统可靠性降低 系统效率低 u 卡脱落，密封失效等 污染 故障多，维修费用 高，工作效率低 图2 1 高压胶管总成失效因果关系 不同的失效形式所造成的影响也不尽相同，其主要表现在对生产安全、液压 系统及生产效率和效益的影响这三个方面。高压胶管总成对生产安全的影响是最 为严重的。影响生产安全的主要表现在设备运行异常伤人事件。胶管总成使用不 当会出现很多不同的事故，而出现的这些事故大多会对设备操作员等造成伤害。 对液压系统的影响主要体现在两个方面：其一是液压系统工作效率下降；其二是 造成系统污染，降低液压系统工作的可靠性。胶管总成的失效无论是引起安全事 1 2 中南大学硕士学位论文 第二章高压胶管总成失效机理及扣压力对其影响研究 故，还是仅造成设备工作异常，就需要专业人员去解决这些问题，就会对企业的 生产效率及整体的生产效益产生严重影响。从这几种影响表现形式来看，无论是 哪方面的影响，胶管总成的失效形式大多都是比较危险的，都极可能引起严重的 后果，因此，分析胶管总成失效机理，提高胶管总成质量，是亟待解决的问题。 2 2 高压胶管失效机理研究分析 通过对以上高压胶管总成的失效形式及造成失效的原因的分析，可将高压胶 管总成的失效分为高压胶管及扣压接头失效两部分进行研究，本节将对因高压胶 管失效而造成高压胶管总成失效的机理进行研究分析。目前常用的高压胶管主要 有钢丝缠绕高压胶管及钢丝编织胶管两种，以下将对这两种胶管进行失效机理分 析研究。 2 2 1 钢丝缠绕高压胶管失效机理分析 高压胶管是组成高压胶管总成的重要元件，在实际应用中高压胶管失效的形 式主要有胶管爆裂、胶管渗漏或鼓包及胶管剥皮等。从高压胶管常见失效形式出 发，对钢丝缠绕高压胶管失效机理分析如下： 假设高压胶管在工作过程中管壁内受到的压力为尸，当压力尸超过一定值的 时候便会引起胶管爆裂、渗漏或鼓包。把压力p 分解为径向方向的只和沿轴向方 向的只，在这两个分力的作用下导致胶管失效的产生。 ( 1 ) 径向应力分析 取内径为d ，长度为z 的一段胶管为研究对象，假设该段胶管为两端封闭的 薄壁管，管内受到压力p 的均匀作用，在此力的作用下，使管径向断裂半圆方向 的张力为： ：华：旱 ( 2 1 ) 其中：彳。为长度为，胶管内壁总面积，m m 2 ； p 为胶管内液体的压力，m p a 。 则有力只在壁厚为万的断面上产生的应力为： p p d c r 2 蕾2 万 ( 2 ) 轴向应力分析 胶管沿径向截面断裂时的轴向内力为： p p = a v op 其中：4 为胶管截面面积，m m 2 ； 1 3 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) i 蛩2 - 2 不同岛下的胶管变形曲线匿 2 - 3 不同乃下的胶管变形曲线 墓 垒 鼍 謦 图2 4 胶管轴向伸长的影响图2 5 钢丝弹性模量的影响 1 4 中南大学硕士学位论文第二章高压胶管总成失效机理及扣压力对其影响研究 其中图中毛为增强层纤维的强度，允为纤维伸长量。通过如图曲线分析知道： 由图2 2 及2 3 可以得到，毛对胶管的抗变形能力有着明显的影响作用，在相同内 压力作用下，毛越大胶管的变形越小，因此钢丝增强层的存在极大的提高了胶管 的抗变形能力；由图2 - 4 及2 5 可以得到，胶管增强层钢丝弹性模量越大