一種高壓氣路接觸件密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

，

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

1 引言

高壓氣路接觸件是傳輸高壓氣體的一種連接管路。隨著連接器功能的多樣化，氣電混裝型連接器應(yīng)用日益普遍，需要?dú)饴方佑|件傳輸高壓氣體，用于彈倉體內(nèi)發(fā)熱器件的冷卻及保護(hù)、以及完成氣動動作等。

高壓氣路接觸件分為插針和插孔，插合界面一般采用自緊密封方式進(jìn)行密封，具有氣壓越大密封性能越好的特點(diǎn)，但在實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn)其存在缺陷，不能滿足多次插拔后正常供氣的要求，且不可維修；從而導(dǎo)致連接器的不能使用，影響整個電纜網(wǎng)的正常使用。氣電混裝脫落連接器為國內(nèi)首次，且高壓氣路，更是研究的空白,主要存在如下兩方面的技術(shù)難點(diǎn):

a)脫落連接器[1]自身預(yù)緊力小，氣路接觸件的密封困難，只能依靠密封圈，而反復(fù)的插合使用，又是多點(diǎn)對接，定位精度的影響，使得氣路組件對準(zhǔn)精度不高，密封圈受損的幾率較大。因此，技術(shù)難度是氣路接觸件密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；

b)高壓氣路設(shè)計(jì)，一般的氣電混裝連接器中的氣路為1MPa左右，而40MPa的制冷高壓氣體，使得氣路的密封和密封材料的選擇面臨較大困難。

因此，設(shè)計(jì)一種滿足密封性能要求，多次插拔仍能正常供氣且能維修方便的高壓氣路接觸件尤為迫切。

2 原氣路接觸件失效分析

2.1 自緊密封氣路接觸件工作原理

自緊密封氣路插孔結(jié)構(gòu)如圖1所示，氣路插孔與氣路插針插合示意圖如圖2所示。

圖1 氣路插孔合件的結(jié)構(gòu)示意圖

圖1中密封墊2和聚四氟乙烯墊圈裝入氣路插孔前，先在零件圓周涂硅橡膠，然后將其裝入氣路插孔內(nèi)孔中進(jìn)行粘接固定。后續(xù)再依次將襯套和密封墊1裝入氣路插孔中，最后將帶密封圈的連接管依靠螺紋旋合在氣路插孔尾部，旋合前在螺紋處涂環(huán)氧膠，旋合后進(jìn)行固化處理，完成氣路插孔的組裝。

圖2 氣路插孔與插針插合示意圖

圖2中氣路插針與插孔插合過程中，氣路插針外徑ΦA(chǔ)部分與密封墊2的內(nèi)孔Φa和聚四氟乙烯墊圈內(nèi)孔Φc配合，氣路插針的外徑尺寸ΦB與氣路插孔內(nèi)孔尺寸Φb配合。

為了達(dá)到更好的密封效果密封墊2材料選為硅橡膠，其內(nèi)孔Φa與氣路插針外徑ΦA(chǔ)為過盈配合。氣路插針外徑ΦA(chǔ)部分與聚四氟乙烯墊圈內(nèi)孔Φc為小間隙配合(0.02～0.05)。氣路插針的外徑尺寸ΦB與氣路插孔內(nèi)孔尺寸Φb也采用精密配合，間隙為0.025max。當(dāng)內(nèi)部管道通高壓氣體時，利用密封墊2的臺階式結(jié)構(gòu)，氣體壓縮密封墊2使其同時擠壓氣路插針外徑和氣路插孔內(nèi)壁，以此來實(shí)現(xiàn)插合端面的自緊密封功能，且氣壓越高密封效果越好，如圖3所示。

