1、本科毕业论文（20 届）卡套式管接头设计及制造工艺研究所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘 要随着科学技术的发展，生产水平的提高，现今作为液压管路中重要的管件之卡套式管接头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的密封管接头（其中卡套式管接头具有代表性的国内制造商有上海天阳管件有限公司） ，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、机床设备等液压传动管路。对于卡套式
2、管接头的研究与创新，于船舶行业发展是具有重要的意义。密封对于液压管路来说是至关重要的一项要求，对于如何提高管件的密封可靠性能，提高产品的可行性对于管接头的产品创新及设计提出了更多的要求和更大的挑战。本文研究的对象是卡套管接头，主要介绍卡套式管接头国内外的发展历史及应用，分析卡套管接头的结构原理，探讨卡套的密封性能，研究卡套的结构设计，热处理工艺，最后研究卡要管接头的安装及其意义。关键词：卡套管接头；密封；设计；热处理；安装IIAbstractAs science and technology development, production level, the current necessar
3、y for hydraulic pipe fittings - type tube fittings are also experiencing new generation of products and technological innovation. Card sets pipe joints are applicable media: oil, water, gas and other non-corrosive or corrosive media sealing pipe joints (including card sets of pipe joints with a repr
4、esentative of the domestic manufacturers Pipe Co., Ltd. Shanghai Tong Yang), with the specifications of steel pipe is more flexible, and pipeline connection, with a solid connection, good sealing characteristics, and therefore in the refining, chemical, light industry, textile, defense, metallurgy,
5、aviation, shipping and other systems that are widely used; also for a variety of mechanical engineering, machine tool equipment, hydraulic pipes. Card sets pipe joints for research and innovation, the development of shipbuilding industry is of great significance.Seal for the hydraulic piping is a cr
6、ucial requirement for how to improve the sealing reliability control, improve the feasibility of product innovation for the fitting and design requirements presented more challenges and greater .This study focused on tube fittings, introduces type tube fittings and application of developments at hom
7、e and abroad, analyzing the structure of tube fitting principle, the sealing performance of card sets, card sets of the structural design, heat treatment , final study cards to the installation of pipe joints and its significance. Keywords: Tube fitting; seal; design; heat treatment; installation II
