天津格特斯檢測設(shè)備

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1 前言

汽車動力總成，無論是發(fā)動機(jī)還是電池，都需要將零件工作時吸收的熱量及時散發(fā)出去，保證在最適宜的狀態(tài)下工作。需要冷卻的總成還有空調(diào)系統(tǒng)、選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、緩速器系統(tǒng)等。因此汽車中都存在復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)，其中的零件通過管路進(jìn)行連接。冷卻系統(tǒng)管路包括金屬管和軟管，軟管可以采用橡膠管、尼龍管、熱塑性彈性體管或其它塑料管，但是采用橡膠管居多。橡膠管具有良好的彈性，減振性能好，一般采用卡箍連接，維修方便，深受用戶歡迎。但是隨著冷卻系統(tǒng)溫度和壓力提升、用戶使用要求提高等，冷卻膠管質(zhì)量問題增多，尤其是載貨汽車和客車用戶反饋膠管出現(xiàn)滲漏、膨脹甚至爆裂、脫落等質(zhì)量問題較多。針對出現(xiàn)的質(zhì)量問題，進(jìn)行了大量試驗(yàn)，找出損壞原因和解決方法，大幅度提升膠管的可靠性和使用壽命。

2 膠管爆裂問題的解決

膠管爆裂會造成冷卻液流失，發(fā)動機(jī)或其它需冷卻的系統(tǒng)停止工作，汽車無法行駛，用戶提出索賠，造成惡劣影響。

案例1，散熱器膠管爆裂（圖1）。該膠管為重型載貨汽車散熱器膠管，外徑為60 mm，壁厚5 mm，工作壓力最高0.2 MPa，工作溫度最高120℃。膠管的內(nèi)外橡膠層材料為三元乙丙橡膠（EPDM），增強(qiáng)層為芳綸線繩。對損壞膠管和同批次生產(chǎn)的膠管進(jìn)行試驗(yàn)分析。

圖1 爆裂的散熱器膠管

首先對同批次新膠管進(jìn)行壓力試驗(yàn)。膠管爆破壓力為0.6MPa。一般要求膠管的爆破壓力為工作壓力的3～5倍，才能滿足長期使用要求。按照最高工作壓力0.2MPa計(jì)算，膠管爆破壓力為工作壓力的3倍，有一定風(fēng)險(xiǎn)。

對損壞膠管進(jìn)行分析，膠管爆裂位置為對偶面金屬凸臺位置，金屬凸臺存在尖角，對膠管內(nèi)壁造成一定磨損，內(nèi)膠層有損壞的痕跡。內(nèi)膠層的磨損和開裂，降低了膠管的耐壓性能，造成使用過程中爆裂。

對膠管進(jìn)行質(zhì)量改進(jìn)，將膠管的線繩直徑從800旦提高到1500旦，膠管的爆破壓力從0.6 MPa上升到1.0MPa以上。同時對對偶面的金屬件進(jìn)行凸臺的倒角加工，凸臺邊緣倒圓角，防止損壞膠管。綜合以上措施，該膠管爆裂問題解決。

案例2，空調(diào)冷卻膠管爆裂（圖2）。爆裂的空調(diào)冷卻膠管外徑為24 mm，壁厚3.5 mm，長度1.2 m，工作壓力最高0.1MPa，工作溫度最高120℃。膠管的內(nèi)外橡膠層材料為EPDM橡膠，增強(qiáng)層為聚酯線繩。

圖2 爆裂的空調(diào)冷卻膠管

通過對同批次新膠管進(jìn)行壓力試驗(yàn)，膠管爆破壓力為0.8MPa。之后在損壞膠管上截取300 mm未損壞的一段，進(jìn)行壓力試驗(yàn)，膠管在0.3 MPa時爆裂。膠管耐壓性能降低的原因?yàn)榫埘ゾ€繩耐熱性能較差，長期在高溫下使用容易產(chǎn)生老化現(xiàn)象，強(qiáng)度大幅度降低。膠管的耐壓性能，主要取決于增強(qiáng)層，增強(qiáng)材料強(qiáng)度下降，膠管的承壓能力也會下降。

