双向自封快速接头是近来研制出来的、用于软管间相互连接的接头。它接好后可开启导通、拆开后能自动关闭，具有连接简单、拆装轻便、密封可靠、操作力小、过流面积大等特点, 适用于经常拆卸而且不要求放空管内介质的场合。

一.   构造和工作原理

双向自封快速接头由自封装置、连接锁紧装置和控制装置三部分组成(见图 1)。

图  1  双向自封快速接头结构原理图

1—阴端体; 2—阴端浮动密封座; 3—控制跳爪; 4—控制销轴; 5—销轴复位弹簧; 6—平面凸轮, 7—手轮; 8—控制顶套, 9—连接锁紧爪; 10—锁紧控制按执; 11—阳端浮动密封座, 12—阳端主密封弹簧; 13—阳端浮动密封座; 14、15—转动半轴; 16—阳端活门; 17—阴端活门; 18—掊制顶套复位弹豁, 19—阴端主密封弹簧

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1   接通过程

当按照阴阳两端的连接对位指示对准位置、合拢阴阳两端时, 两端的浮动密封座就被推离密封位置, 解除自封状态; 接拢到位时, 阳端上的连接锁紧爪9在弹力作用下, 跳入阴端锁紧槽内, 将两端锁住。转动手轮7到限定位盬的过程中, 一方面使同轴转动的两活门转到平行于管道的位置; 另一方面手轮底部的平面凸轮6将控制跳爪3压下, 解除其对控制顶套8的作用。另外, 在阳端浮动密封座11的回弹复位力作用下, 控制顶套8产生小量的回复动作后就被控制销轴4锁住, 保持浮动密封座与转动活门的分离状态。这时, 由于阳端半轴是嵌在阴端半轴内的, 因此两半轴不会分开, 保证了接通后的可靠性。

2   拆离自封过程

拆离时, 首先顺时针转动手轮7到限定位置, 一方面使活门处于关闭位置; 另一方面在手轮底部的平面凸轮及控制销轴复位弹簧5的作用下，控制销轴4往上移动, 解除控制销轴对控制顶套8和阴端浮动密封座2的限制作用。在阴阳两端的主密封弹簧19.12的复位作用下, 阴阳两端的浮动密封座2、11复位, 将阴阳两端分别密封, 然后压按锁紧控制按钮10, 阴阳两端即可拆离。拆离后, 控制顶套8在控制顶套9、复位弹簧18的作用下被弹出, 处于接通前的位置。

二.   操作过程运动规律的模型建立

双向自封快速接头基于实际操作的工作行为可离散为四个过程, 即对接过程、开门过程、关门过程和拆分过程。为确定各过程中的操作外力或操作力矩, 有必要建立各过程的动力模型, 在对模型进行数字仿真的基础上, 以评价其操作性能, 并进一步优化设计。

1   对接过程的动力学模型建立

阴阳两端对接前, 各端的浮动阈座受弹簧作用, 分别顶住各自的密封门, 密封门承受顶压而处于自封状态, 截止了两端的过流通道。阳端插入一定程度后, 阴阳端内的弹簧被压缩。此过程中主要滑动部件的受力如图 2所示。

图  2  对接过程受力图

1—阴端阀座: 2—浮动套; 3—阳端阀座; 4—阳端

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图 2中△F_k1, △F_k3为对接过程中弹簧力的增量; F为操作推力; f_yi(i=1, 3, 4) 为各密封圈与缸壁间存在的摩擦力; f_i(i=1, 2, 3, 4) 为粘性阻尼力。

计算f_yi的经验公式如下:

式中  u——摩擦系数(对于聚四氟乙烯, 取0.07);

h_i——密封圈截面厚度;

d_i——缸体内径;

△P_i——密封圈两侧的介质压差(按均值考虑);

Z_i——密封圈数。

粘性阻尼力的计算公式为:

式中  μ——粘性系数, 对于一般油料可取0.5×10^-6 MPa;

A_i——滑动件之间的接触面积;

△V_i/δ_i——沿半径方向油液流速的变化率(按层流考虑)。

弹簧力的计算公式为:

式中  K_i——弹性系数, 设计值为12 N/cm;

△X_i——弹簧受压后产生的变形量。

设开始对接的时刻为计时起点。为简化模型, 在不影响主要变量的情况下, 对对接过程作如下简化: ①0~T₁阶段, 该过程中阳端间座还末顶到阴端浮动套, 阳端以等加速a₁向阴端插入; ②T₁~T阶段, T₁时刻阳端阀座刚好顶到阴端浮动套, 阳端以等减速a₂向阴端插入。试验表明: 实际操作基本上符合上述简化模型。

根据牛顿定律, 并考虑到上述假设, 可列如下公式:

式中  a——阴阳端浮动阀座及浮动套的加速度;

a₀——相对于阴端的阳端加速度。

T₁~T阶段(a₀=a₂), 联立式(1)~式(4), 有:

从而

联立式(1)、式(3)、式(5) 和式(6) 求得:

0~T₁阶段(a₀=a₁), 阳端受力较简单, 其操作推力的计算公式如下:

经过适当简化, 推得了对接过程操作推力的计算公式, 该式即为仿真模型1。

2   开门过程的动力学模型建立

转动手轮, 耦合在一体的密封门绕手轮轴转动。初始转动过程中, 手轮上的凸轮轮廓迅速挤压控制叉轴顶部的钢珠。控制叉轴受压, 克服弹簧作用而快速下滑; 在手轮转过约10°时, 控制叉轴下端完全顶开赖爪, 担起了支托浮动套的任务。手轮转过10°后, 控制叉轴不再继续下滑, 但耦合的密封门仍在绕手轮轴开启, 直至全开。

