多路水電混用快速插拔系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

郝苒杏，張黎源，高志廣

（核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)核工業(yè)和航天的迅速發(fā)展，某些試驗(yàn)須在特殊環(huán)境（如放射性[1]、宇航[2]等環(huán)境）中開(kāi)展，而通水通電是試驗(yàn)開(kāi)展的必備條件，目前水電連接常采用連接器快插形式連接，通過(guò)人工將多個(gè)水電連接器分別斷開(kāi)，與之相連的試驗(yàn)組件可作為一個(gè)整體移出維修或更換。這種操作方式會(huì)產(chǎn)生一定的安全危害，一方面是環(huán)境危害（如放射性[3]、易燃易爆等）；另一方面是操作不當(dāng)對(duì)人體造成的危害（如水壓泄壓不完全、電連接器漏電等）。

對(duì)此課題組開(kāi)發(fā)了一種多路水電混用快速插拔系統(tǒng)，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)多路水電的快速同時(shí)插拔，代替人工操作，避免環(huán)境和操作不當(dāng)?shù)葘?duì)人體造成的危害，同時(shí)水電連接斷開(kāi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化后，連接的試驗(yàn)組件可通過(guò)自動(dòng)化設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)移出、維修和更換，實(shí)現(xiàn)全流程自動(dòng)操作，達(dá)到某些特殊環(huán)境下無(wú)人操作的功能。

1 應(yīng)用場(chǎng)景

如圖1所示，為目前多采用的水電連接方式，多個(gè)水、電管線通過(guò)快速連接器連接，通過(guò)人工操作實(shí)現(xiàn)連接與斷開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)連接組件的試驗(yàn)、維修或更換操作等。

圖1 人工操作試驗(yàn)組件的水電連接

本課題組參與某項(xiàng)目中典型應(yīng)用場(chǎng)景如圖2所示，試驗(yàn)組件與主體設(shè)備完成對(duì)接，需依靠人工完成3組電路連接、2組水路連接，從而可開(kāi)展試驗(yàn)；如果試驗(yàn)組件測(cè)試發(fā)生故障，需依靠人工將水、電連接斷開(kāi)，并通過(guò)自動(dòng)化將試驗(yàn)組件轉(zhuǎn)移出去完成維修，維修完成后可再利用自動(dòng)化安裝使用。由于水電連接與斷開(kāi)不是自動(dòng)操作，導(dǎo)致該操作仍需要人工進(jìn)行，某些特殊環(huán)境還會(huì)對(duì)人體造成損害。

圖2 研究課題的典型應(yīng)用場(chǎng)景

圖3 選用的電連接器結(jié)構(gòu)

為替代水電連接人工操作，實(shí)現(xiàn)全流程無(wú)人化操作，課題組針對(duì)該場(chǎng)景下問(wèn)題開(kāi)發(fā)了多路混用快速插拔系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)多路水、電自動(dòng)快速連接與斷開(kāi)的功能。設(shè)計(jì)要求包括：1）水路一進(jìn)一出，共2路，通徑為12 mm，工作壓力為0.3 MPa；2）電路，共3組，工作電流為5 A，每路不少于10芯；3）具備浮動(dòng)對(duì)接功能，對(duì)接應(yīng)允許具有一定的位置偏差。

2 方案設(shè)計(jì)

依據(jù)設(shè)計(jì)要求，擬采用的解決思路是：選用或設(shè)計(jì)匹配的電連接器和流體連接器，將其插頭和插座兩部分分別固定在兩塊金屬板上，在金屬板上分別安裝導(dǎo)向柱和導(dǎo)向套，用以引導(dǎo)電連接器和流體連接器的插合，電連接器和流體連接器均為直插直拔形式，無(wú)自鎖功能，流體連接器在帶壓插接過(guò)程中無(wú)泄漏。兩塊金屬板分別構(gòu)成動(dòng)板和定板，定板與試驗(yàn)組件組裝為一體，動(dòng)板與運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成一體，運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠形式推動(dòng)動(dòng)板完成與定板的對(duì)接，依靠驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)連接器的鎖定與解鎖。整個(gè)過(guò)程可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作。

2.1 電連接器選用

電連接器主要用于試驗(yàn)組件的電路連接，依據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用國(guó)內(nèi)某成熟品牌，額定電流達(dá)10 A，共37芯，滿足設(shè)計(jì)要求。插頭選擇安裝在動(dòng)板上，插座選擇安裝在定板上，通過(guò)4個(gè)端部的螺栓進(jìn)行固定。

2.2 流體連接器設(shè)計(jì)

