高壓管路快速連接件設計與應用

張 彤，劉 婷，王兵驍

（西安航天動力研究所,陜西西安710100）

高壓管路快速連接件設計與應用

張 彤，劉 婷，王兵驍

（西安航天動力研究所,陜西西安710100）

管路連接操作在液體火箭發動機組件液流試驗中非常頻繁，為了提高試驗效率、降低試驗過程中密封件的損耗，需要將現用的連接方式進行改進，而高壓快速連接接頭在國內市場并沒有成品。因此，結合實際操作對液流試驗用的連接接頭進行了重新設計，并經過不斷改進和驗證，達到了快速、可靠的連接目的。

液流試驗；連接方式；快速連接件

0 引言

某推力室液流試驗臺承擔了常規運載、新一代液氧/煤油發動機等泵壓式大推力發動機的推力室及其組件液流試驗任務。該試驗工位被試產品具有結構復雜、體積大、重量重、接口位置隨結構變化等特點。為了實現試驗系統與產品及工裝的連接，需要使用2～3根DN50的高壓金屬軟管用于補償產品流道入口與試驗系統出口間位置、距離的偏移量。高壓金屬軟管的接頭采用的是M64×2的螺紋連接，為了保證螺紋連接的可靠性，螺紋的旋合長度達到了30 mm。因此拆裝一個金屬軟管的接頭需要花費3 min，裝拆操作時需要3名操作人員一同操作。由于該試驗系統是以滿足每年6發左右運載系列發動機的當量進行設計的，試驗需求以單件小批量為主，因此試驗效率要求不高。然而，現階段試驗任務已經成倍增長，試驗需求以批產為主，耗時、耗力的試驗操作對試驗工作效率的影響愈發突出。要按時完成試驗任務就必須提高試驗效率。因此接頭連接的操作時間長等影響試驗效率的問題就非常明顯的暴露出來。因此，開展了改進連接接頭，提高工作效率的研究工作。

1 問題分析

1.1 裝拆操作時間長，操作人員多

金屬軟管連接時耗時較長。在進行運載系列推力室液流試驗時，為了滿足產品試驗流量的要求，產品氧化劑路試驗時需要使用3根金屬軟管、燃料路試驗時需要使用2根金屬軟管，在試驗前須將金屬軟管與系統考臺件連接，進行系統考臺。系統考臺后將金屬軟管從考臺件上拆下，再分別與產品氧化劑路和燃料路的入口工裝連接。改進前單臺推力室液試過程管路接頭連接工時統計見表1。

表1 改進前管路接頭連接工時統計表Tab.1 Man hour used for pipe connection with old product

這兩個環節中，DN50的高壓金屬軟管共計裝/卸10次，單次裝/拆操作平均耗時3 min左右。即單臺推力室液流試驗過程中，僅裝/拆高壓金屬軟管就耗時30 min左右，占推力室總試驗時間的28.3%。每次裝/拆操作需3名試驗工協調操作（1人抱持軟管對中，以保證管接頭的同軸度、2人在軟管中后部進行扶持）。

1.2 密封件損耗大

該接頭采用的是端面加非標F4墊片的密封形式，每次接頭緊固后都會使密封墊受擠壓變形，不僅容易造成密封失效，同時還會造成F4墊片的損耗增大。由于F4密封墊屬于非標件，墊片尺寸大（Φ61×Φ50×3），進行加工時只能從直徑Φ70的F4棒上車削，造成了大量的材料浪費。每次從試驗臺位提出加工申請到墊片加工完成返回試驗臺位，由于受購置原材料及加工時間的影響，整個周期需要1周時間。

由此可見高壓金屬軟管的裝/拆操作對試驗效率的影響較大，同時接頭的密封形式也造成試驗成本加大。因此，需要一整套新的連接方法來解決現有問題。

2 新連接方法的確定

2.1 試驗要求

1） 試驗壓力：8 MPa；

2） 公稱直徑：DN50 mm；

3）密封形式簡單，密封件損耗小；

4）拆卸快速便捷。

針對試驗時的實際需求，對市場現有的快速接頭進行了調研。

經調研后發現，市場相關快速連接接頭中并沒有適用于大通徑、高壓工況下具備快速裝/卸功能的管接頭結構形式，因此針對推力室液流試驗高工況大通徑特點，需要設計新的快速連接接頭。

2.2 結構設計及其工作原理

經過研究決定采用卡箍式結構管道連接件，其結構設計圖及三維結構示意圖見圖1和圖2。

新設計的連接件由直通接頭、三爪管接頭、三爪卡箍和橡膠O型圈組成。安裝時將三爪管接頭通過卡箍上三個爪的空隙處插入直通接頭，采用橡膠O型圈形成徑向密封，將三爪直通頭旋轉60°至三爪卡箍限位位置即可形成連接。

