卡箍夾緊變形過程及力學性能分析

劉曉兵，槐艷松，邵杰，郝彥彰，劉靜

（1.常州中車鐵馬科技實業(yè)有限公司，江蘇 常州 213125；

2.河北太行機械工業(yè)有限公司，石家莊 050000；3.中國兵器工業(yè)第五九研究所，重慶 400039）

液壓管路系統(tǒng)是高速鐵路機車的重要部件，大多數(shù)液壓、氣動管路通過管路接頭彼此相連[1]。隨著近年來高鐵機車性能的逐步提升，整車管路系統(tǒng)設計理念不斷完善，對系統(tǒng)管路連接接頭的密封性能及可靠性提出了更高的要求[2]。一旦接頭在使用過程中出現(xiàn)故障，會給相關系統(tǒng)的工作性能和使用壽命帶來較大的影響，更有甚者會直接危及高鐵運行安全[3]。鑒于此，分析管路連接接頭的結構設計特點，開展管路接頭的優(yōu)化設計，有助于提高管路系統(tǒng)的密封性與可靠性，為管路系統(tǒng)優(yōu)化設計提供參考。

卡箍連接相對于傳統(tǒng)的焊接和法蘭等管道連接方式而言[4]，具有造型美觀、裝夾方便、緊箍力強、密封性能好等特點，成為當前流體管道連接的主要方式，廣泛應用于汽車、船舶和汽油機等各種機械設備接口處的連接緊固及密封。

由于流體管路系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣且容易受流固耦合、發(fā)動機振動、路面顛簸等振動因素影響，常引發(fā)管道磨損、疲勞斷裂等嚴重故障，研究表明接頭泄漏是管路系統(tǒng)失效的主要形式[5—6]。研究人員針對卡箍類連接件性能的優(yōu)化設計，持續(xù)開展了研究。

尹澤勇等[7]計算了卡箍的等效剛度并設計了實驗測定方法。張穎利等[8]研制了卡箍測力器，對卡箍卡緊力進行了測試。王君等[9]對卡箍進行了有限元分析，研究了局部過盈下的花型管與卡箍的應力分布狀態(tài)及接觸壓力分布規(guī)律。朱昭君等[10]在對卡箍進行參數(shù)化建模的基礎上，分析了結構參數(shù)對卡箍形變的影響規(guī)律。此外，也有學者[11]研究了卡箍對于管路的調(diào)頻和減振功能。上述研究為卡箍的優(yōu)化設計、測試提供了理論依據(jù)與測試手段。

卡箍夾緊變形的復雜性在于：①卡箍在裝夾過程中發(fā)生的相對滑動屬于非線性塑性變形，無法通過精確理論計算獲取解析解；② 卡箍的應用環(huán)境比較復雜，夾緊力、軟質(zhì)管材、管段直徑等都是不確定的，使用過程中往往依靠操作人員的經(jīng)驗經(jīng)過多次試驗確定氣壓的大小，一旦參數(shù)發(fā)生改變，需要重新進行上述過程，因而采用數(shù)值模擬的方法對卡箍變形過程進行仿真，研究夾緊力與卡箍變形的規(guī)律，為卡箍結構優(yōu)化設計與密封性能提高提供依據(jù)。

1 單耳無級卡箍工作原理

單耳無級卡箍結構組成見圖1?？ü坑山饘倥髁辖?jīng)過劈帶、磨邊、沖壓、成圓等工藝加工而成[12]。耳窩結構等效于加強筋，使卡緊后的夾耳成為一個具有微調(diào)功能的彈簧。當管段所處環(huán)境溫度發(fā)生變化或是受到機械振動影響時，可以提高卡箍的卡緊力，提供有效持續(xù)的卡緊密封作用。鎖扣可以限制夾緊過程中不發(fā)生橫向位移與翹曲，保證密封質(zhì)量。卡箍在與管件裝配過程中需要采用專用氣動夾鉗完成，當夾爪以適當?shù)膴A緊力作用于夾耳根部后，夾耳所連接的卡箍成反向運動，插舌插入凹槽，卡箍整體直徑變小，夾緊力均布在圓周表面，形成360°無級密封，完成對膠管的夾緊和密封作用[13]。

