航空发动机用聚四氟乙烯软管研究及关键技术分析

航空发动机用聚四氟乙烯软管研究及关键技术分析

高凯,史志勇,冯凯

（中国航发沈阳发动机研究所，辽宁省沈阳市 110015）

摘要：本文主要陈述了聚四氟乙烯软管目前在国内外的研制现状及其研制所涉及的关键技术，提出了研制所面临的问题及研究方向，为航空发动机外部管路研制奠定基础。

关键词：聚四氟乙烯；软管；航空发动机

1 概述

聚四氟乙烯软管组件作为航空发动机外部管路的重要组成部分主要起着燃油、滑油和空气等介质输送的作用，同时可以补偿管路的加工及装配误差、热变形、部件间的相对位移，降低管路振动应力等。但其工作条件恶劣，受到受压力脉动、振动、弯曲疲劳等恶劣工况影响，一旦发生故障将严重影响航空发动机的安全性。本文开展聚四氟乙烯软管的应用研究及关键技术分析工作，将聚四氟乙烯软管扣压技术、寿命评估及预测技术、寿命加速试验验证技术等作为关键技术问题，提出未来研究方向，为聚四氟乙烯软管装机使用奠定基础。聚四氟乙烯软管扣压技术研究实现聚四氟乙烯软管管坯到组件的跨越，通过组件试验验证，考验软管组件性能、环境适应性、疲劳特性等。寿命评估及预测技术研究不同安装状态对软管组件寿命的影响。寿命加速考核试验验证，通过加速试验考核软管组件寿命。

2 国内外研制现状及发展趋势

2.1 材料应用方面

西方发达国家，早在20世纪五十年代已经开始研制聚四氟乙烯软管（主要由聚四氟乙烯树脂、增强层用不锈钢丝、防火橡胶层组成），并在20世纪六十年代广泛应用于CFM56、V2500等各型航空发动机上。目前已经形成标准化系列化产品，其最高压力等级达到56MPa，最高使用温度为232℃，其中中压聚四氟乙烯软管的规格最大可达Ф31.75mm，根据管径不同内管分为波纹内管和光滑内管等多种形式。

聚四氟乙烯软管材料要求高，且为多层结构，制造工艺复杂、难度大，国内材料生产的软管多次试制均未能达到使用要求，无法满足可靠性、寿命等要求，始终依赖进口。国内软管研制方面尚缺乏自主设计与生产能力。

2.2 聚四氟乙烯软管组件应用研究及综合验证方面

国外聚四氟乙烯软管的生产商包括美国Parker公司、Eaton公司及Titeflex公司，其产品已被大量应用于波音、空客等商用飞机和军用飞机上，具有很高的可靠性、安全性，所有产品均提出了弯曲半径、扭转安装等限制使用条件，并经过了充分的试验和使用验证，经调研民航软管寿命已达到与发动机主机同寿。

近年来，国内围绕航空发动机用聚四氟乙烯软管的探索研究刚刚起步，按照GJB 2837A-2017《聚四氟乙烯软管组件规范》生产的厂家很少，而且软管用聚四氟乙烯树脂、不锈钢丝等材料全部进口，且软管弯曲半径、防火性能等均与国外产品存在差异。

为了进一步提高化聚四氟乙烯软管的生产技术水平和技术经济效益，系统地开展聚四氟乙烯软管的工程化应用研究是十分必要。为确定聚四氟乙烯软管在发动机上的使用寿命[1]、推进其在发动机上的应用，需同时开展软管在发动机使用环境下的寿命分析。

3 聚四氟乙烯软管关键技术研究

3.1聚四氟乙烯软管组件扣压技术

影响聚四氟乙烯软管组件质量的因素是多方面的，其中扣压技术（包括金属连接件的几何形状、尺寸、扣压量以及扣压工艺）是决定聚四氟乙烯软管组件质量的重要因素。进口材料成型聚四氟乙烯软管与国产材料成型聚四氟乙烯软管存在内管硬度、强度，不锈钢钢丝编织层松紧等性能差异，直接影响金属连接件与聚四氟乙烯软管之间的密封性能、抗拔脱强度和使用寿命。在实际加工生产扣压工序为聚四氟乙烯软管组件的关键工序。为保证聚四氟乙烯软管组件质量必须对金属连接件的几何形状、尺寸、扣压量以及扣压工艺进行研究。