之后對膠管進(jìn)行質(zhì)量提升，將增強(qiáng)層由聚酯線繩改為芳綸線繩，提高了線繩的強(qiáng)度和耐熱性能，也提高了膠管的長期耐熱后的承壓性能。

案例3，緩速器冷卻膠管爆裂。緩速器對于經(jīng)常在山區(qū)或丘陵地帶行駛的汽車，能夠使車輛在下長坡時長時間而持續(xù)地減低或保持穩(wěn)定車速并減輕或解除行車制動器的負(fù)荷，適用于總質(zhì)量在5t以上的客車和12t以上的貨車。國外已經(jīng)有強(qiáng)制性法規(guī)規(guī)定相關(guān)車型必須安裝緩速器，國內(nèi)用戶也為了安全考慮越來越多地選擇安裝緩速器的車型。緩速器冷卻膠管一般直徑比較大，有些老車型加裝緩速器后空間比較緊張，導(dǎo)致膠管布置出現(xiàn)一些問題，早期爆裂案例比較多。經(jīng)過失效分析，干涉、磕碰、不匹配等問題逐步解決，膠管損壞逐漸減少。典型案例如圖3。

圖3 爆裂的緩速器冷卻膠管

對同批次新膠管進(jìn)行壓力試驗(yàn)，膠管爆破壓力為1.2 MPa左右，可以滿足使用要求。膠管損壞件爆裂位置局部膨脹嚴(yán)重，但試驗(yàn)過程中并未發(fā)現(xiàn)局部膨脹現(xiàn)象。分析局部膨脹部分橡膠材料，發(fā)現(xiàn)石油基油脂的成分存在。膠管內(nèi)外橡膠層采用EPDM橡膠，EPDM橡膠耐冷卻液、制動液、水等介質(zhì)性能較好，但耐油性非常差。通過試驗(yàn)，膠管在機(jī)油中浸泡后，體積增加300%，嚴(yán)重膨脹，見圖4。

圖4 膠管耐機(jī)油膨脹

通過膠管裝車位置分析，膠管上方安裝加機(jī)油標(biāo)尺。司機(jī)在查看加機(jī)油標(biāo)尺過程中，機(jī)油滴落到膠管上，造成膠管局部溶脹失效，產(chǎn)生爆裂現(xiàn)象。解決措施就是在膠管上增加一層防護(hù)層，普通聚丙烯或聚乙烯熱收縮管在高溫下長期使用會產(chǎn)生老化脫落，因此選用尼龍防護(hù)層，成本增加較多。因此，新車型設(shè)計(jì)時，緩速器冷卻膠管的布置避開了容易產(chǎn)生污染的油脂，該問題解決。

膠管產(chǎn)生爆裂的原因還有很多。比如橡膠耐熱性能較差，長期使用產(chǎn)生龜裂，見圖5，也容易使膠管爆裂。膠管配合的金屬件邊緣有尖角毛刺，也會損傷膠管，造成膠管爆裂。如果膠管設(shè)計(jì)的局部變徑較大，導(dǎo)致局部線繩強(qiáng)度降低，也容易產(chǎn)生爆裂。還有膠管安裝扭曲或彎曲半徑過小，也會降低膠管使用壽命，見圖6。膠管的使用過程中有干涉現(xiàn)象，磨損膠管，也會產(chǎn)生早期損壞。因此深入用戶調(diào)查、細(xì)致的失效分析、針對性的試驗(yàn)研究，才能找到膠管損壞的真因，及時解決質(zhì)量問題。

圖5 橡膠耐熱龜裂

圖6 膠管安裝不當(dāng)