通常情況下流體斷開(kāi)前，關(guān)閉進(jìn)水閥門(mén)來(lái)阻斷流量，但由于管線較長(zhǎng)等原因，管路中會(huì)存在部分壓力和水量，使用市場(chǎng)上常規(guī)的連接器斷開(kāi)時(shí)，會(huì)有部分水噴灑，無(wú)法滿足使用要求。為此需設(shè)計(jì)一種帶壓插拔無(wú)泄漏的直插直拔式流體連接器，通過(guò)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)連接器的對(duì)接和鎖定。課題組提供的滿足該要求的流體連接器結(jié)構(gòu)如圖4所示。流體連接器為雙端密封結(jié)構(gòu)，帶壓插拔過(guò)程中無(wú)泄漏，是該系統(tǒng)中關(guān)鍵部件。流體連接器包括插頭和插座兩部分結(jié)構(gòu)，插頭由殼體、彈簧、閥瓣、膠圈組成，插座由殼體、內(nèi)層膠圈、外層膠圈、閥桿、彈簧組成。流體連接器設(shè)計(jì)了雙流道密封結(jié)構(gòu)，在插合過(guò)程中，外層膠圈一直保持密封，防止液體向外泄漏，滿足帶壓插拔要求。而內(nèi)部通過(guò)閥瓣和閥瓣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，形成液體流道，從而實(shí)現(xiàn)通水需求，同時(shí)滿足密封要求[4-6]。

圖4 流體連接器結(jié)構(gòu)示意

流體連接器插合原理和過(guò)程如圖5所示，在未插合狀態(tài)下，插頭和插座各自通過(guò)膠圈密封，在插頭進(jìn)入插座過(guò)程中，插頭外表面擠壓插座外層膠圈，保證在插合過(guò)程中含壓力的液體無(wú)法滲出，而內(nèi)部閥瓣和閥桿在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，慢慢形成內(nèi)部流道，待流體連接器完全插合到位后，形成了一套內(nèi)部流道，液體可順利通過(guò)，外部仍然保持密封狀態(tài)，通過(guò)該技術(shù)手段可以實(shí)現(xiàn)液體帶壓插拔無(wú)泄漏的技術(shù)難題。

圖5 流體連接器工作原理

2.3 導(dǎo)向設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)板和定板中的多個(gè)數(shù)量的電連接器和流體連接器的精確對(duì)接，設(shè)計(jì)了兩組對(duì)接導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，包括導(dǎo)柱和導(dǎo)套兩部分結(jié)構(gòu)，導(dǎo)柱安裝在動(dòng)板上，導(dǎo)套安裝在定板上。結(jié)構(gòu)上分兩級(jí)階梯進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便適應(yīng)較大的動(dòng)板與定板位置偏差。導(dǎo)向結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 導(dǎo)向結(jié)構(gòu)

導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)主要考慮電連接器和流體連接器等的對(duì)接先后順序，如圖7所示，很顯然應(yīng)首先讓導(dǎo)柱和導(dǎo)套完成配合，其次才是流體連接器和電連接器的對(duì)接，并將兩組導(dǎo)柱和導(dǎo)套安裝至動(dòng)板和定板的對(duì)角，以保證整板的配合對(duì)接，從而實(shí)現(xiàn)連接器的準(zhǔn)確對(duì)接，保障連接器使用安全，提高使用壽命。

圖7 導(dǎo)向、連接器插合順序

2.4 布局設(shè)計(jì)

由于定板與試驗(yàn)組件組裝為一體，為簡(jiǎn)化試驗(yàn)組件與定板的連接結(jié)構(gòu)，將試驗(yàn)組件的兩組水接頭位置對(duì)應(yīng)到定板中，同時(shí)，為保持插拔過(guò)程中力的平衡，在流體連接器的對(duì)角安裝3組電連接器，如圖8所示。中間位置預(yù)留設(shè)備固定支撐位置，用以支撐固定定板或動(dòng)板，在插拔板兩端安裝各一組到位檢測(cè)傳感器，用來(lái)檢測(cè)定板與動(dòng)板是否插合到位。

圖8 插拔板布局設(shè)計(jì)

2.5 浮動(dòng)對(duì)接設(shè)計(jì)

插拔板定板與試驗(yàn)組件一體為活動(dòng)組件，在自動(dòng)轉(zhuǎn)移過(guò)程中其插拔位置可能存在微小變化，而動(dòng)板的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與設(shè)備框架固定，為固定組件，其插拔位置相對(duì)固定，為了適應(yīng)兩者位置偏差，設(shè)計(jì)一定的浮動(dòng)結(jié)構(gòu)可提高設(shè)備運(yùn)行壽命[8]。課題組在動(dòng)板相應(yīng)位置上設(shè)計(jì)了浮動(dòng)對(duì)接結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。浮動(dòng)對(duì)接結(jié)構(gòu)用于連接推力機(jī)構(gòu)和動(dòng)板，包括4組柔性組件、4組固定環(huán)、4組緊固螺釘，以及連接板等，其中柔性組件包括螺柱、碟簧組件、上下碟簧擋塊等結(jié)構(gòu)組成。

