沉孔式氣動接頭的研究分析

王旭東 王衛東 李忠強 劉桓宇

摘 要：針對現有氣動接頭在高度集成化和窄小空間安裝困難的問題，本文設計開發一種高度集成和結構優化的沉孔式接頭，采用獨特的組合固定套、鼓形密封體和保護套件新技術，新型沉孔式接頭采用多種創新技術，具有實用性、先進性和廣闊的應用前景。

關鍵詞：氣動接頭;鼓形密封;多孔接頭

1研制需求

工業生產中經常遇到密集的氣動管路進行布置和安裝，面對緊湊型的設備，密集空間對工程師布置管路是很大的挑戰。為了優化和節約安裝空間，保證在正產安裝條件下盡可能多的布置管路，新型沉孔式接頭正是為應對這種挑戰而開發設計[1]。

氣動接頭產品結構和型式相對技術成熟，主要技術主要由制造商掌握和把控，而在相關領域學術研究和文獻非常的少，因此產品設計中除了通用的氣動接頭技術條件外，主要研究的技術文獻來自：國外主要氣動和接頭制造商公布的技術，通過文獻的技術研究和分析，結合實際產品的需求，綜合進行新產品的開發和研究。它相比與傳統常規的氣動接頭，可以提高20～40%的空間安裝比，該產品越來越受到氣動工程師的青睞和廣泛使用。

2設計原則

沉孔式接頭主要式解決傳統接頭尺寸及附加安裝尺寸大等問題，主要的氣管安裝、固定及密封方式依然值得借鑒，產品設計主要是優化安裝方式、減少接頭體及附加安裝空間的需求。

沉孔式氣動接頭設計的基本原則：

（1）保證遵守知識產權保護的條件下盡可能采用已公布的成熟技術;

（2）高可靠性和密封性，在工作連接狀態下，該接頭連接部位無介質泄漏;

（3）較低的插拔力，管路插入接頭和撥開時所施加的力適合，使用操作方便;

（4）產品接頭的機械和密封結構必須滿足管路多次撥插、介質和環境溫度的工況需求，在設計生命周期內不會出現，產品零部件出現變形、老化、氧化和失效的問題[2]。

3產品設計

3.1工作原理

典型普通快插式氣動接頭的結構主要部件由接頭體、POM壓緊環和保護環、不銹鋼材質的扣爪環和橡膠材料的O形圈等。新型沉孔式氣動接頭在設計時主體結構與普通氣動接頭保持統一性，為了盡可能的減少傳統的接頭螺紋連接方式和扳手安裝空間，及接頭安裝完成后部分接頭體外露部分。新型接頭的安裝固定和安裝方式必須進行調整，需要去掉螺紋結構，相應的扳手安裝空間也將減少，整體接頭的尺寸從直徑和長度均有大幅的縮小，主要的進行創新，新型沉孔式接頭去掉扳手安裝空間采用特殊固定方式進行安裝。

3.2結構設計

沉孔接頭產品的實體主要由黃銅、尼龍等組成，結構件主要有常規尼龍材質的管路釋放環，黃銅材質組合固定套，尼龍材質的保護套，保護套內部包裹涂油潤滑酯的鼓形密封件。接頭的內部結構圖，沉孔式接頭的剖面結構圖，顯示各結構體之間的結構及位置關系，氣管的夾緊和釋放由不銹鋼材質的彈性卡環組成。結構設計的關鍵點和技術創新點主要包括：組合式的固定套、集成鼓形密封的保護套件、定制設計的鼓形密封結構件[3]。

3.2.1組合固定套與安裝孔

銅制組合固定套的主要功能是保證為沉孔式接頭提供足夠摩擦力，保證接頭體的可靠安裝和固定，安裝方式采用多級齒形倒角與過盈配合相結合的方式，組合固定套替代了螺紋的固定結構和連接方式，沉孔式接頭產品長度、外徑及插管內徑的參數，通過組合固定套的方式使接頭體的直徑減少15%-20%，高度部分減少20%-30%的尺寸。主要的氣管規格外徑從4mm～12mm，管的安裝和固定采用現有常規的氣動快插接頭的技術。

3.2.2 集成式密封套件

沉孔式接頭設計的第二個技術關鍵點是尼龍材質的密封保護套，保護套在常規的氣動接頭內主要是提供卡爪的安裝限位作用，保證氣管插入后不會自動拔脫，將氣管固定在安裝位置直到操作者按壓氣管釋放環，卡爪在外力作用下釋放管路[4]。

