沉孔式氣動(dòng)接頭的研究分析

王旭東 王衛(wèi)東 李忠強(qiáng) 劉桓宇

(1.北京威士樂(lè)機(jī)電設(shè)備有限公司研發(fā)中心,北京 100176;2.蘇州藍(lán)捷汽車(chē)科技有限公司技術(shù)中心,江蘇蘇州 215000;3.重慶江增船舶重工有限公司技術(shù)中心,重慶 402260)

1 研制需求

工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到密集的氣動(dòng)管路進(jìn)行布置和安裝，面對(duì)緊湊型的設(shè)備，密集空間對(duì)工程師布置管路是很大的挑戰(zhàn)。為了優(yōu)化和節(jié)約安裝空間，保證在正產(chǎn)安裝條件下盡可能多的布置管路，新型沉孔式接頭正是為應(yīng)對(duì)這種挑戰(zhàn)而開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)[1]。

氣動(dòng)接頭產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和型式相對(duì)技術(shù)成熟，主要技術(shù)主要由制造商掌握和把控，而在相關(guān)領(lǐng)域?qū)W術(shù)研究和文獻(xiàn)非常的少，因此產(chǎn)品設(shè)計(jì)中除了通用的氣動(dòng)接頭技術(shù)條件外，主要研究的技術(shù)文獻(xiàn)來(lái)自：國(guó)外主要?dú)鈩?dòng)和接頭制造商公布的技術(shù)，通過(guò)文獻(xiàn)的技術(shù)研究和分析，結(jié)合實(shí)際產(chǎn)品的需求，綜合進(jìn)行新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和研究。它相比與傳統(tǒng)常規(guī)的氣動(dòng)接頭，可以提高20～40%的空間安裝比，該產(chǎn)品越來(lái)越受到氣動(dòng)工程師的青睞和廣泛使用。

2 設(shè)計(jì)原則

沉孔式接頭主要式解決傳統(tǒng)接頭尺寸及附加安裝尺寸大等問(wèn)題，主要的氣管安裝、固定及密封方式依然值得借鑒，產(chǎn)品設(shè)計(jì)主要是優(yōu)化安裝方式、減少接頭體及附加安裝空間的需求。

沉孔式氣動(dòng)接頭設(shè)計(jì)的基本原則：

（1）保證遵守知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的條件下盡可能采用已公布的成熟技術(shù)；

（2）高可靠性和密封性，在工作連接狀態(tài)下，該接頭連接部位無(wú)介質(zhì)泄漏；

（3）較低的插拔力，管路插入接頭和撥開(kāi)時(shí)所施加的力適合，使用操作方便；

（4）產(chǎn)品接頭的機(jī)械和密封結(jié)構(gòu)必須滿足管路多次撥插、介質(zhì)和環(huán)境溫度的工況需求，在設(shè)計(jì)生命周期內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)，產(chǎn)品零部件出現(xiàn)變形、老化、氧化和失效的問(wèn)題[2]。

3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

3.1 工作原理

典型普通快插式氣動(dòng)接頭的結(jié)構(gòu)主要部件由接頭體、POM壓緊環(huán)和保護(hù)環(huán)、不銹鋼材質(zhì)的扣爪環(huán)和橡膠材料的O形圈等。新型沉孔式氣動(dòng)接頭在設(shè)計(jì)時(shí)主體結(jié)構(gòu)與普通氣動(dòng)接頭保持統(tǒng)一性，為了盡可能的減少傳統(tǒng)的接頭螺紋連接方式和扳手安裝空間，及接頭安裝完成后部分接頭體外露部分。新型接頭的安裝固定和安裝方式必須進(jìn)行調(diào)整，需要去掉螺紋結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的扳手安裝空間也將減少，整體接頭的尺寸從直徑和長(zhǎng)度均有大幅的縮小，主要的進(jìn)行創(chuàng)新，新型沉孔式接頭去掉扳手安裝空間采用特殊固定方式進(jìn)行安裝。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

沉孔接頭產(chǎn)品的實(shí)體主要由黃銅、尼龍等組成，結(jié)構(gòu)件主要有常規(guī)尼龍材質(zhì)的管路釋放環(huán)，黃銅材質(zhì)組合固定套，尼龍材質(zhì)的保護(hù)套，保護(hù)套內(nèi)部包裹涂油潤(rùn)滑酯的鼓形密封件。接頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，沉孔式接頭的剖面結(jié)構(gòu)圖，顯示各結(jié)構(gòu)體之間的結(jié)構(gòu)及位置關(guān)系，氣管的夾緊和釋放由不銹鋼材質(zhì)的彈性卡環(huán)組成。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)和技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)主要包括：組合式的固定套、集成鼓形密封的保護(hù)套件、定制設(shè)計(jì)的鼓形密封結(jié)構(gòu)件[3]。

3.2.1 組合固定套與安裝孔

銅制組合固定套的主要功能是保證為沉孔式接頭提供足夠摩擦力，保證接頭體的可靠安裝和固定，安裝方式采用多級(jí)齒形倒角與過(guò)盈配合相結(jié)合的方式，組合固定套替代了螺紋的固定結(jié)構(gòu)和連接方式，沉孔式接頭產(chǎn)品長(zhǎng)度、外徑及插管內(nèi)徑的參數(shù)，通過(guò)組合固定套的方式使接頭體的直徑減少15%-20%，高度部分減少20%-30%的尺寸。主要的氣管規(guī)格外徑從4mm～12mm，管的安裝和固定采用現(xiàn)有常規(guī)的氣動(dòng)快插接頭的技術(shù)。

