新型铝合金柔性导管连接卡箍的设计与应用

新型铝合金柔性导管连接卡箍的设计与应用

管道连接卡箍是飞机管道连接的重要标准。管道系统连接的形状和性能直接影响飞机的能源、汽油和环网络系统的使用性、可靠性和可靠性。因此，管道连接卡箍在飞机的性能和安全性方面也发挥着重要作用。随着飞机性能的提高,对管路设计维修性的要求也越来越高。所以,要求需要经常测试、频繁拆卸的导管连接卡箍应维修方便、并具有快卸功能和良好、耐久的密封性能。铝合金柔性导管连接卡箍是目前国外飞机上广泛采用的一种新型管路系统连接用标准件,与我国现用的导管连接卡箍相比,具有结构简单,重量轻、便于安装、安装有余度设计、安装后可挠动、大大提高维修性等优点。该卡箍如果得到广泛的应用,不仅能满足飞机新型号研制的急需,还将使我国飞机管路系统连接技术上了一个新台阶。1卡再压缩器的装配工艺及操作管路系统是飞机输送流体的重要部件,导管连接卡箍是飞机管路系统管路连接中不可缺少的标准件,对飞机各系统的固定连接起着重要作用。它用于飞机、发动机上各种管路的连接,应具有耐高温、耐高压、耐蚀、高密封、高可靠性等特点。组成卡箍的零件较多,其组件包括凸缘、密封圈、卡箍、凹凸缘、锁紧保险丝和铅封等零件,而卡箍又包括组合箍带、卡圈、铆钉、厚螺母和薄螺母等零件。卡箍零件加工工序多而复杂,包括凸缘的制造,卡块成型,多卡块与箍带焊接协调等,个别零件如凸缘,它尺寸小、精度高、工艺复杂。由于应用环境较差,因此要求卡箍密封性和对中性高,并且具有抗高温变形、抗热冲击、抗各种冲击载荷和避免引发共振等。若有漏油、漏气发生,不但会损失发动机的推力,还将影响飞机、发动机、附件系统的工作性能、使用寿命和飞机的安全。迄今,某型飞机用于燃油系统和空调系统的导管连接快卸卡箍一直是按HB6521,它用在每架飞机上大约有28~32个。由于受海洋环境的影响、卡箍自身存在的缺陷及卡箍连接的导管同心度超差等原因引起应力腐蚀,曾使卡箍条带出现断裂,如图1和图2所示。故障主要发生在海×师和海××师。海××师断裂的卡箍有10个,海×师断裂的卡箍达34个。经分析,该卡箍存在以下4点不足之处:(1)卡箍的结构设计有些不合理,如卡圈数目及间隙、焊点设计及密封结构设计不甚合理;(2)选材略有不当,如箍带、卡圈、螺栓及衬套等选用材料的强度欠佳;(3)标准中有关工艺方面如表面处理及热处理规定内容欠缺;(4)生产单位加工工艺及装配工艺水平较低,如条带焊接时错位,条带弯曲处(也是易断裂处)和轴不贴合,有毛刺,有硬物敲打痕迹等,这些生产缺陷造成卡箍的应力集中。此外,卡箍在飞机上装配时,不符合管路系统装配要求(如导管不同心等),使卡箍产生很大的装配应力。由此可见,研制高效、可靠、安全的卡箍,已成为减少燃油、空调系统故障,保证飞行安全的迫切需要。国外第三代飞机的燃油、空调系统导管连接卡箍结构形式多样化、材料品种规格化、垫料颜色功能化、试验方法规范化。就结构形式而言,主要有槽型高温高压导管连接卡箍、V型带连接快卸卡箍、高温高压V型卡箍(BACC10EZ)、MARMANV型卡箍、高温高压带铰链式导管连接快卸卡箍、槽型整体式高温空气导管卡箍(AEB/201)、带金属垫V型卡箍、带凸缘式金属密封垫V型带卡箍(BACC10AU)、带凹型密封衬垫V型卡箍、特殊V型卡箍(BACC10AC)、半弹性凸缘V型带卡箍(BACC10EZ)、高温高压导管连接卡箍(OCT110085)等。例如高温高压带垫铰链式导管连接快卸卡箍(AEB/197A)有锥密封和紧配合两种形式。锥密封在2个弹性凸缘之间安放金属密封垫;紧配合选用箍带结构铆接铰链形式,可用于发动机附近振动严酷和高温条件下导管连接。由于无焊接应力,因此能获得高强度密封连接,在国内外称之最先进、最可靠、维修性最佳的卡箍,而且还减少经常拆卸引起的箍带变形疵病。