某重型汽車空氣壓縮機替用管材料性能分析

馮 磊，王一博

某重型汽車空氣壓縮機替用管材料性能分析

馮 磊，王一博

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

重型載貨汽車上的空氣壓縮機用通氣管材料，通常使用精密冷拔鍍鋅無縫鋼管進行再加工而成，再加工及運輸時管材表面鍍層易被劃傷，防銹能力下降，同時電鍍鈍化工藝會產生大量廢液，影響環境。鋁合金材料自身擁有較好的耐腐蝕能力，通過對鋁合金無縫管的折彎性能、耐腐蝕性、密封性、耐熱性和經濟性等方面的對比分析，鋁合金無縫管滿足作為空氣壓縮機用通氣管的要求，是一種良好的空氣壓縮機鋼管的替用管材

空氣壓縮機；鋁合金管；耐腐蝕性能；密封性能；替用管材

目前重型載貨汽車上的制動系統普遍采用的是氣壓制動。制動時，壓縮后的高壓氣體經過制動系統多個閥體的調節控制，進入制動氣室，推動制動器進行制動。空氣壓縮機管路作為制動系統的一部分，其主要功能是連接空氣壓縮機和后續的空氣處理單元，并對從中流過的高壓高溫氣體進行初步的降溫，使壓縮氣體中的水汽盡快凝結，從空氣處理單元中排出，避免在后續的用氣單元中積水、結冰，影響制動系統的正常工作。因此，空氣壓縮機管路要有良好的密封性、耐腐蝕能力以及散熱性能[1]。

當前，各主要重型汽車生產企業的空氣壓縮機用通氣管材料主要使用10#或者20#鋼制造的精密冷拔無縫鋼管，表面采用鍍鋅鈍化處理，經過切割、折彎、接頭鉚接等工序加工而成[2]。此次分析擬采用鋁合金材料進行替代，以實現耐腐蝕能力提升及整車輕量化目標。

鋁合金材料牌號繁多，從1×××系至9×××系，合金成分差異對鋁合金本身的耐腐蝕性能影響很大。常用的高強鋁合金2×××系鋁合金材料（以銅為主要合金元素）和7×××系鋁合金材料（以鋅為主要合金元素）的強度較高，但是其耐腐蝕性較差；3×××系鋁合金材料（以錳為主要合金元素）、5×××系鋁合金材料（以鎂為主要合金元素）和6×××鋁合金材料（以鎂和硅為主要合金元素）則具有更好的耐腐蝕性能，屬于中等強度鋁合金。通常情況下，汽車零部件中建議使用5×××系和6×××系鋁合金材料，其加工性能、強度和耐腐蝕性等綜合性能良好，是一種適合汽車工業應用的輕量化材料[3]。同時，根據相關標準推薦，車輛型材宜采用5052、5038、6061、6063等牌號鋁合金[4]。本文選擇牌號6 061的鋁合金材料軋制無縫管作為分析對象，材料規格為外徑Φ=20 mm、壁厚1.5 mm，從加工性能、耐腐蝕、散熱能力等多個方面進行分析試驗。

1 折彎性能

實際使用中重型汽車空氣壓縮機管路的折彎角不小于90°、折彎半徑=50 mm，直接使用加工鋼制空氣壓縮機管的設備工裝以及工藝參數對鋁合金管進行折彎加工。結果顯示，折彎后管路表面無褶皺、開裂，僅圓弧處表面由開始的光滑平面轉變為磨砂面。但由于鋁合金管相比鋼管具有伸長率低和屈強比高等特點，導致在同樣的工藝參數下，鋁合金管在圓弧處變扁、圓弧外側減薄、回彈比鋼管嚴重。

對于彎曲回彈現象，通過綜合分析彎曲回彈的影響因素，根據彎曲時的各種條件和回彈趨勢，預先估算回彈量的大小，對折彎角度進行調整，在折彎時進行一定量的“過正”彎曲，補償回彈變形；圓弧外側減薄是彎曲的工藝特點決定的，無法規避。為了避免減薄量過大，需降低管子彎制時的阻力。現場對彎管模的間隙進行了微調，以降低夾緊力改善管子橫剖面上的應力分布狀態，使中性層外移從而達到減少管子外側管壁減薄量的目的；對于圓弧外側變扁嚴重的管件，更換有反變形槽的彎管模，并在安裝模具時保證各部件的管槽軸線在同一水平面上[5]。

