FCM系列流体连接器的设计*

张 洁，方 良

(中国电子科技集团公司第四十研究所，安徽蚌埠，233000)

1 引言

随着军工事业的迅猛发展，军事装备相关设备功率的逐渐增大，用于散热的冷却系统应运而生。最初的冷却系统设计多为风冷系统，由于该系统占用空间大、效率低，以及在风速提高的情况下会出现如风阻产生热，风力破坏及噪音等诸多问题困扰。目前我国许多工程都在采用液体冷却系统，流体连接器是其关键元件，用于将不同大功率模块间或模块与设备机架间的冷却液循环系统快速连接或断开，是一种不需要工具就能实现管路流体连通或断开的连接器，是液体冷却系统的关键元件。流体连接器的插头和插座各相当于一个单向阀，内有一个阀芯，未插入时，单向阀关闭，插头和插座均为关断状态，管路中的液体不能流出，插头推入插座时，弹簧被压缩，插头和插座的阀芯同时被推开，管路连通，流体便可以流通。使用时只需要将插头和插座插合在一起，冷却系统就可以联通，拔下插头系统关断，且不会有液体溢出，快捷、方便的实现拆装和移动。

2 技术要求

FCM系列流体连接器要求应用介质可以是水-乙二醇溶液或机油，在要求的各种环境条件下使用不得有泄漏，双端密封，技术指标有通径、最大工作压力、使用环境温度、使用寿命等，其具体技术指标如下：

通径：3mm、6mm、8mm…；

额定流量：2.1L/min，8.4L/min，15L/min…；

最大工作压力：2MPa；

压力降：≤0.35bar；

插拔次数：1000次；

流量冲击：5倍额定流量；

压力脉冲：2.7MPa；

工作温度：-55℃～+70℃。

3 连接器结构设计

流体连接器主要有盲插式、卡口式和推拉式三大系列。本产品是一种盲插式流体连接器，传统的盲插连接器目前广泛使用的产品结构见图1所示，从图中可以看出，连接器在插合状态由于有2只Ο形圈暴露在流道之中，在使用过程中经常发生插头阀芯上的○形圈和插座导流柱上的○形圈被冲出密封槽或冲断的现象，引起产品失效。例如总流量没有调节到合适的值时，开机后流量会超过额定流量，或多路连接器并联使用时，若只有一路接通，其它路断开，流量会是原来的多倍，当流量几倍于额定流量时，高速水流就会将○形圈从密封沟槽中冲出。通常，在装备液冷系统运行状态下，系统内有很高的压力，在带压状态下插拔，在由非插合状态向插合状态转换(即内部流道接通)的瞬间，由于流通截面很小，在压力的作用下水流速度会非常高，产生"水刀"效应，Ο形圈被瞬间切断。因此用户非常希望有一种可以在带压状态下插拔的抗流量冲击的连接器。

图1 传统的盲插流体连接器结构

为此，我们设计了一款新的盲插流体连接器结构，使○形圈不暴露在流道之中，同样由插头连接器和插座连接器两部分组成。插头连接器主要由弹簧支架、卡环、○形圈、连接套、阀芯、阀体和弹簧组成，插座连接器主要由阀芯组件、○形圈、阀体、导流柱、连接套、弹簧、法兰和卡环等零件组成，连接套接口螺纹采用公制螺纹，用于产品安装，并保证产品的强度满足设计要求，在结构上尽量减少对流体的阻力。

该产品设计了新的阀芯组件代替原导流柱密封结构,该结构对非插合状态的密封没有影响，但插合状态时○形圈就不处在流道中，即不会因流量大而冲掉，也不会因毛刺而损坏。新设计的连接器在插头和插座插合的整个过程中，使○形圈处于金属零件的保护之下(见图2)，高速水流不会对○形圈造成冲击，显著提高产品的抗流量冲击能力，使产品可以带压插拔。即保证了密封的效果，又解决了现有技术的产品不能带压插拔的问题，提高了产品的使用范围和可靠性。

图2 FCM系列流体连接器插头与插座插合图

4 参数计算

1)通径的设计和计算

通径是指与产品内部有效流体截面等效的圆管的内径，是一种等效值，一般取整数。通径是液冷连接器流通能力的具体指标。液冷连接器主要应用于液体冷却系统，根据系统所需散热量的大小确定液冷系统的流量，并根据流量进一步确定需要选用多大通径的液冷连接器。系统流道的内径和液冷连接器的通径可以根据流量及允许的速度来确定。并由下式计算：

(1)

