歐陽(yáng)小平　方　旭　朱　瑩　王　鍇　楊華勇

1.浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州,310027 2.航空機(jī)電系統(tǒng)綜合航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京,2111003.中航工業(yè)機(jī)電系統(tǒng)股份有限公司,北京,100164

航空液壓管接頭綜述

歐陽(yáng)小平1方旭1朱瑩2王鍇3楊華勇1

1.浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州,310027 2.航空機(jī)電系統(tǒng)綜合航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京,2111003.中航工業(yè)機(jī)電系統(tǒng)股份有限公司,北京,100164

航空液壓管接頭是直接影響飛機(jī)安全和可靠性的重要元件。為全面了解各類(lèi)航空液壓管接頭性能，介紹了永久式、可分離式和柱端式三大類(lèi)航空液壓管接頭的基本特點(diǎn)；從結(jié)構(gòu)、原理、使用范圍、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和供應(yīng)商等方面對(duì)主要液壓管接頭進(jìn)行了詳細(xì)闡述；從耐壓能力、拉脫強(qiáng)度、質(zhì)量和安裝等方面對(duì)比分析了三大類(lèi)管接頭中每種管接頭的性能和優(yōu)缺點(diǎn)；針對(duì)不同壓力級(jí)別系統(tǒng)給出了航空液壓管接頭的選擇推薦，展望了航空液壓管接頭未來(lái)的發(fā)展方向，指出了我國(guó)在該領(lǐng)域與國(guó)際先進(jìn)水平的差距。

航空；液壓管接頭；永久式；可分離式；柱端式

0　引言

隨著國(guó)家航空事業(yè)的戰(zhàn)略調(diào)整，我國(guó)在民用和軍用飛機(jī)研制領(lǐng)域均取得了很大的進(jìn)展，一系列新型軍機(jī)(如殲-20、殲-31、運(yùn)-20)和國(guó)產(chǎn)客機(jī)(ARJ21和C919)應(yīng)運(yùn)而生。這些飛機(jī)的成功研制，都需要高可靠的液壓系統(tǒng)和元件為飛行控制提供安全保障。航空液壓管接頭作為一種最基礎(chǔ)的液壓附件，通過(guò)管路將液壓泵、閥、缸、油箱等液壓元件聯(lián)結(jié)起來(lái)，組成液壓系統(tǒng)。在飛機(jī)液壓系統(tǒng)中，液壓管接頭的數(shù)量多、分布廣，任何一處管接頭的泄漏都會(huì)造成飛機(jī)液壓系統(tǒng)故障甚至重大飛行事故。國(guó)內(nèi)飛機(jī)生產(chǎn)商及研究單位在飛機(jī)研制過(guò)程中，往往只注重泵、閥、缸等液壓元件特性的研究，忽略液壓管接頭對(duì)飛機(jī)性能的影響，從而給飛機(jī)的安全性和可靠性帶來(lái)了隱患。筆者通過(guò)調(diào)研大量的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn),在本文中系統(tǒng)地闡述了航空液壓管接頭的種類(lèi)、結(jié)構(gòu)、原理、安裝及其性能對(duì)比，為我國(guó)從事飛機(jī)液壓科研工作的人員提供參考。

1　航空液壓管接頭分類(lèi)

航空液壓管接頭一般分為永久式管接頭、可分離式管接頭和柱端式管接頭三大類(lèi)[1-2],如表1所示。永久式管接頭是一類(lèi)永久連接、不可拆卸式的管接頭，具有較強(qiáng)的耐壓能力和可靠性，質(zhì)量和體積均很小，在飛機(jī)液壓系統(tǒng)中使用十分廣泛。

表1　航空管接頭分類(lèi)

注：psi為磅/平方英寸,1psi=6895Pa,下同。

可分離式管接頭是一類(lèi)可以拆裝維護(hù)的管接頭，具有較好的可維護(hù)性，但是其質(zhì)量和體積相對(duì)較大，接頭零件數(shù)多，可靠性一般。柱端式管接頭是一類(lèi)連接管路與柱端端口的專(zhuān)用管接頭，通常位于管路系統(tǒng)的終端，需要較高的機(jī)械連接強(qiáng)度。其他類(lèi)型的管接頭一般只針對(duì)特定的場(chǎng)合，如旋轉(zhuǎn)接頭和柔性接頭用于元件或管路存在較大旋轉(zhuǎn)、位移或振動(dòng)的場(chǎng)合，快速接頭用于元件需要頻繁更換維護(hù)的場(chǎng)合等。由于篇幅有限，本文主要討論更常用的永久式、可分離式和柱端式三類(lèi)管接頭。

2　永久式管接頭

永久式管接頭采用永久連接形式，耐壓能力和機(jī)械強(qiáng)度都較高，用于不需要拆裝的管路系統(tǒng)，主要有徑向擠壓式、軸向擠壓式、記憶合金式、熔焊式和釬焊式五種。

2.1徑向擠壓式

徑向擠壓式永久接頭通過(guò)徑向壓接的方式使接頭與管子機(jī)械相連，如圖1所示。接頭由接頭體和接頭端部組成，兩部分通過(guò)薄壁結(jié)構(gòu)連接，這種薄壁結(jié)構(gòu)能很好地吸收振動(dòng)和彎曲[3]。徑向擠壓接頭與管子在受擠壓變形后會(huì)有回彈力，通過(guò)管子和接頭的變形和回彈力的作用形成可靠的永久性連接，該回彈力大小受接頭和管子退火條件的影響[4]。

(a)接頭原理圖

(b)接頭實(shí)物圖圖1　徑向擠壓式管接頭

為避免因管子表面缺陷而存在泄漏，接頭體內(nèi)部設(shè)計(jì)有兩個(gè)密封槽，使用硅酮密封圈來(lái)實(shí)現(xiàn)接頭備份密封。不同材料的接頭，硅酮密封劑填充的個(gè)數(shù)也不同。鈦合金和不銹鋼的接頭可以只填充外側(cè)槽就能實(shí)現(xiàn)有效密封，而鋁合金接頭和管子由于回彈力相對(duì)較小，故需要同時(shí)填充兩個(gè)槽，但是一般推薦所有接頭包括不銹鋼和鈦合金接頭都同時(shí)使用兩條密封槽[3]。