3.2.2 集成式密封套件

沉孔式接頭設(shè)計(jì)的第二個(gè)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)是尼龍材質(zhì)的密封保護(hù)套，保護(hù)套在常規(guī)的氣動(dòng)接頭內(nèi)主要是提供卡爪的安裝限位作用，保證氣管插入后不會(huì)自動(dòng)拔脫，將氣管固定在安裝位置直到操作者按壓氣管釋放環(huán)，卡爪在外力作用下釋放管路[4]。

接頭體安裝和管路連接密封問(wèn)題的解決方案，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，在接頭內(nèi)部采用單獨(dú)安裝的彈性密封件來(lái)保證接頭輸送介質(zhì)的密封性，在安裝沉孔式接頭之前先在沉孔的相應(yīng)位置放置鼓形密封圈，然后在將組合式沉入接頭壓入沉孔內(nèi)。該方案造成鼓形密封安裝工序復(fù)雜、容易造成密封零件漏裝從而影響整體產(chǎn)品的次品率過(guò)高。為了解決上述方案，研發(fā)工程師結(jié)合工業(yè)的無(wú)縫弱化線撕裂線）的工藝，將卡爪的限位保護(hù)套升級(jí)為密封件的保護(hù)套，接頭在安裝至沉孔定位孔之前，密封件及潤(rùn)滑脂隱藏在護(hù)套內(nèi)。鼓形密封擠出到安裝部位，該設(shè)計(jì)有效解決了密封圈的安裝問(wèn)題，該密封件件的設(shè)計(jì)是該接頭的亮點(diǎn)和獨(dú)特之處，是本接頭獲得專(zhuān)利的創(chuàng)新之處[5]。

3.2.3 密封設(shè)計(jì)

氣動(dòng)接頭在完成上述的主要結(jié)構(gòu)之后，還要保障接頭安裝和管路連接后介質(zhì)的密封性，在整個(gè)產(chǎn)品中采用的唯一彈性橡膠密封件，密封件的材質(zhì)，性能、密封能力及壽命對(duì)產(chǎn)品的影響非常大。橡膠密封件確保介質(zhì)的兩個(gè)泄漏途徑，第一是從接頭安裝的部位泄漏，第二是從連接管路外壁泄漏，為了保證密封件安裝可靠，定位精確，同時(shí)在管路外壁和接頭的安裝出具有合適的彈性壓縮比。

O形圈的密封機(jī)理是其從自由狀態(tài)的初始厚度被壓縮后，壓縮后密封圈的應(yīng)力如圖所示，密封圈在護(hù)套和安裝凸臺(tái)之間形成安裝溝槽。O形圈在氣管插入和拔出時(shí)，由于氣管表面的粗糙度、摩擦系數(shù)等不同，經(jīng)常出現(xiàn)O形圈脫落或扭曲或破裂等失效現(xiàn)場(chǎng)。為了防止密封圈在氣管外力作用下的潛在故障，可以采用在O形圈的兩側(cè)增加擋圈來(lái)保證密封圈的正常工作。在沉孔接頭的設(shè)計(jì)中研究產(chǎn)品的可靠性和長(zhǎng)期綜合成本，定制開(kāi)發(fā)了一款鼓形密封，其截面及安裝壓縮后的應(yīng)力分布遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于O形圈的密封特性，又不存在擠出、扭曲和破裂的故障現(xiàn)象。

根據(jù)彈性密封材質(zhì)靜密封O形圈的壓縮率為15%～20%，本產(chǎn)品鼓形密封采用壓縮比為15%。材質(zhì)的硬度采用邵氏硬度70°～75°。在密封件裝入保護(hù)套內(nèi)后涂油密封潤(rùn)滑脂，確保密封件的密封面的潤(rùn)滑和保護(hù)，同時(shí)可以有效延長(zhǎng)密封件的使用壽命[6]。

4 沉孔式接頭的應(yīng)用

沉孔式接頭在醫(yī)療設(shè)備流體輸送管路中應(yīng)用，醫(yī)療設(shè)備、呼吸機(jī)和制氧機(jī)等設(shè)備中廣泛應(yīng)用，采用沉孔式接頭與傳通接頭相比可節(jié)約80～150%的空間，新產(chǎn)品大大節(jié)約了緊湊的設(shè)備空間。

沉孔式接頭在多氣路輸送的多孔接頭中的應(yīng)用，大大節(jié)省設(shè)備空間，方便多管路的安裝，該多路式氣動(dòng)接頭為專(zhuān)利技術(shù)新產(chǎn)品。在工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人和機(jī)床行業(yè)等多領(lǐng)域應(yīng)用。

流體管路設(shè)計(jì)和布置中經(jīng)常用到氣路分配座，將沉孔式接頭應(yīng)用到氣路分配座后，分配座結(jié)構(gòu)更小巧、外觀更美觀，更便于氣路分配座在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[7]。

5 結(jié)論

科學(xué)合理的將多種工業(yè)設(shè)計(jì)水平和技術(shù)融合于一體是現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)。本文從產(chǎn)品的市場(chǎng)需求出發(fā)，進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)規(guī)劃和研究，綜合考慮產(chǎn)品需要解決的問(wèn)題和難點(diǎn)，兼顧產(chǎn)品的現(xiàn)有技術(shù)保證產(chǎn)品的更新?lián)Q代更容易且成本最低。新型沉孔式接頭采用多種創(chuàng)新技術(shù)，具有實(shí)用性、先進(jìn)性和廣闊的應(yīng)用前景。