CN110985789A - 一种钢丝增强液压胶管连接装置以及连接方法 - Google Patents

一种钢丝增强液压胶管连接装置以及连接方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种钢丝增强液压胶管连接装置以及连接方法。包括套筒和芯筒，套筒沿轴向套装固定在芯筒上，套筒和芯筒之间嵌入液压胶管，液压胶管包括内胶层、钢丝增强层和外胶层；套筒内壁表面设置扣牙，套筒的最后一个扣牙处连接降低应力集中的内腔旋转曲面，内腔旋转曲面在包含套筒轴线的剖面上的曲线方程是：
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE001
；本发明的连接装置有效地降低了钢丝增强层和内胶层的应力集中现象，极大地提高了装置连接工作的可靠性。

Description

一种钢丝增强液压胶管连接装置以及连接方法
技术领域
本发明属于钢丝增强液压胶管领域，具体涉及一种钢丝增强液压胶管连接装置以及连接方法。
背景技术
钢丝增强液压胶管是液压系统中的关键零部件之一，它通过一种连接装置与机械工程连接在一起，使胶管成为机械设备中高压流体介质的通道，传递动力和能量，因此，液压胶管的连接系统在工程机械、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：液压胶管连接系统的耐疲劳性能是衡量机械设备产品质量的最核心因素，国标GB/T10544-2013中规定钢丝增强液压胶管脉冲疲劳试验次数必须超过50万次，国际标准ISO18752-2014.4448中则规定脉冲疲劳试验次数必须超过100万次。要把国产液压胶管的质量提升到国际一流水平，需要改进连接装置，提高液压胶管连接系统的脉冲疲劳试验次数。
发明内容
本发明提供一种钢丝增强液压胶管连接装置以及连接方法。
本发明的目的是以下述方式实现的：包括套筒和芯筒，套筒沿轴向套装固定在芯筒上，套筒和芯筒之间嵌入液压胶管，液压胶管包括内胶层、钢丝增强层和外胶层；套筒内壁表面设置扣牙，套筒的最后一个扣牙处连接降低应力集中的内腔旋转曲面，内腔旋转曲面在包含套筒轴线的剖面上的曲线方程是：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；其中原点是剖面上扣牙的牙顶与曲线的连接点，即曲线的起点；X轴平行套筒轴线，正向为最后一个扣牙右侧；Y轴垂直套筒轴线，正向为远离套筒轴线的方向。
套筒沿轴向设置至少三个扣牙，扣牙的牙厚左侧高于右侧。
套筒从左向右的设置三个牙厚一致的扣牙，牙顶圆直径为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
；第四个扣牙的牙厚小于前三个扣牙，牙顶圆直径为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
；第五个扣牙的牙厚小于第四个扣牙且与内腔旋转曲面相连，其扣牙的牙顶圆直径为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
；其中
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
为钢丝增强层外径；∅为套筒直径扣压量；∆为液压胶管承载时钢丝增强层半径方向最大变形量，以上各量长度单位为毫米；牙顶圆直径即扣牙的牙顶所在圆的直径。
芯筒插入液压胶管内孔时，以液压胶管内孔直径为基准设计加工芯筒外径，芯筒与液压胶管呈H7/s6过盈配合。
液压胶管插入套筒内孔时，以液压胶管外径为基准设计加工套筒外径，使套筒与液压胶管呈K7/h6过渡配合。
芯筒包括一体式的头部和连接部，连接部沿轴向依次设置有圆周槽和密封段；套筒一端沿径向设置一凸台，凸台卡入芯筒的圆周槽中。
