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        FCM系列流體連接器的設(shè)計*

        2020-05-13 06:50:42潔,方
        機(jī)電元件 2020年2期
        關(guān)鍵詞:形圈液冷通徑

        張 潔,方 良

        (中國電子科技集團(tuán)公司第四十研究所,安徽蚌埠,233000)

        1 引言

        隨著軍工事業(yè)的迅猛發(fā)展,軍事裝備相關(guān)設(shè)備功率的逐漸增大,用于散熱的冷卻系統(tǒng)應(yīng)運而生。最初的冷卻系統(tǒng)設(shè)計多為風(fēng)冷系統(tǒng),由于該系統(tǒng)占用空間大、效率低,以及在風(fēng)速提高的情況下會出現(xiàn)如風(fēng)阻產(chǎn)生熱,風(fēng)力破壞及噪音等諸多問題困擾。目前我國許多工程都在采用液體冷卻系統(tǒng),流體連接器是其關(guān)鍵元件,用于將不同大功率模塊間或模塊與設(shè)備機(jī)架間的冷卻液循環(huán)系統(tǒng)快速連接或斷開,是一種不需要工具就能實現(xiàn)管路流體連通或斷開的連接器,是液體冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵元件。流體連接器的插頭和插座各相當(dāng)于一個單向閥,內(nèi)有一個閥芯,未插入時,單向閥關(guān)閉,插頭和插座均為關(guān)斷狀態(tài),管路中的液體不能流出,插頭推入插座時,彈簧被壓縮,插頭和插座的閥芯同時被推開,管路連通,流體便可以流通。使用時只需要將插頭和插座插合在一起,冷卻系統(tǒng)就可以聯(lián)通,拔下插頭系統(tǒng)關(guān)斷,且不會有液體溢出,快捷、方便的實現(xiàn)拆裝和移動。

        2 技術(shù)要求

        FCM系列流體連接器要求應(yīng)用介質(zhì)可以是水-乙二醇溶液或機(jī)油,在要求的各種環(huán)境條件下使用不得有泄漏,雙端密封,技術(shù)指標(biāo)有通徑、最大工作壓力、使用環(huán)境溫度、使用壽命等,其具體技術(shù)指標(biāo)如下:

        通徑:3mm、6mm、8mm…;

        額定流量:2.1L/min,8.4L/min,15L/min…;

        最大工作壓力:2MPa;

        壓力降:≤0.35bar;

        插拔次數(shù):1000次;

        流量沖擊:5倍額定流量;

        壓力脈沖:2.7MPa;

        工作溫度:-55℃~+70℃。

        3 連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計

        流體連接器主要有盲插式、卡口式和推拉式三大系列。本產(chǎn)品是一種盲插式流體連接器,傳統(tǒng)的盲插連接器目前廣泛使用的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)見圖1所示,從圖中可以看出,連接器在插合狀態(tài)由于有2只Ο形圈暴露在流道之中,在使用過程中經(jīng)常發(fā)生插頭閥芯上的○形圈和插座導(dǎo)流柱上的○形圈被沖出密封槽或沖斷的現(xiàn)象,引起產(chǎn)品失效。例如總流量沒有調(diào)節(jié)到合適的值時,開機(jī)后流量會超過額定流量,或多路連接器并聯(lián)使用時,若只有一路接通,其它路斷開,流量會是原來的多倍,當(dāng)流量幾倍于額定流量時,高速水流就會將○形圈從密封溝槽中沖出。通常,在裝備液冷系統(tǒng)運行狀態(tài)下,系統(tǒng)內(nèi)有很高的壓力,在帶壓狀態(tài)下插拔,在由非插合狀態(tài)向插合狀態(tài)轉(zhuǎn)換(即內(nèi)部流道接通)的瞬間,由于流通截面很小,在壓力的作用下水流速度會非常高,產(chǎn)生"水刀"效應(yīng),Ο形圈被瞬間切斷。因此用戶非常希望有一種可以在帶壓狀態(tài)下插拔的抗流量沖擊的連接器。

        圖1 傳統(tǒng)的盲插流體連接器結(jié)構(gòu)