3 膠管脫落問題的解決

膠管脫落比爆裂影響更為惡劣。而且膠管脫落原因比較復(fù)雜，涉及膠管、卡箍、連接的金屬件等。

案例1，配合的金屬件質(zhì)量問題造成膠管脫落（圖7），存在質(zhì)量問題的金屬管見圖8。

圖7 膠管與金屬管脫落

膠管出現(xiàn)批量脫落現(xiàn)象，首先對膠管進(jìn)行試驗(yàn)，沒有發(fā)現(xiàn)明顯質(zhì)量問題。之后對卡箍進(jìn)行試驗(yàn)，也沒有質(zhì)量問題。到裝配現(xiàn)場進(jìn)行失效分析，發(fā)現(xiàn)配合的鋼管質(zhì)量問題比較嚴(yán)重。鋼管上的凸臺高度明顯不夠，甚至沒有形成可以限制膠管移動的凸臺，只是局部變徑，難以滿足膠管的卡接要求。而且鋼管端部存在凸凹不平，容易形成泄漏。

圖8 存在問題的金屬管

鋼管生產(chǎn)廠接到整改通知后，配制了新的加工卡具，加工出符合要求的凸臺，膠管批量脫落問題得到解決。

案例2，膠管的質(zhì)量問題造成長期使用后脫落。

膠管長期使用后出現(xiàn)脫落，一般有兩方面原因。一方面是橡膠的壓縮永久變形比較大，導(dǎo)致膠管長期壓縮后回彈小，膠管與卡箍之間出現(xiàn)松動，導(dǎo)致脫落。另一方面是膠管與線繩的粘接強(qiáng)度低，在長期振動、脈沖和高溫的使用環(huán)境下，膠管出現(xiàn)膨脹，線繩在膠管內(nèi)部產(chǎn)生收縮，膠管端部強(qiáng)度降低，脫落卡箍。

對出現(xiàn)問題的膠管進(jìn)行壓縮永久變形試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為120℃，時間為24 h，壓縮率為50%，樣品在膠管端部裁切。試驗(yàn)結(jié)果膠管的壓縮永久變形為92%，幾乎不回彈。為了改善膠管的壓縮永久變形性能，對橡膠材料進(jìn)行改進(jìn)，主要是改進(jìn)了硫化體系，從硫磺硫化改為過氧化物硫化，使橡膠的耐高溫性和壓縮回彈性都明顯提升，同時提高了橡膠配方中的含膠率，也選用了回彈性更好的原膠。改進(jìn)后的橡膠材料擠出膠管，再次進(jìn)行壓縮永久變形試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為75%，能夠滿足使用要求。

之后，進(jìn)行了粘接強(qiáng)度試驗(yàn)。在常溫、高溫試驗(yàn)（120℃/96 h）后、耐冷卻液試驗(yàn)（120℃/120 h）后，分別在膠管上取樣，按GB/T 14905—2009標(biāo)準(zhǔn)裁切8型試樣，進(jìn)行粘接強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果分別為常溫1.6 kN/m、高溫試驗(yàn)后1.7 kN/m、耐冷卻液試驗(yàn)后0.8 kN/m。試驗(yàn)結(jié)束后，觀察剝離開的膠管試樣，發(fā)現(xiàn)膠管的內(nèi)膠層和外膠層的橡膠硫化粘接在一起，而芳綸線繩懸浮其中，與橡膠未粘接。所以雖然膠管內(nèi)外膠層之間有一定的粘接強(qiáng)度，但芳綸線繩可以在一定范圍內(nèi)活動。芳綸線繩強(qiáng)度很高，伸長率非常低，膠管振動和膨脹過程中，活動的芳綸線繩切割橡膠，不斷擴(kuò)大活動范圍，從端頭位置抽離，造成膠管的脫落。

