FCM系列流體連接器的設(shè)計*

張 潔，方 良

(中國電子科技集團公司第四十研究所，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, 工作負荷為Ⅱ類負荷(受變負荷作用次數(shù)在1×103～1×106次范圍內(nèi)的負荷，以及沖擊負荷等)，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荷P1和插合后的彈簧的壓縮負荷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)進行疲勞強度校核和穩(wěn)定性校核。彈簧的疲勞強度校核根據(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)進行設(shè)計與強度校核。

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)能否滿足強度要求，最容易受到破壞的位置在什么地方，怎樣改進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。