包括以下步骤：（1）使用剥管机将液压胶管与设备连接端的外胶层剥掉漏出钢丝增强层；（2）将液压胶管连接端钢丝增强层完全插入套筒内，其二者配合关系是K7/h6过渡配合；（3）将芯筒完全插入液压胶管连接端内孔中，其二者配合关系是H7/s6过盈配合；（4）通过扣压机对套筒圆周方向上向轴中心施加4.2—4.6mm的扣压位移，将套筒内的四个扣牙和液压胶管钢丝增强层发生相互接触后产生压缩和弯曲的组合塑性变形，使扣牙与钢丝增强层之间产生不可回弹的齿合接触的连接关系；使液压胶管与套筒成为一种传递液压载荷的整体结构；液压胶管钢丝增强层承受液压载荷后产生的径向变形后与套筒第五个扣牙及内腔旋转曲面发生均匀接触，降低了钢丝增强层和内胶层的弯曲应力。
本发明的有益效果是：本发明的连接装置能够广泛地应用于各类型直径规格为25mm的钢丝增强液压胶管的连接，与传统连接装置相比，被扣压的液压胶管钢丝增强层在承受管腔内的交变压力载荷发生径向变形时，其径向位移变形被套筒的第五个扣牙限制在一个内腔旋转曲面上，从而使其径向的变形量在液压胶管轴向方向呈均匀分布，避免了挠度变形率过大造成弯曲应力集中，有效地降低了钢丝增强层和内胶层的应力集中现象，极大地提高了装置连接工作的可靠性。依据国家标准中对胶管产品进行型试实验的技术规范，通过疲劳实验测量出该装置的最小疲劳寿命可达124万次，性指标达到了国际标准的要求。
附图说明
图1是液压胶管连接装置示意图。
图2是套筒示意图。
图3是套筒第三、四、五扣牙部分放大示意图。
图4是芯筒的一种实施例。
图5是套筒第五扣牙以及内腔旋转曲面与液压胶管未扣压状态示意图。
图6是图5扣压后示意图。
其中，1是芯筒、11是头部、12是圆周槽、13是密封段、2是套筒、20是扣牙、21是内腔旋转曲面、22是凸台、3是液压胶管、30是外胶层、31是钢丝增强层、32是内胶层。
具体实施方式
传统的液压胶管连接装置存在的缺陷是：液压胶管3钢丝增强层31在承受压力载荷时会发生弯曲变形且变形量随着压力级别的增大而增大，在弯曲曲率最大的部位产生应力集中现象。随着交变压力载荷疲劳次数增加达到一定程度，经过大量的实验观察一般在30-40万次时，液压胶管3连接部位的内胶层会出现环形疲劳裂纹后发生漏液现象，导致液压胶管3的工作状态出现失效。
通过对传统的液压胶管连接装置扣压过程和工作过程进行计算机仿真分析，结合胶管材料失效机理的实验，确定液压胶管3连接部位发生漏液现象的原因在于钢丝增强层31和内胶层32的材料在脉冲疲劳工作状态下产生应力集中现象，从而导致了内胶层32橡胶材料出现裂纹的产生与扩展演化，最后导致内胶层32橡胶材料裂纹贯穿出现漏液现象。计算机仿真分析和材料疲劳失效机理表明：降低内胶层材料承受载荷时的应力值能够明显提高材料疲劳失效的次数。
以下结合附图以及具体实施例，对发明的技术方案进行详细描述。应当说明的是，本申请中所述的“连接”和用于表达“连接”的词语，如“相连接”、 “相连”等，既包括某一部件与另一部件直接连接，也包括某一部件通过其他部件与另一部件相连接。
如图1-6所示，一种钢丝增强液压胶管连接装置，包括套筒2和芯筒1，套筒2沿轴向套装固定在芯筒1上，套筒2和芯筒1之间嵌入液压胶管3，液压胶管3包括内胶层32、钢丝增强层31和外胶层30。套筒2内壁表面设置扣牙20。套筒2的最后一个扣牙20处连接减小应力集中的内腔旋转曲面21，内腔旋转曲面21在包含套筒轴线的平面上的曲线方程是：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
