液壓軟管選型設計與故障分析
2023-04-09 14:45:37
液壓傳動主要是利用液體的壓力能來傳遞能量，而壓力能的傳遞離不開各種橡膠軟管，橡膠軟管根據標準、壓力、溫度、介質的不同分成很多種類，它的選型和設計既要了解系統的設計需求，還需要了解軟管和接頭制造商的產品信息，比較復雜且容易出問題，本文主要研究液壓軟管的設計選型方法，常見的液壓管路故障及其原因。
1、液壓軟管的選型設計
液壓系統的性能、設備及部件的使用壽命、成本預算各項需求明確后，設計液壓系統所需要安裝的液壓軟管總成，一般包括尺寸、溫度、應用、介質和壓力5個要素。
1.1 尺寸
液壓系統通過傳遞不同壓力和流量流體來進行能量的傳遞。為了盡可能減少壓力損失以及避免發熱過度引起的系統損傷，軟管和接頭的尺寸選擇非常重要。管道的內徑d一般是按照流速來選取，即
式中，qv為液體流量m3/s;v為流速m/s。
推薦流速：吸油管口取1~2m/s(一般取1m/s以下);壓力油管取3~6m/s(壓力高，管道短或者液壓油粘度小的情況下可以取大值，反之取小值，局部或者特殊情況下可取v≤10m/s);回油管取1.5~2.5m/s。
1.2 溫度
軟管選型時應考慮軟管內部輸送的介質溫度以及軟管外部工作環境的溫度。選型時根據參數選擇溫度范圍內的軟管。軟管工作環境的外部溫度影響軟管總成的使用壽命，在這種工況下使用者需要增加管路的檢查頻次，如果發現軟管外膠層變脆或開裂，必須更換軟管或軟管總成。
高溫高壓的綜合工況下，軟管的壽命會大大縮短。此時應該選擇外膠層耐高溫的管。選擇派克軟管中帶HT(High Temperature)標識或者軟管代號末位是6的管子，如661HT、881HT、436、836等系列的軟管。
在低溫工況下，低溫會降低橡膠產品的柔軟性，在寒冷極端氣候、深冷等工況下，選用軟管一方面需要做好管路的保溫防寒措施，另一方面選擇耐低溫的軟管，如選擇派克帶LT(Low Temperature)標識的軟管371LT、772LT等。
1.3 應用
應用部分比較直觀和易于選擇，如吸油、壓力和回油管路。在吸油回路中需要考慮耐負壓和真空工況的軟管選擇。空調及制冷系統的管路需要考慮介質溫度、介質腐蝕性等特性的軟管產品。冶金及一些高溫明火工況中，選擇耐高溫、防火外膠層或者在管路外增加防火護套等。數控機床和加工設備中管路在拖鏈中安裝，工作時不斷地與周邊摩擦和接觸，選擇具有耐磨外膠層或者超耐磨橡膠的外膠層軟管產品。全面考慮產品選型所涉及的各項綜合因素，有助于選擇正確的產品，保證使用安全和產品使用壽命以及優化產品整體的使用成本。
1.4 介質
流體的介質兼容性，設計者根據系統的流體介質選擇具有兼容性的軟管產品，如介質是磷酸酯液壓油，選擇Parker軟管系列中尾數是4的軟管，內膠層一般是EPDM材質，如804、304、424、774等系列軟管。
1.5 壓力
軟管和接頭選型必須保證軟管的總成最大工作壓力≥系統的最大壓力。系統的脈沖或峰值壓力必須小于軟管的最大工作壓力。設計者在選型設計時往往忽略軟管接頭的壓力適用范圍，從而造成系統故障，因為軟管總成的壓力范圍是由組成軟管總成各部件中工作壓力最小者所決定，所以軟管總成選擇時，接頭、軟管的壓力的工作壓力必須綜合考慮。
上述介紹了液壓軟管設計需要綜合考慮的5方面因素，其他因素根據設計項目和需求不同涉及到的因素也不盡相同。如選擇產品需要符合的標準、產品認證、螺紋密封和儲存等。
2 常見故障及其原因
液壓軟管的正確設計選型影響著整個系統的可靠性、安全性和正常工作。下面對液壓管路經常遇到的故障、引起故障的主要原因和應該采取的措施進行分析。
2.1 服務壽命
