一种基于等应变原则的钢丝缠绕液压胶管的制作方法

本实用新型涉及一种基于等应变原则的钢丝缠绕液压胶管。

背景技术：

钢丝缠绕液压胶管（以下简称液压胶管）是液压系统中的关键零部件之一，在工程机械、石化、煤矿、交通运输及航天科技等工业领域都得到了广泛的应用。实践表明：液压胶管的耐疲劳性能是影响产品可靠性的最主要因素。

液压胶管结构是由钢丝按一定角度排列缠绕的骨架和橡胶相互粘接组成的，一般钢丝骨架层及橡胶层的层数可根据产品的规格不同分别有2层、4层和6层，液压胶管的性能指标有工作压力（单位MPa）、爆破压力（单位MPa）、最小弯曲半径（单位mm）和疲劳寿命（以疲劳破坏时脉冲次数为度量）等。目前，与国外发达国家同类产品相比，国内液压胶管现有的疲劳寿命指标普遍偏低，疲劳寿命一般是60-80万次，而国外同类产品的疲劳寿命却能达到120万次，由于液压胶管疲劳失效的形式一般有管体渗透和爆裂两种情况最为常见，因此，研究液压胶管疲劳失效的机理与表现形式，优化产品的结构参数，对于提高液压胶管的疲劳寿命有重要的意义。

液压胶管渗透失效形式的产生机理是：随着交变载荷次数的增加，不同钢丝之间的橡胶材料承受反复的拉伸与压缩后出现蠕变现象，进而导致了钢丝与橡胶材料之间的界面力下降，从而在钢丝与橡胶材料之间出现了细小裂纹损伤，裂纹扩大后在管体橡胶材料中贯穿成缝隙，进而导致管体出现介质渗透。液压胶管另一种爆裂失效形式的产生机理则是：随着疲劳次数的继续增加，钢丝与橡胶材料之间的裂纹进一步的扩大，钢丝层之间开始相互接触并发生直接磨损，从而导致钢丝接触部位直径变小，出现了承载能力下降的现象，最终因为钢丝断裂而产生爆裂现象。

管体钢丝爆裂的发生机理是：骨架层钢丝在压力载荷的作用下会发生拉伸变形，出现了钢丝直径变小的现象。由于相互接触的钢丝之间变形位移的方向和大小不协调，粘接钢丝之间的橡胶材料在轴向和径向分别呈现出剪切和压缩现象，导致钢丝之间的橡胶材料变薄。随着疲劳次数的继续增加，钢丝之间的橡胶层厚度进一步的缩小，钢丝层之间开始相互接触并发生直接磨损，从而导致钢丝接触部位直径进一步的变小，其承载能力逐渐呈现下降的趋势，最终因为钢丝断裂而产生突然爆裂的失效现象。

专利CN201110456645.2《一种耐脉冲性钢丝缠绕液压胶管》与本项实用新型专利技术类似，该项专利主要在骨架层钢丝的缠绕角度、缠绕直径和缠绕行程等12个结构参数进行了优化设计。与本实用新型专利相比，该项专利技术在提高产品耐脉冲性能的结构设计方面明显存在以下缺陷。①材料本构关系假设不符合实际情况。对产品进行有限元优化分析模型的材料本构关系处理基于宏观尺度上把钢丝、内胶层、中胶层和外胶层等不同材料进行复合材料的弹性特性的力学等效处理，按照一种均匀的连续介质力学理论研究了钢丝缠绕液压胶管材料的力学行为；②产品结构设计参数覆盖范围小。对产品结构参数的优化设计仅限于钢丝骨架层，钢丝缠绕角度得变化范围仍在传统经典平衡角54.73°附近，同时也没有考虑橡胶层（特别是中胶层）的结构参数；③产品设计原则单一。对产品结构参数的设计原则仅考虑了耐脉冲性能指标，没有考虑最小爆破压力和最小弯曲半径等其它性能指标。

我国液压胶管行业现有的产品的结构设计方法特点是：对液压胶管7中不同材料组成的管体进行力学等效处理，将管体材料近似成一种均质材料的本构模型；将其受力状态按照压力容器薄膜应力理论的边界条件进行约束；在状态变量上仅考虑了爆破压力和最小弯曲半径等性能指标，没有开展针对产品疲劳寿命指标等相关设计变量的灵敏度的分析；很明显，我国液压胶管行业传统的技术存在着设计手段落后、设计精度低、材料本构关系简单和状态变量少等缺陷。基于以上分析，造成我国液压胶管疲劳寿命指标偏低的现象产生原因主要是：由于产品设计方法精度低、没有考虑产品发生疲劳损伤的机理因素，寿命指标的设计变量，从而导致了产品性能指标存在着固有的设计缺陷。

