超低膨胀编织塑料软管的设计

李庆刚，宫云飞，陈云朋，张国栋，王晓龙，齐磊



超低膨胀编织塑料软管的设计

李庆刚，宫云飞，陈云朋，张国栋，王晓龙，齐磊

（长春亚大汽车零件制造有限公司，长春 吉林 130000）

膨胀量对高压编织软管来说是一项非常重要的技术参数。针对超低膨胀量的要求，文章分别在内层材料选择、内层尺寸设计、编织层材料选择、编织工艺、外层材料选择、外层尺寸设计等六个方面进行阐述。说明超低膨胀软管设计各方面注意事项，为软管开发设计提供参考。

膨胀量；塑料；纤维；编织工艺

引言

高压编织软管结构通常分为三层：内层、编织层、外层（包覆层），如图1所示。广泛应用于液压举升系统、液压制动系统、动力转向系统、离合助力系统，通过传输液体介质达到压力和能量传输的目的。由于车身布置的原因，有的液压软管长达3~4米。而且系统对响应时间要求严格。GB16897-2010中要求的正常膨胀量或低膨胀量的软管响应时间长，从而影响行车安全。本文通过对内层、编织层、外层进行开发设计的软管膨胀量可以满足GB16897-2010中规定的低膨胀量软管的0.2~0.25倍。

1 内层管设计

内层管是软管的主要工作面，是接触和传输介质的部分，起着密闭介质，保护增强层的作用。

图1 软管结构示意图

1.1 材料选择

1.1.1基本物理机械性能

软管绝大部分时间都是在动态下使用的，并且承压状态又比较复杂。一般来说，不论其品种或使用条件如何，作为内层管必须具有一定的强度、硬度、冲击韧性、多次冲击抗力和疲劳极限。为了保证软管的刚度，材料需要具有一定硬度防止内层管在承压时从编织层缝隙突出从而提高爆破压力。材料过软易造成内层管编织后缩颈严重，出现褶皱。同时也可减少因内层管在承压时的弹性变形过大造成软管总成的膨胀量增加。材料过硬使软管总成弯曲半径过大并且容易打死折。由于装配金属接头的需要，其内层料应具有较好的抗压缩性、弹性模数、定伸应力以及应力松弛等力学性能，以保证扣压后具有良好的密封应力。此外，内层材料还要具备一定的光滑性，以降低介质流动的阻力。

1.1.2耐介质性

内层管是软管结构中很关键的部分，它直接与输送的物质接触，必须对输送介质具有相应的抗耐性。

1.1.3密封性

作为内层管，不论输送何种介质，都需具有良好的致密性和纯洁性，以保证塑料软管在承压状态下不产生介质渗漏。用于液压塑料软管的内层管，其致密性和抗介质性能要求更高。

1.1.4环保性

软管在加工和使用过程中不应产生危害人体的物质，也不应产生含有刺激异味的材料。此材料最好可回收再利用。为了减少对环境的污染，应选择低析出稳定性较好的材料。

1.1.5耐温性

软管在工作时，工作介质通常会升温，软管的工作环境也会变化，都会影响软管的物理性能，从而影响到扣压部分的密封。软管内层耐高低温性能不足，在长时间高低温脉冲作用下易产生裂纹，从而发生泄露或管体爆裂。所以对内层管材料的耐温性要求很高，一般来说是-40℃~120℃，特殊用途耐温在-70℃~230℃。

1.1.6导电性

在输送介质的过程中，软管内部传输的油液流速较快、压力较大，介质和内层管摩擦产生静电，静电积累到一定数量，会导致内管的静电击穿，从而造成软管组件泄露。特殊用途时需要将静电及时导出，比保证使用安全，则要求塑料软管具有较好的导电性能。

1.1.7成本低廉

在满足上述要求的情况下，尽可能选择价格低廉的材料以降低产品成本。

1.2 尺寸设计

内层管设计内径应比要求软管总成大。因为内层管在编织后会有一定的缩颈。为了避免内层管缩颈过大，所以内层管应具有一定的刚度。内层管的壁厚应根据材料的硬度和管径的大小来确定，壁厚过薄，管壁弹性不足，对扣压尺寸要求较严格，容易泄露；而且在反复的高温脉冲作用下，软管易破裂发生爆裂现象。硬度越大的材料，壁厚可适当减小。管径越大，壁厚也应随之增加。

2 编织层设计

编织层又称增强层，是承受压力的关键部位，给予管体必要的强度和刚度，在压力作用下不变形。

2.1 编织层材料选择

2.1.1具有足够的断裂强度

在高压软管结构中，可认为其耐压强度主要由编织层承担。因此，尽可能提高材料的断裂强度，将有利于减少结构层次和尺寸，提高柔韧性，提高软管性能。

2.1.2耐疲劳性能好，模数高

编织软管最大的特点是软管具有优越的可挠曲性，软管的耐疲劳性能与编织层材料耐疲劳程度非常密切。因此编织层材料必须具备较好的耐疲劳性和高模量特性。

2.1.3具有小的断裂伸长率

编织层材料的断裂伸长率往往会使软管在承压状态下产生扩张变形（结构因素除外），这对软管的膨胀量影响很大，所以要尽可能选择断裂伸长率小的编织线。

2.1.4高温稳定性

如果编织材料在高温条件下产生收缩变形或强度降低等，则会对软管的性能产生不利的影响，以致影响其使用寿命。因此编织层材料应在高温下保持稳定的性能。

2.1.5具有一定耐腐蚀性

软管一般工作在较恶劣的环境中，如果软管外层破裂或无外层，油、污水、臭氧、紫外线等因素会对编织层产生腐蚀，降低编织线的强度从而影响软管的性能，所以编织线应具有一定耐腐蚀性。