；其中原点是剖面上扣牙20的牙顶线与曲线的连接点，即曲线的起点；X轴平行套筒2轴线，正向为最后一个扣牙20右侧；Y轴垂直套筒2轴线，正向为远离套筒2轴线的方向。扣牙20的牙顶是指扣牙20与套筒2轴线接近的一面。内腔旋转曲面21一端与扣牙20牙顶面相连，另一端向远离扣牙20的斜上方延伸，大体延伸方向类似于锥面，但是与普通的锥面不同。液压胶管3中流动的介质是一种高压流体，由于大多数机械装置传递的动力是一种交变脉冲载荷，因此，液压胶管3中介质流动的速度和加速度都比较大且变化频率较高，造成液压胶管3中的钢丝增强层31和内胶层32材料伴随脉冲载荷反复地出现扩张和收缩现象。传统的套筒2只有扣牙20结构，被扣压的钢丝增强层31和内胶层32材料承受交变压力载荷，其径向挠度变形率即指变形的变化程度“突变”而使液压胶管钢丝增强层31和内胶层32产生 “集中”的弯曲应力，该集中弯曲应力长时间交变发生导致了连接装置断裂与失效。通过对连接装置进行应力分析，计算出最后扣牙20位置液压胶管3的变形量函数，从而设计出与之对应内腔旋转曲面21，从而有效的减小应力集中现象的发生。本发明的连接装置主动降低了“断裂”部位的最大应力值，从而克服了传统接头连接装置可靠性较低的缺陷，极大地提高了胶管连接系统的工作稳定性，使疲劳次数达到130万次以上，超过了国际标准ISO18752-2014中规定的DC等级产品疲劳次数100万次的要求。
套筒2沿轴向设置至少三个扣牙20，扣牙20的厚度变化总趋势是左侧高于右侧。具体实施例中，套筒2从左向右的设置三个牙厚一致的扣牙20，牙顶圆直径为
Figure 165997DEST_PATH_IMAGE002
；第四个扣牙20的牙厚小于前三个扣牙20，牙顶圆直径为
Figure 348716DEST_PATH_IMAGE003
；第五个扣牙20的牙厚小于第四个扣牙20且与内腔旋转曲面21相连，其扣牙20的牙顶圆直径为
Figure 128454DEST_PATH_IMAGE004
；其中
Figure 976193DEST_PATH_IMAGE005
为钢丝增强层31外径；∅为套筒2直径扣压量；∆为钢丝增强层31承载时半径最大变形量，长度单位为毫米；牙顶圆直径是扣牙20的牙顶所在圆的直径。需要说明的是，描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
前三个扣牙20形状为不等腰梯形，该形状能保证扣压时扣牙20对液压胶管3的钢丝增强层31产生轴向推力，从而避免扣压时钢丝增强层31变形时出现的“后退”现象。扣压时，扣牙20与钢丝增强层31产生直接接触后发生弹性-塑性变形后产生相互锁死现象，使二者连接成为一体化结构，传递了液压胶管3和套筒2之间的主要承载力。同时，由于钢丝增强层31直径变小后推动内胶层32贴合芯筒1表面，使内胶层32内表面产生凸凹状的密封环，起到了连接装置对液压介质的密封作用。第四个扣牙20形状与前三个扣牙20形状相似，区别是高度与前三个扣牙20相比高度较低。第四个扣牙20由于高度降低，对钢丝增强层31的扣压作用减少，导致内胶层32厚度变形量降低，避免了钢丝增强液压胶管传统连接方法中内胶层32由于扣压变形后产生轴向流动导致局部增厚而出现的“内胶层32与钢丝增强31层分离”现象。该现象也是导致内胶层32渗漏引发疲劳失效的主要原因。前3个扣牙20截面呈梯形，具体形状可以是梯形顶宽1mm，顶高3mm，左斜边宽度1mm，右斜边宽度2mm；第四个扣牙顶高的高度低些。第五个扣牙20形状与前四个扣牙20形状相似，差别是扣牙20高度较低，其截面近似呈梯形，梯形顶宽1mm，顶高1.75mm，左斜边宽度1mm，右斜边宽度6mm。第五个扣牙20的牙顶在实施扣压后与胶管钢丝增强层31外表面仍存在着很小的间隙，液压胶管3承载后钢丝增强层31直径出现增大现象，此时，第五个扣牙20的牙顶与钢丝增强层31外面产生接触压力后约束了钢丝增强层31的变形，该扣牙20限制了钢丝增强层31直径总变形量的30%左右。