高壓管路快速連接件設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張 彤，劉 婷，王兵驍

（西安航天動(dòng)力研究所,陜西西安710100）

高壓管路快速連接件設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張 彤，劉 婷，王兵驍

（西安航天動(dòng)力研究所,陜西西安710100）

管路連接操作在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組件液流試驗(yàn)中非常頻繁，為了提高試驗(yàn)效率、降低試驗(yàn)過(guò)程中密封件的損耗，需要將現(xiàn)用的連接方式進(jìn)行改進(jìn)，而高壓快速連接接頭在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)并沒(méi)有成品。因此，結(jié)合實(shí)際操作對(duì)液流試驗(yàn)用的連接接頭進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，并經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)和驗(yàn)證，達(dá)到了快速、可靠的連接目的。

液流試驗(yàn)；連接方式；快速連接件

0 引言

某推力室液流試驗(yàn)臺(tái)承擔(dān)了常規(guī)運(yùn)載、新一代液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)等泵壓式大推力發(fā)動(dòng)機(jī)的推力室及其組件液流試驗(yàn)任務(wù)。該試驗(yàn)工位被試產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、重量重、接口位置隨結(jié)構(gòu)變化等特點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)系統(tǒng)與產(chǎn)品及工裝的連接，需要使用2～3根DN50的高壓金屬軟管用于補(bǔ)償產(chǎn)品流道入口與試驗(yàn)系統(tǒng)出口間位置、距離的偏移量。高壓金屬軟管的接頭采用的是M64×2的螺紋連接，為了保證螺紋連接的可靠性，螺紋的旋合長(zhǎng)度達(dá)到了30 mm。因此拆裝一個(gè)金屬軟管的接頭需要花費(fèi)3 min，裝拆操作時(shí)需要3名操作人員一同操作。由于該試驗(yàn)系統(tǒng)是以滿足每年6發(fā)左右運(yùn)載系列發(fā)動(dòng)機(jī)的當(dāng)量進(jìn)行設(shè)計(jì)的，試驗(yàn)需求以單件小批量為主，因此試驗(yàn)效率要求不高。然而，現(xiàn)階段試驗(yàn)任務(wù)已經(jīng)成倍增長(zhǎng)，試驗(yàn)需求以批產(chǎn)為主，耗時(shí)、耗力的試驗(yàn)操作對(duì)試驗(yàn)工作效率的影響愈發(fā)突出。要按時(shí)完成試驗(yàn)任務(wù)就必須提高試驗(yàn)效率。因此接頭連接的操作時(shí)間長(zhǎng)等影響試驗(yàn)效率的問(wèn)題就非常明顯的暴露出來(lái)。因此，開(kāi)展了改進(jìn)連接接頭，提高工作效率的研究工作。

1 問(wèn)題分析

1.1 裝拆操作時(shí)間長(zhǎng)，操作人員多

金屬軟管連接時(shí)耗時(shí)較長(zhǎng)。在進(jìn)行運(yùn)載系列推力室液流試驗(yàn)時(shí)，為了滿足產(chǎn)品試驗(yàn)流量的要求，產(chǎn)品氧化劑路試驗(yàn)時(shí)需要使用3根金屬軟管、燃料路試驗(yàn)時(shí)需要使用2根金屬軟管，在試驗(yàn)前須將金屬軟管與系統(tǒng)考臺(tái)件連接，進(jìn)行系統(tǒng)考臺(tái)。系統(tǒng)考臺(tái)后將金屬軟管從考臺(tái)件上拆下，再分別與產(chǎn)品氧化劑路和燃料路的入口工裝連接。改進(jìn)前單臺(tái)推力室液試過(guò)程管路接頭連接工時(shí)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 改進(jìn)前管路接頭連接工時(shí)統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Man hour used for pipe connection with old product

這兩個(gè)環(huán)節(jié)中，DN50的高壓金屬軟管共計(jì)裝/卸10次，單次裝/拆操作平均耗時(shí)3 min左右。即單臺(tái)推力室液流試驗(yàn)過(guò)程中，僅裝/拆高壓金屬軟管就耗時(shí)30 min左右，占推力室總試驗(yàn)時(shí)間的28.3%。每次裝/拆操作需3名試驗(yàn)工協(xié)調(diào)操作（1人抱持軟管對(duì)中，以保證管接頭的同軸度、2人在軟管中后部進(jìn)行扶持）。