8、I目 录前言 .1第 1 章 绪论 .21.1 卡套式管接头的发展动态 .212 本论文研究主要内容 .4第 2 章 卡套零件分析及结构设计 .52.1 卡套管接头的作用原理 .52.2 卡套参数的讨论 .52.3 材料的选择 .8第 3 章 卡套管接头分析及计算 .93.1 卡套管接头的作用原理 .93.2 压紧螺母旋入深度计算 .9第 4 章 卡套管接头的结构及尺寸 .114.1 卡套的结构设计 .114.2 接头体的结构设计 .124.3 压紧螺母的结构设计 .12第 5 章 卡套管接头的加工 .145.卡套的加工 .145.压紧螺母的加工 .155.接头体的加工 .165.4 卡套专用
9、刀具的制作 .17第 6 章 卡套的热处理 .196.1 热处理的发展 .196.2 热处理的工艺过程 .196.3 卡套的热处理 .20第 7 章 卡套管接头的安装 .217.1 卡套压入钢管所需力的计算 .227.2 卡套与接头体密封所需力的计算 .227.3 卡套的受力分析 .237.4 卡套装配时的力矩 .23第 8 章 螺纹连接的校核 .268.1 螺栓的校核 .268.2 螺母的校核 .27结 论 .29致 谢 .30参考文献 .311前言密封问题已成为现代科技的一个重要研究领域，其中管路密封占据举足轻重的地位。核能、航空航天、石油、化工、海洋开发等领域所采用的某些设备，其介质性质
10、和操作工况十分苛刻，如强腐蚀性、放射性、超低温、超高温、高真空、超高压等。这些设备对密封要求非常严格，如果一旦产生泄漏，轻则设备不能正常工作，重则导致设备报废、人员伤亡和严重的环境污染。因此人们在实践中千方百计地采用各种密封方式防止和消除泄漏。 密封装置是用来防止液体、气体泄漏的机械构件。密封结构的设计种类繁多，所采用的密封原理也多种多样。由于机械加工的结果，机械产品的表面必然存在各种缺陷以及形状和尺寸偏差。因此在机械零件的接触处不可避免地会产生微小间隙，当存在压力差或浓度差时，工作介质就会通过间隙而泄漏。泄漏定义为介质(如气体、液体或它们的混合物)从一个空间进入另一个空间的人们不希望发生的现
11、象。而密封是指机器、设备的联接处没有泄漏的现象，其本质在于阻止被密封的空间与周围介质之间的质量交换。密封的方法主要有下述几种:(1)尽量减少密封部位。(2)堵塞或隔离泄漏通道。在密封部位设置垫片，采用密封胶，可大大提高联接的密封性能。由于垫片或密封胶均具有良好的变形特性，容易与被联接元件表面贴合，填满表面的微间隙，堵塞或减小被密封流体的泄漏通道，实现密封。(3)增加泄漏通道中的流动阻力。流动阻力与泄漏通道的长度成正比，与泄漏通道的当量半径的幂次方成反比。对于垫片密封来说，适当增加垫片宽度，即增加泄漏通道长度，提高垫片的密封比压，即减少泄漏通道的当量半径可增加泄漏阻力，改善联接的密封。(4)采用
12、永久性或半永久性联接。采用焊接、钎焊或利用胶粘剂可形成永久性或半永久性联接。金属垫片密封是密封的一种主要形式，其密封方法主要是堵塞或隔离泄漏通道。在设备与管路联接中广泛使用的金属垫片密封主要形式有金属平垫片密封、双锥环密封、C 形环密封、金属 O 形环密封、三角垫密封、卡扎里和伍德密封、八角垫密封等。卡套式管接头广泛应用于油、气及腐蚀性介质的管路系统中，工作压力高达，称得上是管接头家族中最为先进的一种管接头。它采用独特的卡套连接原理，结构合理，使用方便，不需扩口，不需焊接，也不需要任何特殊的装配工具。卡套式管接头为接触型密封。接触密封主要靠密封配合面间产生接触应力，防止密封流体从密封接触面间通
13、过，来实现密封的。因此接触应力的大小及其分布状况是决定密封性能的重要因素。卡套式管接头结构简单，密封性能好，连接可靠，拆装使用方便，较以前的焊接管接头及焊接法兰安全性能高，无污染，因此被广泛使用在现今的液压管路中。2第 1 章 绪论1.1 卡套式管接头的发展动态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，工作压力为 1640PMa。 卡套式管接头的结构主要由具有 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。旋紧螺母使卡套被推进 24锥孔，并使之变形，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
14、防松的作用。这种接头具有如下优点： 1、结构简单、密封性能可靠、使用方便、制造精良、外形轻巧美观。2、不用加垫圈、不用焊接、节省材料、反复装拆性能好。3、由于卡套管接头不用焊接，从而减少了管道杂质对系统性能的影响。因此，卡套式管接头正日益广泛地应用在以油、气、为介质的液压气动设备管道中，特别适用有燃烧危险、高空作业和装拆频繁的场合。由于机械加工的结果，机械产品的表面必然存在各种缺陷以及形状和尺寸偏差。因此在机械零件的接触处不可避免地会产生微小间隙，当存在压力差或浓度差时，工作介质就会通过间隙而泄漏。把泄漏定义为介质(如气体、液体或它们的混合物)从一个空间进入另一个空间的人们不希望发生的现象。单
