某重型汽车空气压缩机替用管材料性能分析

冯 磊，王一博

某重型汽车空气压缩机替用管材料性能分析

冯 磊，王一博

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

重型载货汽车上的空气压缩机用通气管材料，通常使用精密冷拔镀锌无缝钢管进行再加工而成，再加工及运输时管材表面镀层易被划伤，防锈能力下降，同时电镀钝化工艺会产生大量废液，影响环境。铝合金材料自身拥有较好的耐腐蚀能力，通过对铝合金无缝管的折弯性能、耐腐蚀性、密封性、耐热性和经济性等方面的对比分析，铝合金无缝管满足作为空气压缩机用通气管的要求，是一种良好的空气压缩机钢管的替用管材

空气压缩机；铝合金管；耐腐蚀性能；密封性能；替用管材

目前重型载货汽车上的制动系统普遍采用的是气压制动。制动时，压缩后的高压气体经过制动系统多个阀体的调节控制，进入制动气室，推动制动器进行制动。空气压缩机管路作为制动系统的一部分，其主要功能是连接空气压缩机和后续的空气处理单元，并对从中流过的高压高温气体进行初步的降温，使压缩气体中的水汽尽快凝结，从空气处理单元中排出，避免在后续的用气单元中积水、结冰，影响制动系统的正常工作。因此，空气压缩机管路要有良好的密封性、耐腐蚀能力以及散热性能[1]。

当前，各主要重型汽车生产企业的空气压缩机用通气管材料主要使用10#或者20#钢制造的精密冷拔无缝钢管，表面采用镀锌钝化处理，经过切割、折弯、接头铆接等工序加工而成[2]。此次分析拟采用铝合金材料进行替代，以实现耐腐蚀能力提升及整车轻量化目标。

铝合金材料牌号繁多，从1×××系至9×××系，合金成分差异对铝合金本身的耐腐蚀性能影响很大。常用的高强铝合金2×××系铝合金材料（以铜为主要合金元素）和7×××系铝合金材料（以锌为主要合金元素）的强度较高，但是其耐腐蚀性较差；3×××系铝合金材料（以锰为主要合金元素）、5×××系铝合金材料（以镁为主要合金元素）和6×××铝合金材料（以镁和硅为主要合金元素）则具有更好的耐腐蚀性能，属于中等强度铝合金。通常情况下，汽车零部件中建议使用5×××系和6×××系铝合金材料，其加工性能、强度和耐腐蚀性等综合性能良好，是一种适合汽车工业应用的轻量化材料[3]。同时，根据相关标准推荐，车辆型材宜采用5052、5038、6061、6063等牌号铝合金[4]。本文选择牌号6 061的铝合金材料轧制无缝管作为分析对象，材料规格为外径Φ=20 mm、壁厚1.5 mm，从加工性能、耐腐蚀、散热能力等多个方面进行分析试验。

1 折弯性能

实际使用中重型汽车空气压缩机管路的折弯角不小于90°、折弯半径=50 mm，直接使用加工钢制空气压缩机管的设备工装以及工艺参数对铝合金管进行折弯加工。结果显示，折弯后管路表面无褶皱、开裂，仅圆弧处表面由开始的光滑平面转变为磨砂面。但由于铝合金管相比钢管具有伸长率低和屈强比高等特点，导致在同样的工艺参数下，铝合金管在圆弧处变扁、圆弧外侧减薄、回弹比钢管严重。

对于弯曲回弹现象，通过综合分析弯曲回弹的影响因素，根据弯曲时的各种条件和回弹趋势，预先估算回弹量的大小，对折弯角度进行调整，在折弯时进行一定量的“过正”弯曲，补偿回弹变形；圆弧外侧减薄是弯曲的工艺特点决定的，无法规避。为了避免减薄量过大，需降低管子弯制时的阻力。现场对弯管模的间隙进行了微调，以降低夹紧力改善管子横剖面上的应力分布状态，使中性层外移从而达到减少管子外侧管壁减薄量的目的；对于圆弧外侧变扁严重的管件，更换有反变形槽的弯管模，并在安装模具时保证各部件的管槽轴线在同一水平面上[5]。

采用以上措施对折弯工艺进行优化后再次试验，铝合金管圆弧处折弯质量可以达到与钢管相同的效果，满足空气压缩机管路的外观质量要求。铝合金管与钢管加工效果对比如图1、图2所示。

图1 铝合金管折弯效果

图2 钢管折弯效果

2 耐腐蚀性能

由于空压机管路要长期与湿热空气接触，为提高管路的耐腐性能，目前所使用的空压机用管路材料均需经过镀锌钝化处理，而镀锌钝化过程中产生的废液需要做专业的处理，否则容易造成环境污染。同时，镀层在后续的加工运输中容易划伤，影响防锈效果。

铝是一种非常活泼的金属，只要它暴露于空气中，表面与氧气迅速反应就会形成Al2O3氧化层。该氧化层可保护内层的铝材免受进一步反应，有助于保持其耐用性。这部分氧化层非常薄（约2.5 nm），可以通过刮擦去除。然而，暴露的金属很快又会与大气发生反应，保护能力快速恢复。这使得铝材料在普通大气环境下表现出优良的耐腐蚀性，并且还可以对铝材进行表面处理，进一步提高其耐腐蚀性。