1.2 密封件損耗大

該接頭采用的是端面加非標(biāo)F4墊片的密封形式，每次接頭緊固后都會(huì)使密封墊受擠壓變形，不僅容易造成密封失效，同時(shí)還會(huì)造成F4墊片的損耗增大。由于F4密封墊屬于非標(biāo)件，墊片尺寸大（Φ61×Φ50×3），進(jìn)行加工時(shí)只能從直徑Φ70的F4棒上車(chē)削，造成了大量的材料浪費(fèi)。每次從試驗(yàn)臺(tái)位提出加工申請(qǐng)到墊片加工完成返回試驗(yàn)臺(tái)位，由于受購(gòu)置原材料及加工時(shí)間的影響，整個(gè)周期需要1周時(shí)間。

由此可見(jiàn)高壓金屬軟管的裝/拆操作對(duì)試驗(yàn)效率的影響較大，同時(shí)接頭的密封形式也造成試驗(yàn)成本加大。因此，需要一整套新的連接方法來(lái)解決現(xiàn)有問(wèn)題。

2 新連接方法的確定

2.1 試驗(yàn)要求

1） 試驗(yàn)壓力：8 MPa；

2） 公稱(chēng)直徑：DN50 mm；

3）密封形式簡(jiǎn)單，密封件損耗??；

4）拆卸快速便捷。

針對(duì)試驗(yàn)時(shí)的實(shí)際需求，對(duì)市場(chǎng)現(xiàn)有的快速接頭進(jìn)行了調(diào)研。

經(jīng)調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，市場(chǎng)相關(guān)快速連接接頭中并沒(méi)有適用于大通徑、高壓工況下具備快速裝/卸功能的管接頭結(jié)構(gòu)形式，因此針對(duì)推力室液流試驗(yàn)高工況大通徑特點(diǎn)，需要設(shè)計(jì)新的快速連接接頭。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其工作原理

經(jīng)過(guò)研究決定采用卡箍式結(jié)構(gòu)管道連接件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖及三維結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1和圖2。

新設(shè)計(jì)的連接件由直通接頭、三爪管接頭、三爪卡箍和橡膠O型圈組成。安裝時(shí)將三爪管接頭通過(guò)卡箍上三個(gè)爪的空隙處插入直通接頭，采用橡膠O型圈形成徑向密封，將三爪直通頭旋轉(zhuǎn)60°至三爪卡箍限位位置即可形成連接。

2.3 密封設(shè)計(jì)

橡膠O形圈的規(guī)格按GB/T3542.1-2005選取，密封腔結(jié)構(gòu)和尺寸按GB/T3452.3-2005進(jìn)行設(shè)計(jì)，橡膠O形圈的壓制分模面為45°。見(jiàn)圖3。

根據(jù)管徑要求，選取標(biāo)準(zhǔn)O形圈。根據(jù)GB/T3452.3-2005的要求，徑向密封的密封腔深度t為2.74。密封槽的底徑d3與孔直徑d4的關(guān)系d3max=d4min-2t，卡箍式快速管道連接件活塞密封的密封槽底徑d3與孔直徑d4計(jì)算值和設(shè)計(jì)值均按國(guó)標(biāo)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在裝配時(shí)為防止橡膠O形圈受損傷，采用15°～20°橡膠O形圈的導(dǎo)向角，并且導(dǎo)引段的長(zhǎng)度不小于1.8 mm。

在確定密封槽寬度時(shí)，考慮了15%的橡膠O形圈體積膨脹因素，密封槽寬度設(shè)計(jì)為。

2.4 卡箍連接強(qiáng)度計(jì)算

當(dāng)產(chǎn)品試驗(yàn)壓力高，密封部位直徑較大時(shí)，連接接頭需要承受很大的作用力，在這種情況下，需要對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，卡箍緊固結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算參照GB150中G7進(jìn)行。卡箍連接結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

卡箍連接件中三爪卡箍a-a、b-b和三爪直通頭c-c截面的當(dāng)量應(yīng)力按照GB150中G7進(jìn)行，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

2.5 彈簧定位銷(xiāo)

為防止因三爪卡箍和三爪直通頭之間的轉(zhuǎn)動(dòng)而導(dǎo)致連接失效，在卡箍側(cè)壁開(kāi)孔并安裝彈簧定位銷(xiāo)（見(jiàn)圖5） 進(jìn)行限位，彈簧定位銷(xiāo)采用螺紋旋入式安裝，在三爪卡箍與三爪管接頭連接后，扳動(dòng)彈簧銷(xiāo)的手柄，通過(guò)彈簧力推動(dòng)定位銷(xiāo)至爪壁形成定位，以保證三爪卡箍在試驗(yàn)過(guò)程中不受振動(dòng)等影響而脫落。

表2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Tab.2 Stress calculation results

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 強(qiáng)度及密封性試驗(yàn)

