雙層喇叭口結(jié)構(gòu)連接管密封性能研究

蔚鑫 楊芝明

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 引言

目前現(xiàn)有的連接管結(jié)構(gòu)為管接頭錐面套接錐形面封，通過(guò)管接頭螺母與喇叭口擠壓進(jìn)行密封，這種硬密封形式主要優(yōu)點(diǎn)為耐高溫、抗磨損、機(jī)械性能好，但也存在很多質(zhì)量隱患，如密封性能相對(duì)較差[1-2]。根據(jù)近兩年售后返回的冷媒泄漏信息，連接管喇叭口泄漏已經(jīng)成為售后系統(tǒng)的最大泄漏問(wèn)題點(diǎn)。根據(jù)2016年某季度售后數(shù)據(jù)，售后反饋共99單，其中喇叭口泄漏占9單，占比達(dá)9.09%，是所有反饋漏點(diǎn)中比例最高的痛點(diǎn)，提高喇叭口的密封性已經(jīng)成為降低售后投訴的首要任務(wù)。本文從連接管易裂位置喇叭口處進(jìn)行綜合分析，改進(jìn)喇叭口連接處的連接形式，從而達(dá)到提高其密封性能的效果。

2 泄漏原因分析

2.1 宏觀泄漏原因分析

喇叭口表面加工時(shí)留下的毛刺，不規(guī)則的平整度及表面劃傷導(dǎo)致密封泄漏，打緊力矩時(shí)，力矩偏小未充分接觸或力矩過(guò)大喇叭口變形，都可使連接管發(fā)生泄漏。

2.2 微觀泄漏原因分析

管接頭和喇叭口的表面均通過(guò)機(jī)加工的方式而來(lái)，其表面無(wú)法達(dá)到絕對(duì)平整的狀態(tài)，當(dāng)管接頭錐面與喇叭口配合時(shí)，其表面在原子力顯微鏡下觀察可以簡(jiǎn)化為如圖1所示的狀態(tài)[3]。

兩個(gè)表面無(wú)法完全嵌合，存在細(xì)微的泄漏通道，長(zhǎng)期運(yùn)行后會(huì)出現(xiàn)無(wú)法直觀觀測(cè)的泄漏。

3 雙層喇叭口結(jié)構(gòu)連接管方案設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

喇叭口為平面結(jié)構(gòu)，在加工和安裝時(shí)易造成內(nèi)壁劃傷、卷邊等缺陷，進(jìn)而造成整機(jī)泄漏。微觀泄漏為原材料紫銅管相互擠壓未能完全擬合產(chǎn)生，泄漏量較小可以忽略。宏觀泄漏為整改的主要方向。通過(guò)開(kāi)發(fā)新結(jié)構(gòu)喇叭口及加工工藝來(lái)改善喇叭口泄漏問(wèn)題。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前行業(yè)內(nèi)連接管和類(lèi)似對(duì)接結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的喇叭口結(jié)構(gòu)主要有3種：冷沖喇叭口結(jié)構(gòu)，喇叭口表面平整，縱切面程線型；旋擴(kuò)喇叭口結(jié)構(gòu)，喇叭口表面平整，縱切面程小弧型；增加墊片結(jié)構(gòu)，燃?xì)庠钣媒Y(jié)構(gòu)，用于圓形管接頭對(duì)接。結(jié)合三種結(jié)構(gòu)對(duì)比及有限元仿真對(duì)比驗(yàn)證，設(shè)計(jì)雙層喇叭口結(jié)構(gòu)，提高整體的密封性，通過(guò)調(diào)研，行業(yè)內(nèi)暫無(wú)批量使用。

3.2 對(duì)比驗(yàn)證

3.2.1 Ansys仿真分析

H.H.Buchter提出，密封比壓力q（密封配合面處的接觸壓力與密封接觸面積的比）大于軟金屬材料屈服強(qiáng)度的兩倍時(shí)密封效果較好。所以提高機(jī)械密封性能的方式有兩種，一是增加配合面的接觸壓力，二是減少密封接觸面積[4]。

分別對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)、增加墊片輔助、雙層喇叭口結(jié)構(gòu)在相同的邊界條件和載荷下進(jìn)行仿真分析，管接頭與銅螺母材質(zhì)為黃銅，變形可忽略，按照剛體設(shè)置處理。喇叭口材料為軟態(tài)紫銅，力學(xué)分析中需要設(shè)置密度、摩擦系數(shù)、楊氏模量與泊松比等材料屬性，如表1所示[5]。

不同結(jié)構(gòu)喇叭口應(yīng)力變化情況如圖2所示。

應(yīng)力最大位置為喇叭口與管接頭螺紋下方凸臺(tái)接觸處，另一處為喇叭口與管接頭底端接觸處，由圖2可知在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加壁厚時(shí)，密封帶處可承受的集中應(yīng)力越大，且變形較少。當(dāng)力矩逐漸增大時(shí)連接管的密封性提高，壁厚越厚效果越明顯，不易出現(xiàn)喇叭口開(kāi)裂情況。在喇叭口與螺母之間增加墊片作為密封輔助時(shí)，可知當(dāng)力矩越大，密封面應(yīng)變和應(yīng)力越大，由于墊片的存在，紫銅管不會(huì)造成斷裂，增加墊片對(duì)提高密封性和防止斷裂有改善作用，但是增加墊片會(huì)增加現(xiàn)有工序和漏裝的隱患，雙層喇叭口結(jié)構(gòu)可以看成在喇叭口內(nèi)側(cè)添加墊片，這樣通過(guò)結(jié)構(gòu)的調(diào)整可以提高零件密封性能。