        為此,我們設(shè)計了一款新的盲插流體連接器結(jié)構(gòu),使○形圈不暴露在流道之中,同樣由插頭連接器和插座連接器兩部分組成。插頭連接器主要由彈簧支架、卡環(huán)、○形圈、連接套、閥芯、閥體和彈簧組成,插座連接器主要由閥芯組件、○形圈、閥體、導(dǎo)流柱、連接套、彈簧、法蘭和卡環(huán)等零件組成,連接套接口螺紋采用公制螺紋,用于產(chǎn)品安裝,并保證產(chǎn)品的強(qiáng)度滿足設(shè)計要求,在結(jié)構(gòu)上盡量減少對流體的阻力。

        該產(chǎn)品設(shè)計了新的閥芯組件代替原導(dǎo)流柱密封結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)對非插合狀態(tài)的密封沒有影響,但插合狀態(tài)時○形圈就不處在流道中,即不會因流量大而沖掉,也不會因毛刺而損壞。新設(shè)計的連接器在插頭和插座插合的整個過程中,使○形圈處于金屬零件的保護(hù)之下(見圖2),高速水流不會對○形圈造成沖擊,顯著提高產(chǎn)品的抗流量沖擊能力,使產(chǎn)品可以帶壓插拔。即保證了密封的效果,又解決了現(xiàn)有技術(shù)的產(chǎn)品不能帶壓插拔的問題,提高了產(chǎn)品的使用范圍和可靠性。

        圖2 FCM系列流體連接器插頭與插座插合圖

        4 參數(shù)計算

        1)通徑的設(shè)計和計算

        通徑是指與產(chǎn)品內(nèi)部有效流體截面等效的圓管的內(nèi)徑,是一種等效值,一般取整數(shù)。通徑是液冷連接器流通能力的具體指標(biāo)。液冷連接器主要應(yīng)用于液體冷卻系統(tǒng),根據(jù)系統(tǒng)所需散熱量的大小確定液冷系統(tǒng)的流量,并根據(jù)流量進(jìn)一步確定需要選用多大通徑的液冷連接器。系統(tǒng)流道的內(nèi)徑和液冷連接器的通徑可以根據(jù)流量及允許的速度來確定。并由下式計算:

        (1)

        式中:QB——流道的額定流量;

        υ——允許流速,一般取5m/s;

        通過計算,額定流量為2.1L/min、8.4 L/min和15 L/min的產(chǎn)品分別對應(yīng)通徑3mm、6mm和8mm。

        需要強(qiáng)調(diào)的是,流體連接器的通徑是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要依據(jù)和出發(fā)點,結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要計算每一個流道發(fā)生變化的截面的面積,以確保各處的等效通徑不小于研制要求的通徑值。同一種結(jié)構(gòu)的液冷連接器可以按照通徑的大小做出一系列的產(chǎn)品,設(shè)計時,首先確定導(dǎo)流柱細(xì)桿處的徑向尺寸,然后根據(jù)通徑的大小通過計算求出閥芯、閥體各處的內(nèi)、外徑尺寸,外形尺寸等,并考慮插頭插座接口尺寸的一致性。根據(jù)密封和連接需要確定長度尺寸,在保證通徑的基礎(chǔ)上盡量減小產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸,并保證產(chǎn)品的強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

        2)密封圈的設(shè)計和計算

        國家標(biāo)準(zhǔn)GB3452.1-82中規(guī)定了○形圈的拉伸率和壓縮率,見表1。根據(jù)密封原理,該產(chǎn)品的密封型式屬于靜密封,借鑒介質(zhì)油的根據(jù)經(jīng)驗分別選取拉伸率和壓縮率為104%~105%和15%~25%。

        表1 ○形圈拉伸率與壓縮率

        GB3452.1-82中規(guī)定的拉伸率和壓縮率與溝槽直徑及○形圈的直徑、截面直徑的關(guān)系為:

        拉伸率:α=(d0+W)/(d+W)

        壓縮率:K=1-(D0-d0)/2W

        溝槽深度: H=(1-K)W

        溝槽寬度:B=W+(0.3~0.5)W

        根據(jù)經(jīng)驗,安裝溝槽的填充率見下式

        填滿率:β= AOR / ANut×100%

        式中:α-○形圈的拉伸率;

