陸幸駿，趙文生，馮 靜，楊 濤，姚興安

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所,江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

流體連接器在軍用通信系統(tǒng)、海軍聲納探測設(shè)備[1]、雷達(dá)監(jiān)測設(shè)備、實(shí)時機(jī)器控制設(shè)備、測量測控平臺、通訊領(lǐng)域、電力設(shè)備、鐵道信號監(jiān)測系統(tǒng)、航天航空[2]等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。

目前采用的結(jié)構(gòu)形式多為盲插(無浮動功能)流體連接器，插頭和插座對準(zhǔn)位置要求高，軸心最大偏移為±0.25 mm。如果超出此范圍，流體連接器容易損壞，故采用此類盲插流體連接器尤其對重量、尺寸大的模塊加工、裝配、隔震方案和定位銷精度要求非常高[3]。為解決此類盲插流體連接器的缺陷，研究浮動盲插流體連接器的研究很有必要。

1 自密封浮動盲插流體連接器

某盲插流體連接器帶壓插合時，插頭端內(nèi)部流體正常情況下一般有0.3 MPa左右的壓力，而剛投入使用的插座內(nèi)部沒有流體，流體壓力為0，插座端與插頭端壓力差很大[4]。插座內(nèi)腔剛剛接通的瞬間，接通面積小，且兩端壓力差較大，此時在小O形圈處的液體流速很大，對小O形圈造成沖擊，導(dǎo)致其破損，最終產(chǎn)生泄漏。具體原因如圖1所示。

圖1 插合過程圖

帶壓斷開時，插座插頭內(nèi)部0.3 MPa的壓力，使內(nèi)部小密封圈在圓周方向的變形不均勻，斷開過程中，密封殼體復(fù)位，小O形圈需在插頭殼體圓角的引導(dǎo)下被加壓變形與殼體重新形成密封，由于內(nèi)部壓力原因，小O形圈偏向一側(cè)，引導(dǎo)不順利就會導(dǎo)致密封殼體將O形圈擠傷甚至切斷。具體原因如圖2所示。

圖2 斷開過程圖

為了避免上述問題的出現(xiàn)，此類連接器必須在斷壓情況下才能斷開或連接，降低了設(shè)備維修性和可靠性指標(biāo)，同時也存在因遺忘帶壓操作或未按要求操作所帶來的安全隱患。

針對上述問題，研究了自密封浮動盲插流體連接器，其主要由插頭和插座組成。插頭接冷卻水源，插座接被冷卻模塊，冷卻水由插頭端流向插座端[5]。

1.1 浮動盲插流體連接器插頭

插頭由殼體1、閥芯2、襯套3、墊圈4、接頭5、彈簧6、密封圈7、密封圈8、密封圈9和擋圈10組成，如圖3所示。插頭通過接頭5和密封圈8安裝在機(jī)箱基座上，與外部水路連接。接頭5通過襯套3和擋圈10套接在殼體外側(cè)，閥芯2可以通過彈簧6在殼體1內(nèi)部移動，在密封圈9的作用下，形成插頭密封或斷開狀態(tài)。殼體1內(nèi)部擋肩對閥芯2起到限位作用，阻止閥芯2移動。

圖3 浮動盲插流體連接器插頭示意圖

1.2 浮動盲插流體連接器插座

插座由殼體11、閥芯12、封閉環(huán)13、彈簧14、密封圈15、密封圈16、密封圈17、密封圈18和擋圈19組成，如圖4所示。插座通過殼體11和密封圈18安裝在冷卻模塊上，與內(nèi)部冷板連接。封閉環(huán)13在彈簧14的作用下在殼體11內(nèi)部沿著閥芯12軸線移動。閥芯12有梯形凹槽和分流孔，當(dāng)封閉環(huán)13上密封圈15 隨著封閉環(huán)13移動到閥芯12上的梯形凹槽段時，密封圈15處于自然不受壓狀態(tài)，匯流孔及通過的流體不會對第四密封圈15造成損傷；閥芯12上分流孔與內(nèi)部水路連接，使得彈簧14所處的空腔不處于密封狀態(tài)，加快流體連接器相應(yīng)速度。插座完全斷開狀態(tài)時，封閉環(huán)13在彈簧14的作用下，移動到閥芯12限位處時，封閉環(huán)13與閥芯12上的擋肩相接觸，阻止封閉環(huán)13移動，在密封圈15和密封圈16的作用下，形成插座密封或斷開狀態(tài)。

