铝合金管路及接头在城轨车辆上的适用性研究

摘       要：由于目前国内城轨地铁车辆减重压力比较大，制动系统的零部件已经无法再降低重量，那么采用新型的减重材料进行空气制动系统的管路连接就是一个新课题。本文对铝合金管路和接头在城轨车辆制动系统管路上的适用性进行分析，确定铝合金材料的管路和接头的可用性。

关键词：铝合金管接头  铝合金管路  铝合金管路煨弯 接头装配

1.前言

目前国内城轨地铁车辆上主要使用的都是不锈钢材质的卡套式管接头，在国外的轨道交通上使用的主要空气制动管路连接方式也是不锈钢材质的卡套式管接头，在材质上有所区别，国内主要采用SUS304不锈钢材质，国外采用SUS316及SUS316Ti材质较多。由于目前国内城轨地铁车辆减重压力比较大，制动系统的零部件已经无法再降低重量，那么采用新型的减重材料进行空气制动系统的管路连接就是一个新课题。

在德国，EXMA管接头供货商已经研发出铝合金材料的管接头，但目前还未向国内推广，处于保密状态。在日本，铝合金管接头已经被研发出来，并成功应用在轨道交通车辆上，目前也处于保密状态，但其铝合金管路接头的应用技术希望能够推向中国市场。

除了在城轨地铁车辆上空气制动系统的管路连接使用，铝合金管路及接头在磁悬浮车辆上的应用也极为重要，由于悬浮控制器的悬浮能力限制，车辆的减重压力更大，所以，对铝合金管路及接头的应用性研究应该着手进行。

2.铝合金管接头的结构和材质

2.1 铝合金管接头的结构

铝合金管接头有两种不同的型式：一是卡套式；二是90°扩口式。

2.1.1 卡套式铝合金管接头

卡套式铝合金管接头由接头体、螺母、卡套组成。

①卡套的切角卡入铝合金管，起到固定管子的作用，同时在卡套和管子之间起到一定的密封作用。

②卡套的外切面与接头体内锥面贴合起到卡套和接头体的密封作用。

③卡套在螺母的旋紧过程中，卡套形成弓形，具有强力的弹簧作用，长时间维持密封性能的同时可以防止由于振动导致的螺母松动问题，具有很好的防松效果。

④卡套的尾端内侧压迫铝合金管的外壁，防止管路松动，尾端外侧与接头螺母内侧锥面贴合，可以使螺母的纵向旋紧力转变为弓形压迫力和卡套对管路的压迫力，可以起到紧固和防松的作用。

这种结构的卡套式接头与我公司常用的卡套式接头类似，这种接头可以承受一定量的管路变形带来的影响，可以适应管路有一定量的按照误差造成的安装应力，也能够保证管路系统的密封性。在使用时，需要首先对卡套进行预装，预装完毕后再进行最终装配。

2.1.2 90°扩口式铝合金管接头

90°扩口式铝合金管接头由接头体、垫片、螺母、套管组成。

扩口式接头在实际应用中，需要首先使用设备对管路进行扩口加工，然后才能进行管路的安装。这种接头的优点是在进行维修时可以平行拆卸，不需要操作两端的管路，但缺点是需要提前进行管路加工，另外，对于装配工艺要求比较高，需要安装管路保持同心才能确保密封效果。

从组装难度和加工工艺上来看，卡套式接头更适用于的城轨地铁车辆产品。

2.2 铝合金管接头的材料

铝合金接头采用的是铝合金材料牌号分别为2024和7075。

化学成分：

对于卡套式铝合金管接头，卡套均采用A2024牌号铝合金，大部分规格的螺母也采用A2024牌号铝合金，仅有Φ25.4的螺母为了保证强度使用了A7075牌号。

对于90°扩口式铝合金管接头，其接头体和螺母采用A2024牌号铝合金，其垫片采用A1050牌号的铝合金，套管采用A5060材料的铝合金。

3.铝合金管路的材料和煨制

铝合金管路系统在欧美国家的企业中，已经被广泛的应用于输送压缩空气、真空、氮气以及惰性气体。相比与传统的碳钢和不锈钢管路，铝合金管路通道内壁光滑，有一层氧化铝保护膜，具有更好的抗酸腐蚀能力。所以，在很多工业产品中，比如汽车气管、油管、水和石油等输送管路、飞机油管等多种工业及产品上应用了铝合金材料的管路。

铝合金材料种类较多，按其强度特点和加工性能的差别，铝合金管材挤压方法生产中一般分为纯铝（1XXX）、软合金（3XXX、5XXX、6XXX）和硬合金（2XXX、4XXX、7XXX）管材三大类。纯铝和软合金管材的挤压比较容易，变形量大，而且表面也好。相反，硬合金管材的挤压则比较困难，变形量不宜过大，需要较大的设备能力，表面也容易出现各种缺陷。软合金（3XXX、5XXX、6XXX）比较常用于车辆的挤压结构件、水和石油等的输送管道、汽车气管、油管与农业灌溉管、制造飞机油箱等。

