1、 1 毕业设计文献综述 机械设计制造及其自动化 卡套式管接头设计及制造工艺研究 一、前 言 随着科学技术的发展，生产水平的提高， 为满足 管路 的各项 性能 及 外观 的 更高要求，现今 卡套式管接头 作为液压管路中必备的 元件， 也正经历着产品换代和科技创新。卡套式管接头是适用介质：油、水、气等非腐蚀性或腐蚀性介质 中的密 封管接头（其中 生产 卡套式管接头具有代表性的 企业如 国内制造商有上海通阳管件有限公司），配用钢管的规格要求比较灵活，与管道连接后，具有连接牢靠、密封性能好等特点，因而在炼油、化工、轻工、纺织、国防、冶金、航空、船舶等 系统中被广泛采用；也适用于各种机械工程、机床设备等
2、液压传动管路。对于卡套式管接头的研究与创新，于船舶行业发展是具有重要的意义。 二、 主 题 卡套式管接头最早由德国 ERMETO公司于 1930年发明。卡套式管接头是一种新型的管道连接元件，适用于油、气及一般腐蚀介质的管路系统，工作压力16-40PMa。卡套式管接头的主要结构由三部分组成：具有 24锥形孔的接头体，带有尖锐内刃的卡套，起压紧作用的螺母组成。卡套式管接头主要有卡套式直通管接头、卡套式端直通接头、卡套式三通管接头等型式。旋紧螺母时，卡套被推进 24锥孔，并随之变形，使卡套的刃口切入钢管并形成环形切槽，从而起到密封作用。由于卡套有弹性，因此可承受较大的冲击。起到防松的作用 1。液压技
3、术的发展对液压管路的管接头提出了越来越高的要求 ， 其中最基本的是 要满足在高压状态下， 不管是静压还是动压， 管接头的连接必须是牢靠的 , 都不会发生泄漏。具体点说，对管接头有如下要求 ： (1) 连接处绝无泄漏 (2) 连接管子牢靠 (3) 很高的交变弯曲强度 (4) 安装简单 2 (5) 可多次重复装拆 (6) 很高的压力冲击强度 (7) 结构零件少 (8) 应用范围广 (9) 制造尺寸紧凑 国内有企业研究了单卡套和双卡套管接头的密封性能。 1、 单卡套式管接头密封原理 : 装配时 ,旋紧螺母 ,卡套在螺母的螺旋力的推动下 沿接头体内锥轴向前进 ,贴紧接头体内锥 ;卡套产生变形 ,其刃口
4、部分向内收缩 ,切入钢管表壁 ,与钢管形成密封 ;同时卡套外锥向上拱起 ,形成龟背 ,与接头体内锥紧密接触 ,形成密封 ,这种密封结构属于刚性线密封 ,能承受 40MPa 以下的压力 ,主要用于液压、气体密封。 图 1.1单卡套式管接头结构 2、 双卡套式管 接头工作原理 : 装配时 ,旋紧螺母 ,螺母推动后卡套 ,后卡套推动前卡套在接头体内沿轴线方向移动 ,在螺旋力的作用下 ,前卡套外锥 (15 ) 与接头体内锥 (20 ) 贴合 ,前卡套开始变形 ,在前卡套变形的同与导管之间形成密封 ;同时前卡套在向前移动中有旋转的过程 ,对接头体内锥面接触面有抛光作用 ,因此在外锥与接头体内锥接触处形成
5、抛光线 ;当继续拧紧螺母 ,后卡套顶紧前卡套尾部并推动前卡套沿轴向移动 ,迫使前卡套外锥产生伞状变形 (锥度由 15逐渐向 20变化 ) ;由于前卡套外锥与接头体内锥接触面逐渐增大 ,在接头体内锥形成的抛光线逐 渐扩大成抛光面 ,当螺母旋紧 45 圈以上 ,前卡套外锥已变成 20 ,抛光面扩大至整个接头体内锥面 ,前卡套外锥与接头体节内锥面完全接触 ,形成面密封 ;同时前卡套刃口继续向3 内收缩进一步迫使钢管产生变形 ,在前卡套与导管之间形成均匀的面密封 ;后卡套在顶紧前卡套的同时其外锥已挤入前卡套尾部 ,刃口向内收缩抱紧钢管 ,使钢管产生塑性变形 ,不仅形成密封 ,而且可以防止前卡套松动 2
6、。 图 1.2双卡套管接头结构 图中 1 后卡套 2 前卡套 3 螺母 4 接头体 通过对上述两种卡套式管接头密封机理分析 ,密封性能比较 ,双卡套式管接头不仅比单卡套式管接头具有装配简单 ,良好的抗振动、冲击性能 ,良好的温差补偿功能、多次拆装功能、而且具有更优良的密封性能。 不管是国外的企业还是国内的企业都是在对管接头的要求做改进，改善管接头的性能。 或以这些要求为根本目的做创新，寻求新型经济适用的管接头。 挤压式管接头是最近几年由德国 WALTER -SCHEID 公司开发出来的 ， 受专利保护并获得了劳埃德船级社、 ABS、德国技术监督局等权威机构的认证 3。挤压式管接头的最引人注目之
