一種高壓氣路接觸件密封結構改進設計

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(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

1 引言

高壓氣路接觸件是傳輸高壓氣體的一種連接管路。隨著連接器功能的多樣化，氣電混裝型連接器應用日益普遍，需要氣路接觸件傳輸高壓氣體，用于彈倉體內發熱器件的冷卻及保護、以及完成氣動動作等。

高壓氣路接觸件分為插針和插孔，插合界面一般采用自緊密封方式進行密封，具有氣壓越大密封性能越好的特點，但在實際使用過程中發現其存在缺陷，不能滿足多次插拔后正常供氣的要求，且不可維修；從而導致連接器的不能使用，影響整個電纜網的正常使用。氣電混裝脫落連接器為國內首次，且高壓氣路，更是研究的空白,主要存在如下兩方面的技術難點:

a)脫落連接器[1]自身預緊力小，氣路接觸件的密封困難，只能依靠密封圈，而反復的插合使用，又是多點對接，定位精度的影響，使得氣路組件對準精度不高，密封圈受損的幾率較大。因此，技術難度是氣路接觸件密封結構設計；

b)高壓氣路設計，一般的氣電混裝連接器中的氣路為1MPa左右，而40MPa的制冷高壓氣體，使得氣路的密封和密封材料的選擇面臨較大困難。

因此，設計一種滿足密封性能要求，多次插拔仍能正常供氣且能維修方便的高壓氣路接觸件尤為迫切。

2 原氣路接觸件失效分析

2.1 自緊密封氣路接觸件工作原理

自緊密封氣路插孔結構如圖1所示，氣路插孔與氣路插針插合示意圖如圖2所示。

圖1 氣路插孔合件的結構示意圖

圖1中密封墊2和聚四氟乙烯墊圈裝入氣路插孔前，先在零件圓周涂硅橡膠，然后將其裝入氣路插孔內孔中進行粘接固定。后續再依次將襯套和密封墊1裝入氣路插孔中，最后將帶密封圈的連接管依靠螺紋旋合在氣路插孔尾部，旋合前在螺紋處涂環氧膠，旋合后進行固化處理，完成氣路插孔的組裝。

圖2 氣路插孔與插針插合示意圖

圖2中氣路插針與插孔插合過程中，氣路插針外徑ΦA部分與密封墊2的內孔Φa和聚四氟乙烯墊圈內孔Φc配合，氣路插針的外徑尺寸ΦB與氣路插孔內孔尺寸Φb配合。

為了達到更好的密封效果密封墊2材料選為硅橡膠，其內孔Φa與氣路插針外徑ΦA為過盈配合。氣路插針外徑ΦA部分與聚四氟乙烯墊圈內孔Φc為小間隙配合(0.02～0.05)。氣路插針的外徑尺寸ΦB與氣路插孔內孔尺寸Φb也采用精密配合，間隙為0.025max。當內部管道通高壓氣體時，利用密封墊2的臺階式結構，氣體壓縮密封墊2使其同時擠壓氣路插針外徑和氣路插孔內壁，以此來實現插合端面的自緊密封功能，且氣壓越高密封效果越好，如圖3所示。

圖3 氣路密封原理圖

2.2 失效原因分析

2.2.1 密封墊松動、變形

在圖3中由于氣路插針外徑ΦA部分與聚四氟乙烯墊圈內孔Φc為小間隙配合，如果聚四氟乙烯墊圈內孔Φc存在輕微超差，則在插合過程中，氣路插針的端面就會頂在聚四氟乙烯墊圈的端面上，使其受軸向力F1(如圖3所示)，在分離時由于氣路插針與聚四氟乙烯內孔之間存在摩擦，會使其受軸向力F2作用。雖然一方面聚四氟乙烯墊圈與氣路插孔內壁之間采用膠粘劑固定，另一方面聚四氟乙烯材料有一定的潤滑作用，但在多次的插拔時聚四氟乙烯墊圈受反復軸向力作用，就有可能造成膠粘劑固定性失效使其產生松動。

如果聚四氟乙烯墊圈松動，則一方面插拔時聚四氟乙烯墊圈就會壓縮密封墊2使其產生反復的軸向壓縮和變形，另一方面由于密封墊2內孔Φa與氣路插針外徑ΦA為過盈配合，在插拔時也會由于摩擦力而產生軸向的壓縮和變形。綜合上述原因導致密封墊2與氣路插孔內壁之間的膠粘劑固定性失效，造成其在產品內部松動，存在內縮、單邊甚至從氣路插孔中掉落，影響氣路接觸件插合后的密封性。

