雙卡套管接頭的設(shè)計(jì)開發(fā)分析

張顏艷，陳 鵬，蘇茶旺

（1.閩南理工學(xué)院工業(yè)機(jī)器人測控與模具快速制造福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建石獅 362700；2.福建上潤精密儀器有限公司，福建福州 350015）

目前，儀表管路雙卡套管接技術(shù)廣泛應(yīng)用于石油、天然氣、電力、化工等重要領(lǐng)域，是儀表管路系統(tǒng)的重要組成部分。市場對(duì)于卡套管接頭的需求量越來越大，可靠性要求很高，尤其在危險(xiǎn)有毒介質(zhì)領(lǐng)域[1]。市場上有不同類型的管接頭產(chǎn)品，普遍都存在使用壽命低、可靠性差、穩(wěn)定性差、工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)。據(jù)此，針對(duì)產(chǎn)品存在的問題，開展卡套管接頭可靠性研究，研發(fā)出一種高可靠性、密封性好、安全性好、操作輕便、可重復(fù)使用的雙卡套管接件。

1 卡套管接整體分析

管接頭在儀表管路中至少應(yīng)具備管接緊固和密封兩項(xiàng)功能。雙卡套管接頭結(jié)構(gòu)由卡套螺母、前卡套、后卡套和接頭本體構(gòu)成。雙卡套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的管接頭將密封功能和管接緊固功能分開（圖1），功能的實(shí)現(xiàn)過程為：固定卡套接頭本體，順時(shí)針旋緊卡套螺母使其向前運(yùn)動(dòng)，卡套螺母作用在后卡套上使得后卡套向前推進(jìn)，在后卡套的作用下前卡套也向前運(yùn)動(dòng)，由于接頭本體內(nèi)部錐面的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得前卡套向前運(yùn)動(dòng)推進(jìn)的同時(shí)其前端產(chǎn)生徑向運(yùn)動(dòng)，前卡套的前端楔進(jìn)卡套管，同時(shí)實(shí)現(xiàn)抓緊和密封。

圖1 結(jié)構(gòu)裝配示意圖

由于后卡套獨(dú)特的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，在旋緊卡套螺母的同時(shí)，后卡套彎曲變形，在卡套螺母和前卡套共同作用下，后卡套前端也產(chǎn)生一定的徑向運(yùn)動(dòng)楔進(jìn)并抓緊卡套管，進(jìn)一步提高了雙卡套管接頭的密封、抗振動(dòng)和管接緊固等性能。

基于上述的設(shè)計(jì)思路及方案，要保證雙卡套接頭的高可靠性和穩(wěn)定性，雙卡套接頭應(yīng)具備更加合理的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、更加精密的加工精度和良好的制造質(zhì)量。尤其后卡套的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是關(guān)系整個(gè)接頭質(zhì)量的重要影響因素，是雙卡套接頭高可靠性能的保證。

目前市場上的卡套接頭難以滿足石油、天然氣、氫氣、氧氣等重要場合的特殊需求，其主要原因有五個(gè)方面：①在裝配過程中，后卡套的變形不恰當(dāng)，導(dǎo)致卡套螺母所需的扭矩過大；②卡套螺母與后卡套之間的接觸應(yīng)力過大，裝配扭矩施加過程中應(yīng)力容易集中導(dǎo)致后卡套損傷；③前卡套和后卡套之間產(chǎn)生較大應(yīng)力，造成前后卡套損壞，影響重復(fù)裝配后的密封性能，使接頭重復(fù)裝拆使用難以實(shí)現(xiàn)；④抗振動(dòng)性能差導(dǎo)致接頭易失效，無法有效補(bǔ)償因溫度變化導(dǎo)致的密封性能降低[2]；⑤工藝性差，制造質(zhì)量不高。

為此，擬采用的手段為：利用有限元分析，以卡套接頭的密封性、對(duì)卡套管的夾持性和沖擊性、夾持部位應(yīng)力的分布均勻性以及夾持部件的彈性為主要考慮因素和優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)前后卡套的結(jié)構(gòu)進(jìn)行變更和優(yōu)化設(shè)計(jì)，增大前卡套對(duì)卡套管的握緊力、前卡套在軸向上的擠進(jìn)力，實(shí)現(xiàn)增大密封面提高密封性能的目的；借助表面硬化工藝對(duì)卡套工作表面進(jìn)行處理以提高表面硬度，減小磨損，提高卡套的工作性能[3]；通過表面涂層鍍銀處理，防止后卡套與驅(qū)動(dòng)螺母內(nèi)部表面之間的摩擦咬合；優(yōu)化前后卡套的結(jié)構(gòu)和接觸方式。

