一种自密封浮动盲插流体连接器的研究及设计

陆幸骏，赵文生，冯 静，杨 涛，姚兴安

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所,江苏 扬州 225101)

0 引 言

流体连接器在军用通信系统、海军声纳探测设备[1]、雷达监测设备、实时机器控制设备、测量测控平台、通讯领域、电力设备、铁道信号监测系统、航天航空[2]等领域都有广泛应用。

目前采用的结构形式多为盲插(无浮动功能)流体连接器，插头和插座对准位置要求高，轴心最大偏移为±0.25 mm。如果超出此范围，流体连接器容易损坏，故采用此类盲插流体连接器尤其对重量、尺寸大的模块加工、装配、隔震方案和定位销精度要求非常高[3]。为解决此类盲插流体连接器的缺陷，研究浮动盲插流体连接器的研究很有必要。

1 自密封浮动盲插流体连接器

某盲插流体连接器带压插合时，插头端内部流体正常情况下一般有0.3 MPa左右的压力，而刚投入使用的插座内部没有流体，流体压力为0，插座端与插头端压力差很大[4]。插座内腔刚刚接通的瞬间，接通面积小，且两端压力差较大，此时在小O形圈处的液体流速很大，对小O形圈造成冲击，导致其破损，最终产生泄漏。具体原因如图1所示。

图1 插合过程图

带压断开时，插座插头内部0.3 MPa的压力，使内部小密封圈在圆周方向的变形不均匀，断开过程中，密封壳体复位，小O形圈需在插头壳体圆角的引导下被加压变形与壳体重新形成密封，由于内部压力原因，小O形圈偏向一侧，引导不顺利就会导致密封壳体将O形圈挤伤甚至切断。具体原因如图2所示。

图2 断开过程图

为了避免上述问题的出现，此类连接器必须在断压情况下才能断开或连接，降低了设备维修性和可靠性指标，同时也存在因遗忘带压操作或未按要求操作所带来的安全隐患。

针对上述问题，研究了自密封浮动盲插流体连接器，其主要由插头和插座组成。插头接冷却水源，插座接被冷却模块，冷却水由插头端流向插座端[5]。

1.1 浮动盲插流体连接器插头

插头由壳体1、阀芯2、衬套3、垫圈4、接头5、弹簧6、密封圈7、密封圈8、密封圈9和挡圈10组成，如图3所示。插头通过接头5和密封圈8安装在机箱基座上，与外部水路连接。接头5通过衬套3和挡圈10套接在壳体外侧，阀芯2可以通过弹簧6在壳体1内部移动，在密封圈9的作用下，形成插头密封或断开状态。壳体1内部挡肩对阀芯2起到限位作用，阻止阀芯2移动。

图3 浮动盲插流体连接器插头示意图

1.2 浮动盲插流体连接器插座

插座由壳体11、阀芯12、封闭环13、弹簧14、密封圈15、密封圈16、密封圈17、密封圈18和挡圈19组成，如图4所示。插座通过壳体11和密封圈18安装在冷却模块上，与内部冷板连接。封闭环13在弹簧14的作用下在壳体11内部沿着阀芯12轴线移动。阀芯12有梯形凹槽和分流孔，当封闭环13上密封圈15 随着封闭环13移动到阀芯12上的梯形凹槽段时，密封圈15处于自然不受压状态，汇流孔及通过的流体不会对第四密封圈15造成损伤；阀芯12上分流孔与内部水路连接，使得弹簧14所处的空腔不处于密封状态，加快流体连接器相应速度。插座完全断开状态时，封闭环13在弹簧14的作用下，移动到阀芯12限位处时，封闭环13与阀芯12上的挡肩相接触，阻止封闭环13移动，在密封圈15和密封圈16的作用下，形成插座密封或断开状态。

图4 浮动盲插流体连接器插座示意图

图5 浮动盲插流体连接器工作状态示意图

1.3 工作原理

如图5所示，插头和插座连接过程中，插头壳体1推动插座封闭环13 向右移动，当插头阀芯2接触到插座阀芯12时，阀芯2在插座阀芯12的作用下开始沿壳体1中心轴线向左移动。当阀芯2移动到插头水路即将接通的临界状态时，插头壳体1已在插座壳体11内移动到与插座密封圈17处于密封的状态，此时，插头与插座已处于完全密封状态。随着插座与插头继续插合，插头内的密封圈9由与阀芯2接触逐步转到与插座内的阀芯12接触，密封圈9始终在壳体1与阀芯2、阀芯12之间。当密封圈9通过阀芯12上的多个汇流孔时，对汇流孔的遮挡范围由小到大，再由大到小时，内部水路由小到大逐渐开启，密封圈9只有由左至右经过阀芯12汇流孔时才会暴露在流体中。因为汇流孔尺寸较小，密封圈9多数部分始终夹在壳体1和阀芯12之间，处在壳体1和阀芯12的保护下，第三密封圈9受到流体冲击作用有限。当连接器完全接通时，密封圈9已完全处在壳体1与阀芯12之间，不再受到流体的冲击，连接器已无密封圈暴露在流体中。此时流体沿着插头接头内孔轴线向内流动，并通过阀芯2多个分流孔进入插头壳体1与插头阀芯2、插座阀芯12之间形成的汇流腔体内，通过腔体后进入插座阀芯12的多个汇流孔，通过多个汇流孔汇合进入插座阀芯12的内孔中，再沿着阀芯12的内孔轴线最终进入冷却模块水路中，完成连接器带压连接过程。连接器带压断开过程与此相反，本文在此不再叙述。总之，本设计避免了连接器O形密封圈(即密封圈9)暴露在流速较大流体中，从而在保证密封的前提下延长其使用寿命。

