雙層喇叭口結構連接管密封性能研究

蔚鑫 楊芝明

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 引言

目前現有的連接管結構為管接頭錐面套接錐形面封，通過管接頭螺母與喇叭口擠壓進行密封，這種硬密封形式主要優點為耐高溫、抗磨損、機械性能好，但也存在很多質量隱患，如密封性能相對較差[1-2]。根據近兩年售后返回的冷媒泄漏信息，連接管喇叭口泄漏已經成為售后系統的最大泄漏問題點。根據2016年某季度售后數據，售后反饋共99單，其中喇叭口泄漏占9單，占比達9.09%，是所有反饋漏點中比例最高的痛點，提高喇叭口的密封性已經成為降低售后投訴的首要任務。本文從連接管易裂位置喇叭口處進行綜合分析，改進喇叭口連接處的連接形式，從而達到提高其密封性能的效果。

2 泄漏原因分析

2.1 宏觀泄漏原因分析

喇叭口表面加工時留下的毛刺，不規則的平整度及表面劃傷導致密封泄漏，打緊力矩時，力矩偏小未充分接觸或力矩過大喇叭口變形，都可使連接管發生泄漏。

2.2 微觀泄漏原因分析

管接頭和喇叭口的表面均通過機加工的方式而來，其表面無法達到絕對平整的狀態，當管接頭錐面與喇叭口配合時，其表面在原子力顯微鏡下觀察可以簡化為如圖1所示的狀態[3]。

兩個表面無法完全嵌合，存在細微的泄漏通道，長期運行后會出現無法直觀觀測的泄漏。

3 雙層喇叭口結構連接管方案設計及驗證

喇叭口為平面結構，在加工和安裝時易造成內壁劃傷、卷邊等缺陷，進而造成整機泄漏。微觀泄漏為原材料紫銅管相互擠壓未能完全擬合產生，泄漏量較小可以忽略。宏觀泄漏為整改的主要方向。通過開發新結構喇叭口及加工工藝來改善喇叭口泄漏問題。

3.1 結構設計

目前行業內連接管和類似對接結構中常見的喇叭口結構主要有3種：冷沖喇叭口結構，喇叭口表面平整，縱切面程線型；旋擴喇叭口結構，喇叭口表面平整，縱切面程小弧型；增加墊片結構，燃氣灶用結構，用于圓形管接頭對接。結合三種結構對比及有限元仿真對比驗證，設計雙層喇叭口結構，提高整體的密封性，通過調研，行業內暫無批量使用。

3.2 對比驗證

3.2.1 Ansys仿真分析

H.H.Buchter提出，密封比壓力q（密封配合面處的接觸壓力與密封接觸面積的比）大于軟金屬材料屈服強度的兩倍時密封效果較好。所以提高機械密封性能的方式有兩種，一是增加配合面的接觸壓力，二是減少密封接觸面積[4]。

分別對現有結構、增加墊片輔助、雙層喇叭口結構在相同的邊界條件和載荷下進行仿真分析，管接頭與銅螺母材質為黃銅，變形可忽略，按照剛體設置處理。喇叭口材料為軟態紫銅，力學分析中需要設置密度、摩擦系數、楊氏模量與泊松比等材料屬性，如表1所示[5]。

不同結構喇叭口應力變化情況如圖2所示。

應力最大位置為喇叭口與管接頭螺紋下方凸臺接觸處，另一處為喇叭口與管接頭底端接觸處，由圖2可知在現有結構基礎上增加壁厚時，密封帶處可承受的集中應力越大，且變形較少。當力矩逐漸增大時連接管的密封性提高，壁厚越厚效果越明顯，不易出現喇叭口開裂情況。在喇叭口與螺母之間增加墊片作為密封輔助時，可知當力矩越大，密封面應變和應力越大，由于墊片的存在，紫銅管不會造成斷裂，增加墊片對提高密封性和防止斷裂有改善作用，但是增加墊片會增加現有工序和漏裝的隱患，雙層喇叭口結構可以看成在喇叭口內側添加墊片，這樣通過結構的調整可以提高零件密封性能。