2.1.6具有一定的耐磨性

对于无包覆层的高压软管，编织层不仅起到增强承压能力的作用也起到保护内层的作用，编织软管经常和其他构件摩擦或碰撞。所以编织层材料应具备一定的耐磨性。

2.1.7成本低廉

编织层材料除了要满足上述特性要求外，还要考虑价格低廉，这对材料的广泛应用和成本具有一定的现实意义。

事实上，要完全满足上述特性的材料是不大可能的，但可以根据结构特点和具体使用要求，尽力选择较为适宜的编织层材料，如对膨胀量要求较高，对爆破强度要求不高的可选择断裂伸长率小，断裂强度不高的材料。

2.2 编织工艺

2.2.1编织角度α

编织角度是编织的重要特性，它是指股线方向与塑料软管管轴所倾斜的角度，如图2。

软管在压力下有一个理论上的平衡角。在此角度下编织，如采用的线材无伸长，就不会引起塑料软管塑料软管直径、长度的变化，此角通常称平衡角或中性角。此时具有较好的弯曲性能，弯曲半径较小，并且在弯曲时不至于打折。在平衡角下，增强层材料的强度可以得到充分的发挥。

平衡角推导方法如下：

当软管承受内压时，软管内产生径向力，它能引起软管沿母线方向断裂，产生轴向力，它能引起软管沿横截面方向断裂，为了方便，取软管一个结矩，即单位长度来讨论。

根据管体受力分析可知：

式中：

P1——周向上的弹性力；

P2——轴向上的弹性力；

P——软管承受的内压力；

D——软管编织层的平均直径；

T——编织行程

由图中几何关系可知

所以α=54°44′ （6）

图2 平衡角示意图

当编织角度偏离此角时，将产生下列情况。

1）软管在内压作用下、管体几何形状发生如下变化，影响使用性能。即：小于平衡角时，直径增大，长度缩短。大于平衡角时，直径缩小，长度增加。

2）耐压能力降低

表1 不同编织角度与耐压力的关系

对于多层编织结构的塑料软管，常由于设备工艺等关系或者有意地安排，使第一编织层编织角度略小于平衡角，而第二编织层编织度略大于平衡角，通常被称为配合角的结构。其特点是能塑料软管在承压情况下更好的发挥各层骨架材料的作用，以获得更为理想的使用性能。若两层编织结构仍然满足不了使用要求时，则应从材料结构上予以从新考虑。因为三层或三层以上的编织结构，不仅理论上的平衡角非常困难，而且在实际中也是一种综合性的浪费，并且组装总成等其他方面也会有弊端。

2.2.2编织行程

编织角度在实际生产过程中，是以相应的编织行程来体现的。所谓编织行程，是指股线的一个螺旋编织物单向量的长度，即载线锭子每转一周其管牵引的距离，又称“编织节距”通常以mm标识。

（1）行程的度量方法度量N/2+1股线间的中心距离（按顺时针排列的线束，其中N为编织机锭子数目），

（2）编织行程的计算将软管沿半径方向剖开，编织层根据旋转原理展开在平面上，则形成一个编织行程的直角三角形（如图2），从这个直角三角形内，可以求得编织行程。

式中

D计——计算直径，mm；

D内——内层管内径，mm；

δ内——内层管壁厚，mm；

δ编——编织层厚度，mm；

当α为54°44′时，可简化为下式：T=2.22D计。

2.2.3编织密度

由于在同一方向各个线股不能紧密靠着，而是由相反方向股线分割，他们中间形成缝隙。编织密度系由被编织线遮蔽的表面与整个被编织了的软管外表面的比例而定，当此比例近于1时，编织将无缝隙，当被遮蔽的面积小于1时，则编织将有用于平均分布的缝隙，而且上述比例越小，则缝隙的密度越大，编织密度用%表示。编织密度不足会造成内层管在压力作用下被强行穿过缝隙而爆破。当编织角度为一定时，编织密度越大承压能力越强。编织密度可以通过更换旦数更大的编织线和使用锭数更多的编织机来实现。不宜为了提高承压能力而一直增加编织密度，编织线无法在内层管外表面排布造成编织点回落，编织过程无法进行。因纤维线在编织过程中会发生压扁，无法精确计算。所以需要应在试制过程中来确定。