技术实现要素：

针对液压胶管行业中产品设计方法和结构的缺陷，本实用新型的目的是提供一种基于等应变原则的钢丝缠绕液压胶管。

本实用新型的技术方案具体为：

一种基于等应变原则的钢丝缠绕液压胶管，包括内层管和外层管，内层管与外层管之间缠绕有至少两层钢丝骨架层，每层钢丝骨架层的内侧均包裹有中胶层，所述钢丝骨架层由钢丝缠绕而成，每层钢丝骨架层的钢丝直径不同，缠绕角度、缠绕半径和缠绕行程均不相同，钢丝之间的间隙包括径向间隙和轴向间隙，所述液压胶管轴向方向上位于同一层的钢丝之间的间隙为轴向间隙，径向方向上，钢丝与其相邻层的钢丝之间的间隙为径向间隙，轴向和径向方向上的钢丝间隙均由中胶层填充。

所述钢丝缠绕液压胶管，包括四层钢丝骨架层和六层橡胶层，最里层的橡胶层为内层管，最外层的橡胶层为外层管，从内层管向外层管之间依次缠绕有第一钢丝骨架层、第二钢丝骨架层、第三钢丝骨架层和第四钢丝骨架层，每层钢丝骨架层的内侧均包裹有中胶层。

所述第一钢丝骨架层钢丝直径0.6mm，缠绕角度57.6°，缠绕半径10.4 mm，缠绕行程41.4 mm，轴向间隙0.09 mm。

所述第二钢丝骨架层钢丝直径0.5mm，缠绕角度-56.8°，缠绕半径10.97 mm，缠绕行程45.6 mm，轴向间隙0.10 mm，径向间隙0.02 mm。

所述第三钢丝骨架层钢丝直径0.4mm，缠绕角度55.2°，缠绕半径11.44 mm，缠绕行程51.2 mm，轴向间隙0.11 mm，径向间隙0.03 mm。

所述第四钢丝骨架层钢丝直径0.3mm，缠绕角度-54.7°，缠绕半径11.82 mm，缠绕行程54.8 mm，轴向间隙0.12 mm，径向间隙0.04 mm。

所述内层管外缠绕一层芳纶布作为中胶层与内层管的连接界面，芳纶布是由纤维直径为0.15mm芳纶纤维编织，网格经纬间隙为0.1mm。

相对于现有技术，本实用新型的创新性主要体现在：产品骨架层钢丝和橡胶层结构参数的优化。本实用新型从细观力学尺度上把钢丝、內胶层、中胶层和外胶层等不同材料组成的液压胶管作为一种非均匀质结构进行其力学行为的研究，分析各种设计变量对爆破压力、最小弯曲半径和疲劳寿命等关键性能指标的影响关系，在对液压胶管结构参数优化的基础上，最终确定产品的钢丝直径、缠绕角度、径向间隙、轴向间隙和周向间隙等最佳结构参数，通过反复的样品试制，最终实现液压胶管疲劳寿命指标大于110万次，从而得到一种高耐疲劳性钢丝缠绕液压胶管产品，本实用新型基于等应变原则克服了传统胶管结构中第一层钢丝应力大，第四层应力小，材料受力不均勺的缺陷。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型钢丝骨架层的结构示意图。

图3为图2的局部示意图。

图4为本实用新型的轴向间隙示意图。

图5为本实用新型的径向间隙示意图。

具体实施方式

如图1中所示，一种基于等应变原则的钢丝缠绕液压胶管，包括内层管1和外层管2，内层管1与外层管2之间缠绕有至少两层钢丝骨架层4，每层钢丝骨架层4的内侧均包裹有中胶层3，钢丝骨架层4由钢丝缠绕而成，每层钢丝骨架层4的钢丝直径不同，缠绕角度、缠绕半径和缠绕行程均不相同，钢丝之间的间隙包括径向间隙和轴向间隙，所述液压胶管轴向方向上位于同一层的钢丝之间的间隙为轴向间隙，径向方向上，钢丝与其相邻层的钢丝之间的间隙为径向间隙，轴向和径向方向上的钢丝间隙均由中胶层3填充，通过对中胶层材料的挤压而产生流动的形式完成对间隙的填充，起到连接和传递钢丝之间挤压力和剪切力的作用。