圖3 氣路密封原理圖

2.2 失效原因分析

2.2.1 密封墊松動、變形

在圖3中由于氣路插針外徑ΦA(chǔ)部分與聚四氟乙烯墊圈內(nèi)孔Φc為小間隙配合，如果聚四氟乙烯墊圈內(nèi)孔Φc存在輕微超差，則在插合過程中，氣路插針的端面就會頂在聚四氟乙烯墊圈的端面上，使其受軸向力F1(如圖3所示)，在分離時由于氣路插針與聚四氟乙烯內(nèi)孔之間存在摩擦，會使其受軸向力F2作用。雖然一方面聚四氟乙烯墊圈與氣路插孔內(nèi)壁之間采用膠粘劑固定，另一方面聚四氟乙烯材料有一定的潤滑作用，但在多次的插拔時聚四氟乙烯墊圈受反復(fù)軸向力作用，就有可能造成膠粘劑固定性失效使其產(chǎn)生松動。

如果聚四氟乙烯墊圈松動，則一方面插拔時聚四氟乙烯墊圈就會壓縮密封墊2使其產(chǎn)生反復(fù)的軸向壓縮和變形，另一方面由于密封墊2內(nèi)孔Φa與氣路插針外徑ΦA(chǔ)為過盈配合，在插拔時也會由于摩擦力而產(chǎn)生軸向的壓縮和變形。綜合上述原因?qū)е旅芊鈮|2與氣路插孔內(nèi)壁之間的膠粘劑固定性失效，造成其在產(chǎn)品內(nèi)部松動，存在內(nèi)縮、單邊甚至從氣路插孔中掉落，影響氣路接觸件插合后的密封性。

2.2.2 密封墊橡膠材料的低溫影響

連接器實(shí)際使用過程中，氣路接觸件內(nèi)通入40MPa的高壓壓縮氬氣，氣溫低，最低溫度可達(dá)到-70℃。圖2中的密封墊材料為硅橡膠材料，一般的高溫硫化硅橡膠，其脆性溫度為-60℃，可在-50℃～200℃溫度區(qū)間長期使用。但隨著溫度的降低，硅橡膠的模量、拉伸強(qiáng)度和壓縮永久變形增大，拉伸伸長率和回彈性降低。由于橡膠分子熱運(yùn)動減弱，分子鏈段及分子鏈被凍結(jié)，就逐漸失去彈性，逐漸向玻璃化轉(zhuǎn)變過程和結(jié)晶過程進(jìn)行。氣路接觸件在使用過程中，前期插拔幾次，試驗(yàn)氣路密封性好，但隨著插拔次數(shù)的增加，在40MPa的壓力環(huán)境下，氣路接觸件插合界面密封性變差，并伴隨這多余物掉出，高壓低溫的壓縮氣體對橡膠材料的玻璃化轉(zhuǎn)變和結(jié)晶過程是產(chǎn)生這一現(xiàn)象的重要原因。

3 氣路接觸件改進(jìn)方案

氣路接觸件提出改進(jìn)要求如下：

a)插頭和插座對插后，氣路接觸件能夠保證40MPa制冷氣體下的正常工作，不漏氣。

b)氣路的氣密性指標(biāo)要求：漏泄率不大于1.4Pa.m3/s；

c)氣路接觸件的使用壽命不少于50次。

d)氣路接觸件的改進(jìn)原則為，在原插頭和插座的基礎(chǔ)上更換氣路接觸件；

e)改進(jìn)后的氣路接觸件具有可維修性，尤其是密封圈的可維修性、可更換性。

3.1 密封材料選擇

根據(jù)連接器實(shí)際使用的狀態(tài)，氣路接觸件在測試過程中需要多次插拔，另外40MPa的高壓壓縮氬氣極低的溫度，需要選用的橡膠材料具有兩項(xiàng)重要指標(biāo)：

a)橡膠材料具有很好的耐磨性；

b)橡膠材料具有在低溫下(-70℃)工作的性能。

查閱相關(guān)資料，常規(guī)橡膠的使用溫度范圍和低溫特性如表1：

表1 常規(guī)橡膠的最低使用溫度表

從上面查閱的資料可知，常規(guī)橡膠基本上沒有能滿足低溫(-70℃)的使用環(huán)境，且當(dāng)溫度降低到-15℃～-50℃時，橡膠特性首先從“橡膠型”變成“皮革型”；而在更低的溫度下喪失所有柔順性，并變脆。因此，橡膠材料還需繼續(xù)進(jìn)行調(diào)研和跟專業(yè)廠家聯(lián)系。