接頭體安裝和管路連接密封問題的解決方案，在產品設計初期，在接頭內部采用單獨安裝的彈性密封件來保證接頭輸送介質的密封性，在安裝沉孔式接頭之前先在沉孔的相應位置放置鼓形密封圈，然后在將組合式沉入接頭壓入沉孔內。該方案造成鼓形密封安裝工序復雜、容易造成密封零件漏裝從而影響整體產品的次品率過高。為了解決上述方案，研發工程師結合工業的無縫弱化線撕裂線）的工藝，將卡爪的限位保護套升級為密封件的保護套，接頭在安裝至沉孔定位孔之前，密封件及潤滑脂隱藏在護套內。鼓形密封擠出到安裝部位，該設計有效解決了密封圈的安裝問題，該密封件件的設計是該接頭的亮點和獨特之處，是本接頭獲得專利的創新之處[5]。

3.2.3 密封設計

氣動接頭在完成上述的主要結構之后，還要保障接頭安裝和管路連接后介質的密封性，在整個產品中采用的唯一彈性橡膠密封件，密封件的材質，性能、密封能力及壽命對產品的影響非常大。橡膠密封件確保介質的兩個泄漏途徑，第一是從接頭安裝的部位泄漏，第二是從連接管路外壁泄漏，為了保證密封件安裝可靠，定位精確，同時在管路外壁和接頭的安裝出具有合適的彈性壓縮比。

O形圈的密封機理是其從自由狀態的初始厚度被壓縮后，壓縮后密封圈的應力如圖所示，密封圈在護套和安裝凸臺之間形成安裝溝槽。O形圈在氣管插入和拔出時，由于氣管表面的粗糙度、摩擦系數等不同，經常出現O形圈脫落或扭曲或破裂等失效現場。為了防止密封圈在氣管外力作用下的潛在故障，可以采用在O形圈的兩側增加擋圈來保證密封圈的正常工作。在沉孔接頭的設計中研究產品的可靠性和長期綜合成本，定制開發了一款鼓形密封，其截面及安裝壓縮后的應力分布遠遠優于O形圈的密封特性，又不存在擠出、扭曲和破裂的故障現象。

根據彈性密封材質靜密封O形圈的壓縮率為15%～20%，本產品鼓形密封采用壓縮比為15%。材質的硬度采用邵氏硬度70°～75°。在密封件裝入保護套內后涂油密封潤滑脂，確保密封件的密封面的潤滑和保護，同時可以有效延長密封件的使用壽命[6]。

4沉孔式接頭的應用

沉孔式接頭在醫療設備流體輸送管路中應用，醫療設備、呼吸機和制氧機等設備中廣泛應用，采用沉孔式接頭與傳通接頭相比可節約80～150%的空間，新產品大大節約了緊湊的設備空間。

沉孔式接頭在多氣路輸送的多孔接頭中的應用，大大節省設備空間，方便多管路的安裝，該多路式氣動接頭為專利技術新產品。在工業自動化、機器人和機床行業等多領域應用。

流體管路設計和布置中經常用到氣路分配座，將沉孔式接頭應用到氣路分配座后，分配座結構更小巧、外觀更美觀，更便于氣路分配座在設計中的應用[7]。

5結論

科學合理的將多種工業設計水平和技術融合于一體是現代工業設計的重要基礎。本文從產品的市場需求出發，進行產品的設計規劃和研究，綜合考慮產品需要解決的問題和難點，兼顧產品的現有技術保證產品的更新換代更容易且成本最低。新型沉孔式接頭采用多種創新技術，具有實用性、先進性和廣闊的應用前景。

參考文獻

[1] 王旭東，王衛東.多路氣動接頭的技術綜述[J].中國科技縱橫，2019（11）：16.

[2] David J.Brock，Kimberly J.Gilbert，both of Portage，et al.Releasable push-to-connect tube fitting[P].USA，US005683120A，1997.

[3] Peter C.Williams，Cleveland Heights，OH（US），Daniel G.Trivett，Mayfield Height，OH（US），et al.Push to connect conduit fitting with ferrule[P].USA，US009958100B2，2018.

[4] 王旭東.一種沉孔式接頭：CN201821518961.1[P].2019-10-01.

[5] 聞邦椿.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2018.

[6] 王旭東.一種多管路輸送式多孔接頭：CN201821518919.X[P].2019-04-26.

[7] 王旭東，王衛東.多路氣動接頭的技術綜述[J].中國科技縱橫，2019（11）：61-62.