接頭端內(nèi)部涂有聚四氟乙烯干膜潤(rùn)滑劑，在彎曲或振動(dòng)條件下，可以有效地減少應(yīng)力集中。接頭內(nèi)部端面設(shè)計(jì)有一個(gè)最大為7.6 mm(0.3in)的管端間隙,避免管子在裝配時(shí)和接頭底部或者另一根管子端面直接接觸，允許接頭安裝位置在管子上有少量軸向位移余量，提高了安裝的靈活性[5]。這個(gè)間隙的設(shè)計(jì)也同樣體現(xiàn)在軸向擠壓式和記憶合金式永久接頭上。

徑向擠壓式永久接頭廣泛應(yīng)用于各類(lèi)飛機(jī)的液壓、氣動(dòng)、環(huán)控和燃油等系統(tǒng)中，其設(shè)計(jì)壓力可達(dá)20.7～27.6 MPa(3000～4000 psi)[6],設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)SAE的AS4459、Boeing公司的27D0001/27M101/BPS-F-142,公制標(biāo)準(zhǔn)采用ISO7169。目前徑向擠壓式永久接頭的主要供應(yīng)商都集中在美國(guó)，包括Permaswage、Airdrome、Eaton等公司。

2.2軸向擠壓式

軸向擠壓式永久管接頭由接頭體和擠壓環(huán)組成，接頭體端部?jī)?nèi)設(shè)計(jì)有齒槽結(jié)構(gòu)，如圖2所示[7]。使用擠壓工具將擠壓環(huán)沿著接頭體軸向推進(jìn),擠壓環(huán)擠壓接頭和管子，使接頭體的齒槽結(jié)構(gòu)嵌入到管子，形成機(jī)械連接和金屬密封。安裝時(shí)，管子的插入深度和擠壓環(huán)的推入距離都需要根據(jù)事先在管子上的標(biāo)記來(lái)判斷[8]。

(a)接頭原理圖

(b)接頭實(shí)物圖圖2　軸向擠壓式管接頭

為減小接頭質(zhì)量,可以將擠壓環(huán)分成內(nèi)環(huán)和外環(huán)，內(nèi)環(huán)為原金屬材料，外環(huán)使用高強(qiáng)度低密度的復(fù)合材料，如碳纖維強(qiáng)化環(huán)氧樹(shù)脂[9]。為使擠壓環(huán)更易軸向推動(dòng)，常在擠壓環(huán)內(nèi)表面和接頭體外表面涂抹潤(rùn)滑劑以減小兩者的摩擦力,更大程度減小擠壓環(huán)和接頭體接觸面刮擦的概率，從而避免因刮擦造成的擠壓環(huán)卡死甚至損壞擠壓環(huán)或接頭體[10]。

為拓展軸向擠壓式管接頭在快速維修場(chǎng)合的應(yīng)用，如快速修補(bǔ)有缺陷或者破損的管子,Eaton公司設(shè)計(jì)了一種僅用兩把扳手就能快速簡(jiǎn)單完成安裝的軸向擠壓式管接頭H-Fitting[11]。

軸向擠壓接頭可以應(yīng)用于10.3～34.5 MPa(1500～5000 psi)的系統(tǒng)[12],滿(mǎn)足SAE AS5958標(biāo)準(zhǔn)要求。應(yīng)用機(jī)型有Boeing的F/A-18 E/F和MV-22,Bombardier的Learjet 45公務(wù)機(jī)。軸向擠壓接頭的供應(yīng)商和徑向擠壓接頭類(lèi)似,主要是Permaswage和Eaton公司。

2.3記憶合金式

記憶合金管接頭是利用形狀記憶合金(鎳鈦合金)所制成的高性能航空管接頭。加工記憶合金管接頭時(shí),在馬氏體條件下將預(yù)加工好的管套(內(nèi)徑略小于管路外徑)用相應(yīng)形狀的擴(kuò)徑芯棒使之內(nèi)徑稍稍大于管路的外徑,并一直儲(chǔ)存在液氮(-196℃)中。安裝時(shí),從液氮中取出管套，套在安裝位置,當(dāng)管套溫度逐漸升高時(shí)，管套收縮產(chǎn)生的回復(fù)力箍緊管子，同時(shí)管套的內(nèi)脊嵌入管子，使得該連接具有很高的連接強(qiáng)度和很好的密封性能，如圖3所示。

圖3　記憶合金式管接頭

在不降低密封性能及強(qiáng)度的情況下,使用記憶合金接頭，省去了管路端面加工設(shè)備、擠壓設(shè)備及力矩扳手等工具，大大簡(jiǎn)化了管接頭安裝的工作量。但是記憶合金管套在安裝前，必須儲(chǔ)存在液氮中,這限制了其應(yīng)用范圍[13]。

記憶合金接頭可以應(yīng)用于13.8～34.5 MPa(2000～5000psi)各級(jí)壓力系統(tǒng)中,滿(mǎn)足SAE的AS85421/AS85720/AS18280/AS4459標(biāo)準(zhǔn),美軍標(biāo)MIL-F-18280和MIL-F-85421,以及Northrop的37A050。記憶合金管接頭已經(jīng)廣泛應(yīng)用于Airbus的A320/A340/A350、Boeing的B747/B787/C17和Northrop的B-2等機(jī)型中，目前市場(chǎng)上主要由Aerofit和Airdrome公司提供。據(jù)報(bào)道，該永久密封形式已經(jīng)保持39年無(wú)泄漏的記錄[14]。