圖4 浮動盲插流體連接器插座示意圖

圖5 浮動盲插流體連接器工作狀態(tài)示意圖

1.3 工作原理

如圖5所示，插頭和插座連接過程中，插頭殼體1推動插座封閉環(huán)13 向右移動，當(dāng)插頭閥芯2接觸到插座閥芯12時，閥芯2在插座閥芯12的作用下開始沿殼體1中心軸線向左移動。當(dāng)閥芯2移動到插頭水路即將接通的臨界狀態(tài)時，插頭殼體1已在插座殼體11內(nèi)移動到與插座密封圈17處于密封的狀態(tài)，此時，插頭與插座已處于完全密封狀態(tài)。隨著插座與插頭繼續(xù)插合，插頭內(nèi)的密封圈9由與閥芯2接觸逐步轉(zhuǎn)到與插座內(nèi)的閥芯12接觸，密封圈9始終在殼體1與閥芯2、閥芯12之間。當(dāng)密封圈9通過閥芯12上的多個匯流孔時，對匯流孔的遮擋范圍由小到大，再由大到小時，內(nèi)部水路由小到大逐漸開啟，密封圈9只有由左至右經(jīng)過閥芯12匯流孔時才會暴露在流體中。因?yàn)閰R流孔尺寸較小，密封圈9多數(shù)部分始終夾在殼體1和閥芯12之間，處在殼體1和閥芯12的保護(hù)下，第三密封圈9受到流體沖擊作用有限。當(dāng)連接器完全接通時，密封圈9已完全處在殼體1與閥芯12之間，不再受到流體的沖擊，連接器已無密封圈暴露在流體中。此時流體沿著插頭接頭內(nèi)孔軸線向內(nèi)流動，并通過閥芯2多個分流孔進(jìn)入插頭殼體1與插頭閥芯2、插座閥芯12之間形成的匯流腔體內(nèi)，通過腔體后進(jìn)入插座閥芯12的多個匯流孔，通過多個匯流孔匯合進(jìn)入插座閥芯12的內(nèi)孔中，再沿著閥芯12的內(nèi)孔軸線最終進(jìn)入冷卻模塊水路中，完成連接器帶壓連接過程。連接器帶壓斷開過程與此相反，本文在此不再敘述?？傊驹O(shè)計(jì)避免了連接器O形密封圈(即密封圈9)暴露在流速較大流體中，從而在保證密封的前提下延長其使用壽命。

加大流體連接器插頭和插座對準(zhǔn)位置尺寸范圍主要在插頭結(jié)構(gòu)方案上，浮動流體連接器插頭和插座接通及工作過程，插頭中的殼體1可以帶動其內(nèi)部組件閥芯2、襯套4、彈簧6、密封圈7、密封圈9一起移動，直至接觸到接頭5內(nèi)壁，殼體1和接頭5內(nèi)壁間隙和無徑向浮動流體連接器相比較，徑向浮動尺寸要大，故插頭和插座軸心允許的最大偏移也大，從而實(shí)現(xiàn)盲插浮動流體連接。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

自密封浮動盲插流體連接器已完成如下試驗(yàn)：

(1) 機(jī)械壽命及耐壓試驗(yàn)

無壓插拔1 500次；帶壓插拔100次后(壓力≤0.3 MPa)，進(jìn)行 1.6 MPa耐壓試驗(yàn)(時間15 min)；流體連接器在工作狀態(tài)和插頭、插座單體密封狀態(tài)下無滲漏。

(2) 安全流量試驗(yàn)

流量10 L/min(時間15 min)內(nèi)，流體連接器無滲漏。

(3) 隨機(jī)振動

①頻率范圍20～2 000 Hz，功率譜密度0.04 g2/Hz，1.6 MPa密封狀態(tài)，三方向各振動時間5 min，試驗(yàn)過程中流體連接器無滲漏。