7、处在于将结构零件减至最少 ， 就是一个接头体 、 一个压紧螺母 、 一个密封圈。管子与管接头的连接是依靠管端的冷变形实现的 。挤压成形机将管子端部冷挤压变形 ， 使之适用于符合公制标准的接头体及压紧螺母。这种管接头的管子连接功能与密封功能是截然分开的 ， 单独的密封圈堵死了唯一可能的泄漏通路。机械冷变形保证了每个管接头的尺寸是一致的 ， 也便于质量控制。如果管路里的液压介质 有一定的腐蚀性 , 或是系统工作温度较高 ， 可以采用另一种不需要软密封件的挤压成形方式 。此时管子的材料可以是不锈钢 【 3】 。 在对国外的某一种管接头进行引进消化吸收的基础上，国内有机械厂设计了4 一种法兰式柔性快速
8、管接头。接头工作压力 2 5MPa，连接无缝钢管外径 219mm。样品加工完成后，在煤炭科学研究总院开采研究所液压试验室对样品进行了密封性试验和强度试验。试验介质为 40 号液压油，密封性试验压力 3 75MPa，实际达到 4 5MPa。强度试验压力达到 9 4MPa，因无缝钢管密封处泄漏失效，但零部件完好无损。试验 结果达到设计要求。与此同时，还设计了工作压力 2 5MPa、无缝钢管外径 114mm、 168mm、 273mm 和工作压力 1 6MPa、无缝钢管外径 325mm和 351mm 等 5 种产品。上述 6 种型号的管接头经过在兖矿集团有限公司兴隆庄煤矿选煤厂的管道连接中的应用，性
9、能稳定可靠，完全达到设计预期要求。此外，工作压力 2 5MPa、无缝钢管外径 219mm 管接头，经过煤炭行业相关部门组织的技术鉴定，认为：该产品具有设计及结构合理，体积小、重量轻，安装方便，加工性能好，造价低等优点，为国内管道安装提供了一种新产品，可定性批量生产 ，推广使用 【 4】 。 卡套管接头的密封性对于液压管路来说是至关重要的，密封性能好就不会泄漏 ， 浏览 查阅国内对于卡套管接头的密封和卡套的硬度研究，有如下情况。对于提高使用寿命，热处理改进，国内也有积极的研究，取得了一定的成果。 1、 卡套的密封 卡套是带有尖锐内刃，经过热处理 后 外硬内韧，具有一定的弹性。在压紧螺母的压力作用
10、下，卡套被推进 24的锥孔，并随之变形，使卡套与连接体锥面形成球面接触密封 【 5】 。同时卡套内刃切入管子外壁，在外壁压出一个环形的闭口缘边，从而起到可靠的密封作用。对 1 5 22mm 的管子，卡套内刃切入深度为0 15 0 50mm，这种密封形式的实质就是常见的刀口密封，只不过刀口不是在法兰盘上而是在卡套上，卡套密封面与连接体圆锥密封面之间的密封机理，可引用罗斯的分析方法，据观察，机械加工的粗糙度峰谷高度 A 应为 53 1010 mm，而90以上的峰具有 1 4的斜度，如泄漏通道的长度等于密封口的宽度 w，密封口的长度为 L，则对于常温的氮气，可推导出泄露通道的流导 ： 3)(234
11、L M RFPWLAC 式中 F一紧固力： R一材料的密 封系数；由上式可以看出， R越小 (材料越软 )，达到同样密封所需要的紧 固 力也越小，密封效果越好。 5 2、 卡套硬度 卡套是卡套 式 管接头起密封作用的主要零件，在压紧螺母力的作用下，沿接头体的内锥孔轴向移动，同时刃口端在反力的作用下产生径向收缩，消除了卡套与管子的间隙，而使刃口接触管子表面，此时管子不再旋转，继续旋转螺母使卡套刃口牢牢地切入管子确保密封。 图 2.1 另一个密封环节使卡套刃口 端点 13倒角与外缘 的交线（棱）和接头体 24环形锥面紧紧接触形成密封带，这是卡套密封的主要部位。卡套尾端 45锥面在力的作用下产生径向