2.4熔焊式

熔焊式管接頭是指采用熔焊方式的永久式管接頭。熔焊方法主要有電弧焊、等離子弧焊和激光焊等。熔焊式接頭可分為直接對(duì)焊式、T形環(huán)式和承插式等，航空領(lǐng)域較多采用T形環(huán)式熔焊，而套筒連接則是T形環(huán)的擴(kuò)展形式，如圖4所示。此類(lèi)熔焊接頭端設(shè)計(jì)成T形輪廓，以便與管接頭或管路端面在熔焊前配合，T形環(huán)同時(shí)還可以用作熔焊時(shí)的填料。熔焊式管接頭具有質(zhì)量輕、體積小、管路封套面最短和連接強(qiáng)度高等特點(diǎn)。

(a)T形環(huán)連接

(b)套筒連接圖4　熔焊式接頭

熔焊接頭焊縫的質(zhì)量直接關(guān)系到接頭的機(jī)械強(qiáng)度和耐壓密封性能，但是焊縫質(zhì)量難以通過(guò)目視觀察或者使用簡(jiǎn)單量具檢測(cè)，必須采用X射線(xiàn)或超聲波檢測(cè)整條焊縫內(nèi)部質(zhì)量[15-16]，給熔焊接頭的現(xiàn)場(chǎng)安裝應(yīng)用帶來(lái)了極大困難，從而限制了其在現(xiàn)代飛機(jī)上的使用。目前，航空用熔焊接頭已廣泛使用軌道式自動(dòng)熔焊設(shè)備，這使得精確控制焊接軌跡成為可能，大大提高了焊接效率和焊接可靠性。

熔焊接頭的設(shè)計(jì)符合SAE的AS1576或AS4510標(biāo)準(zhǔn),Boeing的27M107和BPS-F-125,Lockheed的5PTV5401,以及Northrop的37A050,能滿(mǎn)足20.7～34.5 MPa(3000～5000psi)壓力等級(jí)的要求[15-16]。由于熔焊接頭的低成本和高可靠性,被廣泛應(yīng)用于早期的軍用和民用飛機(jī)。

2.5釬焊式

釬焊接頭連接形式是在接頭管套和管子間添加釬料，通過(guò)加熱熔化，依靠毛細(xì)作用或者附加聲波振動(dòng)，均勻地?cái)U(kuò)散并填充到接頭管套與硬管之間，經(jīng)低溫冷卻而形成的連接。由于是毛細(xì)作用，接頭管套與管子之間的徑向間隙一般要求在0.05～0.1 mm之間，間隙過(guò)小會(huì)加大制造裝配工藝難度,間隙過(guò)大會(huì)使釬料分布不均勻[17]。

釬焊分硬釬焊和軟釬焊,主要以溫度和釬料區(qū)分。硬釬焊加熱溫度高于450℃,使用鋁基、銀基和銅基等高熔點(diǎn)釬料,軟釬焊加熱溫度低于450℃,使用錫基、鉛基和鋅基等低熔點(diǎn)釬料。硬釬焊的使用溫度高、機(jī)械強(qiáng)度高,所以航空用釬焊式管接頭一般采用硬釬焊形式。

釬焊接頭典型結(jié)構(gòu)如圖5所示。管套型釬焊接頭的接頭體內(nèi)部加工有預(yù)置焊料的凹槽(用于直接連接兩根管子)，而接頭型釬焊接頭的底部與管端面接觸的位置預(yù)置釬料環(huán)(用于連接管子和轉(zhuǎn)接頭),釬料環(huán)在通過(guò)高頻感應(yīng)加熱熔化后均勻地填充在管路和接頭管套間的縫隙，形成永久連接。

(a)管套型

(b)接頭型圖5　釬焊接頭

相比熔焊接頭,釬焊接頭的強(qiáng)度較低，耐熱能力較差，對(duì)管路與接頭的同軸度要求很高,釬焊后也需要用X射線(xiàn)檢測(cè)或超聲波檢測(cè)來(lái)觀察焊料的鋪展率。但是，釬焊對(duì)母材的理化性能影響小，焊接后應(yīng)力和應(yīng)變較小，可焊接性能差別較大的異種金屬，能同時(shí)完成多條焊縫，密封性好,被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)型軍用和民用飛機(jī)。釬焊式管接頭需滿(mǎn)足SAE ARP573和MIL-B-7883、Boeing的S7928939和27D0002的要求,其使用壓力可達(dá)20.7 MPa(3000psi)[17-18]。

2.6性能對(duì)比

五種永久式管接頭的性能對(duì)比如表2所示。

徑向擠壓式、軸向擠壓式和記憶合金式管接頭，均依靠管路和接頭體間的相互擠壓作用力實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度機(jī)械連接。其中，軸向擠壓式和記憶合金式管接頭均有刃齒結(jié)構(gòu)，安裝后刃齒嵌入管壁，可以形成有效的線(xiàn)-面金屬接觸密封，而徑向擠壓式管接頭安裝后是面-面金屬接觸，密封不可靠，需要附加密封圈來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠密封。同時(shí)，刃齒結(jié)構(gòu)也使軸向擠壓式和記憶合金式管接頭的拉脫強(qiáng)度要高于徑向擠壓式管接頭的拉脫強(qiáng)度。由于軸向擠壓式和記憶合金式管接頭具有高效密封和高拉脫強(qiáng)度的特點(diǎn)，故其適用壓力也高于徑向擠壓式管接頭。

表2　永久式管接頭性能對(duì)比

注：“++”代表性能很好，“+”代表性能好，“-”代表性能差，“--”代表性能很差，下表同。

熔焊式和釬焊式管接頭通過(guò)熱加工實(shí)現(xiàn)接頭的安裝，焊縫質(zhì)量難以直觀控制，必須使用X射線(xiàn)或超聲波檢測(cè)，令安裝工藝復(fù)雜化，通常需要在部裝廠(chǎng)完成，這限制了熔焊式和釬焊式管接頭的使用。即便如此，釬焊所采用的感應(yīng)加熱方法比熔焊更易保證焊接質(zhì)量，也更簡(jiǎn)便。徑向擠壓式、軸向擠壓式和記憶合金式管接頭則可以簡(jiǎn)單地通過(guò)在管路外壁上作標(biāo)記來(lái)判斷接頭是否安裝到位，便于在總裝廠(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)安裝。記憶合金式管接頭需要在液氮中儲(chǔ)存，使其便捷性又低于徑向擠壓式和軸向擠壓式管接頭。