15、位时间内泄漏的介质量称为泄漏率，泄漏率通常用体积流率、质量流率以及 PV 流率来表示。而密封是指机器、设备的联接处没有泄漏的现象，其本质在于阻止被密封的空间与周围介质之间的质量交换。国内研究动态卡套式管接头在国内的应用历史还很短，在80年代徐州重型机械厂就已成功地将进口卡套式管接头应用在CXO1032及LTM1050全地面起重机上，但终因成本太高而无法形成批量。推广国产卡套式管接头有相当大的难度，特别是不锈钢管接头，国产应用率低，可靠性差。通过调研国内卡套式管接头的主要生产厂以及走访用户，我国国产化卡套式管接头存在以下缺陷：（1）我国现行的卡套式管接头标准为1983年施行，近20年来再无研究改
16、进，国外已发展到第五、第六代，而我国仍停留在第一代，甚至赶不上国外最早一代的水平。（2）就国家标准而言，也存在不少缺点，如接头系列不全、压力级别低，无法应付各种复杂的高压使用场合。（3）没有国标变径接头，虽有行标变径接头，但由于材料及热处理等方面的原因，难以承受高压。基于同样的原因，与卡套式管接头配套使用的B型扣压式胶管接头也无法用于工程机械。（4）国标规定卡套式管接头的接头体和螺母一般采用35号钢或Y20钢，卡套采用(10 号钢，其表面热处理硬度为HV550-800，芯部硬度范围为)HV220-300，管子采用(10 号冷拔（或冷扎）无缝钢管。这对卡套的制造精度和刃口热处理硬度要求较高，对于
17、钢管的表面硬度及圆度要求也较高，加之国内厂家生产卡套式管接头缺乏经验，不合格品比例较高，如果卡套刃口的硬度达不到要求，或钢管的表面硬度太高、圆度不合格，则会导致卡套接头在液压系统中经常出现漏油和拔脱现象。（5）卡套式管接头的装配工艺较复杂，要求装配人员具有一定的技术水平和经验，特别是卡套式管接头的预装更为重要，预装的好坏直接影响到卡套的密封和抗拔脱能力。国外为3提高预装质量已大量使用专用设备预装机，国内目前还没有专业的预装机生产厂，卡套式管接头大多靠手工预装，不仅效率低，且与工人的技术水平、工作态度有相当大的关系，装配质量很不稳定。（6）国产组合卡套接头达不到相应的压力等级 国内企业也正在学习
18、摸索，提高自己的产品质量，但还有很多技术问题有待解决。现阶段国产卡套接头的可靠性还难以同进口接头相比，特别在较大的规格上，采用了将进口和国产卡套接头组合使用的办法，即当钢管外径在15mm以下使用国产卡套接头，管径大于 15mm时则使用进口接头。这样既提高了产品的可靠性，同时又比全部采用进口卡套接头降低了成本，收到了一定的效果。但这些并没有解决根本的技术问题。国外研究动态卡套式管接头最早由德国公司于年发明出来（图 1.1） ，主要由三个部分组成：（）具有度锥形孔的接头体。 （）带有尖锐内刃的卡套。 （）起压紧作用的螺母。当拧紧螺母时，卡套在螺母的压力下被推入接头体的锥形孔内，并随之变形，这时卡套
19、与接头体内锥面紧密接触，形成球形密封，同时卡套的内刃口自动卡入钢管外壁，形成密封和防止钢管松动，卡套尾部也径向收缩抱住管子，从而起到可靠的连接与密封的作用。 卡套式管接头自诞生至今已经历了多次改进与发展，20 世纪 80 年代其主要结构特点是采用渐进式多刃卡套，包括两片渐进工作刀刃，一个止动边和喇叭形的环尾，大大提高了接头的交变抗弯强度和抗拉强度，止动边指明装配到位点，从而提高了装配的可靠性。80 年代卡套式管接头又将卡套传统的刚性密封改为更可靠的弹性密封，同时采用定位环使卡套在定位环内精确定位，接头不需要预装，不仅提高了装配的可靠性，而且降低了装配难度，提高了装配效率。图 1.1 单刃卡套示
20、意图单卡套式管接头的安装特性:由于单卡套式管接头的密封性能取决于卡套刃口能否均匀、适度切入钢管表壁(外径为 6 mm16 mm 的钢管,卡套切入深度 t0.3 mm；外径为 18 mm35 mm 的钢管,卡套切入深 t0.5 mm);卡套的外锥向上拱起形成龟背能否均匀与接头内锥接触。大量的使用情况证明,单卡套式管接头并不是一种最佳的管路联接方式,仍存在不足之处,现从结构上进行分析:无温差补偿功能,在温度变化大的环境中密封性能将大大下降。单卡套式管接头零件精度及热处理要求并不高,装配时很难保证卡套刃口均匀、按设计值切入钢管表壁,卡套外锥也很难均匀与接头体内锥接触,加上钢管的固定和卡套与钢管之间的
21、密封都是靠卡套的刀刃，所以卡套刀刃要切入比较大的深度。这样一来卡套与钢管发生了塑性变形,在温差变化大时,4卡套与钢管之间、卡套与接头体之间有可能形成间隙,产生泄漏。卡套切入钢管表壁并产生变形需要相当大的外力,根据有关资料显示:装 6 mm10 mm 卡套的拧紧力为 64N115N,16 为 259N, 18 为 450N;这样大的力矩在虎钳上操作都有一定的困难,何况在施工现场,因此在装配之前必须先在专用的卡套预装器上进行预装。才能进行装配,否则一次装配合格率不高于 60%。重复拆装性能差:由于外径为 6 mm16 mm的钢管,卡套切入深度 t0.3 mm；外径为 18 mm35 mm 的钢管,