中胶层3位于胶管两层钢丝骨架层中间，用以隔离相邻的骨架材料，避免和缓冲钢丝骨架材料在脉冲压力反复作用下的相互摩擦，改善胶管的疲劳性能，延长使用寿命。中胶层应具备与骨架材料粘合性能好以及具有较好流动性能和工艺性能等特点，因此，中胶层起到隔离钢丝和防止渗漏的作用，内层管除了起到传递压力和支撑钢丝的作用外，还有对高压介质作用下起密封作用。为使胶料具有较好的耐油性能、耐疲劳性能、耐脉冲性能、工艺性能和物理性能，外层管主要保护钢丝骨架层不受外界环境影响，具有较好的耐磨性能、耐老化(臭氧、热空气)性能、粘合性能和柔韧性，避免较快老化。

如图2-5中所示，一种基于等应变原则的钢丝缠绕液压胶管，包括四层钢丝骨架层4和六层橡胶层，最里层的橡胶层为内层管1，内层管1外缠绕一层芳纶布作为中胶层与内层管的连接界面，最外层的橡胶层为外层管2，从内层管1向外层管2之间依次缠绕有第一钢丝骨架层41、第二钢丝骨架层42、第三钢丝骨架层43和第四钢丝骨架层44，每层钢丝骨架层4的内侧均包裹有中胶层3。

第一钢丝骨架层41钢丝直径0.6mm，缠绕角度57.6°，缠绕半径10.4 mm，缠绕行程41.4 mm，轴向间隙0.09 mm。缠绕角度为钢丝与胶管轴线之间的夹角，缠绕半径为钢丝直径中心到胶管中心轴之间的距离，缠绕行程为钢丝绕着中心轴缠绕360°后所走的行程，轴向间隙为轴向方向上相邻两根钢丝之间的间隙。

第二钢丝骨架层42钢丝直径0.5mm，缠绕角度-56.8°，缠绕半径10.97 mm，缠绕行程45.6 mm，轴向间隙0.10 mm，径向间隙0.02 mm，径向间隙为径向方向上第一钢丝骨架层41与第二钢丝骨架层42之间的间隙。

第三钢丝骨架层43钢丝直径0.4mm，缠绕角度55.2°，缠绕半径11.44 mm，缠绕行程51.2 mm，轴向间隙0.11 mm，径向间隙0.03 mm，径向间隙为第二钢丝骨架层42与第三钢丝骨架层43之间的间隙。

第四钢丝骨架层44钢丝直径0.3mm，缠绕角度-54.7°，缠绕半径11.82 mm，缠绕行程54.8 mm，轴向间隙0.12 mm，径向间隙0.04 mm，径向间隙为第三钢丝骨架层43之间与第四钢丝骨架层44之间的间隙。

本实用新型的技术方案主要包括以下几个方面：

（1）高耐疲劳性钢丝缠绕液压胶管结构设计准则；

通过液压胶管脉冲疲劳的反复实验，分析其疲劳失效的表现形式及发生机理，液压胶管疲劳失效的形式一般有管体钢丝爆裂和管体介质渗漏两种，特别是管体钢丝爆裂的失效形式最为常见，其失效机理涉及到骨架层钢丝承受的拉力大小、钢胶材料界面粘接强度、橡胶蠕变性能和钢丝与橡胶材料的耐疲劳性能等多种因素。因此，液压胶管中各层钢丝之间的变形控制采用等应变设计原则，使各根钢丝之间的应变差达到最小程度，降低钢丝对中胶层材料的拉伸及剪切变形，进而最大程度减少钢丝之间的直接磨损，提高液压胶管的耐疲劳性能。

一般的结构件在承受载荷时，结构件不同部位对载荷的影响不相同，表现为应变或应力大小不一样，应变小的部位说明结构材料发挥作用小，材料浪费，相反，应变大的部位却是易破坏部位，材料强度不够用，优化设计的目标是结构各部位应变或应力差异不能太大，最理想的目标是相等，故称等应变或等应力设计。