设开始开门的时刻为计时起点。按上面的分析, 将开门过程按两个阶段考虑, 即: ①0~10°阶段, 该阶段中控制叉轴在快速下滑; ②10°~90°阶段, 该阶段中控制叉轴不再下滑。

图 3中, F为凸轮轮廓对控制叉轴的下压力; F_k为弹簧作用力; f₀为钢珠与凸轮间存在的摩擦力; M为操作力矩; M_i(i=1, 2) 为轴承对手轮轴阻力矩; P为油液作用于密封门上的压强。各种力、力矩的计算如下。

图  3  开门过程第一阶段受力图

1—控制叉轴; 2—密封门与轴

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式中  K——弹性系数, 设计值为22.4 N/cm;

Y₀——弹黄的初始压缩量;

△Y——弹簧受压后产生的变形量。

轴承阻力矩的计算公式为:

式中  μ——粘性系数, 对于一般油料可取0.5×10^-6 MPa;

——手轮轴与滑动轴承间的接触面积;

——按层流考虑沿轴径方向油液转速的变化率;

u——摩擦系数, 对于聚四氟乙烯, 取0.07;

h_r——密封圈截面厚度;

r——手轮轴半径;

△P_r——密封圈两侧的介质压差(按均值考虑)。

为计算钢珠与手轮凸轮间的摩擦力f₀所产生的阻力矩M₀, 首先需推导控制叉轴下滑速度V与手轮转速ω间的关系。凸轮轮廓展开见图 4。

图  4  凸轮轮廊展开图

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由图 4所示的运动协调关系, 不难推得:

对上式求导、积分, 有:

式中  r₀——钢珠与凸轮接触点距手轮轴的距离。

为简化分析, 不妨对开门过程的两个阶段作如下简化: ①0~10°阶段, 以等加速度β₁转动手轮; ②10°~90°阶段, 以等加速度β₂转动手轮。上述简化基本上与人工的操作规律吻合。

0~10°阶段, 由牛顿定律, 并考虑到上述设定, 可列如下公式:

从而

式中  M₀——操作力矩;

u₀——钢珠与凸轮轮廊间的滚动摩擦系数, 取0.1。

开启过程中, 背压P作用于阴端密封门的背面。鉴于背压分布的对称性和密封门转速较小, 其影响可以忽略, 认为不构成阻力矩。

由牛顿定律, 对密封门有如下公式:

式中  J₆——手轮、轴、密封门等折合在一起的转动惯量。

联立式(10)~式(14), 求得0~10°阶段的操作力矩如下:

10°~90°阶段, 其受力分析比较简单, 操作力矩的计算公式如下:

综合式(15)、式(16)有:

在0~10°阶段:

在10°~90°阶段:

至此, 经适当简化, 推得了开启过程操作力矩的计算公式。该式即为仿真模型2。

3   关门过程的动力学模型建立

拆分接头前, 先需转动手轮。手轮转动约80°后, 一方面, 密封门仍在关闭; 另一方面, 受弹簧回复力作用, 控制叉轴沿凸轮轮廓块速上滑, 解除其底部对浮动套的轴向约束。浮动套的轴向约束被解除后，因棘爪不能跳起, 故阴阳端体内的浮动阀座均被弹出而顶住各自的密封门, 实现拆分前的自封。

设开始关门的时刻为计时起点。按上面的分析, 将关门过程按两个阶段考虑: ①0~80°阶段, 该阶段控制叉轴不下滑; ②80°~90°阶段, 该阶段控制叉轴快速下滑。此阶段受力较复杂, 其受力情况见图 5。

图  5  关门过程第二阶段受力图

1—控制叉轴; 2—密封门与轴

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由图 5可以看出, 各符号的意义及各种力、力矩的推导基本同前, 不再重复过程, 直接给出操作力矩的计算公式。

在0~80°阶段：

在80°~90°阶段：

该式即为仿真模型3。

4   拆分过程的动力学模型建立

密封门完全关闭后, 按下锁定按纽, 解除锁紧约束后, 便可抽出阳端。该过程中阳端受力见图 6所示。

图  6  拆分过程阳端受力图

1—阳端阀座; 2—阳端

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由图 6可知, 拆分中阳端受力简单。设定以匀加速度a进行拆分, 其操作拉力如下:

该式即为仿真模型4。

三.   数字仿真与分析

在建立了双向自封快速接头操作过程动力学模型后, 可通过数字仿真得到模型反映的操作工况的时域解, 也可预测和估计主要参数变化时对系统操作性能带来的影响。也就是说，在输入参数确定的情况下, 可定量获得快速接头的操作性能, 据此, 可进行结构参数的优化以获得最佳的操作性能。

用C语言作为仿真语言, 仿真结果如下, 其中V-t为输入的操作规律, F-t或M-t为相应操作规律下的性能曲线。

模型1~模型4仿真结果见图 7~图 10。

图  7  模型1仿真结果

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图  8  模型2仿真结果

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图  9  模型3仿真结果

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图  10  模型4仿真结果

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通过对仿真结果进行分析, 可得出以下结论。

(1) 在快速接头进行作业的四个过程中, 操作外力或操作力矩的变化相对较平缓, 不存在大的突变, 接近操作员的操作特点。

(2) 整个作业期间，最大操作推力不到200 N (设定对接时间3 s), 最大开门力矩大约为1.2 N · m (设定开门时间为1.8 s), 最大关门力矩大约为1 N · m (设定关门时间为1.5 s), 最大操作拉力不到90 N (设定拆分时间为2 s), 操作员可直接提供, 不需要多人协作或装备辅助工具。

(3) 从对接开始到转入输油作业仅需5 s, 从关门开始到拆分完毕不到4 s, 相对于其它接头, 具有操作速度快、操作效率高的特点, 非常适合于快速连接作业。