采用以上措施對折彎工藝進行優化后再次試驗，鋁合金管圓弧處折彎質量可以達到與鋼管相同的效果，滿足空氣壓縮機管路的外觀質量要求。鋁合金管與鋼管加工效果對比如圖1、圖2所示。

圖1 鋁合金管折彎效果

圖2 鋼管折彎效果

2 耐腐蝕性能

由于空壓機管路要長期與濕熱空氣接觸，為提高管路的耐腐性能，目前所使用的空壓機用管路材料均需經過鍍鋅鈍化處理，而鍍鋅鈍化過程中產生的廢液需要做專業的處理，否則容易造成環境污染。同時，鍍層在后續的加工運輸中容易劃傷，影響防銹效果。

鋁是一種非常活潑的金屬，只要它暴露于空氣中，表面與氧氣迅速反應就會形成Al2O3氧化層。該氧化層可保護內層的鋁材免受進一步反應，有助于保持其耐用性。這部分氧化層非常薄（約2.5 nm），可以通過刮擦去除。然而，暴露的金屬很快又會與大氣發生反應，保護能力快速恢復。這使得鋁材料在普通大氣環境下表現出優良的耐腐蝕性，并且還可以對鋁材進行表面處理，進一步提高其耐腐蝕性。

研究證明，在鹵素離子含量高的潮濕大氣環境中，空氣中的鹵素離子（如氯離子）會侵蝕鋁合金材料表面的氧化膜，破壞防護層形成腐蝕坑，尤其是在沿海、多雨、潮濕、高溫和工業污染較為嚴重的地區。在長期室外大氣暴露試驗中，Ghali[6]給出了6061-T鋁合金在海洋大氣環境（巴拿馬）下的中、長期腐蝕情況，暴露試驗持續了16年，測得每年平均腐蝕深度為17.3 μm。FUENTE等[7]通過試驗發現，在工業或海洋大氣中，鋁合金的腐蝕情況最嚴重，暴露16年后觀察到大約100 μm深的腐蝕坑。以上兩個試驗都證明了鋁合金具有較好的長期耐腐蝕性能。

3 密封性能

空氣壓縮機管使用的是雙刃卡套接頭，是一種比較通用的國標接頭。雙卡套直通接頭由三部分組成：接頭體、卡套、螺母。當卡套和螺母套在管子上插入接頭體后，再旋緊螺母時，卡套前端外側錐面與接頭體錐面貼合，內刃均勻地咬入管路表面，形成有效密封。其密封作用的形成主要依靠卡套外錐面與接頭體錐面的配合，以及刃口嵌入管子后與管子的配合。目前重型汽車上的空氣壓縮機管路的最高工作壓力約1.3 MPa，為了驗證鋁合金管鉚接雙刃卡套后的密封性能，按照表1要求進行試驗[8]。

表1 密封性試驗內容與方法

試驗項目試驗介質試驗設備試驗參數及方法保壓時間合格判定 氣密性試驗空氣增壓氣壓試驗機持續加壓至管結構最大工作壓力的15%，最高不超過6.3 MPa≥3 min保壓期內無氣泡從試驗樣件中冒出/無滲油現象 耐壓試驗水靜液壓試驗機持續升壓至管接頭最大工作壓力的2倍，升壓速率不得超過最大工作壓力值的16%≥1 min保壓期內無任何泄漏現象 爆破試驗水靜液壓試驗機持續升壓至管接頭最大工作壓力的4倍，升壓速率不得超過最大工作壓力值的16%持續加壓至連接失效出現可見泄漏的的試驗壓力≥4倍最大工作壓力

在上述試驗中，管路及其接頭處均未出現任何滲漏現象，爆破試驗在壓力達到5.2 MPa后，管路及接頭處完好，無滲漏現象，試驗壓力曲線如圖3－圖5所示。

為了更好地驗證鋁合金管作為空氣壓縮機用管在整車上的可靠性，使用鋁合金無縫管加工一套空氣壓縮機用管，并安裝到整車上進行了12 000 km的可靠性試驗。試驗過程中管路連接可靠，無滲漏情況，整車制動系統工作正常。