2 仿真模型建立與結(jié)果分析

2.1 模型建立

對(duì)模型進(jìn)行軸對(duì)稱簡化，分別對(duì)卡套接頭5個(gè)零部件進(jìn)行獨(dú)立網(wǎng)格劃分，模擬工作中的狀態(tài)對(duì)模型進(jìn)行邊界條件設(shè)定，接頭本體底部固定，螺母端部強(qiáng)制向下位移約1.5 mm，如圖2。

圖2 邊界條件

卡套接頭選用316不銹鋼，其抗拉強(qiáng)度515 MPa，屈服強(qiáng)度205 MPa，塑性應(yīng)變0.35，彈性模量193 GPa，泊松比0.3。

2.2 結(jié)果分析

對(duì)于卡套密封機(jī)理，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為應(yīng)該關(guān)注物理量：各零部件應(yīng)力狀態(tài)，前后卡套與卡套管的接觸面積、接觸壓力，前后卡套頂部張開量和底部徑向收縮。

仿真結(jié)果如圖3～圖5，對(duì)其分析數(shù)據(jù)列于表1?？梢?，卡套管上的應(yīng)力大于材料的屈服極限，這樣保證了前卡套的前端可以楔進(jìn)卡套管，完成密封并保證卡套管在接頭體內(nèi)的充分緊固（打壓后不會(huì)被拔出）；后卡套與卡套管之間也存在一定的應(yīng)力集中，可以保證抗振動(dòng)性能。前卡套和后卡套的最大應(yīng)力在485～619 MPa 之間，大幅度超過了材料的屈服強(qiáng)度，前后卡套均發(fā)生一定的塑性變形，抱緊卡套管，從而獲得良好的抓緊力，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)：整體最大應(yīng)力在600 MPa 左右視為可接受范圍，管接頭整體的最大應(yīng)力出現(xiàn)在前后卡套之間，或是在前卡套與接頭本體的接觸處，為保證管接頭整體的使用壽命，應(yīng)使其盡量小[4]。

圖3 各零部件應(yīng)力分布

圖4 各零部件變形位移

圖5 卡套管密封壓力分布

表1 6～25 mm系列化模型分析結(jié)果數(shù)據(jù)

位移1為后卡套頂部外側(cè)徑向外張位移量，位移2 為后卡套低部端內(nèi)側(cè)徑向收縮位移量，位移3 為前卡套頂部外側(cè)徑向外張位移量，位移4為前卡套低部端內(nèi)側(cè)徑向收縮位移量。這4 項(xiàng)位移是卡套管接變形程度的重要考量指標(biāo)，在0.1～0.2 mm 之間的變量視為合理范圍。數(shù)值過小預(yù)示著卡套變形不足，產(chǎn)生不了足夠的抓緊力；變形過大可導(dǎo)致重復(fù)使用性能降低，嚴(yán)重的可導(dǎo)致卡套管接頭直接失效[5]。

接觸1為后卡套與卡套管之間的接觸情況，接觸2 為前卡套與卡套管之間的接觸情況，接觸情況包括接觸應(yīng)力和各零部件之間的接觸寬度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般要求卡套管與卡套之間接觸處的應(yīng)力大于260 MPa，視為較優(yōu)結(jié)果。管接頭的主要密封面為前卡套與卡套管的接觸面、前卡套與接頭本體的接觸面，應(yīng)盡量使接觸面寬度變大，這是接觸穩(wěn)定可靠的需要。

卡套螺母上的應(yīng)力集中應(yīng)盡可能小，盡量使其遠(yuǎn)離材料的屈服極限，從而降低裝配扭矩，延長卡套螺母的使用壽命。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般要求螺母上的應(yīng)力集中在100 MPa左右，越小越好。一般要求卡套管與卡套之間接觸處的應(yīng)力大于260 MPa，視為較優(yōu)結(jié)果。管接頭的主要密封面為前卡套與卡套管的接觸面、前卡套與接頭本體的接觸面，應(yīng)盡量使接觸面寬度變大，這是接觸穩(wěn)定可靠的需要。