柔性組件一端與連接板相連，另一端與動(dòng)板相連，由于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與連接板連接方式為剛性連接，在動(dòng)板與定板對(duì)接過(guò)程中，柔性組件發(fā)揮柔性調(diào)節(jié)作用，4組柔性組件的螺桿與動(dòng)板均存在調(diào)整間隙D，間隙D為3 mm，因此在X、Y方向即平行于動(dòng)板或定板方向有±3 mm的偏差調(diào)整量，如圖10所示。

圖10 平面方向浮動(dòng)原理

而插拔板法向也就是Z軸方向，通過(guò)可壓縮的4組碟簧組件，在一定的推力作用下，Z軸方向具有不小于1 mm的調(diào)整量，同時(shí)可進(jìn)行±0.5°的角度偏差調(diào)整量，在動(dòng)板和定板出現(xiàn)角度偏差，或驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)到位行程出現(xiàn)偏差的情況下，可有效保護(hù)動(dòng)板與定板的設(shè)備安全，防止由于位置偏差插拔造成動(dòng)板與定板的導(dǎo)向、連接器等結(jié)構(gòu)的損壞。

2.6 集成設(shè)計(jì)

將插拔板安裝于系統(tǒng)中，如圖11所示，采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠等結(jié)構(gòu)，使動(dòng)板與定板完成對(duì)接與分離，完成自動(dòng)化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖11 法向方向浮動(dòng)原理示意

圖12 系統(tǒng)集成

3 測(cè)試試驗(yàn)

將采購(gòu)或加工完成的電連接器、流體連接器、導(dǎo)向結(jié)構(gòu)、插拔板、浮動(dòng)對(duì)接結(jié)構(gòu)等組裝為一套插拔板樣機(jī)產(chǎn)品，為測(cè)試驗(yàn)證產(chǎn)品使用效果，針對(duì)該產(chǎn)品設(shè)計(jì)了測(cè)試試驗(yàn)機(jī)，原理及結(jié)構(gòu)示意如圖13所示。測(cè)試試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括插拔板、推力傳感器、電缸、水路自循環(huán)給壓裝置、控制系統(tǒng)等。水路自循環(huán)給壓裝置采用市場(chǎng)上現(xiàn)有產(chǎn)品，分別與插拔板定板和動(dòng)板流體連接器端接，構(gòu)成兩進(jìn)兩出回路，通過(guò)控制系統(tǒng)以給定水壓如0.3 MPa實(shí)現(xiàn)兩回路水循環(huán)，可以模擬帶壓插拔。電連接器通過(guò)線纜連接至控制系統(tǒng)，可檢測(cè)插合狀態(tài)下的通斷情況，模擬通電操作。兩個(gè)傳感器連接至控制系統(tǒng)，通過(guò)傳感器通斷情況可判斷是否插合到位。通過(guò)控制系統(tǒng)自動(dòng)程序可實(shí)現(xiàn)電缸往復(fù)插拔運(yùn)動(dòng)，模擬插拔板插接與斷開(kāi)，同時(shí)在電缸和動(dòng)板連接位置設(shè)置壓力傳感器，用于檢測(cè)電缸推力，并設(shè)置推力上限值，用于診斷插合或斷開(kāi)過(guò)程中的推力奇點(diǎn)或超限報(bào)警，避免損壞設(shè)備。

圖13 測(cè)試試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)及原理

組裝完成的測(cè)試試驗(yàn)機(jī)實(shí)物如圖14所示。

圖14 測(cè)試試驗(yàn)機(jī)實(shí)物

設(shè)置循環(huán)水路工作水壓為0.3 MPa，運(yùn)動(dòng)速度設(shè)置為8 mm/s，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中監(jiān)測(cè)推力大小[7]，從而可得到整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中推力曲線，如圖15所示。

