热塑性弹性体TPV管的设计

作者：Rubber World

欢迎访问e展厅 展厅 9 管材/管件/法兰展厅 供气设备, 管材, 管件, 法兰, 管道... 本文涵盖了热塑性弹性体（TPVs）设计背后的一般准则和理论。本文目的是估算最小的光滑管壁的壁厚，以抵抗外部压力/负压强（真空）或者内部的压力/正压力。设计准则可以适用于两种类型的应用中。比如，管道和管（后者不需要增强剂，是单独的组件）。这些规范与软管（由里衬、增强剂并且通常有外蒙皮）无关，因为它们的机械特性主要由增强剂决定。 导管 TPV用于设计车用洁净风管（真空或者外压力）、透平空气管道（内压力）和波纹管设备都可以作为例子。在这些应用中，当提供给包络的空间有限时或者需要纵向刚性截面的时候，壁断面得十分光滑。 为了避免轴向拉伸，透平空气管道设计的趋势是最大化回旋断面上的光滑壁断面的比例，其通常用Santoprene TPV203-50做成。考虑到这种趋向可能过分硬化空气管道，并使得夹持力太弱而无法维持零件到位，因此需要在压力支撑和挠度方面做一些折中。为了使得折中方案的确定，技术规范里面，必须提到空气管道末端不能超过的最大反作用力。此外，可以使用时序吹塑成型，以结合硬的和软的材料，后者被用于夹持和密封带。 如果某个方向的包络面较小，可以使用椭圆截面（而不是圆形截面），但是必须考虑到更大的半径处的弱点。为了保守计算，椭圆截面管将被看作是一个圆柱体，其半径等同于本身的最大半径。但是，建议尽量避免使用椭圆形截面，因为它们不方便密封。此外，它们的加工也比圆形截面困难得多。 液压管设计 对导管设计来说，需要考虑的最重要的参数是绝对位移（内部压力）以及/或者套管外压力（外部压力）；而设计管的时候，需要考虑的最重要的参数是最大工作压力(MWP)，决定于最小套管外压力（MBP）。 该MWP是MBP的分式，取决于安全因子。安全因子则由实际应用决定，最高可以达到4。 而MWP则取决于材料、几何形状、操作环境（静态的，动态的）、需要的工作寿命、需要的最小弯曲半径、温度、管子将要接触的介质的阻值以及/或者外部影响（臭氧，紫外线，天气情况等）。 下面的理论主要聚焦于提供一个能确定管子所需MBP的公式。 材料选择 材料的选择受应用的类型以及生产该产品的工艺类型支配。表1大体囊括了适合于本文考虑的两种应用和工艺的一些材料。 理论 估算对外压力的抵抗，内压力导致的变形以及崩裂压力的方法，回顾如下。仅仅当变形发生在选好的材料的应力应变图的线性应变范围内时，结果才是充分可靠的。 根据不同类型的测试（拉伸、压缩或者剪切），温度和负荷速度，Santoprene TPV等级可以被分为两大类，其中包括：“橡胶类”型材料（表现出一个正斜率的曲线形式，直至断裂），以及“屈服”型材料（表现出屈服点和负斜率）。大多数Santoprene TPV等级是“橡胶类”的，除了103-40和103-50。 研究发现，23℃（73°F）下的屈服点大概为Santoprene TPV 103-50，25%以及Santoprene TPV 103-40，30%。 建议不要在拉伸这些材料时，超过他们在应力应变关系中的屈服点。因此，在导管的应用中，验证压力不会高于屈服点是很重要的。 在管子的情况下，更加重要的是确定导致断裂（崩裂）的压力，而不是屈服点处的压力。事实上，在23℃（73°F）时，介于屈服点处的压力和断裂处的压力的商，对103-50来说是1.5，对103-40来说是2.25.而对这些等级（如下所示）来说，用来估算崩裂压力的关系是非常保守的，并且比这些比率要重要。此外，MWP通常是MBP的1/3或者1/4。 负压力的情况 如果发生严重的偏离线性的情况，建议采用非线性有限元方法来获取更准确的答案。 当Santoprene TPV等级为，诸如101-87，103-40和103-50时，在23℃（73°F）时，观察显示0到2%的延伸率呈线性关系，同时其弹性模量（E）也可以估算出来，如下所示。 对所有计算，推荐使用E的80%。 