在接頭零件數(shù)和質(zhì)量方面，熔焊式管接頭的優(yōu)勢(shì)最明顯，所占空間也最小。軸向擠壓式接頭共有三個(gè)零件組成，增大了接頭的質(zhì)量和空間。

3　可分離式管接頭

可分離式管接頭是最常用的管接頭，即接頭連接常用螺紋緊固形式，可以反復(fù)拆裝?？煞蛛x式管接頭主要有擴(kuò)口式、無(wú)擴(kuò)口式和唇密封式三種。

3.1擴(kuò)口式

擴(kuò)口式接頭是液壓系統(tǒng)里使用最廣泛的接頭之一，最常用的是37°擴(kuò)口，其他還有45°、60°和雙錐度擴(kuò)口等。預(yù)先將管端冷擠壓成喇叭口，配合使用相應(yīng)的螺母和管套，使管子擴(kuò)口錐面與接頭錐面相互緊貼，形成金屬接觸面-面密封，如圖6a所示。使用管套壓緊管子能避免振動(dòng)時(shí)應(yīng)力集中在管子擴(kuò)口交界處,分散擴(kuò)口處的剪切應(yīng)力，增大連接強(qiáng)度。擴(kuò)口接頭安裝簡(jiǎn)單,容易對(duì)中,但安裝時(shí)必須保證適當(dāng)潤(rùn)滑。

對(duì)于材料比較軟且外徑較小的管子，如鋁合金管，可以將管子擴(kuò)成雙層擴(kuò)口[19]。雙層擴(kuò)口能提高連接的強(qiáng)度,同時(shí)雙層擴(kuò)口表面更光潔,同軸度更高,所以密封效果要比單層擴(kuò)口好。

由于管端擴(kuò)口法較難加工壁厚很大或者硬度很高的管子，可以采用機(jī)加工的37°內(nèi)錐頭[20]，通過(guò)焊接或擠壓等方式永久連接在管端上，從而取消了管套且管子不需要擴(kuò)口。對(duì)于機(jī)加工的內(nèi)錐頭，如果直接設(shè)計(jì)成37°內(nèi)錐面，加工誤差會(huì)導(dǎo)致其與外錐面無(wú)法形成可靠的面密封,為了解決這個(gè)問(wèn)題，將內(nèi)錐頭設(shè)計(jì)成雙錐度形式，如圖6b所示[21]。雙錐度面的錐度分別為38°～39°和25°,這兩個(gè)錐面的交線(xiàn)與擴(kuò)口接頭37°外錐面接觸，在外錐面中線(xiàn)附近形成一條可靠的線(xiàn)密封，可以防止實(shí)際密封位置偏離錐面中間位置而處于外錐面過(guò)高或者過(guò)低的邊緣位置，以致密封不可靠。

(a)常規(guī)型(b)雙錐度頭圖6　擴(kuò)口式管接頭

擴(kuò)口式管接頭早在20世紀(jì)40年代就被應(yīng)用于飛機(jī)液壓系統(tǒng)，是航空工業(yè)中應(yīng)用最早的剛性導(dǎo)管連接件，適應(yīng)各種流體介質(zhì)。但其耐壓能力有限，最高設(shè)計(jì)壓力為20.7 MPa(3000psi)[22],滿(mǎn)足SAE的AS4841,美軍標(biāo)的MIL-F-5509。

3.2無(wú)擴(kuò)口式

無(wú)擴(kuò)口式管接頭不需要對(duì)管子擴(kuò)口,最大的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是接頭端的24°內(nèi)錐面。無(wú)擴(kuò)口式連接主要有兩種形式：圖7a是管套形式，由無(wú)擴(kuò)口接頭、無(wú)擴(kuò)口管套和螺母三部分組成[23];圖7b是球頭形式,由無(wú)擴(kuò)口接頭、無(wú)擴(kuò)口球形端頭和螺母三部分組成[24]。

(a)管套形式(b)球頭形式圖7　無(wú)擴(kuò)口式管接頭

無(wú)擴(kuò)口式連接主要依靠24°內(nèi)錐面與球形或近似球形曲面直接接觸形成線(xiàn)密封，密封線(xiàn)位置處于零件的較厚部位，避免重復(fù)拆裝后形成較大塑性變形使密封不可靠。管套前端面與管路端面之間留有一段直管，便于保證接頭與管路的同軸關(guān)系，避免彎矩直接作用于管套上；直管段不能過(guò)長(zhǎng)，需保證管端面與接頭底部臺(tái)階有一定的間隙，避免兩者直接接觸而導(dǎo)致密封處接觸不良。而一般工業(yè)用咬入式卡套接頭需管端面直接頂住接頭底部臺(tái)階以使卡套刃部受力嵌入管子。

無(wú)擴(kuò)口式接頭耐壓能力比傳統(tǒng)擴(kuò)口式接頭的耐壓能力高，常用于20.7～34.5 MPa(3000～5000psi)的系統(tǒng)[25-26],設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)SAE的AS18280和AS4444,美軍標(biāo)的MIL-F-18280,Boeing的BPS-F-125。此類(lèi)接頭具有較高的可靠性,能承受一定的振動(dòng)和壓力脈動(dòng)。根據(jù)航空標(biāo)準(zhǔn)(AS18280)要求,接頭在最大或最小扭矩情況下能重復(fù)拆裝8次且不能有泄漏，所以適用于低頻率重復(fù)拆裝使用的場(chǎng)合[25]。

3.3唇密封式

唇密封式管接頭的密封原理與U形唇形密封圈類(lèi)似，密封結(jié)構(gòu)主要包括密封唇和U形截面結(jié)構(gòu),如圖8所示[27-28]。唇形密封接頭與管路的連接一般采用永久式，如焊接、擠壓等方式。唇形密封接頭連接處會(huì)形成兩處可靠的密封，一處是密封唇端部與接頭端面接觸的位置，密封唇類(lèi)似于彈性懸臂梁，使其具有自緊特性，而U形截面又使其具有自封特性；另一處密封唇底部與接頭端面接觸的位置，依靠螺母與接頭對(duì)這個(gè)位置的壓緊力實(shí)現(xiàn)密封。