圖1 單耳無級卡箍結構Fig.1 Structure of single ear stepless clamp

卡箍在使用過程中對管路密封性能的影響主要取決于施加載荷的大小、材質(zhì)以及卡箍形式，研究卡箍變形對于提升流體管路系統(tǒng)的密封質(zhì)量具有重要意義。

2 卡箍的夾緊過程分析

用氣動卡鉗將卡箍夾緊的過程是一個高度非線性的過程，一般可分為以下3 個階段[1]：①彈性階段，卡鉗將氣動夾緊力作用于卡箍夾耳的根部，耳寬逐漸減小，卡箍變形較小處于彈性變形階段；② 塑性變形階段，當夾耳處的應力達到材料的屈服應力時，材料便進入屈服階段，在這個階段，卡箍整體繼續(xù)發(fā)生彈性變形和相對滑動；③回彈階段，當載荷撤消后，所有發(fā)生變形的零件將發(fā)生回彈，包括卡箍、軟管、接頭等，該階段存在高度的非線性特征，由于回彈會降低卡箍施加在軟管上的密封壓力，隨著時間的延續(xù)還會有蠕變現(xiàn)象發(fā)生，導致密封壓力繼續(xù)下降。

經(jīng)過3 個階段的分析可以看出，卡箍夾緊的過程存在材料非線性（卡箍塑性變形，軟管超彈性變形，蠕變）、幾何非線性（大變形）、狀態(tài)非線性（接觸）等，是一個十分復雜的高度的非線性問題，理論計算十分困難，無法得到精確的解，只能運用有限元的手段進行分析，并用實驗加以驗證。

3 卡箍變形的有限元分析

3.1 模型的建立

卡箍的變形過程復雜，卡鉗對其產(chǎn)生的載荷位置和方向都是不確定的，而且隨著卡箍的收緊，卡箍直徑不斷減小，管路對其反作用力也在不斷改變，分析過程中在建立卡箍、卡鉗、軟管、接頭4 部分模型的基礎上，通過設置接觸對來施加約束模擬卡箍的變形情況。通過abaqus 有限元軟件模擬卡箍夾緊膠管的過程，所建立模型如圖1 所示。

模型按照實物尺寸進行建立，為了提高計算的速度，對實際模型做了適當簡化，夾鉗僅保留兩個剛性矩形夾爪，夾爪作用于夾耳根部，模擬氣動夾鉗夾緊卡箍的過程。卡箍上的3 個鎖扣，其中靠近夾耳的兩個主要用來承受周向拉力，而下面的鎖扣用來提供徑向力來保證末端在夾緊過程中不會翹起。

3.2 材料屬性的設置

卡箍的密度為7800 kg/m3，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.28，屈服極限為172.339 MPa；管段的密度為1360 kg/m3，彈性模量為7.8 MPa，泊松比為0.3，屈服極限為12 MPa。夾具設置為剛體，對其材料設置可忽略。模型網(wǎng)格劃分情況如圖2 所示，由于卡箍夾耳處產(chǎn)生較大的塑性變形，該部位的網(wǎng)格做細化處理。