        K-○形圈的壓縮率,為80%~100%;

        β-○形圈的填充率;

        d -自由狀態(tài)○形圈內(nèi)直徑,mm;

        W -自由狀態(tài)○形圈截面直徑,mm;

        d0 -溝槽內(nèi)直徑,mm;

        D0 -溝槽外直徑,mm;

        AOR-○形圈截面面積,mm2;

        ANut-安裝溝槽截面面積,mm2。

        圖3 溝槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計

        結(jié)合表1和公式計算,分別確定通徑3mm、6mm和8mm的產(chǎn)品的密封圈尺寸。

        3)彈簧的設(shè)計和計算

        流體連接器用彈簧根據(jù)工作環(huán)境采用YB/(T)11-83《彈簧用不銹鋼絲》中規(guī)定的鋼絲1Cr18Ni9 B組, 工作負(fù)荷為Ⅱ類負(fù)荷(受變負(fù)荷作用次數(shù)在1×103~1×106次范圍內(nèi)的負(fù)荷,以及沖擊負(fù)荷等),許用切應(yīng)力[τ]=0.38σb,流體連接器中使用的鋼絲直徑與對應(yīng)的材料抗拉強(qiáng)度和許用切應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系見表2。

        表2 彈簧鋼絲的技術(shù)參數(shù)

        該產(chǎn)品的彈簧結(jié)構(gòu)均為圓柱螺旋壓縮彈簧,其主要設(shè)計參數(shù)d、D和n的計算主要依據(jù)流體連接器在插頭和插座未插合時的安裝負(fù)荷P1和插合后的彈簧的壓縮負(fù)荷P2及彈簧的變形量,由下式求出彈簧剛度:

        (2)

        再根據(jù)彈簧的安裝空間初步確定彈簧的中徑D,初步假設(shè)鋼絲直徑d,按旋繞比C=D/d,曲度系數(shù)K由式(2.7)求得:

        (3)

        代入下式得鋼絲直徑:

        按下式求彈簧圈數(shù):

        式中:G─切變模量, N/mm2

        d─彈簧絲直徑, mm

        D─彈簧中徑, mm

        n─彈簧有效圈數(shù)

        P′─彈簧剛度, N/ mm

        K─曲度系數(shù)

        基本參數(shù)求出后通常需進(jìn)行多次反復(fù)試算才能最終確定彈簧的各個尺寸。

        流體連接器中的彈簧屬受變負(fù)荷的重要彈簧,設(shè)計出合適的彈簧后,為保證產(chǎn)品質(zhì)量,應(yīng)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核和穩(wěn)定性校核。彈簧的疲勞強(qiáng)度校核根據(jù)切應(yīng)力公式:

        (4)

        式中:τ─材料切應(yīng)力, N/mm2

        d─彈簧絲直徑, mm

        D─彈簧中徑, mm

        n─彈簧有效圈數(shù)

        P─工作負(fù)荷,N

        K─曲度系數(shù)。

        根據(jù)該流體連接器插合與分離的壓力,將彈簧的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計與強(qiáng)度校核。

        5 仿真驗證

        液冷連接器的結(jié)構(gòu)比較緊湊,尤其是機(jī)載條件下希望重量越輕越好。設(shè)計時,液冷連接器閥體的最小壁厚可以通過理論計算確定,設(shè)計完成后結(jié)構(gòu)能否滿足強(qiáng)度要求,最容易受到破壞的位置在什么地方,怎樣改進(jìn)可以獲得理想的效果?我們可以直接將三維零件圖導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行仿真驗證和優(yōu)化,方便快捷,結(jié)果既明了又準(zhǔn)確。下圖是08通徑流體連接器的插頭閥體的應(yīng)力分析圖。從仿真結(jié)果看,σmax=45.723MPa<[σ]=61.25MPa。殼體所受最大應(yīng)力均小于材料許用應(yīng)力。由此可得出結(jié)論,產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以滿足壓力要求。

        圖4 閥體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真圖

        6 結(jié)語

        本文對FCM系列流體連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了簡單的論述。本文論述的設(shè)計技術(shù)具有通用性,對其它類型的流體連接器的設(shè)計具有一定的借鑒作用。

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