2.3 密封設計

橡膠O形圈的規格按GB/T3542.1-2005選取，密封腔結構和尺寸按GB/T3452.3-2005進行設計，橡膠O形圈的壓制分模面為45°。見圖3。

根據管徑要求，選取標準O形圈。根據GB/T3452.3-2005的要求，徑向密封的密封腔深度t為2.74。密封槽的底徑d3與孔直徑d4的關系d3max=d4min-2t，卡箍式快速管道連接件活塞密封的密封槽底徑d3與孔直徑d4計算值和設計值均按國標要求進行設計。

在裝配時為防止橡膠O形圈受損傷，采用15°～20°橡膠O形圈的導向角，并且導引段的長度不小于1.8 mm。

在確定密封槽寬度時，考慮了15%的橡膠O形圈體積膨脹因素，密封槽寬度設計為。

2.4 卡箍連接強度計算

當產品試驗壓力高，密封部位直徑較大時，連接接頭需要承受很大的作用力，在這種情況下，需要對該結構進行強度計算，卡箍緊固結構的強度計算參照GB150中G7進行。卡箍連接結構見圖4。

卡箍連接件中三爪卡箍a-a、b-b和三爪直通頭c-c截面的當量應力按照GB150中G7進行，計算結果見表2。

2.5 彈簧定位銷

為防止因三爪卡箍和三爪直通頭之間的轉動而導致連接失效，在卡箍側壁開孔并安裝彈簧定位銷（見圖5） 進行限位，彈簧定位銷采用螺紋旋入式安裝，在三爪卡箍與三爪管接頭連接后，扳動彈簧銷的手柄，通過彈簧力推動定位銷至爪壁形成定位，以保證三爪卡箍在試驗過程中不受振動等影響而脫落。

表2 應力計算結果Tab.2 Stress calculation results

3 試驗驗證

3.1 強度及密封性試驗

為保證管道連接件可靠工作，分別進行了水壓強度試驗和密封試驗，試驗結果見表3。結果表明，試驗件各項性能滿足試驗要求。

表3 強度及密封試驗結果記錄Tab.3 Strength and sealing tests results record

3.2 裝/卸操作耗時試驗

加工生產了6套連接件替換原系統的可焊接式液壓軟管接頭，并跟蹤、采集了使用新型卡箍式快速管道連接件接頭在實際推力室液試過程的應用效果見4。

表4 單推力室液試過程管路接頭用時情況Tab.4 Man hour used for single thruster fluid test

實際應用中，2名操作工裝/卸10次金屬軟管僅用時14 min，合計工時0.26 h。裝/卸時間比原來縮短55.2%，人員工時降低70.6%，單次推

力室液試未進行橡膠O型圈更換。

4 結論

通過改進試驗系統與產品及工裝的連接方式，采用新的卡箍式快速管道連接件方便了操作，提升了試驗效率。以長征系列發動機推力室為例，改進后推力室液流試驗裝卸操作人員從現有3人減為2人，試驗時間減少1倍，達到了提高工效的目標。

該連接方式具有以下特點：

1） 卡箍式快速管道連接件采用徑向密封代替端面密封，降低了裝配對預緊力的要求；2）采用橡膠O型圈代替F4密封墊消除了試驗對F4墊消耗品的需求；

3） 采用三爪卡箍式快速裝/拆方案實現了快速安裝、拆除功能。

4） 采用彈簧定位銷防止了三卡爪卡箍的滑動，避免連接件在未受壓時脫開。

通過強度及密封性校核，證明連接件設計合理，強度、密封性滿足使用要求。

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（編輯：陳紅霞）

Design and application of a quick connector for high pressure pipe

ZHANG Tong,LIU Ting,WANG Bingxiao
（Xi’an Aerospace Propulsion Institute,Xi’an 710100,China）

Pipe connection operations are frequently conducted during fluid tests for liquid rocket engine components tests.For higher test efficiency and less consumption of seals improved method for pipe connection is needed.Proper products are not available in domestic market for high pressure pipe quick connection.Thus a new type of quick connector for liquid rocket engine components fluid tests is developed.Tests results show that the new design meets the requirement of quick and reliable pipe connection.

fluid test;connecting method;quick connector

V434-34

A

1672-9374(2017)04-0076-04

2017-06-09；

2017-07-13

張彤（1973—），男，高級技師，研究領域為液體火箭發動機液流試驗