圖2 卡箍有限元網(wǎng)格Fig.2 Finite element mesh of clamp

3.3 接觸對的選取

卡箍的模型中存在以下接觸對：①卡鉗夾爪與卡箍外表面的接觸，此處為施加載荷的關鍵位置，會發(fā)生大變形、相對滑動等，將接觸區(qū)域簡化為夾爪與卡箍夾耳的接觸面；② 卡箍內(nèi)外層之間的相對滑動接觸，卡箍內(nèi)外層在夾爪的作用力下產(chǎn)生滑動，插舌插入凹槽的過程中產(chǎn)生接觸；③卡箍與尼龍管段外壁之間的接觸，卡箍夾緊管段，由于管段的彈性，該接觸提供卡箍的約束反力；④ 尼龍管段內(nèi)壁與接頭之間的接觸，接頭采用金屬銅制成，在此處的變形忽略，因而將尼龍管段內(nèi)壁的邊界條件設置為剛性；⑤ 卡箍兩個夾耳內(nèi)壁的接觸，在卡鉗夾爪的作用力下，兩個夾耳向相對的方向發(fā)生位移；⑥ 3 個鎖孔與鎖扣之間的接觸，該接觸限制了卡箍軸向與徑向的運動，保證了卡箍夾緊時插舌準確進入凹槽。

3.4 載荷及邊界條件

卡箍在夾緊過程中，其載荷的施加位置無法固定于某一點，因此將卡箍的約束和載荷全部通過接觸來實現(xiàn)[14]，尼龍管段與金屬接頭接觸構成約束，卡鉗夾爪與卡箍接觸對整體施加對稱力載荷。為避免在夾緊過程中系統(tǒng)發(fā)生剛性位移，需要限制部分部件的自由度：①管段內(nèi)表面與接頭接觸，無論管壁如何變形，內(nèi)壁與接頭外表面保持良好密封，因而管段內(nèi)表面施加位移約束，限制內(nèi)壁的運動，為整個結構提供支撐；② 尼龍管段與金屬接頭之間，尼龍管段與卡箍之間均通過接觸面來約束，卡箍可繞軸線轉動以模擬插舌進入凹槽的動態(tài)過程；③夾爪施加對稱的力載荷，在夾爪上建立基準坐標系，使兩個夾爪施加的單位面積的力沿同一方向。

4 仿真結果分析

熊健民等[14]指出，卡箍夾緊過程，卡鉗對卡箍的夾緊力一般取值為1200～1700 N。文中在仿真過程中，選取的夾緊力范圍為1100～2100 N。當夾緊力分別選取為1100，1500，2100 N 時，卡箍的形變及膠管的形變?nèi)鐖D3。

膠管在1100 N 夾緊力作用下，管徑改變量位于0.4～0.6 mm 之間。膠管在1500 N 夾緊力作用下，管徑改變量處于0.75～0.9 mm 之間。膠管在2100 N 夾緊力作用下，管徑改變量處于1.0～1.25 mm 之間。

當夾緊力為2100 N 時，對稱分布的夾耳根部接觸在一起，產(chǎn)生接觸閉合現(xiàn)象，此后，即使繼續(xù)增加所施加的卡緊力，作用力也會被耳根所吸收而無法傳遞到被卡緊管件，因而可能存在密封失效的隱患，因此在實際使用過程中夾緊力需要小于2100 N，從而避免這樣的卡緊方式，以保證卡緊力作用于被卡緊工件。

通過上述分析可以看出，隨著夾緊力的增加，夾耳之間的間距逐漸縮小，插舌進入凹槽的長度不斷增加，卡箍圍成的管徑也逐漸縮小，提供的夾緊力逐漸增大。尼龍管段在卡箍的作用下發(fā)生塑性變形，卡箍收縮后的管徑即為管段的外徑?？ü康闹睆绞湛s量最大值與卡箍預制的“耳”寬（s）成比例。最大直徑壓縮量由下式計算：

式中：Δd為管段直徑壓縮量；s為卡箍預制的夾耳寬度。

所選卡箍耳寬為8 mm，最大壓縮直徑經(jīng)計算為2.54 mm。在實際使用時，卡箍在夾緊后，膠管由于彈性作用，在縮小后仍會反彈，因而實際直徑壓縮量小于理論計算值。