EPDM橡膠主要由乙烯和丙烯組成，分子主鏈?zhǔn)遣缓p鍵的飽和結(jié)構(gòu)，只在側(cè)鏈上含有少量的不飽和雙鍵，因此分子惰性較強(qiáng)，粘接性較差，是一種難粘材料。而芳綸纖維大分子鏈上缺少活性基團(tuán)，也屬于粘接困難的材料。因此國內(nèi)很多膠管生產(chǎn)企業(yè)對EPDM橡膠和增強(qiáng)的芳綸線繩都不粘接，短時間使用或在低溫靜止條件下使用沒有問題。但是汽車?yán)鋮s膠管使用條件惡劣，長期在高溫下承受振動、脈沖等，膠管就會出現(xiàn)脫落等質(zhì)量問題。解決問題的措施包括芳綸線繩浸漬膠黏劑處理、EPDM橡膠配方考慮粘接問題、在線涂膠等。通過以上措施的落實(shí)，芳綸線繩與EPDM橡膠粘接在一起，長期使用可靠性提升，脫落問題也逐漸減少。

引起膠管脫落的原因還有卡箍斷裂或松動、異常受力干涉、裝配扭曲等，比較少見，也容易解決。

4 膠管滲漏問題解決

膠管滲漏是比較常見的質(zhì)量問題，見圖9，屬于汽車“三漏”質(zhì)量問題中典型的漏液問題。導(dǎo)致膠管滲漏的原因很多，徹底解決的難度也比較大。

圖9 膠管滲漏

為了解決膠管滲漏問題，設(shè)計(jì)了PVT（脈沖-振動-高低溫綜合）試驗(yàn)。根據(jù)膠管使用部位不同，脈沖壓力不同，分為200 kPa、250 kPa、300 kPa三檔。試驗(yàn)溫度高溫為120℃，低溫為-40℃。振動頻率和位移根據(jù)實(shí)際使用情況有所不同，分為3種情況：以8 mm的振幅和16 mm的總位移、10 Hz的頻率進(jìn)行振動；以12.5 mm的振幅和25 mm的總位移、0.5 Hz的頻率進(jìn)行振動；無振動，僅進(jìn)行脈沖試驗(yàn)。

針對不同車型、不同部位使用的膠管，分別進(jìn)行膠管和卡箍的PVT試驗(yàn)，并在試驗(yàn)后對膠管和卡箍進(jìn)行失效分析；如未失效，則進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)分析，包括進(jìn)行爆破試驗(yàn)、粘接強(qiáng)度試驗(yàn)等，對比膠管和卡箍性能衰減情況。經(jīng)過多輪試驗(yàn)，不但掌握了PVT試驗(yàn)的試驗(yàn)方法和關(guān)鍵影響因素，而且總結(jié)出膠管滲漏的主要原因如下。

a.低溫滲漏，PVT試驗(yàn)可以模擬低溫實(shí)際使用條件下膠管的滲漏情況，試驗(yàn)過程中多次出現(xiàn)低溫條件下冷卻液從接頭處滲出的情況，一般為微滲漏，試驗(yàn)溫度恢復(fù)高溫后停止?jié)B漏。

橡膠具有一定彈性，在壓縮條件下，利用橡膠的回彈力可以保持一定的密封力。在低溫條件下，橡膠彈性降低，硬度增加，膠管與卡箍之間密封力減少，在振動情況下出現(xiàn)微小縫隙，導(dǎo)致微滲漏。

解決低溫滲漏，一方面應(yīng)改進(jìn)橡膠耐低溫性能，增加低溫下的彈性?？梢圆捎玫蜏貕嚎s永久變形試驗(yàn)來測試橡膠低溫壓縮回彈性能，這項(xiàng)試驗(yàn)需要在低溫環(huán)境下進(jìn)行測試，否則取出試樣，橡膠的回彈性立即恢復(fù)，無法模擬低溫環(huán)境的實(shí)際使用狀況。

另一方面，需改進(jìn)卡箍性能?？ü咳鐜в幸欢ㄑa(bǔ)償功能，則可以有效避免低溫滲漏?？ü吭诘蜏貤l件下也應(yīng)保持一定彈性，并保持?jǐn)Q緊力矩不會大規(guī)模衰減。

b.高溫滲漏，高溫情況下，橡膠硬度降低，耐壓能力減弱。在壓力的作用下，膠管會產(chǎn)生膨脹，膠管連接部位會受到拉伸力，導(dǎo)致膠管局部收縮并變薄，膠管與卡箍之間密封力降低，導(dǎo)致膠管滲漏。