2.2.4编织张力

编织张力指锭子正常放线时所需要的牵引力也是指编织线对软管的勒紧力。不同编织张力会导致内层管在编织后有不同程度的缩径，编织张力越大缩径越严重。软管编织张力大，脉冲性能就会好一些。因为所有的编织交叉点都能紧贴在一起，编织线的交叉点更接近一条直线，软管在内压下引起的位移量减小，提高脉冲寿命；软管编织张力大也会影响软管的膨胀量，因为编织线会紧紧的和内层管外表面接触，内层管外表面会有一定程度的变形，将编织的空隙填满，软管在承压时内层管不会向外扩张而且编织线也不会向外扩张从而减小膨胀量。一般来说在保证内层管编缩径不大的基础上，编织张力越大越好。

2.2.5强度计算

2.2.5.1 软管受力分析

从软管的外形及其在内压作用下的受力状态而言，软管类似于两端封闭的薄壁圆筒容器。因此在推导耐压强度的计算方法时，可把塑料软管作为圆筒形薄壁容器来进行受力分析。

设有一直径为D、端部封闭的塑料软管，在内压作用下其内壁面的受力状态如下图所示。若沿管壁的横断面上分割出一微单元体，则作用在此微单元体周向上的应力为σ1，作用于轴向上的力为σ2，并分别简称为周向应力和轴向应力。

图3 编织软管受力示意图

式中

σ1——周向应力；

σ2——轴向应力；

P——内压作用力，MPa（kgf/cm2）；

D——圆筒直径，cm；

δ——圆筒壁厚，cm；

1式和2式对比σ1=2σ2，由此可以看出所产生的的周向力要比轴向力大一倍。

由于塑料软管为非均质材料构成，因此在设计计算中应根据塑料软管在内压下，其周向应力等于2倍轴向应力的基本原理，并按塑料软管的具体结构、选用骨架材料等条件，确定其耐压强度的计算方法。

在塑料软管耐压强度计算中，可认为塑料软管的内压负荷全部由骨架层承担。从而，塑料软管在内压作用下，当压力达到PB（塑料软管爆破）时，则由式1,2可得出塑料软管耐压强度的基本计算公式：

式中PB——塑料软管耐压强度；

N——编织机锭子数；

n——每个锭子上编织线根数；

KB——编织线强度，kgf/根；

D计——计算直径，cm。计算方法见8式；

η——不同编织层数的计算（不同编织层数的计算η列于表）；

其中A的取值为0.02；

式中ε——线材断裂伸长率；

i——骨架层层数。

表2 不同编织层数的计算系数η

3 外层设计

外层是软管的外保护层，用来保护编织层及内层，使其不受外界损伤和侵蚀。

3.1 材料选择

外层的主要作用是保护软管的整体结构，尤其是保护编织层不受外界损伤。因此，也有把软管的外层称作为外保护层。

作为外层，除了具有与内层材料相应的性能以外，还必须满足使用环境和工作条件的需要。如频繁摩擦的软管，其外层需要一定的耐磨性能和抗撕裂性能；又如长期暴露在大气中或在恶劣气候条件下使用的软管，其外层应具有优异的抗老化性能和耐腐蚀性能。一般来说外层材料和内层材料为同一类但不同牌号，外层材料选择较软的材料，以提高管子柔性。

3.2 尺寸设计

外层的主要作用是保护编织层，所以外层要有一定的厚度将编织层包覆住，不能将编织层裸露，起到保护的作用。但不宜过厚使管体外径过大，柔韧性差；外层过厚造成外层材料用量大，成本增加，且容易椭圆，控制不住同心度。

4 结论

通过对软管各设计参数的分析，详细介绍了超低膨胀量软管设计时的关键参数。在实际设计中应根据客户的要求，具体问题具体分析，对各个参数进行平衡和综合，并进行充分试验验证。达到性能和成本最优状态。

[1] 吕锦新.液压软管的弯曲半径对软管承压能力的影响.上海飞机研究所.

[2] 胶管工艺学.

[3] 胶管制造工艺方法.化学工业部教育培训中心.

[4] 李延林,吴宇方,翟祥国.橡胶工业手册第五分册.化学工业出版社.第五分册.261-362.

[5] GB16897-2010.

Design of ultra-low expansion woven plastic hose

Li Qinggang, Gong Yunfei, Chen Yunpeng, Zhang Guodong, Wang Xiaolong, Qi Lei

( Chinaust Auto Parts Manufacturing co. Ltd, Jilin ChangChun 130000 )

The expansion volume is a very important technical parameter for high pressure weaving hoses. Aimed at the requirement of ultra-low expansion,The selection of the inner material, the design of the inner size, the selection of woven material, woven process, the selection of the outer material, the design of the inner size and so on six aspects are explainsed In this article. This paper describes the design of ultra-low expansion hose and provides reference for hose development design.

Expansion volume; Plastic; Fiber; Weaving process

A

1671-7988(2018)16-150-04

U462

A

1671-7988(2018)16-150-04

CLC NO.: U462

陈云朋，学士学位，助理工程师，就职于长春亚大汽车零件制造有限公司。 研发方向：汽车管路开发。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.16.053