②頻率范圍20～2 000 Hz，功率譜密度0.04 g2/Hz，0.3 MPa通水狀態(tài)，三方向各振動時間5 min，試驗(yàn)過程中流體連接器無滲漏。

(4) 沖擊

①半正弦波，峰值加速度300 m/s2，脈沖持續(xù)時間11 ms，1.6 MPa密封狀態(tài)，三方向各6次，試驗(yàn)過程中流體連接器無滲漏。

②半正弦波，峰值加速度300 m/s2，脈沖持續(xù)時間30 ms，0.3 MPa通水狀態(tài)，三方向各6次，試驗(yàn)過程中流體連接器無滲漏。

(5) 溫度試驗(yàn)

按GJB150.3 A-2009《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法 高溫試驗(yàn)》和GJB150.4 A-2009《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法 低溫試驗(yàn)》規(guī)定的方法進(jìn)行。流量≥6 L/min前提下，流體連接器泄漏量 ≤0.05(cm3/h)，流體連接器下方無滴水現(xiàn)象發(fā)生，試驗(yàn)結(jié)束后，接通工作密封狀態(tài),壓力增大到1.6 Mpa(時間15 min)時，流體連接器泄漏量為0。

(6) 插拔泄漏量試驗(yàn)

在正常插拔速率(周期>3 s)，斷壓和帶壓(壓力≤0.3 Mpa)插拔10次后，平均泄漏量≤0.05 cm3。

(7) 壓降試驗(yàn)[6]

經(jīng)測試浮動盲插流體連接器在流量4 L/min使用范圍內(nèi)壓降損失和外購某同類產(chǎn)品相同，4～6 L/min時有微小增加，最大增加值0.06 bar。

(8) 安裝允許誤差(浮動范圍)試驗(yàn)

將插頭徑向可移動殼體上、下、左、右分別撥動到最大位置，4次均可插入試驗(yàn)架和插座連通。插頭和插座連通后安裝面距離在44.5±1 mm；插頭和插座在接通工作密封狀態(tài)壓力增大到1.6 MPa(時間15 min)時，流體連接器泄漏量為0。

(9) 濕熱試驗(yàn)

按GJB150.9 A-2009《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法 濕熱試驗(yàn)》規(guī)定的方法進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)束后流體連接器零件基材沒有明顯損傷。

(10) 鹽霧試驗(yàn)

按GJB150.11 A-2009《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法 鹽霧試驗(yàn)》規(guī)定的方法進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后樣品基材沒有明顯腐蝕現(xiàn)象。

(11) 通水試驗(yàn)

將2對流體連接器置于試驗(yàn)工裝上，進(jìn)行流量6 L/min、10個周期240 h的通水試驗(yàn)，流體連接器泄漏量為0。

(12) 破壞壓力試驗(yàn)

在2.5 MPa(時間5 min) 同等壓力條件下，插頭、插座單體和流體連接器接通密封狀態(tài)下液體泄漏量為0。

部分試驗(yàn)圖片如圖6～12所示。

圖6 通水試驗(yàn)

圖7 壓降試驗(yàn)

圖8 破壞壓力試驗(yàn)

圖9 安全流量試驗(yàn)

圖10 隨機(jī)振動試驗(yàn)

圖11 沖擊試驗(yàn)

3 結(jié)束語

(1) 通過模擬各種工作環(huán)境試驗(yàn)，結(jié)果表明自密封浮動盲插流體連接器環(huán)境適應(yīng)性較高，穩(wěn)定性較好，可以廣泛運(yùn)用于各種冷卻系統(tǒng)。

(2) 提出了插頭和插座閥芯均布匯流和分流技術(shù)方案，設(shè)計(jì)了殼體和閥芯將O形圈夾在中間，流體從閥芯中間流入或流出的結(jié)構(gòu)，解決了連接器存在的O形密封圈暴露在流道中，流速過大或流體中含有雜質(zhì)以及帶壓插拔誤操作對O形密封圈造成的損傷，提高了O形密封圈的壽命和可靠性。

圖12 濕熱試驗(yàn)

(3) 自密封浮動盲插流體連接器具有一定的徑向浮動功能，降低了生產(chǎn)加工精度的要求，提高了生產(chǎn)裝配效率。