12、收缩 ， 紧抱被连管子 ，同时中部稍有拱起， 因而卡套 应具有硬度、脆性、塑性和弹性。这对卡套密封及防止压紧螺母松动均起有利的作用。为了要达到以上性能，要求卡套有较高的硬度，一般情况表面硬度要比心部硬度高。要求其刃部能卡入管子表面，并有足够的咬合深度，因此，卡套要有相当高的表面便度，一般的硬度值能达到 HRC50 60，为了提高硬度，卡套表面要进行热处理，目前，卡套热处理方法有：低碳钢表面渗氮、渗硼、氰化 等方法，中碳钢淬火，渗钒 (即 DT法 )、离子沉和碳化钛等方法，耐酸钢采用渗硼、氰化、氮化等方法 【 6】 。实验证明，小口径管子卡套没有经过热处理也可以使用，但卡套刃部作用末显示出米，
13、mm83 管径，可承受 50Mpa压力。经过多年反复使用和试验证明，接头体选用 1Grl8Ni9Ti材质，卡套采用 3Grl3、 4Grl3或其他耐酸钢材质的，不热处理的卡套仍可使用。但是，热处理后的卡套咬合深度、抗压强度、表层硬度都要比不处理的卡套好。 3、 热处理改进 宝钢工业检测公司通过实例对 1Cr18Ni9Ti钢管接头的泄露事故进行了分析，结果发现，管接头的早期失效是由于其固溶处理不良所致。介绍了从表面产生沿晶腐蚀，晶粒相互脱离，大量沿着晶裂纹形成，其中一些裂纹扩展，直至该管接6 头开裂失效的全过程。软管接头样品的形貌见图 1-1 所示。在对样品的目视检查时发现 2 号样品存在数条已
14、经贯穿的纵向裂缝及漏水的痕迹，裂纹打开后的断口形貌见图 1-2 所示，断口较为粗造，晶粒较粗，有沿晶断裂的特 征。 来样经线切割，每只试样取横向和纵向截面分别镶嵌，然后试样经磨削，抛光，采用三氯化铁盐酸酒精溶液进行腐蚀，在腐蚀过程中发现，同样是 1Cr18Ni9Ti钢试样，早期失效的 2 号试样容易受到侵蚀 。 纵向金相组织见图 2 及图 3 所示。从图中可以看到， 2 个试样的金相组织相差很大。对比金相图谱 1(见图 4)，其中正常使用至更换周期的 1 号试样 (见图2)的组织是奥氏体不锈钢的典型组织，为单一的奥氏体，晶界无碳化物，奥氏体晶内能见到孪晶。而从早期失效提前更换的 2 号试样 (
15、纵向 )的显微组织 (图 3)中可以看到，沿纵向 (轧制方向 )上有带状异常组织，并且存在较多的晶界碳化物 【 7】 。 在横向金相组织检验中，正常使用的 1 号试样表面未发现裂纹，见图 5 所示。而 2 号试样的 横断面上发现大量的严重程度不同的沿晶裂纹并由外表面向内部发展，见图 6 所示。 2 号试样横断面的不同区域的形貌 ( 图 7 图 10)，记录了上述沿晶裂纹从产生、发展直至贯穿，导致零件失效的全过程。图 7 为裂纹形成前期，工作表面发生了大量的沿晶腐蚀，但裂纹尚未形成；从图 8 中可以看到，腐蚀加剧，有些地方晶粒之 间已经 相互脱开，其中脱开严重的已经从外向内发展成了细小的裂纹；最
16、后，图 1 0 所显示的是裂纹不断发展，直至贯穿的裂纹扩展形貌；同时从图10 中还可以看到，表面仍保留有大量贯穿裂纹产生初期的沿晶腐蚀特征。 图 1-1软管接头样品形貌 图 1-2 裂纹断口的宏观形貌 图 2 1号试样纵向组 250 7 图 3 2 号试样纵向组织 250 图 4 典型的 1Cr18Ni9Ti钢组织 500 图 5 1 号试样横断面形貌 5 0 图 6 2 号试样横断面形貌 250 图 7 2 号试样横断面形貌 100 图 8 2 号试样横断面形貌 100 图 9 2 号试样横断面形貌 100 图 10 2 号试样横断面形貌 100 管接头是用尺寸相当的不锈钢棒加工而成，为改善
17、材料的显微组织，提高其耐磨 和耐 腐蚀性能，取一段棒材原料，重新进行固溶处理。工艺为 1100 C保温 3h，空冷，然后检查其金相组织。经重新固溶处理后，样品的组织有了明显的改善，属于奥氏体不锈钢的正常显微组织。 于是，用 经重新固溶处理的不锈钢棒材加工成接头再投入使用，结果表明，使用情况正常，寿命明显提高，已经可以按照计划用至一个周期后正常更换。 在所分析的 1Cr18Ni9Ti钢接 头样品中，固溶处理不完善是导致零件早期失效的原因。零件在较为恶劣的腐蚀及热应力反复作用的 环境下，失效是由晶腐蚀开始，裂纹萌生、扩展逐渐发展成贯穿性裂纹。当材料经 1100 C固溶处理之后，显微组织得到明显改善