(a)擰緊前(b)擰緊后圖8　唇密封式管接頭

安裝唇形密封接頭時(shí)，隨著螺母扭矩增大，在密封唇端部首先形成第一處密封，然后在密封唇底部再形成第二處密封。第二處密封結(jié)構(gòu)沒(méi)有彈性，能防止因?yàn)槁菽概ぞ剡^(guò)大而造成第一處密封失效，在重復(fù)拆裝使用的場(chǎng)合效果明顯。航空管路連接處通常會(huì)受到較強(qiáng)振動(dòng)和彎曲，第二處密封結(jié)構(gòu)能很好地防止振動(dòng)和彎曲傳遞到密封唇端部的第一處密封位置，保證密封的穩(wěn)定可靠[29]。為了達(dá)到所需的彈性密封力，密封唇端通常使用高剛度彈性材料。唇形密封接頭端面和螺紋接合面需要用干膜潤(rùn)滑劑拋光，即使經(jīng)常拆裝也不會(huì)破壞密封面。在對(duì)清潔度要求較高的地方，可以不用干膜潤(rùn)滑劑來(lái)拋光接頭端面，而是直接處理成粗糙度為8 μm的金屬面[30]。

唇形密封接頭具有極高的密封性能，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力適用于20.7～55.2 MPa(3000～8000psi)[30-31]，滿(mǎn)足美軍標(biāo)MIL-F-85421和MIL-F-85720、Boeing的27M102和27M107、Northrop的37A050和Rockwell的TFD-82-272。唇密封式管接頭連接形式具有極高的可靠性，能承受劇烈振動(dòng)和高壓力脈動(dòng)。根據(jù)AS85421要求，接頭在最大或最小扭矩的情況下能重復(fù)拆裝25次且不能有泄漏，所以適用于低頻率重復(fù)拆裝使用的場(chǎng)合[30-31]。

目前,SAE標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)唇形密封接頭公頭端有詳細(xì)尺寸要求,對(duì)密封唇只提出了基本技術(shù)要求,尺寸由各供應(yīng)商自己設(shè)計(jì)決定。唇形密封接頭主要由Parker、Eaton、Airdrome、Aerofit和Permaswage等公司提供。

3.4性能對(duì)比

三種可分離式管接頭性能對(duì)比如表3所示。

擴(kuò)口式管接頭依靠管路內(nèi)壁擴(kuò)口面與接頭外錐面形成面-面接觸密封,耐壓能力較低；無(wú)擴(kuò)口式管接頭依靠管套球面與接頭內(nèi)錐面形成線(xiàn)-面接觸密封，耐壓程度較高；唇密封式管接頭依靠密封唇與接頭錐面形成兩處線(xiàn)-面接觸密封，且密封唇具有自緊效果，耐壓能力最好。無(wú)擴(kuò)口式和唇密封式連接依靠擠壓或焊接等形式永久連接在管路上，拉脫強(qiáng)度顯著高于依靠擴(kuò)口套和接頭將擴(kuò)口端夾住的擴(kuò)口式連接方式。

表3　可分離式管接頭性能對(duì)比

可分離式管接頭安裝前都需要預(yù)裝，擴(kuò)口式管接頭需要預(yù)先擴(kuò)口，無(wú)擴(kuò)口式管接頭需要預(yù)先安裝管套，唇密封式管接頭需要預(yù)先連接唇形端頭。三種預(yù)裝方式中，擴(kuò)口式的實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)單，其次是無(wú)擴(kuò)口式和唇密封式。

在接頭零件數(shù)和質(zhì)量方面，三種接頭的直通形式均為5個(gè)零件，包括2個(gè)螺母、1個(gè)接頭體和2個(gè)管套，質(zhì)量區(qū)別不大。但是，無(wú)擴(kuò)口式和唇密封式可將接頭體預(yù)裝在管路上，比傳統(tǒng)方式可減少近半個(gè)接頭體、1個(gè)管套和1個(gè)螺母。

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)安裝，插入尺寸是衡量接頭裝配維護(hù)性能的一個(gè)指標(biāo)。插入尺寸過(guò)長(zhǎng)，拆裝接頭需要很大軸向位移，需要較大的空間才能拆裝此處接頭，如圖9所示?？梢钥闯?，唇形密封接頭的插入深度小，接頭拆裝基本不存在空間不夠的問(wèn)題，而無(wú)擴(kuò)口式接頭的插入深度大，需要在接頭處留有足夠的空間才能拆裝接頭。

(a)擴(kuò)口式(b)無(wú)擴(kuò)口式(c)唇密封式圖9　插入尺寸示意圖

4　柱端式管接頭

柱端式管接頭常用來(lái)連接管路與內(nèi)螺紋端面油口，主要有六種形式：直螺紋軟密封式、直螺紋硬密封式、延長(zhǎng)雙密封式、螺栓式、錐管螺紋式和鎖環(huán)式。

4.1直螺紋軟密封式

直螺紋連接配合軟密封如O形圈，是最常用的柱端接頭形式，如圖10所示[32]。直螺紋起聯(lián)接緊固的作用，受擠壓變形的O形圈起密封作用。直螺紋軟密封式柱端管接頭又可分為兩大類(lèi)：不可調(diào)向型與可調(diào)向型。不可調(diào)向型一般有堵頭和直通接頭,如圖10a所示,這類(lèi)接頭安裝時(shí)直接擰入油口,不存在接頭轉(zhuǎn)向?qū)R問(wèn)題。可調(diào)向型一般有彎頭、三通接頭和四通接頭等，如圖10b所示,這類(lèi)接頭通常需要精確定位幾個(gè)端頭的方向。