對膠管進(jìn)行高溫膨脹率試驗(yàn)。在130℃高溫下，壓力為0.3 MPa，膠管的膨脹率為15%以下，可以滿足使用要求。如果超過15%，膠管嚴(yán)重膨脹，甚至產(chǎn)生局部膨脹，如圖10，就會出現(xiàn)滲漏、爆裂、脫落等質(zhì)量問題。

圖10 膠管高溫壓力下局部膨脹

c.膠管回彈性差導(dǎo)致滲漏，膠管在高溫下壓縮回彈性能下降，產(chǎn)生永久變形，如果卡箍不能適當(dāng)補(bǔ)償膠管的變形量，卡箍和膠管之間的密封力下降，就會產(chǎn)生滲漏。解決措施一方面提高橡膠的高溫下壓縮回彈性能，另一方面采用彈性較好或具有補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的卡箍。

d.膠管或連接金屬管局部不平整導(dǎo)致滲漏，膠管的口徑較大并且壁厚較小時，如果硫化工藝控制不好，則容易產(chǎn)生凸楞，見圖11。凸楞使膠管內(nèi)表面產(chǎn)生凸凹不平，降低了卡箍緊固膠管的橡膠壓縮量，使橡膠與金屬管之間出現(xiàn)縫隙，使用時冷卻液容易從縫隙滲漏。改進(jìn)擠出和硫化工藝，同時適當(dāng)增加膠管壁厚，可以避免凸楞產(chǎn)生。

如果膠管配合的金屬管表面存在凸凹不平、劃傷、孔隙等缺陷，也會導(dǎo)致滲漏現(xiàn)象，見圖12。如果金屬管是涂油漆防腐，應(yīng)采用高溫油漆，否則在高溫使用環(huán)境下，油漆脫落，堆積在連接處，也容易導(dǎo)致膠管在連接處滲漏。

圖11 膠管內(nèi)表面凸楞

圖12 金屬管劃傷

5.檢測設(shè)備

設(shè)備名稱：PVT水脈沖試驗(yàn)臺

該試驗(yàn)臺可以對管路進(jìn)行振動加壓試驗(yàn)、脈沖試驗(yàn)、PVT（壓力、振動、溫度）綜合測試。試驗(yàn)臺模擬管路工作的實(shí)際工況，將試驗(yàn)工件并接在一個具有壓力、溫度、流量的封閉式循環(huán)回路中。使其達(dá)到實(shí)際使用的狀態(tài)，同時進(jìn)行振動疲勞壽命檢測，并最終確定其產(chǎn)品的性能。主要部件全部采用的進(jìn)口優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，提高了試驗(yàn)機(jī)使用的壽命。也降低了維修成本。試驗(yàn)機(jī)采用全自動控制，設(shè)定好參數(shù)以后自動運(yùn)行，適合無人值守。

適用標(biāo)準(zhǔn)：

FIAT: PF90080 9.3.1/PF90080 9.3.2 

NISSAN  Daimler : A2100064099

FORD：WSS-M96D14-A4 §3.18、ES-DG93-8260-AA §3.15§3.20

ESDG93-8C012-AA §3.13 §3.16、ESDG93-18B402-AA §3.11

JLR：TPJLR-03-058 

RSM：39-06-008/C §5.2.6/39-06-203

GMW 14785 Coolant Joint Pressure Vibration Temperature (PVT) Cycle Test

菲亞特9.02245

菲亞特PF.90090

福特C-06Hose_ENGINEERING_SPEC_QUICK_CONNECT_ESDG93-18B402-AA_(2015-01-15)

ESDG93-8C012-AA Plastic Hose Spec

ESDG93-8260-AA_RevB_冷卻管工程規(guī)范 (1)