3.1 铝合金管路的材料

铝合金管路材料的选用，要满足与铝合金管接头的配合要求，也要满足列车管路煨制的延展性要求，保证车辆管路的结构设计。根据管路的应用场景和加工特性，选用6063牌号的铝合金管路，这种管路具有易加工、内外表面光滑、硬度适中的特点。其元素含量见下表：

3.2铝合金管路的煨制

在一般的城轨地铁项目中，我们主要采用的是10X1.5、18X1.5和22X1.5的不锈钢管路，其煨弯半径为30mm、30mm和60mm，既能够满足车辆组装的空间要求，在煨弯的过程中，管路也不会发生褶皱、撕裂。因此，进行了铝合金管路的煨弯试验，看是否能够满足车辆的使用要求。铝合金管路分别选用的是1/2’X1.1、3/4’X1.525以及1’X1.45的规格（适应管接头的尺寸）。

a）1/2’X1.1规格铝合金管路

从煨弯效果来看，1/2’X1.1规格铝合金管路使用30mm的煨弯半径加工后，煨弯内径管路表面无褶皱，外径表面光滑无撕裂，能够满足城铁车辆制动系统用的加工要求。

b）3/4’X1.525规格铝合金管路

从煨弯效果来看，3/4’X1.1规格铝合金管路使用50mm的煨弯半径加工后，虽然外径表面光滑无撕裂，但煨弯内径管路表面有褶皱，不能满足城铁车辆制动系统的使用要求。需要增加其煨弯半径，或者调整管路厚度以改善加工后的管路状态。

c）1’X1.45规格铝合金管路

1英寸管路采用了50mm和80mm两种煨弯半径进行煨弯试验，煨弯内径管路表面无褶皱，外径表面光滑无撕裂，50mm半径的管路煨弯后，会有一定量的缩径，所以，比较适宜的煨弯半径是80mm。

从管路的煨弯效果来看，铝合金管路的煨弯半径与不锈钢管路的煨弯半径相比要有所调整，才能满足城铁车辆制动系统的使用。

建议1/2’X1.1、3/4’X1.525以及1’X1.45规格的铝合金管路采用30mm、80mm及80mm煨弯半径为适宜，如果管路规格和厚度有所变化，应增加试验以明确煨弯状态。

4.铝合金管接头与管路的装配及试验

铝合金管路和接头进行组装时，需要首先进行卡套的预组装。将螺母和卡套插入管中，轻轻的旋转管路，将螺母拧紧，从管子形成无法旋转的位置开始拧紧1又1/4圈，此时卡套预组装完毕。

将预组装结束的管子安装在接头体上，并拧紧螺母，从力矩激增点开始，再拧紧旋转1/4圈，此时管路和接头转配完毕。

铝合金管接头和管路的装配进行了型式试验，包括振动测试、耐压破坏测试、弯曲测试、反复装卸测试、强度确认（拔脱）测试、密封性测试等。从铝合金管接头的耐压破坏性试验结果来看，在最低破坏压力22MPa的条件下，铝合金管接头依然能够保证不发生泄漏。在我公司一般的城轨车辆空气制动系统上，最高使用压力不超过1.0MPa，能够满足城轨车辆使用。在有轨电车及磁悬浮液压制动系统上，最高工作压力不超过16.0MPa，试验压力不超过1.5倍，也就是24.0MPa，但由于液压制动系统上采用的均是较小规格的管路，小规格铝合金管路（12.7）的爆破压力能达到55MPa以上，也能够满足使用。

试验结果表明铝合金管接头和管路能够满足轨道车辆的使用条件。

5.结束语

从以上的试验结果分析来看，铝合金材料的管路和接头是能够应用在城轨地铁车辆上的，这种材料可以有效的减轻车辆管路连接的重量，比不锈钢材料大概能够减重达到2/3，减重效果比较可观。但由于这种材料目前并未大规模应用在轨道车辆上，在成本上会有所增加，而且，由于应用规模比较小，并未开发预装机进行卡套的预装，其初期组装难度较大，这也是限制其应用的原因之一。但随着城轨地铁车辆技术的逐渐发展，各种新型技术提升导致车辆设备增加带来的车辆增重，会使车辆的减重技术达到一个瓶颈，这也就给了铝合金材料的管路和接头的应用机会。

作者简介：

刘军 （1977-），男，高级工程师，沈阳中车轨道交通装备有限公司，辽宁 沈阳 110141

付建鹏（1981-），男，正高级工程师，中车大连机车车辆有限公司，辽宁 大连 116022