与第五个扣牙20相连接的内腔旋转曲面21在扣压后与钢丝增强层31外表面也存在大小不等的间隙，这种间隙值的大小是由内腔旋转曲面21的曲线方程所决定。方程是根据材料力学的原理，通过求解液压胶管3承受压力载荷时钢丝增强层直径变形理论而计算出来的。图5是胶管与连接装置未承受液压载荷时的结构示意图。图6所示则是液压胶管3承载后钢丝增强层31与内腔旋转曲面21相对应部分同样也会出现直径增大的现象，内腔旋转曲面21全面与钢丝增强层31外面发生接触，由于曲面形状与钢丝增强层31变化形状相吻合，因此，内腔旋转曲面21对钢丝增强层31的约束作用大小是一样的，降低了钢丝增强层31弯曲变形产生的最大弯曲应力，避免了钢丝增强液压胶管传统连接方法中容易产生的“应力集中”现象而导致钢丝增强层断裂和疲劳次数低等缺陷。
芯筒1插入液压胶管3内孔时，以液压胶管3内孔直径为基准设计加工芯筒1，芯筒1与液压胶3管呈H7/s6过盈配合。降低了液压胶管3内胶层32连接部位胶料的流动变形量和液压胶管内胶层32与钢丝增强层31之间的内应力，减少了液压胶管内胶层32与钢丝增强层31“剥离”现象。液压胶管3插入套筒2内孔时，以液压胶管3外径为基准设计加工套筒2，使套筒2与液压胶管3呈K7/h6过渡配合。即保证了液压胶管3顺利连接装配，又降低了套筒2需要的径向无效扣牙位移。
芯筒1包括一体式的头部11和连接部，连接部沿轴向依次设置有圆周槽12和密封段13；套筒2一端沿径向设置一凸台22，凸台22卡入芯筒1的圆周槽12中。套筒2为普通碳素钢。钢丝增强层31是高强度碳素钢。芯筒1采用高碳钢材料，其密封段13外表设置的密封槽深度可以降低为0.3mm，提高芯筒1在扣压时的弹性模量，减少其径向方向变形量。液压胶管内胶层32的橡胶面与芯筒1外表面产生过盈配合关系后起到密封作用，保证液压介质不渗漏。液压胶管3的钢丝增强层31外表面与套筒2内的扣牙20产生压缩变形后产生紧固连接关系，传递胶管轴向载荷。芯筒1的头部11设置有锥孔，通过法兰固定与机械设备端部锥头形成密封固定关系，液压系统实现液压管路连通，保证液压介质比如液压油、水、气体等在高压条件下无渗漏地循环流动，从而传递动力和能量。
一种钢丝增强液压胶管连接装置的连接方法，包括以下步骤：（1）使用剥管机将液压胶管3与设备连接端的外胶层30剥掉漏出钢丝增强层31；（2）将液压胶管3连接端钢丝增强层31完全插入套筒2内，其二者配合关系是K7/h6过渡配合；（3）将芯筒1完全插入液压胶管3连接端内孔中，其二者配合关系是H7/s6过盈配合；（4）通过扣压机对套筒2圆周方向上向轴中心施加4.2—4.6mm的扣压位移，将套筒2内的四个扣牙20和液压胶管钢丝增强层31发生相互接触后产生压缩和弯曲塑性变形，使扣牙20与钢丝增强层31之间产生不可回弹的齿合接触的连接关系；液压胶管钢丝增强层31承受压力载荷产生的径向变形后与套筒2第五个扣牙20及内腔旋转曲面21发生均匀接触，降低了钢丝增强层31和内胶层32的弯曲应力。其中，步骤（1）剥胶长度根据实际需要确定。可以为轴向50到70mm。步骤（3）中保证芯筒1垂直悬挂时不脱落；同时内胶层32与芯筒1之间产生接触压力导致内胶层32出现流动变形，填充芯筒1表面密封槽达到密封作用。步骤（4）中四个扣牙20与钢丝增强层31之间齿合接触连接关系产生的界面力承担了液压胶管3承受压力载荷产生的轴向变形力，保证了连接强度。
本发明的连接装置能够广泛地应用于各类型直径规格为25mm的钢丝增强液压胶管的连接，与传统连接装置相比，降低了钢丝增强层31和内胶层32的应力集中现象，极大地提高了装置连接工作的可靠性。依据国家标准中对胶管产品进行型试实验的技术规范，通过疲劳实验测量出该装置的最小疲劳寿命可达124万次，主要标志性指标达到了预期的设计要求。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。而且，对于本领域普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理的精神的情况下对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型都在本说明书的范围内。依据该原理设计，具有相同结构特征，用于其它直径规格系列的钢丝增强液压胶管连接装置的发明内容一样受到保护。