大眾TL52361

菲亞特9.02136 01

菲亞特9.02136_0

菲亞特DBL 6254 2005

菲亞特MS-EA-121 (2)

福特WSE-M96D34-A1(A4)對(位)芳香族纖維增強(qiáng)

福特WSE-M96D38-A1(A4)冷卻劑，直管，異形管或支管

冷卻軟管MG.RES.22.RU.17

路虎EPDM technology agreemen

路虎TPJLR-03-017

馬自達(dá)MES PA 15185A

三菱ES-X 60032內(nèi)增強(qiáng)層橡膠軟管-用于水線

三菱ES-X25020 零件標(biāo)準(zhǔn) 散熱器軟管

上汽SMTC 5 320 001 冷卻系統(tǒng)用三元乙丙橡膠（EPDM）密封件材料要求(20130531)

上汽SMTC 5 320 003 冷卻系統(tǒng)用EPDM膠管材料要求(20130531)

上汽SMTC 9 313 001 冷卻液管路(20150425)

通用GM6278M耐發(fā)動機(jī)冷卻液軟管

沃爾沃31813157 冷卻系統(tǒng)用塑料軟管

沃爾沃8888162947橡膠軟管，冷卻系統(tǒng)

通用GMW16295-2015

GB/T 18948內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)用橡膠軟管和純膠管規(guī)范等；

試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)介質(zhì)：水-乙二醇混合溶液，防凍液等；

試驗(yàn)壓力：1~12bar(可任意設(shè)定）

試驗(yàn)頻率：0.05- 2Hz，自動控制；

脈沖波形：正弦波、三角波、梯形波、類似方波、直線波等；

流量范圍：12～120L/min，可調(diào)節(jié)；

介質(zhì)溫度：-40~150℃±2℃，交變非線性控制；

環(huán)境溫度：-45 ~ 180℃±2℃，交變線性控制；

最大測試件數(shù)：1～8件；

XYZ三軸振動：頻率范圍0~20Hz，振幅：0~±50mm可調(diào)；

電磁振動：垂直方向，頻率3～2000Hz，P-P位移51mm。

6 總結(jié)

液壓冷卻是汽車關(guān)鍵發(fā)熱部件冷卻的主要方式。冷卻管路中的膠管是承受高溫高壓和振動的薄弱環(huán)節(jié)，容易出現(xiàn)質(zhì)量問題。完善質(zhì)量管理體系，制定針對性的標(biāo)準(zhǔn)，合理選用材料和工藝，合理設(shè)計(jì)和安裝使用，才能徹底解決質(zhì)量問題。

     天津格特斯（GTS）檢測設(shè)備技術(shù)開發(fā)有限公司是行業(yè)領(lǐng)先的承壓部件檢測設(shè)備提供商，致力于把專業(yè)的檢測設(shè)備帶入每個企業(yè)。我們在汽車、工程機(jī)械、煤炭、石油、航空航天、船舶重工等領(lǐng)域?yàn)榭蛻籼峁┯懈偁幜?、穩(wěn)定、安全、高效、智能的檢測設(shè)備以及解決方案和服務(wù)；我們的產(chǎn)品主要有脈沖試驗(yàn)臺、爆破試驗(yàn)臺、冷熱循環(huán)試驗(yàn)臺、冷熱沖擊試驗(yàn)臺、內(nèi)部腐蝕試驗(yàn)臺、真空試驗(yàn)臺、氣密試驗(yàn)臺、保壓試驗(yàn)臺等；產(chǎn)品均通過CE、CSA等認(rèn)證，格特斯發(fā)展至今，客戶遍布全世界，獲得了幾十項(xiàng)發(fā)明專利及榮譽(yù)證書，始終聚焦引領(lǐng)檢測設(shè)備行業(yè)技術(shù)，以研發(fā)生產(chǎn)更先進(jìn)、更穩(wěn)定、更智能、更安全的檢測設(shè)備為己任，希望能夠?yàn)槟峁I(yè)的解決方案和檢測設(shè)備。

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