雙卡套管接頭的設計開發分析

張顏艷，陳 鵬，蘇茶旺

（1.閩南理工學院工業機器人測控與模具快速制造福建省高校重點實驗室，福建石獅 362700；2.福建上潤精密儀器有限公司，福建福州 350015）

目前，儀表管路雙卡套管接技術廣泛應用于石油、天然氣、電力、化工等重要領域，是儀表管路系統的重要組成部分。市場對于卡套管接頭的需求量越來越大，可靠性要求很高，尤其在危險有毒介質領域[1]。市場上有不同類型的管接頭產品，普遍都存在使用壽命低、可靠性差、穩定性差、工藝復雜等缺點。據此，針對產品存在的問題，開展卡套管接頭可靠性研究，研發出一種高可靠性、密封性好、安全性好、操作輕便、可重復使用的雙卡套管接件。

1 卡套管接整體分析

管接頭在儀表管路中至少應具備管接緊固和密封兩項功能。雙卡套管接頭結構由卡套螺母、前卡套、后卡套和接頭本體構成。雙卡套結構設計的管接頭將密封功能和管接緊固功能分開（圖1），功能的實現過程為：固定卡套接頭本體，順時針旋緊卡套螺母使其向前運動，卡套螺母作用在后卡套上使得后卡套向前推進，在后卡套的作用下前卡套也向前運動，由于接頭本體內部錐面的設計結構，使得前卡套向前運動推進的同時其前端產生徑向運動，前卡套的前端楔進卡套管，同時實現抓緊和密封。

圖1 結構裝配示意圖

由于后卡套獨特的設計結構，在旋緊卡套螺母的同時，后卡套彎曲變形，在卡套螺母和前卡套共同作用下，后卡套前端也產生一定的徑向運動楔進并抓緊卡套管，進一步提高了雙卡套管接頭的密封、抗振動和管接緊固等性能。

基于上述的設計思路及方案，要保證雙卡套接頭的高可靠性和穩定性，雙卡套接頭應具備更加合理的設計結構、更加精密的加工精度和良好的制造質量。尤其后卡套的設計結構是關系整個接頭質量的重要影響因素，是雙卡套接頭高可靠性能的保證。

目前市場上的卡套接頭難以滿足石油、天然氣、氫氣、氧氣等重要場合的特殊需求，其主要原因有五個方面：①在裝配過程中，后卡套的變形不恰當，導致卡套螺母所需的扭矩過大；②卡套螺母與后卡套之間的接觸應力過大，裝配扭矩施加過程中應力容易集中導致后卡套損傷；③前卡套和后卡套之間產生較大應力，造成前后卡套損壞，影響重復裝配后的密封性能，使接頭重復裝拆使用難以實現；④抗振動性能差導致接頭易失效，無法有效補償因溫度變化導致的密封性能降低[2]；⑤工藝性差，制造質量不高。

為此，擬采用的手段為：利用有限元分析，以卡套接頭的密封性、對卡套管的夾持性和沖擊性、夾持部位應力的分布均勻性以及夾持部件的彈性為主要考慮因素和優化目標，對前后卡套的結構進行變更和優化設計，增大前卡套對卡套管的握緊力、前卡套在軸向上的擠進力，實現增大密封面提高密封性能的目的；借助表面硬化工藝對卡套工作表面進行處理以提高表面硬度，減小磨損，提高卡套的工作性能[3]；通過表面涂層鍍銀處理，防止后卡套與驅動螺母內部表面之間的摩擦咬合；優化前后卡套的結構和接觸方式。

2 仿真模型建立與結果分析

2.1 模型建立

對模型進行軸對稱簡化，分別對卡套接頭5個零部件進行獨立網格劃分，模擬工作中的狀態對模型進行邊界條件設定，接頭本體底部固定，螺母端部強制向下位移約1.5 mm，如圖2。

圖2 邊界條件

卡套接頭選用316不銹鋼，其抗拉強度515 MPa，屈服強度205 MPa，塑性應變0.35，彈性模量193 GPa，泊松比0.3。

2.2 結果分析

對于卡套密封機理，根據經驗認為應該關注物理量：各零部件應力狀態，前后卡套與卡套管的接觸面積、接觸壓力，前后卡套頂部張開量和底部徑向收縮。

仿真結果如圖3～圖5，對其分析數據列于表1?？梢姡ㄌ坠苌系膽Υ笥诓牧系那O限，這樣保證了前卡套的前端可以楔進卡套管，完成密封并保證卡套管在接頭體內的充分緊固（打壓后不會被拔出）；后卡套與卡套管之間也存在一定的應力集中，可以保證抗振動性能。前卡套和后卡套的最大應力在485～619 MPa 之間，大幅度超過了材料的屈服強度，前后卡套均發生一定的塑性變形，抱緊卡套管，從而獲得良好的抓緊力，達到設計目標。根據行業經驗：整體最大應力在600 MPa 左右視為可接受范圍，管接頭整體的最大應力出現在前后卡套之間，或是在前卡套與接頭本體的接觸處，為保證管接頭整體的使用壽命，應使其盡量小[4]。