(1)現象：軟管爆裂、鋼絲增強層破壞并暴露在外面，在外膠層失膠區域的鋼絲稍許的傾斜。
(2)原因：可能是反復循環的高壓脈沖或在軟管的同一地方反復繞曲。
(3)措施：根據工況和現場實際需求更換軟管總成。
2.2 軟管拔脫
(1)現象：接頭拔脫和軟管分開。
(2)原因：軟管插入深度沒有達到推薦值。外套的所有齒必須全部扣壓在軟管上，外護套的最后一齒的夾持力占全部夾持力的25%。
(3)措施：更換軟管總成。根據軟管制造商推薦的插入深度在管上做好標記，然后將接頭插入到標記處。
2.3 裝配時內膠層破壞
(1)癥狀：接頭連接處附近的軟管有裂縫(針孔或泄漏)或外膠層起泡，爆裂處鋼絲有腐蝕現象但是表層沒有明顯的損壞。
(2)原因：在裝配時可能缺少必要的潤滑導致軟管的內膠層被切或者損壞，不正確的裝配導致水分進入內部致使鋼絲增強從被腐蝕。
(3)措施：查詢正確的裝配方式并更換軟管總成。
2.4 軟管扭曲
(1)癥狀：在扭曲區域軟管外層被損壞，鋼絲破壞。
(2)原因：由于缺少必須要的潤滑，在裝配接頭時軟管扭曲，不正確的安裝可能引起軟管的扭曲。
(3)措施：正確裝配，更換軟管總成，必要時利用管夾確保軟管安裝在同一平面。
2.5 軟管磨損
( 1 ) 癥 狀 ：外 層 撕 裂 或 損壞，增強層有摩擦或腐蝕的跡象。
(2)原因：軟管與其他物體過度摩擦，也可能是尖角或托架損壞軟管。
(3)措施：更換軟管總成，使用保護套或軟管護套，必要時重新布管或用管夾避免軟管和其他物體直接接觸。
2.6 介質不兼容
( 1 ) 癥 狀 ：內 膠 層 嚴 重 破壞，起腫泡或分層，甚至脫落。
(2)原因：流體與內膠層材料不匹配和兼容。
2.7 橡膠老化
(1)癥狀：內膠層出現裂紋但仍保持彈性，接頭連接部未見明顯裂紋。
(2)原因：由于軟管內部空氣太干燥致使內膠層老化。
(3)措施：更換軟管總成，使用耐干燥空氣的軟管總成。
2.8 溫度過高
(1)癥狀：環境溫度下軟管變硬，易碎和開裂。外膠層有變干和變焦的跡象。
(2)原因：環境溫度超過軟管耐溫極限而逐漸失去彈性，或軟管內部進入二氧化碳而發生氧化反應，引起膠管硬化。
(3)措施：根據制造商提供的軟管應用手冊，更換耐高溫的軟管或加裝耐熱保護套。
2.9 溫度過低
(1)癥狀：在使用溫度下，內膠層或外膠層開裂但保持柔軟和柔韌性。
(2)原因：環境溫度低于軟管的最低使用溫度。
(3)措施：根據制造商產品手冊，提高環境溫度或更換耐低溫的軟管。
2.10 壓力過高
(1)癥狀：軟管爆裂，降低了壽命，爆裂時突然發生的，鋼絲和外膠層無磨損痕跡。
(2)原因：實際工作壓力超過軟管的額定工作壓力。
(3)措施：調整系統的工作壓力或更換壓力等級更高的軟管。
2.11 流速過高
(1)癥狀：軟管泄漏，內胎有類似被鑿的痕跡。
(2)原因：由于流速過高致使內膠層磨損后穿孔泄漏，也可能是流體介質中含有微小顆粒而使得內膠層磨損。
(3)措施：根據流量和介質更換軟管。
2.12 軟管安裝的彎曲半徑過小
(1)癥狀：軟管在外膠層和接頭連接處斷裂。
(2)原因：軟管在接頭體上來回移動，過度運動或者軟管總成太短致使軟管斷裂，另一個原因可能是軟管扣壓錯誤。
(3)措施：布管時盡量保證總成處于松弛狀態，其直段最少保證2倍軟管外徑，加裝管夾避免軟管過度移動。選擇正確的扣壓工具和軟管扣壓機，便于現場維修。
本文通過介紹液壓軟管設計需要考慮的5個關鍵因素和設計選型不合理及軟管布局或使用不當造成的12種故障，通過故障分析加深對液壓軟管選型時的各項指標的認識。可以為液壓工程師和布管安裝提供借鑒，使液壓軟管產品的選擇和使用更加科學。
注：本文由機哥整理自《中國高新科技》2019年53期，作者王旭東、陳海花、王衛東等。轉載請注明出處。