Ew = 0.8*E 现在考虑图1的管子。让我们用这样一种方法估算管子需要耐真空的最小壁厚。 这种方法用一组设计方程来确定给定任意管子长度时的壁厚。 其中： r0 = 外径； Ew = 弹性模量 = 0.8E； V = 泊松比 = Santoprene TPV 0.47; P = 外压力（内部真空）；（注意：Ew和P单位必须相同）。 设计光滑管段的技巧 检查技术要求。光滑管段能够抵挡正压力和负压力。典型的例子如下： ● 常规的车用洁净空气管，应具备在的最高温度的真空环境下，不能够崩溃的性能； ● 常规透平空气管道，在应用中的峰值温度时，在正压力作用下，不能延伸也不能爆裂； ● 特定压力和温度条件下，软管不能断裂。 对于传统的车用清洁空气管道来说，用上述方法来估算光滑管段的最小壁厚相对来说较容易。记住，体积的减小可以通过上文提到的硬化来获得。 对于透平空气管，光滑管段通常由聚丙烯或者Santoprene TPV 等级103-50制成，以满足高温下对硬度的需求。Santoprene TPV 等级103-50的壁厚能够通过上面相关部分给出的关系来估算。 对于管子，爆裂压力，这里是来自工作压力，可以通过一个上面所示的简单的关系来估算，通过实际应用中，最高温度下，Santoprene TPV 等级在断裂时的特性的知识来估算。永远记住，耐化学性，抗扭曲以及抗磨损可能是等级选择中额外的影响因素。 回旋设计 Santoprene 等级的TPV被广泛地用在波纹管状的零件应用中，并且取代了传统的热固性橡胶。热固性橡胶零件的设计，是典型的通过厚壁来获得强度和挠度。TPV则能够使用薄一点的壁厚设计，而具有回旋波纹管形状以及硬化TPV等级，以获得同样的机械特性要求。因为这些TPV等级更加坚硬，设计要求便与传统的热固性橡胶不同。这些波纹形状被广泛运用于各种应用中，涵盖各种工业。它们包括：车用洁净空气导管（真空），车用透平空气导管（压力），车用减震器波纹管，车用齿轮齿条式波纹管，车用拉杆端封，车用等速万向节和车用传动轴保护套/齿轮密封罩，车用门波纹管以及波纹管设备。 波纹管采用挤压吹塑成型，注入和挤压吹塑，以及注塑成型。设计中需要做些考虑以适应每一种工艺的限度。 指南 回旋的形状可以描述成图2所示的曲线。里面的术语分别为： 其中：h = 回旋高度； w = 回旋距； O.D. = 回旋外径； I.D. = 回旋内径； ttip = 叶尖的厚度； troot = 叶根的厚度； rtip = 叶尖的半径（测量外表面）； rroot = 叶根的半径（同样测量外表面）； Theta(d) = 夹角； Alpha (a) = 壁角； L = 回旋段的长度；以及 N = 回旋数量（通常计叶尖数） 回旋波纹管的关键联系是基于这些几何因素： 壁长，l，由壁角和直径定义： 因为根部厚度通常较大，回旋段的最小压缩量，Lmin compressed 为， Lmin compressed = 2Nroot 对于许多应用来说，比如，风道，需要有一个最大工作长度，以使得波纹管能够延展开。通常描述成夹角d介于回旋角达到90°之间时的长度。该统一回旋长度的等式为： 分别地在其他壁段进行真空抗崩溃和抗压处理。提到这些，是为了确定如何计算，暴露在这种环境下的应用比如进气道等，需要的壁厚以及夹角。 几何效应 通常设计的回旋形状取决于挠度要求，波纹管刚度，直径，延伸性和崩溃的限度等。一些特定的设计用在特定的应用。这将在下面单独的章节讨论，但通常可以遵循一些指南，可以优化设计以满足给定的波纹管的性能要求。 表2中，不同的回旋设计参数得到的大体效果，让设计者对变量调整范围有更好的掌握，以满足运用广泛的回旋波纹管平衡性能的需求。回旋叶尖厚度应该是唯一制定的吹塑波纹管厚度。吹胀比会消除确定根部厚度的能力。吹塑成型波纹管的叶尖厚度只能设置在最小值，因为加工时需要一些公差变量。叶尖厚度带来的影响如表3所示。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (2/15/2009)