3.2.2 氦檢對比驗證

采用氦檢機氦檢的方式對不同結構的喇叭口與管接頭打緊后的泄漏情況進行驗證。以直徑為6mm的紫銅管喇叭口為例，分別驗證在相同力矩N條件下，不同結構的喇叭口的密封性能。在相同喇叭口結構下，不同力矩對喇叭口密封性的影響。

分別按照14N、16N、18N、24N、28N打緊進行氦檢驗證，氦檢情況如表2至表6所示。

在打緊力矩后使用電子檢漏儀進行檢測，泄漏率按照1.1g/年進行設置，當發生泄漏時電子檢漏儀會發出電鳴聲報警，其中OK代表無泄漏，NG代表有泄漏，單層為傳統銅管薄壁厚結構，雙層為新型雙層喇叭口結構。

表2 14N打緊單雙層結構氦檢結果

表3 16N打緊單雙層結構氦檢結果

圖1 喇叭口微觀泄漏變化圖

圖2 不同結構喇叭口應力云圖

由表2至表6可以得出，相同力矩情況下，雙層喇叭口密封性優于單層結構。隨打緊力矩的增大，喇叭口的密封性逐漸提高。但當超過28N力矩時喇叭口會出現開裂造成泄漏，達到32N時開裂加劇，力矩越大開裂情況越嚴重。

表4 18N打緊單雙層結構氦檢結果

表5 24N打緊單雙層結構氦檢結果

表6 28N打緊單雙層結構氦檢結果

圖3 雙層喇叭口結構仿真成型圖片

圖4 雙層喇叭口結構

4 生產方案設計及驗證

雙層喇叭口結構為外緣內折型結構，生產時需要實現向內折邊，經過仿真分析和模具驗證，通過采用先平口，后擴喇叭口的加工工序可以實現生產雙層結構的喇叭口。相關工藝要求及控制點如下：

設備需求：普通管端成型機。

模具：平口沖頭，喇叭口沖頭，夾模。

操作要求：（1）平口工序：調節模具定位塊，長度為適中，進行平口成型；（2）擴喇叭口工序：按照現有的設備操作要求，沖頭后退一定距離，進行喇叭口加工[6]。

注意事項：首檢表面是否光滑，喇叭口外側是否有夾痕，喇叭口大小是否滿足通止規要求，合格后進入批量生產。雙層喇叭口結構仿真成型如圖3所示。

雙層喇叭口結構如圖4所示，進行批量生產驗證，在我司某車間按照操作要求進行批量生產600套，經檢測喇叭口全部合格，隨機抽取30套進行氦檢驗證，氦檢無異常。

5 結論

原有空調內外機連接管喇叭口結構與管接頭在扭矩作用下形成硬密封，這種機械結構的密封具有耐高溫、抗磨損、加工精度高、機械性能好等優點，但密封效果相對較差。

由打緊力矩實驗數據可知，在一定范圍內增加扭矩可以提高連接管密封性。若扭矩過大會造成喇叭口開裂現象導致連接管泄漏。通過增加連接管喇叭口與管接頭接觸處的厚度，可以提高其接觸帶應力的大小，密封接觸面積不變時，隨著接觸應力的增加，密封性能也相應提高。

雙層喇叭口結構不僅增加了壁厚，而且避免了由于增加墊片帶來的繁瑣工序，保證了裝配質量，提高了密封性能，可推廣至整個家電領域。該加工工藝的實現，在僅增加少量原材料的基礎上，增加其壁厚可以減少喇叭口泄漏數量，在售后維修階段可以降低約9%的售后維修故障率。若以每年10萬臺此類故障為例，雙層喇叭口的應用將帶來較為可觀的經濟價值。