為保證管道連接件可靠工作，分別進(jìn)行了水壓強(qiáng)度試驗(yàn)和密封試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。結(jié)果表明，試驗(yàn)件各項(xiàng)性能滿足試驗(yàn)要求。

表3 強(qiáng)度及密封試驗(yàn)結(jié)果記錄Tab.3 Strength and sealing tests results record

3.2 裝/卸操作耗時(shí)試驗(yàn)

加工生產(chǎn)了6套連接件替換原系統(tǒng)的可焊接式液壓軟管接頭，并跟蹤、采集了使用新型卡箍式快速管道連接件接頭在實(shí)際推力室液試過(guò)程的應(yīng)用效果見(jiàn)4。

表4 單推力室液試過(guò)程管路接頭用時(shí)情況Tab.4 Man hour used for single thruster fluid test

實(shí)際應(yīng)用中，2名操作工裝/卸10次金屬軟管僅用時(shí)14 min，合計(jì)工時(shí)0.26 h。裝/卸時(shí)間比原來(lái)縮短55.2%，人員工時(shí)降低70.6%，單次推

力室液試未進(jìn)行橡膠O型圈更換。

4 結(jié)論

通過(guò)改進(jìn)試驗(yàn)系統(tǒng)與產(chǎn)品及工裝的連接方式，采用新的卡箍式快速管道連接件方便了操作，提升了試驗(yàn)效率。以長(zhǎng)征系列發(fā)動(dòng)機(jī)推力室為例，改進(jìn)后推力室液流試驗(yàn)裝卸操作人員從現(xiàn)有3人減為2人，試驗(yàn)時(shí)間減少1倍，達(dá)到了提高工效的目標(biāo)。

該連接方式具有以下特點(diǎn)：

1） 卡箍式快速管道連接件采用徑向密封代替端面密封，降低了裝配對(duì)預(yù)緊力的要求；2）采用橡膠O型圈代替F4密封墊消除了試驗(yàn)對(duì)F4墊消耗品的需求；

3） 采用三爪卡箍式快速裝/拆方案實(shí)現(xiàn)了快速安裝、拆除功能。

4） 采用彈簧定位銷(xiāo)防止了三卡爪卡箍的滑動(dòng)，避免連接件在未受壓時(shí)脫開(kāi)。

通過(guò)強(qiáng)度及密封性校核，證明連接件設(shè)計(jì)合理，強(qiáng)度、密封性滿足使用要求。

[1]苗春生,王仁華,運(yùn)飛宏,等.卡爪連接器卡爪周向定位及運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性研究[J].石油機(jī)械,2016,44(11):49-53.

[2]王國(guó)杰.壓接式連接器自動(dòng)壓接工藝技術(shù)研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2017(2):120-121.

[3]衡波志,冷小磊.卡套式管接頭性能分析[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化,2016(4):28-30.

[4]陳亞琦,李靜,吳彥文.卡套式連接導(dǎo)管接頭脫落故障分析[J].山東工業(yè)技術(shù),2016(5):239.

[5]李國(guó)真,張麗琴,陶鵬.管接頭O形圈密封故障分析及防范措施[J].液壓氣動(dòng)與密封,2015(6):38-40.

[6]聞邦春.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[7]范賢峰.卡套式管接頭在管路系統(tǒng)中的運(yùn)用與分析[J].儀器儀表用戶,2015(3):69-71.

[8]杜春臣,林立峰.卡套式管接頭的應(yīng)用研究[J].柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造,2015(4):35-38.

[9]張樹(shù)強(qiáng),陶正,陳杰,等.旋轉(zhuǎn)式唇形密封圈開(kāi)啟特性研究[J].火箭推進(jìn),2016,38(5):52-57.ZHANG Shuqiang,TAO Zheng,CHEN Jie,et al.Research on opening characteristics of rotary lip seals[J].Journal of rocket propulsion,2016,38(5):52-57.

（編輯：陳紅霞）

Design and application of a quick connector for high pressure pipe

ZHANG Tong,LIU Ting,WANG Bingxiao
（Xi’an Aerospace Propulsion Institute,Xi’an 710100,China）

Pipe connection operations are frequently conducted during fluid tests for liquid rocket engine components tests.For higher test efficiency and less consumption of seals improved method for pipe connection is needed.Proper products are not available in domestic market for high pressure pipe quick connection.Thus a new type of quick connector for liquid rocket engine components fluid tests is developed.Tests results show that the new design meets the requirement of quick and reliable pipe connection.

fluid test;connecting method;quick connector

V434-34

A

1672-9374(2017)04-0076-04

2017-06-09；

2017-07-13

張彤（1973—），男，高級(jí)技師，研究領(lǐng)域?yàn)橐后w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)液流試驗(yàn)