3.2.2 氦檢對(duì)比驗(yàn)證

采用氦檢機(jī)氦檢的方式對(duì)不同結(jié)構(gòu)的喇叭口與管接頭打緊后的泄漏情況進(jìn)行驗(yàn)證。以直徑為6mm的紫銅管喇叭口為例，分別驗(yàn)證在相同力矩N條件下，不同結(jié)構(gòu)的喇叭口的密封性能。在相同喇叭口結(jié)構(gòu)下，不同力矩對(duì)喇叭口密封性的影響。

分別按照14N、16N、18N、24N、28N打緊進(jìn)行氦檢驗(yàn)證，氦檢情況如表2至表6所示。

在打緊力矩后使用電子檢漏儀進(jìn)行檢測(cè)，泄漏率按照1.1g/年進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí)電子檢漏儀會(huì)發(fā)出電鳴聲報(bào)警，其中OK代表無(wú)泄漏，NG代表有泄漏，單層為傳統(tǒng)銅管薄壁厚結(jié)構(gòu)，雙層為新型雙層喇叭口結(jié)構(gòu)。

表2 14N打緊單雙層結(jié)構(gòu)氦檢結(jié)果

表3 16N打緊單雙層結(jié)構(gòu)氦檢結(jié)果

圖1 喇叭口微觀泄漏變化圖

圖2 不同結(jié)構(gòu)喇叭口應(yīng)力云圖

由表2至表6可以得出，相同力矩情況下，雙層喇叭口密封性優(yōu)于單層結(jié)構(gòu)。隨打緊力矩的增大，喇叭口的密封性逐漸提高。但當(dāng)超過(guò)28N力矩時(shí)喇叭口會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂造成泄漏，達(dá)到32N時(shí)開(kāi)裂加劇，力矩越大開(kāi)裂情況越嚴(yán)重。

表4 18N打緊單雙層結(jié)構(gòu)氦檢結(jié)果

表5 24N打緊單雙層結(jié)構(gòu)氦檢結(jié)果

表6 28N打緊單雙層結(jié)構(gòu)氦檢結(jié)果

圖3 雙層喇叭口結(jié)構(gòu)仿真成型圖片

圖4 雙層喇叭口結(jié)構(gòu)

4 生產(chǎn)方案設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

雙層喇叭口結(jié)構(gòu)為外緣內(nèi)折型結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)時(shí)需要實(shí)現(xiàn)向內(nèi)折邊，經(jīng)過(guò)仿真分析和模具驗(yàn)證，通過(guò)采用先平口，后擴(kuò)喇叭口的加工工序可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)雙層結(jié)構(gòu)的喇叭口。相關(guān)工藝要求及控制點(diǎn)如下：

設(shè)備需求：普通管端成型機(jī)。

模具：平口沖頭，喇叭口沖頭，夾模。

操作要求：（1）平口工序：調(diào)節(jié)模具定位塊，長(zhǎng)度為適中，進(jìn)行平口成型；（2）擴(kuò)喇叭口工序：按照現(xiàn)有的設(shè)備操作要求，沖頭后退一定距離，進(jìn)行喇叭口加工[6]。

注意事項(xiàng)：首檢表面是否光滑，喇叭口外側(cè)是否有夾痕，喇叭口大小是否滿足通止規(guī)要求，合格后進(jìn)入批量生產(chǎn)。雙層喇叭口結(jié)構(gòu)仿真成型如圖3所示。

雙層喇叭口結(jié)構(gòu)如圖4所示，進(jìn)行批量生產(chǎn)驗(yàn)證，在我司某車(chē)間按照操作要求進(jìn)行批量生產(chǎn)600套，經(jīng)檢測(cè)喇叭口全部合格，隨機(jī)抽取30套進(jìn)行氦檢驗(yàn)證，氦檢無(wú)異常。

5 結(jié)論

原有空調(diào)內(nèi)外機(jī)連接管喇叭口結(jié)構(gòu)與管接頭在扭矩作用下形成硬密封，這種機(jī)械結(jié)構(gòu)的密封具有耐高溫、抗磨損、加工精度高、機(jī)械性能好等優(yōu)點(diǎn)，但密封效果相對(duì)較差。

由打緊力矩實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在一定范圍內(nèi)增加扭矩可以提高連接管密封性。若扭矩過(guò)大會(huì)造成喇叭口開(kāi)裂現(xiàn)象導(dǎo)致連接管泄漏。通過(guò)增加連接管喇叭口與管接頭接觸處的厚度，可以提高其接觸帶應(yīng)力的大小，密封接觸面積不變時(shí)，隨著接觸應(yīng)力的增加，密封性能也相應(yīng)提高。

雙層喇叭口結(jié)構(gòu)不僅增加了壁厚，而且避免了由于增加墊片帶來(lái)的繁瑣工序，保證了裝配質(zhì)量，提高了密封性能，可推廣至整個(gè)家電領(lǐng)域。該加工工藝的實(shí)現(xiàn)，在僅增加少量原材料的基礎(chǔ)上，增加其壁厚可以減少喇叭口泄漏數(shù)量，在售后維修階段可以降低約9%的售后維修故障率。若以每年10萬(wàn)臺(tái)此類(lèi)故障為例，雙層喇叭口的應(yīng)用將帶來(lái)較為可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。