2.2.2 密封墊橡膠材料的低溫影響

連接器實際使用過程中，氣路接觸件內通入40MPa的高壓壓縮氬氣，氣溫低，最低溫度可達到-70℃。圖2中的密封墊材料為硅橡膠材料，一般的高溫硫化硅橡膠，其脆性溫度為-60℃，可在-50℃～200℃溫度區間長期使用。但隨著溫度的降低，硅橡膠的模量、拉伸強度和壓縮永久變形增大，拉伸伸長率和回彈性降低。由于橡膠分子熱運動減弱，分子鏈段及分子鏈被凍結，就逐漸失去彈性，逐漸向玻璃化轉變過程和結晶過程進行。氣路接觸件在使用過程中，前期插拔幾次，試驗氣路密封性好，但隨著插拔次數的增加，在40MPa的壓力環境下，氣路接觸件插合界面密封性變差，并伴隨這多余物掉出，高壓低溫的壓縮氣體對橡膠材料的玻璃化轉變和結晶過程是產生這一現象的重要原因。

3 氣路接觸件改進方案

氣路接觸件提出改進要求如下：

a)插頭和插座對插后，氣路接觸件能夠保證40MPa制冷氣體下的正常工作，不漏氣。

b)氣路的氣密性指標要求：漏泄率不大于1.4Pa.m3/s；

c)氣路接觸件的使用壽命不少于50次。

d)氣路接觸件的改進原則為，在原插頭和插座的基礎上更換氣路接觸件；

e)改進后的氣路接觸件具有可維修性，尤其是密封圈的可維修性、可更換性。

3.1 密封材料選擇

根據連接器實際使用的狀態，氣路接觸件在測試過程中需要多次插拔，另外40MPa的高壓壓縮氬氣極低的溫度，需要選用的橡膠材料具有兩項重要指標：

a)橡膠材料具有很好的耐磨性；

b)橡膠材料具有在低溫下(-70℃)工作的性能。

查閱相關資料，常規橡膠的使用溫度范圍和低溫特性如表1：

表1 常規橡膠的最低使用溫度表

從上面查閱的資料可知，常規橡膠基本上沒有能滿足低溫(-70℃)的使用環境，且當溫度降低到-15℃～-50℃時，橡膠特性首先從“橡膠型”變成“皮革型”；而在更低的溫度下喪失所有柔順性，并變脆。因此，橡膠材料還需繼續進行調研和跟專業廠家聯系。

對橡膠材料進行調研，并與專業廠家聯系，尋找既具有有很好的耐磨性；同時能在低溫下(-70℃)工作的的橡膠材料，降低密封元件[2]由于磨損或者低溫脆化而更換的頻率。目前低溫條件下的特制橡膠如表2所示。

圖4 橡膠低溫特性

橡膠類別最低使用溫度特性缺點氟硅橡膠(CKTΦT-50)-95℃～-100℃氟硅橡膠(CTKΦT-100)-73℃～-75℃乙基硅橡膠-90℃～-120℃目前最好的耐寒、耐高溫橡膠,電絕緣性優良,性能穩定,化學惰性大。機械強度較低,耐油、耐溶劑能力差、較難硫化,價格較貴

綜合低溫和耐磨使用需求，密封元件材料選用氟橡膠，該種橡膠具有耐摩擦、韌性較好的特點，具體指標如下表：

表3 氟橡膠性能指標參數

3.2 結構方案

針對氣路接觸件在使用過程中存在的缺陷及分析，提出對氣路接觸件的下述三種結構改進方案。

3.2.1 方案I

將氣路接觸件對接端直徑增大，在氣路插針對接端上設計多層O形密封圈，實現插合后徑向密封；尾端增加彈簧，彈簧預緊力保證氣路插針和氣路插孔貼合，實現軸向密封。具體結構如圖5、圖6所示。

圖5 方案Ⅰ結構

圖6 氣路結構示意圖

此方案中當位于氣路插針上的O形密封圈損壞或失效時，可立即進行更換；同時氣路插針若出現變形也可進行更換(拆下尾端的壓圈)。但此方案需對原產品中絕緣安裝板和外殼進行更改；鏍套需高出灌膠面，以保證氣路插針可運動。

3.2.2 方案Ⅱ

在插針對接端的外圓設計三層O形圈，當插針與插孔插合后，插孔內孔擠壓O形圈變形，填充在插針外圓和插孔內孔間隙間，同時O形圈由于受擠壓力會對插針和插孔產生反向作用力；當氣體想要從插針與插孔插合的間隙里通過，受到O形圈阻擋作用，從而實現密封作用；由于設計了三層O形圈，相當于設置了三層密封，當對接端最前端的O形圈失去作用，后面的仍能起到密封作用，具體結構見圖7。