對橡膠材料進(jìn)行調(diào)研，并與專業(yè)廠家聯(lián)系，尋找既具有有很好的耐磨性；同時能在低溫下(-70℃)工作的的橡膠材料，降低密封元件[2]由于磨損或者低溫脆化而更換的頻率。目前低溫條件下的特制橡膠如表2所示。

圖4 橡膠低溫特性

橡膠類別最低使用溫度特性缺點(diǎn)氟硅橡膠(CKTΦT-50)-95℃～-100℃氟硅橡膠(CTKΦT-100)-73℃～-75℃乙基硅橡膠-90℃～-120℃目前最好的耐寒、耐高溫橡膠,電絕緣性優(yōu)良,性能穩(wěn)定,化學(xué)惰性大。機(jī)械強(qiáng)度較低,耐油、耐溶劑能力差、較難硫化,價格較貴

綜合低溫和耐磨使用需求，密封元件材料選用氟橡膠，該種橡膠具有耐摩擦、韌性較好的特點(diǎn)，具體指標(biāo)如下表：

表3 氟橡膠性能指標(biāo)參數(shù)

3.2 結(jié)構(gòu)方案

針對氣路接觸件在使用過程中存在的缺陷及分析，提出對氣路接觸件的下述三種結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。

3.2.1 方案I

將氣路接觸件對接端直徑增大，在氣路插針對接端上設(shè)計(jì)多層O形密封圈，實(shí)現(xiàn)插合后徑向密封；尾端增加彈簧，彈簧預(yù)緊力保證氣路插針和氣路插孔貼合，實(shí)現(xiàn)軸向密封。具體結(jié)構(gòu)如圖5、圖6所示。

圖5 方案Ⅰ結(jié)構(gòu)

圖6 氣路結(jié)構(gòu)示意圖

此方案中當(dāng)位于氣路插針上的O形密封圈損壞或失效時，可立即進(jìn)行更換；同時氣路插針若出現(xiàn)變形也可進(jìn)行更換(拆下尾端的壓圈)。但此方案需對原產(chǎn)品中絕緣安裝板和外殼進(jìn)行更改；鏍套需高出灌膠面，以保證氣路插針可運(yùn)動。

3.2.2 方案Ⅱ

在插針對接端的外圓設(shè)計(jì)三層O形圈，當(dāng)插針與插孔插合后，插孔內(nèi)孔擠壓O形圈變形，填充在插針外圓和插孔內(nèi)孔間隙間，同時O形圈由于受擠壓力會對插針和插孔產(chǎn)生反向作用力；當(dāng)氣體想要從插針與插孔插合的間隙里通過，受到O形圈阻擋作用，從而實(shí)現(xiàn)密封作用；由于設(shè)計(jì)了三層O形圈，相當(dāng)于設(shè)置了三層密封，當(dāng)對接端最前端的O形圈失去作用，后面的仍能起到密封作用，具體結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 方案Ⅱ氣路接觸件結(jié)構(gòu)

3.2.3 方案Ⅲ

連接器結(jié)構(gòu)和氣路接觸件自緊密封原理不改變，將氣路插孔改為可拆卸式，即在氣路插孔頭部增加螺套(螺套上設(shè)計(jì)十字槽)，便于密封墊損壞時進(jìn)行更換，具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。同時氣路插孔中的密封墊形狀進(jìn)行更改為密封環(huán)境常用的Y形，具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示，改進(jìn)后氣路接觸件密封示意圖如圖10所示。這種Y型的密封墊比原氣路接觸件目前采用的凹型密封墊密封效果更好。

圖8 方案Ⅲ氣路接觸件結(jié)構(gòu)

圖9 更改后密封墊示意圖

圖10 氣路接觸件插合后密封示意圖

當(dāng)氣路插孔內(nèi)密封墊在對插過程中損壞時，可拆卸氣路插孔前端的鏍套，對損壞的密封墊進(jìn)行更換，按圖4的組裝順序組裝。

通過三種氣路接觸件方案對比，方案Ⅱ和方案Ⅲ從方案的分析均可滿足用戶的要求，方案Ⅰ由于需要更改連接器固定氣路接觸件的孔徑，不予采納，因此，從方案Ⅱ和方案Ⅲ著手進(jìn)行氣路接觸件改進(jìn)。

