一種圓形氣電混裝耐高溫轉(zhuǎn)接器設(shè)計(jì)

胡文參

（貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009）

1 引言

飛行器飛行過程中因燃料燃燒及殼體與大氣摩擦均會產(chǎn)生大量的熱，必須通過內(nèi)部的冷卻通道對其進(jìn)行冷卻保護(hù)。冷卻介質(zhì)需在冷卻元件及冷卻源間循環(huán)流通，才能有良好的冷卻性能。尤其是實(shí)現(xiàn)艙體內(nèi)外側(cè)相關(guān)元件進(jìn)行冷卻介質(zhì)及電氣信號轉(zhuǎn)接的元器件沒有類似的產(chǎn)品及技術(shù)。

通過圓形氣電混裝耐高溫轉(zhuǎn)接器的設(shè)計(jì)與分析，摸清轉(zhuǎn)接器在艙體內(nèi)外側(cè)傳輸冷卻介質(zhì)的過程中密封、耐壓及過濾等功能的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，解決了小體積元器件經(jīng)受長時(shí)間熱流作用后結(jié)構(gòu)保持完整，艙體內(nèi)側(cè)溫度不會因熱流的長時(shí)間作用而產(chǎn)生嚴(yán)重溫升，導(dǎo)致艙體內(nèi)側(cè)相關(guān)無法正常工作的隔熱難題。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 主要技術(shù)指標(biāo)

1）氣孔通氣面積：有效通氣直徑不小于φ4mm；

2）通氣孔工作壓力：3 MPa；

3）氣孔泄漏率：≤1×10－7Pa.m3／s；

4）低頻沖擊：加速度30 g；

5）高頻沖擊：50 Hz～1 000 Hz：＋9 dB／oct，1 000 Hz～6 000 Hz：3000 g；

6）加速度：加速度30 g；

7）熱流作用：艙外側(cè)端經(jīng)熱流作用后，熱流作用端應(yīng)無機(jī)械損傷，非熱流作用端溫度應(yīng)小于260℃。

2.2 方案工作原理

本案連接器工作原理為：轉(zhuǎn)接器法蘭盤板后安裝，電源插座與轉(zhuǎn)接器兩端的電源插頭進(jìn)行對插，并靠其左右兩側(cè)的螺釘進(jìn)行鎖緊，實(shí)現(xiàn)艙體內(nèi)外側(cè)的電氣連接。轉(zhuǎn)接器兩端的氣路接口與用戶管路進(jìn)行螺紋連接，并靠保險(xiǎn)絲孔進(jìn)行防松，艙外側(cè)端的其中一根氣路通氣液冷卻介質(zhì)，經(jīng)氣路內(nèi)置的過濾網(wǎng)合件進(jìn)行過濾后進(jìn)入艙內(nèi)側(cè)的冷卻機(jī)構(gòu)，對冷卻機(jī)構(gòu)進(jìn)行冷卻，然后由另一根氣路流出，實(shí)現(xiàn)艙體內(nèi)外側(cè)冷卻介質(zhì)與冷卻機(jī)構(gòu)的循環(huán)冷卻［1］。示意圖見圖2。

圖2 總體方案示意圖

2.3 方案設(shè)計(jì)

2.3.1 轉(zhuǎn)接器設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)接器采用法蘭盤板后安裝，由2芯帶螺紋接口的氣路接觸件及分別置于兩端面的電源插頭組成，兩端的電源插頭靠內(nèi)部的轉(zhuǎn)接合件進(jìn)行轉(zhuǎn)接。為了滿足轉(zhuǎn)接器的隔熱要求，外殼材料選用不銹鋼，基座采用陶瓷加工，并在內(nèi)部設(shè)置專用隔熱瓦，以最大限度減小產(chǎn)品兩端的熱傳遞。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)接器結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.2 電源插頭結(jié)構(gòu)

考慮到高溫?zé)崃鞯淖饔?，普通電源插頭的外殼、基座及灌封膠無法滿足使用需求，需對材料進(jìn)行選擇（表1所示），本項(xiàng)目電源插頭由不銹鋼外殼、陶瓷基座及麻花針合件組成，其中麻花針合件一端為針頭另一端為插孔，灌封膠更改為耐溫更高的高溫環(huán)氧膠。外形尺寸和結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 插頭結(jié)構(gòu)示意圖

表1 電源插頭料耐溫情況對比表

2.3.3 電源插座結(jié)構(gòu)

同電源插頭材料一樣，電源插座由不銹鋼外殼、陶瓷基座、剛性孔及鎖緊螺釘?shù)冉M成，外形尺寸和結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。

圖5 插座結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.4.1 氣路合件固定夾設(shè)計(jì)