(a)不可調(diào)向型　　 (b)可調(diào)向型圖10　直螺紋軟密封式柱端接頭

直螺紋軟密封式柱端接頭，其柱端設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)主要有MS33649和AS5202，對(duì)應(yīng)端口設(shè)計(jì)主要有AS1859、AS930和AS756。除了以上專(zhuān)有的柱端形式外，常用的擴(kuò)口接頭和無(wú)擴(kuò)口接頭的標(biāo)準(zhǔn)端頭形式也符合柱端形式的設(shè)計(jì)，可以直接作為柱端接頭使用。

4.2直螺紋硬密封式

直螺紋硬密封式柱端接頭的六角螺母密封端面設(shè)計(jì)有凸緣結(jié)構(gòu),在接頭裝配時(shí)，凸緣嵌入到端口密封面形成金屬直接接觸密封，如圖11所示[33]。這種接頭形式不需要橡膠密封圈等復(fù)合材料零件,避免了密封圈等對(duì)油液的耐腐蝕性和自身使用溫度的限制，適用于絕大部分流體介質(zhì)，能適應(yīng)很寬的溫度范圍。

圖11　直螺紋硬密封式柱端接頭

4.3延長(zhǎng)雙密封式

延長(zhǎng)雙密封式柱端接頭是在傳統(tǒng)直螺紋柱端接頭基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)，延長(zhǎng)了柱端端頭，在突出端設(shè)計(jì)了密封結(jié)構(gòu),如圖12所示[34]。延長(zhǎng)雙密封式柱端接頭有兩道密封,互為備份,提高了柱端接頭的密封耐壓性能和可靠性,常用于航空泵進(jìn)出口與管路的連接。

圖12　延長(zhǎng)雙密封式柱端接頭

4.4螺栓式

圖13　螺栓式可調(diào)向柱端接頭

螺栓式可調(diào)向柱端接頭主要由螺栓接頭、調(diào)向接頭和密封墊圈組成，如圖13所示[35]。與圖10b直螺紋的可調(diào)向型柱端接頭相比，兩者對(duì)應(yīng)的柱端端口一致，但是螺栓式可調(diào)向柱端接頭尺寸更小、質(zhì)量更輕。螺栓式可調(diào)向柱端接頭還可以設(shè)計(jì)成多段并聯(lián)形式，延長(zhǎng)螺栓接頭長(zhǎng)度并多開(kāi)一個(gè)孔，將兩個(gè)調(diào)向接頭串在螺栓上，形成兩個(gè)并聯(lián)的流道，這種形式的特點(diǎn)是兩個(gè)調(diào)向接頭的方向都可以在平面上任意調(diào)整。螺栓式可調(diào)向柱端接頭需要兩處密封，增大了接頭泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，通常用在壓力為20.7 MPa(3000 psi)及以下的系統(tǒng)[34],設(shè)計(jì)要求要滿(mǎn)足SAE的AS4875。常用的螺栓式可調(diào)向柱端接頭形式標(biāo)準(zhǔn)主要有NAS551與NAS552，NAS1236與NAS1237，AN775與AN776。

4.5錐管螺紋式

錐管螺紋式柱端接頭的連接采用航空用錐管螺紋(ANPT)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝配方便的特點(diǎn)。在不大于51 mm(2in)時(shí)，ANPT螺紋與NPT螺紋的尺寸完全相同；大于51 mm(2in)時(shí)，ANPT螺紋的裝配余量為3個(gè)螺距，而NPT螺紋為2個(gè)螺距。NPTF螺紋為干密封式錐管螺紋，其連接密封的原理是，在沒(méi)有潤(rùn)滑劑或密封填料情況下進(jìn)行螺紋連接時(shí)，內(nèi)外螺紋牙的側(cè)面、牙頂和牙底同時(shí)接觸并產(chǎn)生輕微變形以形成密封，而NPT/ANPT螺紋為一般用途的錐管螺紋，與NPTF螺紋的區(qū)別在于牙頂和牙底的削平高度不一樣，NPT/ANPT螺紋使用扳手?jǐn)Q緊后，在螺紋大徑和小徑上允許裝配后可能漏氣的情況，所以當(dāng)NPT/ANPT螺紋用于壓力密封時(shí)，需要使用合適的密封劑并用扳手?jǐn)Q緊，常用的有聚四氟乙烯密封帶。

ANPT螺紋的設(shè)計(jì)符合美軍標(biāo)的MIL-P-7105B和SAE的AS71051B。航空錐管螺紋式管接頭的設(shè)計(jì)壓力是20.7 MPa(3000psi),可用于各種介質(zhì)的系統(tǒng)，包括液壓油、燃油和潤(rùn)滑油等，需要滿(mǎn)足SAE的AS4842標(biāo)準(zhǔn)[36]。

4.6鎖環(huán)式

鎖環(huán)式柱端接頭是一種可以不使用銷(xiāo)鍵或者防松鋼絲就能實(shí)現(xiàn)高效自鎖的接頭，它由鎖環(huán)和接頭體兩部分組成，如圖14所示[37-38]。接頭體一端為柱端形式端頭，另一端為常用可分離接頭形式的端頭，接頭體中部為花鍵結(jié)構(gòu)。鎖環(huán)是一個(gè)內(nèi)部為內(nèi)花鍵、外部為外花鍵的金屬環(huán)。擰緊接頭后，將鎖環(huán)外花鍵壓入油口內(nèi)花鍵，鎖環(huán)內(nèi)花鍵與接頭體外花鍵嚙合，使接頭相對(duì)于油口固定，避免振動(dòng)造成接頭旋轉(zhuǎn)松動(dòng)[37]。

圖14　鎖環(huán)式柱端接頭

為使鎖環(huán)能起防松作用，還需要限制鎖環(huán)軸向移動(dòng)(通過(guò)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的螺母實(shí)現(xiàn))。螺母頂住鎖環(huán)外端面，固定鎖環(huán)軸向位置，同時(shí)還能防止旋轉(zhuǎn)螺母扭矩過(guò)大。鎖環(huán)接頭密封結(jié)構(gòu)由錐面金屬接觸密封和O形密封圈兩部分組成，其中錐面金屬接觸密封起主要作用，O形密封圈作為備份使用[38]。相比常規(guī)MS/AS接頭，鎖環(huán)式柱端接頭高度更低，封裝尺寸更小，設(shè)計(jì)緊湊。