圖7 方案Ⅱ氣路接觸件結構

3.2.3 方案Ⅲ

連接器結構和氣路接觸件自緊密封原理不改變，將氣路插孔改為可拆卸式，即在氣路插孔頭部增加螺套(螺套上設計十字槽)，便于密封墊損壞時進行更換，具體結構示意圖如圖8所示。同時氣路插孔中的密封墊形狀進行更改為密封環境常用的Y形，具體結構示意圖如圖9所示，改進后氣路接觸件密封示意圖如圖10所示。這種Y型的密封墊比原氣路接觸件目前采用的凹型密封墊密封效果更好。

圖8 方案Ⅲ氣路接觸件結構

圖9 更改后密封墊示意圖

圖10 氣路接觸件插合后密封示意圖

當氣路插孔內密封墊在對插過程中損壞時，可拆卸氣路插孔前端的鏍套，對損壞的密封墊進行更換，按圖4的組裝順序組裝。

通過三種氣路接觸件方案對比，方案Ⅱ和方案Ⅲ從方案的分析均可滿足用戶的要求，方案Ⅰ由于需要更改連接器固定氣路接觸件的孔徑，不予采納，因此，從方案Ⅱ和方案Ⅲ著手進行氣路接觸件改進。

表4 方案對比表

3.3 強度核算

方案Ⅱ氣路接觸件與原氣路接觸件結構發生變化，需對其強度進行驗算。

按照氣路接觸件設計的工作氣壓pw=40MPa。

根據下面公式校核氣路接觸件的強度：

式中：δ——管路的計算厚度，mm；

Di——管路的內徑，mm；

Φ——管路的焊接接頭系數，本方案不存在焊接接頭，故Φ=1；

[σ]t——管路材料在設計溫度下的許用應力, MPa；

pC——管路的計算壓力,MPa；

由圖7所示的尺寸可以得出：

管路的內徑Di=Φ0.6mm時，δ=(2.5-1.5)/2=0.5mm；

管路的內徑Di=Φ1.2mm時，δ=(4.5-1.2)/2=1.65mm；

管路的內徑Di=Φ2.6mm時，δ=(4.5-2.6)/2=0.95mm；

計算對應的最大允許工作壓力為：

通過氣路接觸件強度校核，能滿足40MPa的要求。

4 試驗驗證

4.1 試驗樣品和試驗設備

4.1.1 試驗樣品

按改進方案組裝的氣路接觸件，如圖11、圖12所示。氣路接觸件分別裝入插頭和插座樣品中，試驗樣品如圖13、圖14所示。

圖11 氣路接觸件實物照片(方案Ⅱ)

圖12 氣路接觸件實物照片(方案Ⅲ)

圖13 試驗樣品(裝入方案Ⅱ氣路接觸件)

圖14 試驗樣品(裝入方案Ⅲ氣路接觸件)

4.1.2 試驗設備

設備型號：氣體檢漏試驗臺 P3011-M-40

4.2 密封性和耐壓強度試驗

隨機抽取2對氣路接觸件裝入連接器進行密封性和耐壓強度檢測，試驗結果見表5。

表5 氣路接觸件試驗情況

注：密封性試驗檢測采用氣泡法[3]，氣泡法可檢測到的最小泄漏率1×10-4～1×10-5Pa.cm3/s，即氣泡法可檢測到的最小泄漏率1×10-10～1×10-11Pa. m3/s；故采用的氣泡法完全滿足“泄漏率不大于1.4Pa.m3/s”的要求。

試驗照片如圖15～圖16所示。

圖15 方案Ⅱ氣路接觸件試驗照片圖16 方案Ⅲ氣路接觸件試驗照片

4.3 壽命試驗后密封性和耐壓強度試驗

插頭與插座樣品進行50次插拔后，進行密封性和耐壓強度檢測，試驗結果見表6。

表6 氣路接觸件試驗情況

試驗照片如圖17所示。

圖17 壽命后氣路插針狀態(方案Ⅱ氣路接觸件)

4.4 試驗結論

針對兩種改進方案氣路接觸件性能指標均能滿足要求，結合裝配便利性和可維修性進行對比分析如表7所示。

綜上所述，改進方案Ⅱ氣路接觸件(徑向密封)裝配簡單，維修方便，采用方案Ⅱ氣路接觸件。

表7 氣路接觸件試驗情況

5 結束語

通過對某型號脫落電連接器所用高壓氣路接觸件密封結構改進設計，采用的徑向密封結構，經試驗驗證和實際使用完全滿足用戶使用要求，且可維修性強，為后續連接器混裝高壓氣路接觸件的密封結構設計提供了一種新型結構以供參考。