加大流体连接器插头和插座对准位置尺寸范围主要在插头结构方案上，浮动流体连接器插头和插座接通及工作过程，插头中的壳体1可以带动其内部组件阀芯2、衬套4、弹簧6、密封圈7、密封圈9一起移动，直至接触到接头5内壁，壳体1和接头5内壁间隙和无径向浮动流体连接器相比较，径向浮动尺寸要大，故插头和插座轴心允许的最大偏移也大，从而实现盲插浮动流体连接。

2 试验验证

自密封浮动盲插流体连接器已完成如下试验：

(1) 机械寿命及耐压试验

无压插拔1 500次；带压插拔100次后(压力≤0.3 MPa)，进行 1.6 MPa耐压试验(时间15 min)；流体连接器在工作状态和插头、插座单体密封状态下无渗漏。

(2) 安全流量试验

流量10 L/min(时间15 min)内，流体连接器无渗漏。

(3) 随机振动

①频率范围20～2 000 Hz，功率谱密度0.04 g2/Hz，1.6 MPa密封状态，三方向各振动时间5 min，试验过程中流体连接器无渗漏。

②频率范围20～2 000 Hz，功率谱密度0.04 g2/Hz，0.3 MPa通水状态，三方向各振动时间5 min，试验过程中流体连接器无渗漏。

(4) 冲击

①半正弦波，峰值加速度300 m/s2，脉冲持续时间11 ms，1.6 MPa密封状态，三方向各6次，试验过程中流体连接器无渗漏。

②半正弦波，峰值加速度300 m/s2，脉冲持续时间30 ms，0.3 MPa通水状态，三方向各6次，试验过程中流体连接器无渗漏。

(5) 温度试验

按GJB150.3 A-2009《军用设备环境试验方法 高温试验》和GJB150.4 A-2009《军用设备环境试验方法 低温试验》规定的方法进行。流量≥6 L/min前提下，流体连接器泄漏量 ≤0.05(cm3/h)，流体连接器下方无滴水现象发生，试验结束后，接通工作密封状态,压力增大到1.6 Mpa(时间15 min)时，流体连接器泄漏量为0。

(6) 插拔泄漏量试验

在正常插拔速率(周期>3 s)，断压和带压(压力≤0.3 Mpa)插拔10次后，平均泄漏量≤0.05 cm3。

(7) 压降试验[6]

经测试浮动盲插流体连接器在流量4 L/min使用范围内压降损失和外购某同类产品相同，4～6 L/min时有微小增加，最大增加值0.06 bar。

(8) 安装允许误差(浮动范围)试验

将插头径向可移动壳体上、下、左、右分别拨动到最大位置，4次均可插入试验架和插座连通。插头和插座连通后安装面距离在44.5±1 mm；插头和插座在接通工作密封状态压力增大到1.6 MPa(时间15 min)时，流体连接器泄漏量为0。

(9) 湿热试验

按GJB150.9 A-2009《军用设备环境试验方法 湿热试验》规定的方法进行。试验结束后流体连接器零件基材没有明显损伤。

(10) 盐雾试验

按GJB150.11 A-2009《军用设备环境试验方法 盐雾试验》规定的方法进行盐雾试验。试验结束后样品基材没有明显腐蚀现象。

(11) 通水试验

将2对流体连接器置于试验工装上，进行流量6 L/min、10个周期240 h的通水试验，流体连接器泄漏量为0。

(12) 破坏压力试验

在2.5 MPa(时间5 min) 同等压力条件下，插头、插座单体和流体连接器接通密封状态下液体泄漏量为0。

部分试验图片如图6～12所示。

图6 通水试验

图7 压降试验

图8 破坏压力试验

图9 安全流量试验

图10 随机振动试验

图11 冲击试验

3 结束语

(1) 通过模拟各种工作环境试验，结果表明自密封浮动盲插流体连接器环境适应性较高，稳定性较好，可以广泛运用于各种冷却系统。

(2) 提出了插头和插座阀芯均布汇流和分流技术方案，设计了壳体和阀芯将O形圈夹在中间，流体从阀芯中间流入或流出的结构，解决了连接器存在的O形密封圈暴露在流道中，流速过大或流体中含有杂质以及带压插拔误操作对O形密封圈造成的损伤，提高了O形密封圈的寿命和可靠性。

图12 湿热试验

(3) 自密封浮动盲插流体连接器具有一定的径向浮动功能，降低了生产加工精度的要求，提高了生产装配效率。