22、卡套切入深 t0.5 mm，所以卡套与钢管产生了永久变形,而非弹性变形,多次拆装后,因卡套与接头体没有装配补偿量,易出现泄漏。抗冲击、震动性能较差。卡套式管接头中接头体的连接螺纹与螺母均采用普通细牙螺纹,具有一定自锁能力,但螺纹精度不高(6H、6h),在有冲击、振动或系统有脉动冲击的情况下使用有个别接头体与螺母自锁性能下降,产生松动,使接头体与卡套外锥面不密封,产生泄漏。由于单卡套有上述缺点，所以对他进行了改进，改成双刃单卡套式管接头。其结构如图 1.2 所示。图 1.2 双刃单卡套式管接头双刃单卡套式管接头工作原理：装配时，旋紧压紧螺母，压紧螺母推动卡套，卡套在接头体内沿轴线方向移动。在螺旋
23、力的作用下，卡套受到接头体的挤压，卡套向内收缩，卡套的前刀刃先压入钢管，然后后刀刃再压入钢管，卡套锥面与接头体内锥面完全接触,形成面密封。同时卡套后刃口向内收缩压入钢管均匀的面密封；卡套前刀刃向内收缩压入钢管抱紧钢管，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。12 本论文研究主要内容本课题在单卡套的基础上进行改进：由单刀刃改为双刀刃，用前刀刃卡入钢管，使钢管不松动；用后刀刃卡入钢管，使卡套与钢管紧密接触，起密封作用。这样分工，可以把前刀刃做得锋利一些，让前刀刃卡入钢管深一些，抱紧钢管。不用担心钢管会发生过大的塑性变形从而影响卡套管接头的抗震性、多次重装。后刀刃卡入钢管的深度要严
24、格的控制，不能卡的太深，防止钢管发生塑性变形；也不能卡得太浅，太浅的话，压强不够，起不到密封作用。所以要使卡入的深度恰当。使卡套与钢管紧密接触，起密封作用。又能有一定的弹性变形，使卡套管接头有好的抗震性，抗温差能力以及能多次拆装。 在低温铁素体状态下进行渗氮，热处理过程中除因渗入元素进入渗层形成新相外，不发生相变，工件变形较小。要保证卡套式管接头的密封性能，尽量使零件在热处理过程中的变形小些，所以卡套的最终热处理使用渗氮热处理技术。5第 2 章 卡套零件分析及结构设计2.1 卡套管接头的作用原理卡套连接接头由接头体、压紧螺母、钢管和卡套 4 个零件组成。卡套在卡套式连接接头中起着密封和承受轴向
25、力的作用。卡套两端的外侧具有锥面，其前端(密封端)有一环形刃口。连接时，旋紧压紧螺母，在压紧螺母的推动下，卡套前端在接头体内锥面的作用下产生径向收缩变形，并使后刀刃卡入钢管，使卡套与钢管紧密接触，起密封作用；用前刀刃卡入钢管，使钢管不松动。图 2.1 所示为卡套连接接头未完成连接时的情况。图 2.2 所示为卡套连接接头完成连接后的情况。只有在卡套的刃口良好地切入钢管时，同时卡套的前端面与接头体的内锥面良好密合时，才能保证卡套连接的密封性，防止接头体在高压作用下拔脱弹出。图 2.1 卡套连接接头未完成连接 图 2.2 卡套连接接头完成连接后2.2 卡套参数的讨论现在我们来讨论图中所标注的各参数。
26、卡套的受力图 2.3 所示：图 2.3 卡套的受力图由卡套平衡得：其中 f 为卡套与钢管的摩擦系数，L 为 的力臂且随 增大而变小（1NF， ， N 为 的力臂，且不变。78)-90(1T（2-1）coscos11NKTFF（2-2）1ini Tf（2-3）LTN（1）当 变小， 不变；由 、L 变大、N 不变，可知： 变小或K11 1NF6变大。由 ，可得： 要变大。1TF111sinsi TNKFf1K（2）当 变小， 变小；由 、 变大、 不变，可知： 变小或NL1NF变大。由 ，可得： 要变大。1T 111sisi TNKf 1K（3）当 变小， 变大；由 、 变大、 不变，可知： 变
27、小或F1N变大。现在不能确定 的大小关系。1TF1KF（4）当 不变， 变小；由 、 不变、 不变，NLTN11、 。可知： 、 、coscs11NKT 1sinsi TKFf1NTF同时变大或 、 、 同时变小。FTF1（5）当 不变， 变大；由 、 不变、 不变，NFLTN1、 。可知： 、 、coscs11NKT 11sinsi TKFf1NTF同时变大或 、 、 同时变小。FTF（6）当 变大， 不变；由 、 变小、 不变，可知： 变大或NFLTN11 1N变小，现在不能确定 的大小关系。1T1K（7）当 变大， 变小；由 、 变小、 不变，可知： 变大或TN11 1NF变小， 变大。1TF1K（8）当 变大， 变大；由 、 变小、 不变，可知： 变大或FLTN11 1N变小，现在不能确定 的大小关系。1T1KF我们希望用尽可能小的扭转力矩来装配，且使卡套管接头的密封性也要好。即： 要1NF大、 要大和 要小。1TF1K综上所述: 方案（1） 、 （2） 、 （7）会使 变大，而 、 只有一个变大，所以方案1KF1NTF（1） 、 （2） 、 （7）不好。要使 要小， 应该变大。现在我就（3）: 变小， 变大，1K（5）: 当 不变， 变大， （8）:当 变大， 变大。这三个方案在 solidworks 中进行有限元分析。