鎖環(huán)式柱端接頭的外端頭可以設(shè)計(jì)成各種可分離式端頭，由于其高可靠性，系統(tǒng)壓力可以達(dá)到20.7～55.2 MPa(3000～8000psi),常與唇密封式管接頭配合使用。目前主要供應(yīng)商有Alcoa、Shur-Lok公司。

4.7性能對(duì)比

六種柱端式管接頭性能對(duì)比如表4所示。

表4　柱端式管接頭性能對(duì)比

柱端式管接頭根據(jù)密封材料可分為三類(lèi)：直螺紋軟密封式、延長(zhǎng)雙密封式和錐管螺紋式屬于橡膠軟密封類(lèi)，直螺紋硬密封式和螺栓式屬于金屬密封類(lèi)，鎖環(huán)式屬于混合密封類(lèi)。柱端式管接頭的耐壓能力主要取決于密封形式，無(wú)論是橡膠軟密封還是金屬硬密封，均可以通過(guò)設(shè)計(jì)不同密封結(jié)構(gòu)或更換密封材料滿(mǎn)足不同壓力級(jí)別需求。

金屬硬密封雖然密封性能相對(duì)軟密封的差,但對(duì)各類(lèi)油液敏感度低、耐腐蝕性好、耐高溫，所以直螺紋硬密封式、螺栓式和鎖環(huán)式柱端管接頭的可靠性比較高。延長(zhǎng)雙密封式和鎖環(huán)式柱端管接頭均有兩處密封互為備份，提高了接頭的可靠性。鎖環(huán)式柱端管接頭的鎖環(huán)具有高效自鎖防松作用，進(jìn)一步增加了可靠性。

在可調(diào)向柱端式管接頭中，螺栓式可調(diào)向型比帶調(diào)節(jié)螺母的可調(diào)向型更便于安裝，而且螺栓式調(diào)向端頭可以多個(gè)并聯(lián)且朝向任意角度。但是螺栓式柱端接頭有兩處泄漏通道，降低了接頭的可靠性。

目前，直螺紋軟密封式柱端管接頭，憑借其簡(jiǎn)單可靠的特點(diǎn)，易于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，一直是最常用的形式。鎖環(huán)式柱端管接頭由于其高可靠性和高耐壓能力也逐漸推廣應(yīng)用。

5　討論

永久式、可分離式和柱端式管接頭根據(jù)各自不同的特點(diǎn)應(yīng)用于不同的場(chǎng)合。永久式和可分離式管接頭主要用于管路連接，柱端式管接頭主要用于內(nèi)螺紋油口與管路的連接。其中，永久式管接頭質(zhì)量小、體積小、可靠性高，適用于定型量產(chǎn)機(jī)型中工況較好且不需要拆卸的位置；可分離式管接頭便于現(xiàn)場(chǎng)安裝和拆裝維護(hù)，適用于各類(lèi)需要吸收安裝誤差、低頻率拆卸維護(hù)的元件和管路附近的位置。

對(duì)于不同的系統(tǒng)壓力等級(jí)，根據(jù)現(xiàn)有機(jī)型的管接頭選型，將管接頭推薦選型整理如表5所示。

表5管接頭選擇推薦

設(shè)計(jì)壓力Pd/MPaPd/psi永久式可分離式柱端式典型機(jī)型20.73000徑向擠壓式、軸向擠壓式、記憶合金式無(wú)擴(kuò)口式、唇密封式直螺紋軟密封、鎖環(huán)式F-16A32027.64000徑向擠壓式、軸向擠壓式、記憶合金式無(wú)擴(kuò)口式、唇密封式直螺紋軟密封、鎖環(huán)式RafaleC-1734.55000軸向擠壓式、記憶合金式唇密封式鎖環(huán)式V22F/A18E/FA38055.28000記憶合金式唇密封式鎖環(huán)式LHSHTTB

就目前航空管接頭的發(fā)展趨勢(shì)看，徑向擠壓式、軸向擠壓式和記憶合金式永久式管接頭,無(wú)擴(kuò)口式和唇密封式可分離式管接頭、鎖環(huán)式柱端接頭憑借可靠性高、裝配過(guò)程簡(jiǎn)易等優(yōu)點(diǎn)已成為航空接頭的應(yīng)用主流。隨著國(guó)際航空管接頭技術(shù)的發(fā)展，航空液壓接頭正向高壓化、輕量化方向發(fā)展，使用復(fù)合材料的航空管接頭也在研究發(fā)展中。

國(guó)內(nèi)過(guò)去對(duì)航空液壓管接頭的研究重視不夠，導(dǎo)致我國(guó)在該領(lǐng)域遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，主要表現(xiàn)為：以熔焊式和釬焊式為主的永久式管接頭、以擴(kuò)口式為主的可分離式管接頭占據(jù)我國(guó)軍機(jī)液壓管接頭的主流地位，其標(biāo)準(zhǔn)體系處于前蘇聯(lián)20世紀(jì)70年代水平；制造商以國(guó)內(nèi)軍用航空制造廠(chǎng)為主，生產(chǎn)成本低；相比國(guó)外先進(jìn)航空接頭，耐壓等級(jí)低、可靠性差。在民用飛機(jī)領(lǐng)域，傳統(tǒng)國(guó)產(chǎn)航空管接頭性能及標(biāo)準(zhǔn)均落后，難以達(dá)到國(guó)際民航適航取證的要求；我國(guó)自行研制的客機(jī)ARJ21和C919所用液壓管接頭只能全部進(jìn)口美國(guó)Eaton、Parker和Aerofit等公司的成熟產(chǎn)品及其配套裝配設(shè)備，價(jià)格昂貴。