卡套螺母上的應(yīng)力集中應(yīng)盡可能小，盡量使其遠(yuǎn)離材料的屈服極限，從而降低裝配扭矩，延長卡套螺母的使用壽命。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般要求螺母上的應(yīng)力集中在100 MPa左右，越小越好。

3 后卡套設(shè)計(jì)方法及評(píng)價(jià)

3.1 后卡套設(shè)計(jì)方法

通過上述仿真過程及結(jié)果分析，可優(yōu)化后卡套的設(shè)計(jì)方法及步驟為：

（1）綜合考慮后卡套的變形特征，初步確定卡套設(shè)計(jì)方案（圖6）。

圖6 后卡套結(jié)構(gòu)示意圖

（2）保持設(shè)計(jì)要素5、6不變，針對(duì)要素1～4，設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)方案，建立相應(yīng)的模型，進(jìn)行仿真分析。對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行正交分析處理，得到相應(yīng)較優(yōu)的參數(shù)，并對(duì)此參數(shù)組合的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證。

（3）根據(jù)步驟2 得到的優(yōu)化結(jié)果，據(jù)此進(jìn)一步優(yōu)化剩余的設(shè)計(jì)參數(shù)5～6，過程同步驟2。若步驟2 已經(jīng)得到了高度優(yōu)化的結(jié)果，可適當(dāng)簡化分析。

（4）按設(shè)計(jì)要素的順序確定各設(shè)計(jì)要素相應(yīng)的公差范圍。

3.2 性能評(píng)價(jià)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)并加工出產(chǎn)品。經(jīng)優(yōu)化后的產(chǎn)品優(yōu)勢包括三個(gè)方面：

（1）后卡套的上端面呈錐形，與卡套螺母內(nèi)錐面形成配合的作用面，這樣減小了后卡套和螺母之間的接觸應(yīng)力。后卡套下端部外部也呈錐形，與前卡套上部內(nèi)錐面也形成一對(duì)配合作用面。后卡套由上至下呈上大下小的結(jié)構(gòu)，腰部外壁沿軸向方向設(shè)計(jì)有平滑過渡的弧形凹槽（由多段弧面組成）。后卡套內(nèi)部至上而下為大圓筒形—喇叭形—小圓筒形的結(jié)構(gòu)，圓筒形與喇叭形結(jié)構(gòu)之間圓滑過渡。

（2）后卡套腰部外壁的弧形凹槽和內(nèi)部喇叭形結(jié)構(gòu)增加了后卡套變形的能力，使后卡套在接頭裝配過程中能夠產(chǎn)生足夠形變；同時(shí)也降低了裝配所需要的軸向力，從而減小了所需的裝配扭矩。平滑過渡的弧形凹槽及內(nèi)部喇叭形結(jié)構(gòu)更是避免了卡套腰部應(yīng)力集中，增加了使用壽命。

（3）腰部的弧形凹槽在圓弧面的中間處壁厚最小，其位置大約在整個(gè)后卡套1/3 高度處。后卡套采用表面滲碳處理工藝，芯部保持材料基體的韌性，從而增加了卡套表面硬度，提高了卡套接頭的耐磨性和抗腐蝕性能。

4 結(jié)語

從雙卡套管接技術(shù)的功能特點(diǎn)出發(fā)，采用一系列優(yōu)化手段方法，設(shè)計(jì)出了新型高可靠性雙卡套管接件，為行業(yè)企業(yè)提供有價(jià)值的實(shí)際指導(dǎo)。但考慮到實(shí)際工況中還存在外力、沖擊、溫度、磨損、材料缺陷等影響雙卡套管接性能的重要因素，這是仿真設(shè)計(jì)或是實(shí)驗(yàn)室環(huán)境所無法比擬的，所以雙卡套管接技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化還依賴于現(xiàn)場的使用反饋，一個(gè)性能卓越的雙卡套管接結(jié)構(gòu)必然是經(jīng)過現(xiàn)場反復(fù)驗(yàn)證的。