FCM系列流體連接器的設計*

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

隨著軍工事業的迅猛發展，軍事裝備相關設備功率的逐漸增大，用于散熱的冷卻系統應運而生。最初的冷卻系統設計多為風冷系統，由于該系統占用空間大、效率低，以及在風速提高的情況下會出現如風阻產生熱，風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，流體連接器是其關鍵元件，用于將不同大功率模塊間或模塊與設備機架間的冷卻液循環系統快速連接或斷開，是一種不需要工具就能實現管路流體連通或斷開的連接器，是液體冷卻系統的關鍵元件。流體連接器的插頭和插座各相當于一個單向閥，內有一個閥芯，未插入時，單向閥關閉，插頭和插座均為關斷狀態，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，冷卻系統就可以聯通，拔下插頭系統關斷，且不會有液體溢出，快捷、方便的實現拆裝和移動。

2 技術要求

FCM系列流體連接器要求應用介質可以是水-乙二醇溶液或機油，在要求的各種環境條件下使用不得有泄漏，雙端密封，技術指標有通徑、最大工作壓力、使用環境溫度、使用壽命等，其具體技術指標如下：

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：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 連接器結構設計

流體連接器主要有盲插式、卡口式和推拉式三大系列。本產品是一種盲插式流體連接器，傳統的盲插連接器目前廣泛使用的產品結構見圖1所示，從圖中可以看出，連接器在插合狀態由于有2只Ο形圈暴露在流道之中，在使用過程中經常發生插頭閥芯上的○形圈和插座導流柱上的○形圈被沖出密封槽或沖斷的現象，引起產品失效。例如總流量沒有調節到合適的值時，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，在裝備液冷系統運行狀態下，系統內有很高的壓力，在帶壓狀態下插拔，在由非插合狀態向插合狀態轉換(即內部流道接通)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，產生"水刀"效應，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下插拔的抗流量沖擊的連接器。

圖1 傳統的盲插流體連接器結構

為此，我們設計了一款新的盲插流體連接器結構，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、○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、導流柱、連接套、彈簧、法蘭和卡環等零件組成，連接套接口螺紋采用公制螺紋，用于產品安裝，并保證產品的強度滿足設計要求，在結構上盡量減少對流體的阻力。

該產品設計了新的閥芯組件代替原導流柱密封結構,該結構對非插合狀態的密封沒有影響，但插合狀態時○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，顯著提高產品的抗流量沖擊能力，使產品可以帶壓插拔。即保證了密封的效果，又解決了現有技術的產品不能帶壓插拔的問題，提高了產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 參數計算

1)通徑的設計和計算

通徑是指與產品內部有效流體截面等效的圓管的內徑，是一種等效值，一般取整數。通徑是液冷連接器流通能力的具體指標。液冷連接器主要應用于液體冷卻系統，根據系統所需散熱量的大小確定液冷系統的流量，并根據流量進一步確定需要選用多大通徑的液冷連接器。系統流道的內徑和液冷連接器的通徑可以根據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的產品分別對應通徑3mm、6mm和8mm。

需要強調的是，流體連接器的通徑是產品結構設計的主要依據和出發點，結構設計時需要計算每一個流道發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。同一種結構的液冷連接器可以按照通徑的大小做出一系列的產品，設計時，首先確定導流柱細桿處的徑向尺寸，然后根據通徑的大小通過計算求出閥芯、閥體各處的內、外徑尺寸，外形尺寸等，并考慮插頭插座接口尺寸的一致性。根據密封和連接需要確定長度尺寸，在保證通徑的基礎上盡量減小產品的結構尺寸，并保證產品的強度滿足設計要求。

2)密封圈的設計和計算

國家標準GB3452.1-82中規定了○形圈的拉伸率和壓縮率，見表1。根據密封原理，該產品的密封型式屬于靜密封，借鑒介質油的根據經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

根據經驗，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○形圈內直徑，mm；

W -自由狀態○形圈截面直徑，mm；

d0 -溝槽內直徑，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 溝槽的結構設計

結合表1和公式計算，分別確定通徑3mm、6mm和8mm的產品的密封圈尺寸。

3)彈簧的設計和計算

流體連接器用彈簧根據工作環境采用YB/(T)11-83《彈簧用不銹鋼絲》中規定的鋼絲1Cr18Ni9 B組, 工作負荷為Ⅱ類負荷(受變負荷作用次數在1×103～1×106次范圍內的負荷，以及沖擊負荷等)，許用切應力[τ]=0.38σb，流體連接器中使用的鋼絲直徑與對應的材料抗拉強度和許用切應力的對應關系見表2。

表2 彈簧鋼絲的技術參數

該產品的彈簧結構均為圓柱螺旋壓縮彈簧，其主要設計參數d、D和n的計算主要依據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)

再根據彈簧的安裝空間初步確定彈簧的中徑D，初步假設鋼絲直徑d，按旋繞比C=D/d，曲度系數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:

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

P′─彈簧剛度, N/ mm

K─曲度系數

基本參數求出后通常需進行多次反復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，設計出合適的彈簧后，為保證產品質量，應進行疲勞強度校核和穩定性校核。彈簧的疲勞強度校核根據切應力公式：

(4)

式中：τ─材料切應力, N/mm2

d─彈簧絲直徑, mm

D─彈簧中徑, mm

n─彈簧有效圈數

P─工作負荷，N

K─曲度系數。

根據該流體連接器插合與分離的壓力，將彈簧的結構進行設計與強度校核。

5 仿真驗證

液冷連接器的結構比較緊湊，尤其是機載條件下希望重量越輕越好。設計時，液冷連接器閥體的最小壁厚可以通過理論計算確定，設計完成后結構能否滿足強度要求，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入ANSYS有限元分析軟件進行仿真驗證和優化，方便快捷，結果既明了又準確。下圖是08通徑流體連接器的插頭閥體的應力分析圖。從仿真結果看，σmax=45.723MPa<[σ]=61.25MPa。殼體所受最大應力均小于材料許用應力。由此可得出結論，產品的結構設計可以滿足壓力要求。

圖4 閥體結構強度仿真圖

6 結語

本文對FCM系列流體連接器的結構設計進行了簡單的論述。本文論述的設計技術具有通用性，對其它類型的流體連接器的設計具有一定的借鑒作用。