國(guó)家正在大力發(fā)展航空運(yùn)輸業(yè)，航空液壓管接頭性能的好壞直接影響飛機(jī)液壓系統(tǒng)及飛機(jī)本身的安全性，因此先進(jìn)航空液壓管接頭在材料、制造、維護(hù)等多方面均有很大的應(yīng)用市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)飛機(jī)研制單位已經(jīng)意識(shí)到我國(guó)在液壓管接頭研究能力方面的不足，正在努力引進(jìn)國(guó)際上先進(jìn)的航空液壓管接頭(如以擠壓式和記憶合金式為主的永久式管接頭，以無(wú)擴(kuò)口式和唇密封式為主的可分離式管接頭)，并逐步建立相應(yīng)的國(guó)產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)體系。目前成都飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)、洪都航空工業(yè)集團(tuán)等國(guó)內(nèi)飛機(jī)制造單位已經(jīng)在殲-10、直-9等飛機(jī)上應(yīng)用了無(wú)擴(kuò)口式管接頭，飛機(jī)液壓系統(tǒng)可靠性得到很大提高；而記憶合金式管接頭等還處于研究試驗(yàn)階段，尚達(dá)不到在飛機(jī)上批量使用的水平。先進(jìn)航空液壓管接頭對(duì)材料性能、加工和裝配工藝的要求極高，因此其制造成本相較于傳統(tǒng)液壓管接頭高很多。隨著我國(guó)航空液壓管接頭在設(shè)計(jì)、材料、制造、維護(hù)等方面能力的提高，我國(guó)航空液壓管接頭的研制水平會(huì)逐步趕上國(guó)際前沿，并帶動(dòng)一批新型航空液壓管接頭及其生產(chǎn)設(shè)備的發(fā)展。

6　結(jié)語(yǔ)

航空液壓管接頭是影響飛機(jī)安全的重要元件之一，高可靠、輕量化的管接頭是飛機(jī)安全性、經(jīng)濟(jì)性的重要保障。本文系統(tǒng)性地分析了目前各類(lèi)航空液壓管接頭的性能及其特點(diǎn)，比較了三大主要管接頭的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用范圍，指出了我國(guó)在該領(lǐng)域與國(guó)際水平之間存在的差距。振興中國(guó)的航空業(yè)，必須重視航空液壓管接頭等基礎(chǔ)元件的研制開(kāi)發(fā)，從材料、設(shè)計(jì)、工藝和生產(chǎn)設(shè)備、試驗(yàn)驗(yàn)證等方面開(kāi)展深入研究。

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[29]Parker Hannifin Corporation.Dynatube Fittings for the Aerospace Industry [EB/OL].(2007-01-19)[2014-07-24].http://www.parker.com/literature/Stratoflex Products Division/SPD Literature Static Files/SPD 106-DYNATUBE.pdf

[30]AS 85421A Fittings, Tube,Fluid Systems,Separable,Beam Seal,3000/4000 psi,General Specification for[S].Warrendale, PA:SAE,2007.

[31]AS 85720A Fittings, Tube, Fluid Systems, Separable, High Pressure Dynamic Beam Seal,5000/8000psi,General Specification for[S].Warrendale,PA:SAE,2008.

[32]AS 758B Fittings - Installation in Straight Threaded Boss[S].Warrendale,PA:SAE,1989.

[33]ARP 618A Boss Fittings,Metal Seal,Fluid Systems:General Requirements for[S].Warrendale, PA:SAE,1988.

[34]ARP 994A Recommended Practice for the Design of Tubing Installations for Aerospace Fluid Power Systems[S].Warrendale,PA:SAE,2012.

[35]U. S. Department of Defense. MS 21345A Fitting,Installation of Universal Elbow[S].Washington, DC: U.S. Department of Defense,1984.

[36]AS 4842 Fittings and Bosses, Pipe Threaded,Fluid Connection[S].Warrendale,PA:SAE,1995.

[37]AS 1959 Insert-Ring Locked, Fluid Connection Port Design,Installation and Removal of[S].Warrendale,PA:SAE,2000.

[38]Shur-Lok Corporation.Sta-Lok Fluid Fittings[EB/OL].(2003-08-12)[2014-07-09].http://www.shur-Lok.Com/Product_Dls/Fittingscatalog.pdf.

(編輯王旻玥)

Overview of Aviation Hydraulic Fittings

Ouyang Xiaoping1Fang Xu1Zhu Ying2Wang Kai3Yang Huayong1

1.State Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control,Zhejiang University,Hangzhou,310027 2.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Aero Electromechanical System Integration,Nanjing,211100 3.China Aviation Industry Electromechanical Systems Corporation,Beijing,100164

The aviation hydraulic fitting is one of the most important components which directly affects the safety and reliability of aircrafts.A comprehensive overview was intended to introduce the general features of the aviation hydraulic fittings.The performance of three main types of aviation hydraulic fittings was demonstrated, including permanent fittings,separable fittings and boss fittings.The structure,principles,applications,design standards and suppliers of each type were illustrated.The characteristics of each main type fitting such as pressure resistance,pull-off strength,weight and installation,were analyzed and compared.The recommended selections of aviation hydraulic fittings for different pressure levels were summarized.Finally,the developing prospect of aviation hydraulic fittings was given, and the large distance in the aviation hydraulic fittings between China and the international advanced level was pointed out.

aviation;hydraulic fitting;permanent;separable;boss

2015-02-13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275450)；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2014CB046403);浙江大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2013FZA4004)

TH137DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.16.023

歐陽(yáng)小平，男，1974年生。浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副教授。主要研究方向?yàn)楹娇找簤?、電液控制、外骨骼機(jī)器人。發(fā)表論文20余篇。方旭,男,1989年生。浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生。朱瑩，女，1964年生。航空機(jī)電系統(tǒng)綜合航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員。王鍇,男,1973年生。中航工業(yè)機(jī)電系統(tǒng)股份有限公司高級(jí)工程師。楊華勇，男，1961年生。浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授、博士研究生導(dǎo)師，中國(guó)工程院院士。