圖3 各零部件應力分布

圖4 各零部件變形位移

圖5 卡套管密封壓力分布

表1 6～25 mm系列化模型分析結果數據

位移1為后卡套頂部外側徑向外張位移量，位移2 為后卡套低部端內側徑向收縮位移量，位移3 為前卡套頂部外側徑向外張位移量，位移4為前卡套低部端內側徑向收縮位移量。這4 項位移是卡套管接變形程度的重要考量指標，在0.1～0.2 mm 之間的變量視為合理范圍。數值過小預示著卡套變形不足，產生不了足夠的抓緊力；變形過大可導致重復使用性能降低，嚴重的可導致卡套管接頭直接失效[5]。

接觸1為后卡套與卡套管之間的接觸情況，接觸2 為前卡套與卡套管之間的接觸情況，接觸情況包括接觸應力和各零部件之間的接觸寬度。根據經驗，一般要求卡套管與卡套之間接觸處的應力大于260 MPa，視為較優結果。管接頭的主要密封面為前卡套與卡套管的接觸面、前卡套與接頭本體的接觸面，應盡量使接觸面寬度變大，這是接觸穩定可靠的需要。

卡套螺母上的應力集中應盡可能小，盡量使其遠離材料的屈服極限，從而降低裝配扭矩，延長卡套螺母的使用壽命。根據經驗，一般要求螺母上的應力集中在100 MPa左右，越小越好。一般要求卡套管與卡套之間接觸處的應力大于260 MPa，視為較優結果。管接頭的主要密封面為前卡套與卡套管的接觸面、前卡套與接頭本體的接觸面，應盡量使接觸面寬度變大，這是接觸穩定可靠的需要。

卡套螺母上的應力集中應盡可能小，盡量使其遠離材料的屈服極限，從而降低裝配扭矩，延長卡套螺母的使用壽命。根據經驗，一般要求螺母上的應力集中在100 MPa左右，越小越好。

3 后卡套設計方法及評價

3.1 后卡套設計方法

通過上述仿真過程及結果分析，可優化后卡套的設計方法及步驟為：

（1）綜合考慮后卡套的變形特征，初步確定卡套設計方案（圖6）。

圖6 后卡套結構示意圖

（2）保持設計要素5、6不變，針對要素1～4，設計正交實驗方案，建立相應的模型，進行仿真分析。對仿真結果進行正交分析處理，得到相應較優的參數，并對此參數組合的設計方案進行驗證。

（3）根據步驟2 得到的優化結果，據此進一步優化剩余的設計參數5～6，過程同步驟2。若步驟2 已經得到了高度優化的結果，可適當簡化分析。

（4）按設計要素的順序確定各設計要素相應的公差范圍。

3.2 性能評價

根據上述設計方法，設計并加工出產品。經優化后的產品優勢包括三個方面：

（1）后卡套的上端面呈錐形，與卡套螺母內錐面形成配合的作用面，這樣減小了后卡套和螺母之間的接觸應力。后卡套下端部外部也呈錐形，與前卡套上部內錐面也形成一對配合作用面。后卡套由上至下呈上大下小的結構，腰部外壁沿軸向方向設計有平滑過渡的弧形凹槽（由多段弧面組成）。后卡套內部至上而下為大圓筒形—喇叭形—小圓筒形的結構，圓筒形與喇叭形結構之間圓滑過渡。

（2）后卡套腰部外壁的弧形凹槽和內部喇叭形結構增加了后卡套變形的能力，使后卡套在接頭裝配過程中能夠產生足夠形變；同時也降低了裝配所需要的軸向力，從而減小了所需的裝配扭矩。平滑過渡的弧形凹槽及內部喇叭形結構更是避免了卡套腰部應力集中，增加了使用壽命。

（3）腰部的弧形凹槽在圓弧面的中間處壁厚最小，其位置大約在整個后卡套1/3 高度處。后卡套采用表面滲碳處理工藝，芯部保持材料基體的韌性，從而增加了卡套表面硬度，提高了卡套接頭的耐磨性和抗腐蝕性能。

4 結語

從雙卡套管接技術的功能特點出發，采用一系列優化手段方法，設計出了新型高可靠性雙卡套管接件，為行業企業提供有價值的實際指導。但考慮到實際工況中還存在外力、沖擊、溫度、磨損、材料缺陷等影響雙卡套管接性能的重要因素，這是仿真設計或是實驗室環境所無法比擬的，所以雙卡套管接技術的進一步優化還依賴于現場的使用反饋，一個性能卓越的雙卡套管接結構必然是經過現場反復驗證的。