面对该问题，应着重开展扣压连接部位仿真分析和金属连接件优化设计，并按GJB2837A的要求进行相关试验来验证扣压技术。

3.2聚四氟乙烯软管组件寿命评估及预测技术

聚四氟乙烯软管的疲劳失效属于高低周复合疲劳失效，外部振动以及内部压力脉动属于高周疲劳，内部压力脉冲（0-最大-0）属于低周疲劳[3]。聚四氟乙烯软管由多种材料组合而成：内管为聚四氟乙烯、中间是金属编织层，最外层是防火橡胶，其本构特性较为复杂，加之其工作环境复杂，载荷的随机性较强，其寿命预测具有较大难度。

针对该问题，应采用概率设计分析及基于能量的寿命预测方法来解决聚四氟乙烯软管高低周复合疲劳的问题，计划以先前发展的寿命设计及评估技术为基础，建立一个新的技术框架以保证聚四氟乙烯软管在复杂载荷和振动模态下的结构可靠性。该方法包括：

1）采用基于物理的聚四氟乙烯软管模型来分析振动应力；

2）采用基于概率论的Goodman图来评估聚四氟乙烯软管的寿命；

3）采用基于振动的高低周疲劳测试手段；

4）采用基于能量方法的疲劳寿命预测方法。

在进行软管寿命分析之前，要建立合适的软管模型[2]。软管的结构复杂，特别是中间的金属编织层，其编织角度和每层钢丝的股数是关键参数。这种复杂结构给软管建模带来很大的不确定性和挑战性。

目前国内关于此方面的研究较少，已有研究建立的模型一般是整体模型，不能反映软管实际的受力情况，分析结果不具有参考价值。由于技术封锁，国外的相关文献极少，同样不具有参考价值。这需要我们通过试验手段，探索建立软管寿命仿真分析与预测模型的方法，针对多层结构的力学性能进行仿真分析，预先评估试验过程，结合仿真对试验方案和试验参数进行评定，针对某一规格进行摸底试验，确保试验方案的准确性，以达到验证准确、有效的目标。

此外，试验过程存在项目试验中软管样本数相对较小的情况，对寿命分析的准确性有影响，可能造成寿命分析结果与实际使用结果有偏差。针对该问题，应详细监测试验过程中的参数变化，对有限元模型进行充分修正，提升模型的计算精度，通过大量样本的有限元分析，弥补试验样本少的缺陷。

3.3聚四氟乙烯软管寿命加速试验验证技术

在加速试验中，加速方法及加速速率的确定是关键[4]，目前缺乏相关的评价标准，需要结合管内压力、管外应变变化等进行综合分析。

结合软管试验中可能出现的磨损、漏油、鼓包及爆裂等故障现象，识别软管各主要失效模式的关键质量参数（CTQ），同时在软管加速试验时，需要重点考察软管的脉冲压力、模拟负载、外部振动、安装状态以及管接头角位移等因素对软管寿命的影响。

针对各种失效模式的主要控制参数进行软管的加速试验，研究各种载荷的加速效果，探寻最佳的软管寿命加速试验参数，完善聚四氟乙烯软管可靠性寿命加速试验技术。

此外，加速可靠性试验过程中，由于软管破坏，会造成测试设备受到破坏或者污染，以及高温时带来的失火风险。应在设计台架时充分考虑，多方验证，确保试验安全，试验环境箱采样耐高温防火材料。

4结论

本文通过对国内外聚四氟乙烯软管的研制现状的分析，识别出目前研制的痛点及关键技术方向，为航空发动机用聚四氟乙烯软管的研制奠定了基础。聚四氟乙烯软管可极大地提高发动机外部管路的使用寿命和工作可靠性，保障发动机的稳定使用，为军民用发动机研制提供坚实基础。

参考文献

[1] 康鑫，符寿康，任建民，刘学涛，陶平.弯曲半径对液压制动软管使用寿命的影响[J]. 2020 (18) : 316-318.

[2] 张勇,程珩.软管集中参数模型的建立和仿真研究[J].机械工程与自动化.2007 (03).

[3] 黄俊,陈朵云.周全振动环境下液压胶管疲劳寿命分析[J]. 湖南工业职业技术学院学报2021(21-3):9-13.

[4] 王奉明,朱俊强,徐纲.航空发动机加速任务与等效应力试验方法研究[J]. 燃气涡轮试验与研究.2016 (29-3):1-6.

【作者简介】

高凯(1990-)，女，工程师，硕士研究生，航空发动机外部结构设计方向

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