（2）基于等应变原则的高耐疲劳性钢丝缠绕液压胶管的结构参数优化

充分考虑了液压胶管承受脉冲载荷时钢丝在不同方向的应变差值，遵循了钢丝结构的等应变设计原则，同时，选取液压胶管的最小弯曲半径和液压胶管的爆破压力作为状态变量，采用了一阶优化算法，在设计域内求出了液压胶管钢丝骨架层的24个结构参数，优化后四层钢丝应变值接近，克服了传统胶管结构中第一层钢丝应力大，第四层应力小，材料受力不均勺的缺陷。

影响液压胶管耐疲劳性性能的结构设计参数有：①4层钢丝的直径；②4层钢丝的缠绕角度；③4层钢丝径向间隙；④4层钢丝轴向间隙；⑤内胶层直径及厚度；⑥外胶层直径及厚度等共计24个设计变量。

（3）实现高耐疲劳性钢丝缠绕液压胶管钢丝结构参数的关键工艺方法

钢丝缠绕液压胶管的制造方法，包括以下步骤，

（1）预制中胶层：按一定配料比例将中层胶混合材料通过辊压机进行3-4次的反复碾压，碾压成厚度分别是0.2mm、0.27mm、0.35mm和0.4mm，宽度均是40mm的中胶层3；

（2）内层管成型：以直径为16mm圆形钢条作为内层胶的内芯模，在內胶挤出机上挤出内径尺寸16mm，壁厚尺寸2mm的内层管，内层管1的挤出速度保持12-15mm/秒，在内层管1的挤出端安装有制冷机，挤出的内层管1在通过制冷机时迅速进行急剧降温至-35°～-25°，以保证内胶层的硬度达到90HD以上，降温后内层管外径缩小0.00047mm；

（3）通过高速缠绕机的辅助缠绕机构装置，以3kg-5kg的缠绕张力和12-15mm/秒的缠绕速度在冷却的内层管1外面缠绕一层芳纶布作为中胶层与内层管的连接界面，芳纶布是由纤维直径为0.15mm芳纶纤维编织，网格经纬间隙为0.1mm。

（4）通过高速缠绕机将厚度为0.2mm的中胶层3以12-15mm/秒的速度缠绕在由芳纶布构成的连接界面上，通过高速缠绕机将第一钢丝骨架层41缠绕在0.2mm中胶层上，考虑到內胶层温度变化导致的膨胀现象和轴向中胶厚度等因素，设定钢丝的张力为10-12公斤，缠绕速度为2.0-2.5转/分，通过钢丝骨架层的挤压力作用而形成第一个中胶层，在钢丝的缠绕过程中，由于钢丝张力将对中胶带产生挤压与剪切的作用，促使中胶带材料发生流动后进而填充满钢丝之间的径向间隙与轴向间隙；

（5）通过高速缠绕机将厚度为0.27mm的中胶层以12-15mm/秒的速度包裹至第一钢丝骨架层41外，通过高速缠绕机将第二钢丝骨架层42缠绕在0.27mm中胶层外，钢丝的张力为9-11公斤，缠绕速度为2.5-3转/分，通过钢丝层的挤压力作用而形成第二个中胶层；

（6）通过高速缠绕机将厚度为0.35mm的中胶层以12-15mm/秒的速度包裹至第二钢丝骨架层42外，通过高速缠绕机将第三钢丝骨架层43缠绕在0.35mm中胶层外，钢丝的张力为8-10公斤，缠绕速度为3.0-3.5转/分，通过钢丝层的挤压力作用形成第三个中胶层；

（7）通过高速缠绕机将厚度为0.4mm的中胶层以12-15mm/秒的速度包裹至第三钢丝骨架层43外，通过高速缠绕机将第四钢丝骨架层44缠绕在0.4mm中胶层外，钢丝的张力为7-9公斤，缠绕速度为3.5-4转/分，通过钢丝层的挤压力作用而形成第四个中胶层；通过控制中胶带的厚度、宽度及缠绕速度等工艺参数能够达到高耐疲劳性钢丝缠绕液压胶管径向中胶层厚度的结构参数要求；通过控制钢丝的钢丝直径、缠绕角度、缠绕半径、缠绕行程、轴向间隙、径向间隙、钢丝张力及缠绕速度这8个工艺参数就能实现高耐疲劳性钢丝缠绕液压胶管中钢丝缠绕角度和缠绕行程的要求；

（8）通过外胶挤出机在第四钢丝骨架层44外壁上包裹厚度为2mm的均匀外层管2后保持胶管水平位置挤出，得到成型胶管。

以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围。