研究证明，在卤素离子含量高的潮湿大气环境中，空气中的卤素离子（如氯离子）会侵蚀铝合金材料表面的氧化膜，破坏防护层形成腐蚀坑，尤其是在沿海、多雨、潮湿、高温和工业污染较为严重的地区。在长期室外大气暴露试验中，Ghali[6]给出了6061-T铝合金在海洋大气环境（巴拿马）下的中、长期腐蚀情况，暴露试验持续了16年，测得每年平均腐蚀深度为17.3 μm。FUENTE等[7]通过试验发现，在工业或海洋大气中，铝合金的腐蚀情况最严重，暴露16年后观察到大约100 μm深的腐蚀坑。以上两个试验都证明了铝合金具有较好的长期耐腐蚀性能。

3 密封性能

空气压缩机管使用的是双刃卡套接头，是一种比较通用的国标接头。双卡套直通接头由三部分组成：接头体、卡套、螺母。当卡套和螺母套在管子上插入接头体后，再旋紧螺母时，卡套前端外侧锥面与接头体锥面贴合，内刃均匀地咬入管路表面，形成有效密封。其密封作用的形成主要依靠卡套外锥面与接头体锥面的配合，以及刃口嵌入管子后与管子的配合。目前重型汽车上的空气压缩机管路的最高工作压力约1.3 MPa，为了验证铝合金管铆接双刃卡套后的密封性能，按照表1要求进行试验[8]。

表1 密封性试验内容与方法

试验项目试验介质试验设备试验参数及方法保压时间合格判定 气密性试验空气增压气压试验机持续加压至管结构最大工作压力的15%，最高不超过6.3 MPa≥3 min保压期内无气泡从试验样件中冒出/无渗油现象 耐压试验水静液压试验机持续升压至管接头最大工作压力的2倍，升压速率不得超过最大工作压力值的16%≥1 min保压期内无任何泄漏现象 爆破试验水静液压试验机持续升压至管接头最大工作压力的4倍，升压速率不得超过最大工作压力值的16%持续加压至连接失效出现可见泄漏的的试验压力≥4倍最大工作压力

在上述试验中，管路及其接头处均未出现任何渗漏现象，爆破试验在压力达到5.2 MPa后，管路及接头处完好，无渗漏现象，试验压力曲线如图3－图5所示。

为了更好地验证铝合金管作为空气压缩机用管在整车上的可靠性，使用铝合金无缝管加工一套空气压缩机用管，并安装到整车上进行了12 000 km的可靠性试验。试验过程中管路连接可靠，无渗漏情况，整车制动系统工作正常。

图3 气密性试验

图4 耐压试验

图5 爆破试验

4 散热性能

物体的散热能力取决于传热系数，传热系数的大小又受壁面两侧流体的物性、流速、固体表面的形状、材料的导热系数等因素影响。值愈大，传热过程进行得愈为强烈，散热效果越好，如式（1）[9]：

式中，1，2分别为围护结构两表面热交换系数，W/(m2·℃)；为管壁厚度，m；为管壁导热系数，W/(m·℃)。

在仅更换材料时，管路的结构及面对的散热环境均相同，此时传热系数的比较，也就是比较材料的导热系数。6061铝合金的导热系数约为155 W/m·K，钢的导热系数约为54 W/m·K，铝合金的导热系数远大于钢，所以铝合金管在散热能力上优于钢管。

5 经济性

目前，镀锌钝化无缝钢管的价格约为1.4～1.8万元/吨，铝合金无缝管的价格约为3.2～3.5万元/吨，铝合金管价格约为钢管的两倍。由于铝的密度约为钢密度的1/3，所以即使单位重量的铝合金价格更高，当铝合金管的价格在钢管价格的3倍以下时，铝合金空气压缩机用管的成本仍具优势。使用铝合金管替代钢管加工空气压缩机用管，可以直接使用相同的设备工装，无新增投入。同时，铝合金空气压缩机管还能降低零件重量，每米可以实现降重0.45 kg，有利于整车轻量化。

6 结论

综上分析，6061铝合金管在重量、成本、散热能力方面优于目前使用的镀锌钝化钢管。其自身防腐性能优越，即使未作任何表面处理，在适当的环境条件下通常可以使用数年，表面的轻微划伤对其耐腐蚀能力影响微弱，降低了生产运输难度。还可以避免钢管镀锌、钝化的废液处理问题，与环境更为友好，在密封性能、折弯性能方面满足作为空气压缩机管路的要求，还可以与空气压缩机钢管使用同样的加工设备，材料的替换成本低。由此可见，6061铝合金管是一种良好的空气压缩机用钢管的替用管材。

[1] 吉安卡洛·珍达.汽车底盘设计[M].北京:机械工业出版社,2020.

[2] 谢伟钢,范盈圻.汽车构造与原理[M].北京:机械工业出版社,2021.

[3] 潘复生,张丁非.铝合金及应用[M].北京:化学工业出版社.2006.

[4] 全国有色金属标准化技术委员会.一般工业用铝及铝合金挤压型材:GB/T 6892－2006[S].北京:中国标准出版社.2006.

[5] 王亮,刘京涛.铝合金汽车板材弯曲性能测试方法[J].理化检验:物理分册,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] 全国管路附件标准化技术委员会.卡套式管接头技术条件:GB/T 3765－2008[S].北京:中国标准出版社. 2008.

[9] 杨世铭,陶文铨.传热学[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

冯磊（1987－），男，助理工程师，研究方向为汽车工艺技术，E-mail:fenglei@sxqc.com。