Claims (7)

1.一种钢丝增强液压胶管连接装置，包括套筒和芯筒，套筒沿轴向套装固定在芯筒上，套筒和芯筒之间嵌入液压胶管，液压胶管包括内胶层、钢丝增强层和外胶层；套筒内壁表面设置扣牙，其特征在于：所述套筒的最后一个扣牙处连接降低应力集中的内腔旋转曲面，内腔旋转曲面在包含套筒轴线的剖面上的曲线方程是：
Figure 729336DEST_PATH_IMAGE001
；其中原点是剖面上扣牙的牙顶与曲线的连接点，即曲线的起点；X轴平行套筒轴线，正向为最后一个扣牙右侧；Y轴垂直套筒轴线，正向为远离套筒轴线的方向。
2.根据权利要求1所述一种钢丝增强液压胶管连接装置，其特征在于：所述套筒沿轴向设置至少三个扣牙，扣牙的牙厚左侧高于右侧。
3.根据权利要求2所述一种钢丝增强液压胶管连接装置，其特征在于：所述套筒从左向右的设置三个牙厚一致的扣牙，牙顶圆直径为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；第四个扣牙的牙厚小于前三个扣牙，牙顶圆直径为
Figure DEST_PATH_IMAGE003
；第五个扣牙的牙厚小于第四个扣牙且与内腔旋转曲面相连，其扣牙的牙顶圆直径为
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；其中
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为钢丝增强层外径；∅为套筒直径扣压量；∆为液压胶管承载时钢丝增强层半径方向最大变形量，以上各量长度单位为毫米；牙顶圆直径即扣牙的牙顶所在圆的直径。
4.根据权利要求1-3任一所述一种钢丝增强液压胶管连接装置，其特征在于：芯筒插入液压胶管内孔时，以液压胶管内孔直径为基准设计加工芯筒外径，芯筒与液压胶管呈H7/s6过盈配合。
5.根据权利要求1-3任一所述一种钢丝增强液压胶管连接装置，其特征在于：所述液压胶管插入套筒内孔时，以液压胶管外径为基准设计加工套筒外径，使套筒与液压胶管呈K7/h6过渡配合。
6.根据权利要求1-3任一所述一种钢丝增强液压胶管连接装置，其特征在于：所述芯筒包括一体式的头部和连接部，连接部沿轴向依次设置有圆周槽和密封段；套筒一端沿径向设置一凸台，凸台卡入芯筒的圆周槽中。
7.使用权利要求3所述一种钢丝增强液压胶管连接装置的连接方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）使用剥管机将液压胶管与设备连接端的外胶层剥掉漏出钢丝增强层；（2）将液压胶管连接端钢丝增强层完全插入套筒内，其二者配合关系是K7/h6过渡配合；（3）将芯筒完全插入液压胶管连接端内孔中，其二者配合关系是H7/s6过盈配合；（4）通过扣压机对套筒圆周方向上向轴中心施加4.2—4.6mm的扣压位移，将套筒内的四个扣牙和液压胶管钢丝增强层发生相互接触后产生压缩和弯曲的组合塑性变形，使扣牙与钢丝增强层之间产生不可回弹的齿合接触的连接关系；使液压胶管与套筒成为一种传递液压载荷的整体结构；液压胶管钢丝增强层承受液压载荷后产生的径向变形后与套筒第五个扣牙及内腔旋转曲面发生均匀接触，降低了钢丝增强层和内胶层的弯曲应力。
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