表4 方案對比表

3.3 強(qiáng)度核算

方案Ⅱ氣路接觸件與原氣路接觸件結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，需對其強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。

按照氣路接觸件設(shè)計(jì)的工作氣壓pw=40MPa。

根據(jù)下面公式校核氣路接觸件的強(qiáng)度：

式中：δ——管路的計(jì)算厚度，mm；

Di——管路的內(nèi)徑，mm；

Φ——管路的焊接接頭系數(shù)，本方案不存在焊接接頭，故Φ=1；

[σ]t——管路材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力, MPa；

pC——管路的計(jì)算壓力,MPa；

由圖7所示的尺寸可以得出：

管路的內(nèi)徑Di=Φ0.6mm時，δ=(2.5-1.5)/2=0.5mm；

管路的內(nèi)徑Di=Φ1.2mm時，δ=(4.5-1.2)/2=1.65mm；

管路的內(nèi)徑Di=Φ2.6mm時，δ=(4.5-2.6)/2=0.95mm；

計(jì)算對應(yīng)的最大允許工作壓力為：

通過氣路接觸件強(qiáng)度校核，能滿足40MPa的要求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)樣品和試驗(yàn)設(shè)備

4.1.1 試驗(yàn)樣品

按改進(jìn)方案組裝的氣路接觸件，如圖11、圖12所示。氣路接觸件分別裝入插頭和插座樣品中，試驗(yàn)樣品如圖13、圖14所示。

圖11 氣路接觸件實(shí)物照片(方案Ⅱ)

圖12 氣路接觸件實(shí)物照片(方案Ⅲ)

圖13 試驗(yàn)樣品(裝入方案Ⅱ氣路接觸件)

圖14 試驗(yàn)樣品(裝入方案Ⅲ氣路接觸件)

4.1.2 試驗(yàn)設(shè)備

設(shè)備型號：氣體檢漏試驗(yàn)臺 P3011-M-40

4.2 密封性和耐壓強(qiáng)度試驗(yàn)

隨機(jī)抽取2對氣路接觸件裝入連接器進(jìn)行密封性和耐壓強(qiáng)度檢測，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 氣路接觸件試驗(yàn)情況

注：密封性試驗(yàn)檢測采用氣泡法[3]，氣泡法可檢測到的最小泄漏率1×10-4～1×10-5Pa.cm3/s，即氣泡法可檢測到的最小泄漏率1×10-10～1×10-11Pa. m3/s；故采用的氣泡法完全滿足“泄漏率不大于1.4Pa.m3/s”的要求。

試驗(yàn)照片如圖15～圖16所示。

圖15 方案Ⅱ氣路接觸件試驗(yàn)照片圖16 方案Ⅲ氣路接觸件試驗(yàn)照片

4.3 壽命試驗(yàn)后密封性和耐壓強(qiáng)度試驗(yàn)

插頭與插座樣品進(jìn)行50次插拔后，進(jìn)行密封性和耐壓強(qiáng)度檢測，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 氣路接觸件試驗(yàn)情況

試驗(yàn)照片如圖17所示。

圖17 壽命后氣路插針狀態(tài)(方案Ⅱ氣路接觸件)

4.4 試驗(yàn)結(jié)論

針對兩種改進(jìn)方案氣路接觸件性能指標(biāo)均能滿足要求，結(jié)合裝配便利性和可維修性進(jìn)行對比分析如表7所示。

綜上所述，改進(jìn)方案Ⅱ氣路接觸件(徑向密封)裝配簡單，維修方便，采用方案Ⅱ氣路接觸件。

表7 氣路接觸件試驗(yàn)情況

5 結(jié)束語

通過對某型號脫落電連接器所用高壓氣路接觸件密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，采用的徑向密封結(jié)構(gòu)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證和實(shí)際使用完全滿足用戶使用要求，且可維修性強(qiáng)，為后續(xù)連接器混裝高壓氣路接觸件的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一種新型結(jié)構(gòu)以供參考。