式中：QB——流道的额定流量；

υ——允许流速，一般取5m/s；

通过计算，额定流量为2.1L/min、8.4 L/min和15 L/min的产品分别对应通径3mm、6mm和8mm。

需要强调的是，流体连接器的通径是产品结构设计的主要依据和出发点，结构设计时需要计算每一个流道发生变化的截面的面积，以确保各处的等效通径不小于研制要求的通径值。同一种结构的液冷连接器可以按照通径的大小做出一系列的产品，设计时，首先确定导流柱细杆处的径向尺寸，然后根据通径的大小通过计算求出阀芯、阀体各处的内、外径尺寸，外形尺寸等，并考虑插头插座接口尺寸的一致性。根据密封和连接需要确定长度尺寸，在保证通径的基础上尽量减小产品的结构尺寸，并保证产品的强度满足设计要求。

2)密封圈的设计和计算

国家标准GB3452.1-82中规定了○形圈的拉伸率和压缩率，见表1。根据密封原理，该产品的密封型式属于静密封，借鉴介质油的根据经验分别选取拉伸率和压缩率为104%～105%和15%～25%。

表1 ○形圈拉伸率与压缩率

GB3452.1-82中规定的拉伸率和压缩率与沟槽直径及○形圈的直径、截面直径的关系为：

拉伸率：α=(d0+W)/(d+W)

压缩率：K=1-(D0-d0)/2W

沟槽深度： H=(1-K)W

沟槽宽度：B=W+(0.3～0.5)W

根据经验，安装沟槽的填充率见下式

填满率：β= AOR / ANut×100%

式中：α-○形圈的拉伸率；

K-○形圈的压缩率，为80%～100%；

β-○形圈的填充率；

d -自由状态○形圈内直径，mm；

W -自由状态○形圈截面直径，mm；

d0 -沟槽内直径，mm；

D0 -沟槽外直径，mm；

AOR-○形圈截面面积，mm2；

ANut-安装沟槽截面面积，mm2。

图3 沟槽的结构设计

结合表1和公式计算，分别确定通径3mm、6mm和8mm的产品的密封圈尺寸。

3)弹簧的设计和计算

流体连接器用弹簧根据工作环境采用YB/(T)11-83《弹簧用不锈钢丝》中规定的钢丝1Cr18Ni9 B组, 工作负荷为Ⅱ类负荷(受变负荷作用次数在1×103～1×106次范围内的负荷，以及冲击负荷等)，许用切应力[τ]=0.38σb，流体连接器中使用的钢丝直径与对应的材料抗拉强度和许用切应力的对应关系见表2。

表2 弹簧钢丝的技术参数

该产品的弹簧结构均为圆柱螺旋压缩弹簧，其主要设计参数d、D和n的计算主要依据流体连接器在插头和插座未插合时的安装负荷P1和插合后的弹簧的压缩负荷P2及弹簧的变形量，由下式求出弹簧刚度：

(2)

再根据弹簧的安装空间初步确定弹簧的中径D，初步假设钢丝直径d，按旋绕比C=D/d，曲度系数K由式(2.7)求得：

(3)

代入下式得钢丝直径：

按下式求弹簧圈数:

式中：G─切变模量, N/mm2

d─弹簧丝直径, mm

D─弹簧中径, mm

n─弹簧有效圈数

P′─弹簧刚度, N/ mm

K─曲度系数

基本参数求出后通常需进行多次反复试算才能最终确定弹簧的各个尺寸。

流体连接器中的弹簧属受变负荷的重要弹簧，设计出合适的弹簧后，为保证产品质量，应进行疲劳强度校核和稳定性校核。弹簧的疲劳强度校核根据切应力公式：

(4)

式中：τ─材料切应力, N/mm2

d─弹簧丝直径, mm

D─弹簧中径, mm

n─弹簧有效圈数

P─工作负荷，N

K─曲度系数。

根据该流体连接器插合与分离的压力，将弹簧的结构进行设计与强度校核。

5 仿真验证

液冷连接器的结构比较紧凑，尤其是机载条件下希望重量越轻越好。设计时，液冷连接器阀体的最小壁厚可以通过理论计算确定，设计完成后结构能否满足强度要求，最容易受到破坏的位置在什么地方，怎样改进可以获得理想的效果？我们可以直接将三维零件图导入ANSYS有限元分析软件进行仿真验证和优化，方便快捷，结果既明了又准确。下图是08通径流体连接器的插头阀体的应力分析图。从仿真结果看，σmax=45.723MPa<[σ]=61.25MPa。壳体所受最大应力均小于材料许用应力。由此可得出结论，产品的结构设计可以满足压力要求。

图4 阀体结构强度仿真图

6 结语

本文对FCM系列流体连接器的结构设计进行了简单的论述。本文论述的设计技术具有通用性，对其它类型的流体连接器的设计具有一定的借鉴作用。