5 測試裝置與結果

為了研究卡箍夾緊后膠管管徑的變形情況，將氣動夾鉗上的夾緊力調(diào)節(jié)至1500 N，將箍緊后的卡箍、膠管、接頭切開，獲取其截面圖。接頭的材質(zhì)為尼龍塑料，剛度遠遠大于橡膠材質(zhì)，因而，當卡箍夾緊膠管作用于接頭時，接頭尺寸未發(fā)生變化，經(jīng)測量接頭內(nèi)徑為5 mm。以此參數(shù)作為基準，采用光學測量系統(tǒng)對變形前后的膠管尺寸進行測量[15]。測量裝置如圖4。

編制相應的圖像處理程序后，以接頭內(nèi)徑5 mm作為測量基準，對夾緊后的卡箍以及膠管尺寸進行測量，測量結果如圖5。膠管初始狀態(tài)的形狀參數(shù)：外徑為14.3 mm，內(nèi)徑為7.09 mm，卡箍初始內(nèi)徑為15.3 mm，根據(jù)計算公式，卡箍內(nèi)徑比膠管外徑大1 mm，因而當卡箍完全夾緊時，膠管外徑的變化值最大為2.54?1=1.54 mm。

圖3 卡箍膠管在不同夾緊力作用時的變形Fig.3 Deformation of clamp hose under different clamping forces

圖4 光學檢測裝置Fig.4 Optical detection device

變形前后膠管截面的形狀輪廓如圖5 所示。通過截面形貌可以發(fā)現(xiàn)，膠管由兩層不同的材料與纖維織網(wǎng)復合而成，內(nèi)層為防腐層，防止管路中的氣液對管路造成腐蝕破壞；初始狀態(tài)時，防腐層的厚度為0.76 mm。經(jīng)過擴張、收縮后壁厚減薄至0.48 mm，變化率為36.8%，防腐層在卡箍的箍緊和接頭的限制作用下發(fā)生了明顯的塑性變形。

保護層包裹于防腐層外，由于接頭的壓入，膠管內(nèi)徑由7.09 mm 擴大至8.16 mm?？ü繆A緊后，卡箍沿徑向均勻縮緊，膠管外壁受到擠壓發(fā)生徑向變形，并與卡箍完全貼合，膠管外徑由14.3 mm 減小至13.65 mm，外徑減小了0.65 mm。對比仿真結果可以看出，仿真時，1500 N 夾緊力作用后，管徑的變化范圍為0.75～0.9 mm，實際測試結果與仿真的偏差位于13%～28%。出現(xiàn)偏差的原因是由于CCD 與截面未完全平行，箍緊前的壁厚為2.845 mm，箍緊后的壁厚為2.27 mm，變形率為20.2%。

防腐層厚度的變化率大于保護層，防腐層發(fā)生塑性變形后與接頭近似形成過盈配合，從而完成管路的密封；保護層的變形相對較小，目的是為管路提供足夠的剛度、彈性等力學性能，從而保證管路使用中的可靠性。

接頭的材料為塑料，剛度遠遠大于橡膠，因而近似認為卡箍夾緊后，接頭不發(fā)生變形。由于卡箍存在鎖扣槽以及凹槽等不連續(xù)部位，膠管縮緊發(fā)生塑性變形后，填充到上述凹槽造成輪廓不再光滑、連續(xù)，也從另一方面驗證了卡箍的密封緊固性能。

6 結論

1）采用有限元方法對卡箍的變形情況進行了分析，分析結果表明在1100，1500，2100 N 的驅(qū)動力作用下，膠管管徑的最大變化量分別為1.21，1.68，1.97 mm。

2）當驅(qū)動力增加至2100 N 時會出現(xiàn)接觸閉合現(xiàn)象，在實際使用中應將驅(qū)動力調(diào)節(jié)至2100 N 以下。

3）測量結果表明，卡箍在1500 N 夾緊力的作用下將膠管收縮夾緊，膠管管徑由 14.3 mm 減小至13.65 mm。

4）防腐層的相對變形量大于保護層，較大的塑性變形與連接件形成過盈配合可以提高管路的密封性；保護層提供足夠的剛度保證管路系統(tǒng)的可靠性。