圖3 氣密性試驗

圖4 耐壓試驗

圖5 爆破試驗

4 散熱性能

物體的散熱能力取決于傳熱系數，傳熱系數的大小又受壁面兩側流體的物性、流速、固體表面的形狀、材料的導熱系數等因素影響。值愈大，傳熱過程進行得愈為強烈，散熱效果越好，如式（1）[9]：

式中，1，2分別為圍護結構兩表面熱交換系數，W/(m2·℃)；為管壁厚度，m；為管壁導熱系數，W/(m·℃)。

在僅更換材料時，管路的結構及面對的散熱環境均相同，此時傳熱系數的比較，也就是比較材料的導熱系數。6061鋁合金的導熱系數約為155 W/m·K，鋼的導熱系數約為54 W/m·K，鋁合金的導熱系數遠大于鋼，所以鋁合金管在散熱能力上優于鋼管。

5 經濟性

目前，鍍鋅鈍化無縫鋼管的價格約為1.4～1.8萬元/噸，鋁合金無縫管的價格約為3.2～3.5萬元/噸，鋁合金管價格約為鋼管的兩倍。由于鋁的密度約為鋼密度的1/3，所以即使單位重量的鋁合金價格更高，當鋁合金管的價格在鋼管價格的3倍以下時，鋁合金空氣壓縮機用管的成本仍具優勢。使用鋁合金管替代鋼管加工空氣壓縮機用管，可以直接使用相同的設備工裝，無新增投入。同時，鋁合金空氣壓縮機管還能降低零件重量，每米可以實現降重0.45 kg，有利于整車輕量化。

6 結論

綜上分析，6061鋁合金管在重量、成本、散熱能力方面優于目前使用的鍍鋅鈍化鋼管。其自身防腐性能優越，即使未作任何表面處理，在適當的環境條件下通常可以使用數年，表面的輕微劃傷對其耐腐蝕能力影響微弱，降低了生產運輸難度。還可以避免鋼管鍍鋅、鈍化的廢液處理問題，與環境更為友好，在密封性能、折彎性能方面滿足作為空氣壓縮機管路的要求，還可以與空氣壓縮機鋼管使用同樣的加工設備，材料的替換成本低。由此可見，6061鋁合金管是一種良好的空氣壓縮機用鋼管的替用管材。

[1] 吉安卡洛·珍達.汽車底盤設計[M].北京:機械工業出版社,2020.

[2] 謝偉鋼,范盈圻.汽車構造與原理[M].北京:機械工業出版社,2021.

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[5] 王亮,劉京濤.鋁合金汽車板材彎曲性能測試方法[J].理化檢驗:物理分冊,2019,55(8):569-571.

[6] GHALI E.Corrosion Resistance of Aluminum and Magnesium Alloys:Understanding,Performance,and Testing[M].Canada:John Wiley and Sons,2011.

[7] FUENTE D D L,OTERO H E,MORCILLO M.Studies of Long-term Weathering of Aluminium in the Atmo- sphere[J].Corrosion Science,2007,49(7):3134-3148.

[8] 全國管路附件標準化技術委員會.卡套式管接頭技術條件:GB/T 3765－2008[S].北京:中國標準出版社. 2008.

[9] 楊世銘,陶文銓.傳熱學[M].北京:高等教育出版社. 2006.

Performance Analysis of a Heavy Vehicle Air Compressor Alternative Pipe Material

FENG Lei, WANG Yibo

( Shaanxi Heavy-duty Automobile Company Limited, Xi'an 710200, China )

Heavy duty truck air compressor ventilation pipe material, usually using precision cold-drawn galvanized seamless steel pipe reprocessing, reprocessing and transportation of the pipe surface coating is easy to be scratched, rust resistance decline, at the same time electroplating passivation process will produce a lot of waste liquid, affecting the environment. Aluminum alloy material itself has a good corrosion resistance, through the bending performance of aluminum alloy seamless pipe, corrosion resistance, sealing, heat resistance and economic and other aspects of the comparative analysis, aluminum alloy seamless pipe meets the requirements of air compressor ventilation pipe, is a good alternative pipe materialfor air compressor steel pipe.

Air compressor; Aluminum alloy pipe; Corrosion resistance; Sealing performance; Alternative pipe material

U465

A

1671-7988(2023)20-126-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.020.025

馮磊（1987－），男，助理工程師，研究方向為汽車工藝技術，E-mail:fenglei@sxqc.com。