18、，用正常固溶处理的棒材制造的零件使用正常，寿命明显提高 【 8】 。 管接头在船舶应用广 泛，一艘 2750标箱的集装箱船，使用管接头的一万多个，又如技术密集型的 GL及多用途集装箱船，仅高压管接头（试验压力要求 35Mpa）8 就需数百个 【 9】 。按照全国年造船量多 1500万吨计算，需要各种管接头 4亿多个，市场需求很大。 而且使用卡套式管接头，较以前使用的焊接管接头而言，提高了船舶制造水平，减少焊接工作量和系统 污染，提高液压系统的清洁度，与钢管连接时不需要焊接，有利于防火、防爆、和高空作业，消除了焊接不慎带来的严重后果，并可用于高温、高压及有振动的管路中 【 10】 。 在重型汽车
19、和起重机械中，管接头应用也十分广泛，是液压管路中 理想 的 连接 管件。 三、总 结 通过这么多天的资料查阅， 学习了卡套式管接头的主要结构组成： 具有 24锥形孔的接头体，带有尖锐内刃的卡套，起压紧作用的螺母组成 。 学习研究了国内了管接头的动态 1、 煤炭工业济南设计研究院有限公司 设计了法兰式柔性快速管接头。 新管接头由密封圈、固定盘、板式平焊钢制管法兰、套 管、六角头螺栓、螺母、垫圈、弹簧垫圈组成。 具有密封性能好、安装简便等优点。特别是改进设计后的密封圈，采用流体组合挤压密封的结构进行密封，是国内密封圈结构型式中独特的一种【 11】 。 2、 西德福推出新型挤压式管接头。钢管在挤压成
20、形后，最关键的部位是钢管外径到突出的肩部的过渡处。如果处理不当，这个部位会在冷变形过程中由于高压而使材料脆化。西德福公司提供的挤压式管接头，由于其独到的挤压成形工艺 (图 2 )，使这个薄弱环节得到了有效保护。在钢外径到突出的肩部的过渡处设计成圆角，从使缺口效应降至最小 ；过 渡区上设置了一个压紧环，该环与螺母的后部配合成一体。当接头上受到径向的动态负载时，动载荷会被压紧环吸收，从而提高了接头的抗压强度和抗断裂强度 【 12】 。 管接头的可靠安装即意味着管路的可靠连接。使用挤压式管接头无需预安装，管接头可一次性安装到位。在锁紧螺母向前拧的过程中，钢管的端面会直抵标准接头体的内端面，此时操作工
21、人会明显感觉到拧紧力矩的突然升高。也就是说，挤压式管接头在安装时没有安装力度不足或安装力度过度的问题。9 3、 通过对单卡套和双卡套式管接头两种卡套式管接头密封机理分析 ,密封性能比较 ,双卡套式管接头 不仅比单卡套式管接头具有装配简单 ,良好的抗振动、冲击性能 ,良好的温差补偿功能、多次拆装功能、而且具有更优良的密封性能。 了解了卡套式管接头的发展历史，及其在机械重型机械行业和船舶业的应用。 通过外文翻译，对焊接管道中的焊接管接头有了较深刻的 认识 ，焊接本身存在许多的缺陷，不安全，耗时，而且会产生大量的废屑，最重要的是 焊接管道中焊接节点 会产生裂纹腐蚀，使用寿命不高，安全性不高。管接头对
22、于液压管路中起着非常重要的作用。最重要的是管接头发展过程中遇到的问题：对于卡套中密封的问题和卡套硬度问题的学习， 认识了不同卡套 的密封性能对比； 对于困难需要提出的方法，解决的途径；对于热处理过程中的改进措施 【 13】 。 参考文献 1 雷雄 .单卡套 式 管接头与双卡套式管接头的密封性能对比 J.液压气动与密封，2002.4 2 沈少华 .卡套式管件的应用 J .机电技术， 2008 年第四期 3 董于梅，张惠山 .曲面卡套式管接头、锥面卡套式管接头标准介绍 J.内燃机车，10 2007.6 4 陈卫东 .卡套式管接头在汽车起重机械上的推广 J.建筑机械， 2003.9 5 于峻峰 .气
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