氣路插孔合件因內(nèi)置過濾網(wǎng)合件結(jié)構(gòu)，氣路合件只能拆分為兩體式，且要求氣路接頭為M14螺紋接頭，還需設(shè)計(jì)有類似螺母的六方體，以方便接頭與氣源管路的連接。加上有安裝孔徑的結(jié)構(gòu)限制，無法采用傳統(tǒng)臺階或螺釘固定的方式固定?？紤]該轉(zhuǎn)接器內(nèi)部較大空間為隔熱層，設(shè)置專用隔熱瓦，同時(shí)氣路兩端均為六方凸臺。因此，可設(shè)計(jì)外殼與氣路相同的六方，實(shí)現(xiàn)對氣路的防轉(zhuǎn)。同時(shí)設(shè)計(jì)專用固定夾與氣路兩端的六方凸臺配合，并靠外殼及尾端蓋板、螺釘配合實(shí)現(xiàn)對氣路的軸向固定。具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 氣路固定結(jié)構(gòu)示意

2.4.2 轉(zhuǎn)接合件設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)接器兩端分別設(shè)計(jì)電源插頭，實(shí)現(xiàn)與艙內(nèi)外測電源插座的連接，且轉(zhuǎn)接器艙外側(cè)會經(jīng)受高溫?zé)崃髯饔?，采用傳統(tǒng)的導(dǎo)線焊接進(jìn)行連接的方式無法承受高溫作用。因此，需設(shè)計(jì)專用轉(zhuǎn)接合件來實(shí)現(xiàn)。

轉(zhuǎn)接合件由插針合件、轉(zhuǎn)接外殼、基座等零部件組成，接觸件與基座及外殼通過灌封高溫環(huán)氧膠進(jìn)行固定。其中基座考慮耐高溫作用，需采用陶瓷板材料，設(shè)計(jì)時(shí)考慮了零部件的通用性，轉(zhuǎn)接合件的基座直接借用電源插頭的基座，轉(zhuǎn)接外殼同樣采用不銹鋼材料。結(jié)構(gòu)示意如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)接合件結(jié)構(gòu)示意圖

2.4.3 本方案難點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目產(chǎn)品有艙外側(cè)對接端需承受2800s高溫?zé)崃髯饔?，且作用后另一端溫度不超過260℃，同時(shí)結(jié)構(gòu)不損壞的要求。因此，轉(zhuǎn)接器的隔熱功能設(shè)計(jì)尤為重要，氣路合件要求承受3MPa高壓，泄漏率≤1×10－7Pa·m3／s，同時(shí)氣路內(nèi)部需內(nèi)置過濾網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)300目的過濾精度，產(chǎn)品氣路合件設(shè)計(jì)為產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)。綜上所述，艙外側(cè)耐長時(shí)間高溫?zé)崃髟O(shè)計(jì)及帶過濾網(wǎng)密封氣路合件為本項(xiàng)目的難點(diǎn)。

2.4.4.1 耐長時(shí)間高溫?zé)崃髟O(shè)計(jì)

本轉(zhuǎn)接器艙外側(cè)需承受最高60 kW／m2，2800s熱流作用后尾端溫升不超過260℃的使用需求。通過對常用材料的導(dǎo)熱系數(shù)對比（表2），外殼材料選用耐溫、耐鹽霧性能較好，且傳熱較低的不銹鋼，以滿足后高溫作用后產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的完好性，并減少熱流對外殼熱傳導(dǎo)。同時(shí)在熱流作用端設(shè)計(jì)陶瓷板進(jìn)行熱流遮擋，然后盡可能在外殼內(nèi)部設(shè)計(jì)空腔結(jié)構(gòu)，空腔間設(shè)計(jì)隔熱性能較好的隔熱瓦（表3）材料，以實(shí)現(xiàn)最大限度減少熱流的傳遞。結(jié)構(gòu)如圖8所示。

表2 常用材料導(dǎo)熱系數(shù)表

表3 隔熱瓦性能數(shù)據(jù)表

圖8 內(nèi)部空腔設(shè)計(jì)示意

a）溫升分析

本項(xiàng)目產(chǎn)品隔熱防護(hù)設(shè)計(jì)有陶瓷板及大面積隔熱瓦結(jié)構(gòu)，但是否能滿足如此長時(shí)間的高溫?zé)崃髯饔?，需進(jìn)行仿真分析。

b）邊界條件設(shè)置

根據(jù)熱載荷特點(diǎn)及仿真目標(biāo)要求，采用ANSYS Workbench中的瞬態(tài)熱求解器Transient Thermal。

轉(zhuǎn)接器工作環(huán)境為真空環(huán)境，環(huán)境溫度為常溫，因此仿真中對外換熱忽略對流換熱，僅考慮熱流載荷作用和輻射換熱作用，轉(zhuǎn)接器初始溫度及環(huán)境溫度均設(shè)置為25℃，忽略零件間的接觸熱阻。