圖15 插拔測(cè)試推力曲線

推力中有兩個(gè)突增點(diǎn)（稱為奇點(diǎn)），均發(fā)生在插合過(guò)程中，粗導(dǎo)向進(jìn)入時(shí)，由于動(dòng)板與柔性結(jié)構(gòu)之間存在間隙D，會(huì)將動(dòng)板抬起，導(dǎo)柱和導(dǎo)套摩擦造成了推力的增大，即產(chǎn)生第一個(gè)奇點(diǎn)。隨著粗導(dǎo)向進(jìn)入，動(dòng)板與定板完成配合，推力變小，當(dāng)二級(jí)導(dǎo)向完全進(jìn)入時(shí)，導(dǎo)柱和導(dǎo)套配合產(chǎn)生較大摩擦力，推力又會(huì)急劇增大，即產(chǎn)生奇點(diǎn)2。而插拔板插合到位后，在行程一定情況下，柔性組件產(chǎn)生一定的壓縮力，推力會(huì)有小幅陡升，為整個(gè)插合過(guò)程中推力峰值。分離過(guò)程中，導(dǎo)向與導(dǎo)套分離，為卸力過(guò)程，推力持續(xù)下降。

通過(guò)分析，整個(gè)插合過(guò)程的推力主要包括3組電連接器插合阻力、2組流體連接器（含水壓）插合阻力、4組柔性組件壓縮阻力、2組導(dǎo)向結(jié)構(gòu)插合阻力，從推力曲線圖中可以看出，奇點(diǎn)2到峰值之間流體連接器和電連接器插合力基本穩(wěn)定，因此整個(gè)過(guò)程中對(duì)推力影響最大的就是導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，研究得到導(dǎo)柱與導(dǎo)套的配合間隙直接影響推力大小。為找到較優(yōu)的配合間隙，加工5套不同尺寸的導(dǎo)套、導(dǎo)柱，導(dǎo)套與導(dǎo)柱直徑差分別為0.30、0.25、0.20、0.15、0.10 mm，分別安裝在該套樣機(jī)產(chǎn)品中，運(yùn)行參數(shù)設(shè)置為一致，分別進(jìn)行插拔測(cè)試各20次，記錄-140 mm（奇點(diǎn)2）位置和到位（峰值）位置的推力值。20次推力取均值后得到導(dǎo)柱、導(dǎo)套間隙尺寸與兩個(gè)推力值的曲線圖，如圖16所示。

圖16 推力與導(dǎo)向配合間隙關(guān)系曲線

從圖中可以看出，配合間隙越小，奇點(diǎn)2推力值越小，這是由于配合間隙變大后，動(dòng)板與定板配合所需要的力變小。而峰值推力在配合間隙0.2 mm時(shí)最小，這是由于配合間隙增大后，導(dǎo)致動(dòng)板與定板對(duì)接過(guò)程中，多個(gè)流體連接器和電連接器對(duì)接出現(xiàn)微小角度偏差，會(huì)造成插合過(guò)程中推力增大。綜合來(lái)看，為實(shí)現(xiàn)插合過(guò)程推力較小，插合過(guò)程順暢，設(shè)置導(dǎo)柱和導(dǎo)套配合間隙為0.2 mm。

保持水路0.3 MPa的工作壓力，帶水壓進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間超過(guò)2000次插拔測(cè)試，插接、分離過(guò)程未發(fā)生液體滴漏，電信號(hào)通斷正常，到位傳感器檢測(cè)正常，推力大小基本保持在320 N附近，個(gè)別點(diǎn)因偶然因素有較大跳動(dòng)，樣機(jī)產(chǎn)品功能測(cè)試正常，水路無(wú)泄漏，電路連接正常，產(chǎn)品穩(wěn)定性和安全性較高。

4 結(jié)論

水電連接與斷開(kāi)的人工操作對(duì)人體具有一定概率的安全危害，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，課題組設(shè)計(jì)了一種多路水電混用快速插拔系統(tǒng)。提出了一整套的技術(shù)解決思路，結(jié)構(gòu)主要包括流體連接器、電連接器、導(dǎo)向、浮動(dòng)對(duì)接結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)等，解決了流體帶壓插拔的技術(shù)難題，設(shè)計(jì)了浮動(dòng)對(duì)接結(jié)構(gòu)，在一定位置偏差情況下仍能夠精確對(duì)接，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖17 2000次運(yùn)行推力曲線

為測(cè)試樣機(jī)產(chǎn)品使用效果，研發(fā)了測(cè)試試驗(yàn)機(jī)，經(jīng)測(cè)試，得到了導(dǎo)向較優(yōu)的配合間隙尺寸，有效地降低了所需要的推力。2000次運(yùn)行考核中，產(chǎn)品運(yùn)行平穩(wěn)，未發(fā)生故障，試驗(yàn)證明該產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)水電的自動(dòng)連接與斷開(kāi)的功能，性能可靠。通過(guò)研發(fā)該產(chǎn)品，該技術(shù)可擴(kuò)展應(yīng)用到其他場(chǎng)景（如水、電、氣、熱電偶[9]、光纖[10]等）多種形式、多種數(shù)量的混用連接系統(tǒng)中，有效提高全流程的自動(dòng)化水平，具有廣闊的市場(chǎng)前景。