熱流載荷作用面及其參數(shù)設(shè)置如圖9所示，輻射換熱作用面及其參數(shù)設(shè)置如圖10所示。

圖9 熱流載荷作用面及其參數(shù)設(shè)置

圖10 溫度分析邊界條件設(shè)定

c）仿真結(jié)果查看

根據(jù)仿真結(jié)果，上述表面在仿真過程中的溫度最高點(diǎn)及溫度最低點(diǎn)的溫度變化曲線如圖11所示。由圖11可知，溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)最高溫度的時(shí)間為2906.4s，此刻熱要求評價(jià)表面上的熱分布云圖如圖11所示。

由圖11可知，熱要求評價(jià)表面在2906.4s時(shí)刻的溫度范圍為222.28℃～245.7℃，均小于260℃，由此得出在熱流載荷等邊界條件下，當(dāng)前設(shè)計(jì)能滿足隔熱要求。

圖11 熱要求評價(jià)表面熱分布云圖（2906.4s時(shí)刻）

2.4.4.2 帶過濾網(wǎng)密封氣路合件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目產(chǎn)品氣路合件使用時(shí)需通過－40℃～＋80℃的流體工質(zhì)，且最高會有3 MPa高壓作用，同時(shí)泄漏率需≤1×10－7Pa·m3／s，并且氣路流入端的內(nèi)部需內(nèi)置過濾網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對氣路300目的過濾精度需求。

參考帶氣路成熟產(chǎn)品均使用銀銅焊料進(jìn)行填料高溫焊接實(shí)現(xiàn)對接處的密封［3］，本項(xiàng)目的兩段式氣路也采用填料式高溫焊接。但氣路合件靠外殼、蓋板、固定夾等進(jìn)行固定及防轉(zhuǎn)，且為后裝式結(jié)構(gòu)，焊接過程中兩段式氣路的六方必須保證對齊，才能滿足裝配需求。因此，必須在兩段式氣路間設(shè)計(jì)定位結(jié)構(gòu)，本項(xiàng)目參考公司常用的凸鍵定位結(jié)構(gòu)，在一端設(shè)計(jì)兩個凸臺，另一端設(shè)計(jì)相配合的鍵槽，并盡量控制定位及尺寸公差，保證焊接過程中兩端氣路的齊平，并進(jìn)行焊接后3MPa～5MPa的耐壓及泄漏率檢測，保證滿足密封需求［4］。

圖12 氣路合件示意

3 結(jié)論

綜上所述，本文提供了一種圓形氣電混裝耐高溫轉(zhuǎn)接器的設(shè)計(jì)方案，通過本文的研究總結(jié)出在帶氣電混裝耐高溫轉(zhuǎn)接器設(shè)計(jì)過程中需要注意的關(guān)鍵點(diǎn)及難點(diǎn)如下：

1）耐長時(shí)間高溫?zé)崃髟O(shè)計(jì)；

2）帶過濾網(wǎng)密封氣路合件設(shè)計(jì)。

針對以上問題，總結(jié)出設(shè)計(jì)過程中可借鑒的經(jīng)驗(yàn)如下：

1）針對耐長時(shí)間高溫?zé)崃髟O(shè)計(jì)應(yīng)首先選擇能滿足使用溫度需求的材料，保證高溫條件下結(jié)構(gòu)的完整性，然后盡可能設(shè)計(jì)內(nèi)部空腔，減少熱輻射的傳遞，并最好在空腔內(nèi)填充隔熱材料，以實(shí)現(xiàn)對熱輻射的最大限度遮擋，最后對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，并對模型進(jìn)行熱仿真分析，確定結(jié)構(gòu)是否滿足隔熱需求的同時(shí)找出薄弱環(huán)節(jié)并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；

2）針對帶過濾網(wǎng)密封氣路合件設(shè)計(jì)，應(yīng)盡量減少零件的使用并對裝配工序進(jìn)行簡化，提高結(jié)構(gòu)密封可靠性，對有密封及耐高溫使用需求的環(huán)境，應(yīng)避免使用O型圈進(jìn)行密封，而參考成熟產(chǎn)品采用金屬填料焊接工藝在對接進(jìn)行密封，以滿足密封及耐高溫需求。

通過以上論述，確認(rèn)了圓形氣電混裝耐高溫轉(zhuǎn)接器設(shè)計(jì)方案可行性。對其設(shè)計(jì)難點(diǎn)：耐長時(shí)間高溫?zé)崃髟O(shè)計(jì)及帶過濾網(wǎng)密封氣路合件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)分析，為今后類似產(chǎn)品的開發(fā)提供了設(shè)計(jì)參考。