铝凸缘配合铝密封垫,还可获得相同的热膨胀。槽型整体式高温空气导管卡箍(AEB/201)能消除焊接、铆接导致疲劳破坏或过大力矩使凸缘失效的疵病,构件上的缆绳护套可防止装配拆卸引起底部薄弱位置被损坏。高温高压导管连接卡箍(OCT110085)上的箍带与卡圈之间采用铆接结构以减少焊接应力,4~8块卡圈提高密封性和对中性。采用3个焊点结构减少应力,两凸缘与密封圈之间采用梯形槽密封结构,与矩形截面金属密封圈配合使用提高密封性。凸缘与卡圈之间采用圆锥面干涉过盈配合联接结构,使整体同轴性好、耐冲击性能好、装拆方便,且箍带上设有减轻孔减轻卡箍质量(见图3)。而国内卡箍尺寸规格偏小,功能不全,性能较差。如HB6521箍带焊接形式采用4个焊点,结构应力大,橡胶5080密封垫片耐高温性能差。3个卡圈之间间隙为5~7mm,易造成对中性和密封性差,半圆孔的锥度密封结构受力不均匀、易使密封圈磨损老化,箍带与卡圈之间采用焊接结构存在焊接应力等。整体结构不合理、选材差易产生裂纹缺陷,有安全隐患(见图4)。另外,从前面某型飞机卡箍断裂可以看出,卡箍紧固钢带断裂主要发生在端头耳片处,其受力包括:(1)钢板冷作硬化的残余应力;(2)端头弯曲成型的残余应力(外表面是拉应力,内表面是压应力);(3)卡箍安装、紧箍时产生的工作应力(除接触点外,内外表面均为拉应力)。这三种应力都是恒定的应力,当三种应力(拉应力)的总和大于在给定腐蚀环境和给定材料条件下应力腐蚀极限门槛值时,将发生应力腐蚀断裂。可见,卡箍技术性能要求较高,工作条件相当恶劣,一旦出现故障,会直接影响系统的性能及飞行安全,所以要求卡箍不但具有一定的密封性能,而且能承受一定的高温高压和具有一定的抗弯扭、抗冲击、抗振动等疲劳特性,以便经受飞机飞行过程中各种复杂载荷的考验。在第四代飞机的总体设计中,对燃油、空调系统导管连接卡箍提出了“结构轻便、操作灵活、高密封性、高可靠性和维修方便”的设计要求,而彻底改变燃油、空调系统用的导管连接卡箍的结构、材料及工艺是唯一的解决方案。国内现有的燃油、空调系统导管连接卡箍(HB6521)刚性连接,质量大,难以满足第四代飞机燃油系统质量轻、便于安装、安装有余度设计、安装后可挠动、维修性佳等要求。国内外同类卡箍具体对比见表1。2柔性导管连接卡再压缩管接口飞机管路用卡箍式连接已经历了好几代产品。第一代管路连接采用笨重的法兰盘连接,至少用6个螺栓将法兰盘连接在一起,零件笨重,增加了飞机的质量,安装不方便。第二代管路连接采用两根导管外面套胶管,用两个卡箍进行连接,卡箍由箍带、螺栓、螺母、套管、垫圈组成,HB3-9可拆卸卡箍属于这一代产品,卡箍零件还是笨重,安装也不方便。第三代管路连接采用的导管连接卡箍,这种快卸卡箍是由箍带、螺栓、螺母、套管、垫圈、卡圈、两个刚性凸缘、密封圈等零件组成,卡箍零件仍很笨重,安装还是不方便,HB6521导管连接快卸卡箍属于这一代卡箍。同样,管路采用接头式的连接也已经历了好几代产品。接头的第一代产品是HB4-84规定的,由带顶圈外套螺母、外套螺母、顶圈、外套筒、挡圈、密封圈、卡圈7个零件组成的有螺纹的连接接头。第二代产品也是用螺纹连接,变成由6个零件组成,管子与管套是通过管套的环行槽,将管子的材料通过专用设备或专用工具挤压到管套的环槽中去,管套上分别有胶圈槽,放上胶圈后,通过螺套和螺母形成接头密封。第三代产品是扩口或无扩口接头。国内飞机大部分低压油路和环控系统用的还是第二代的胶管连接卡箍(HB3-9、HB3-30、HB3-31)和第三代的导管连接卡箍(HB6521)。这两种卡箍结构复杂、质量重、安装不方便、不能双向补偿导管安装时的角度偏差和径向位移。由于燃油系统(-55~70℃)没有相应的导管连接卡箍可选用,以前不得不采用HB6521笨重的导管连接卡箍,尽管HB6521导管连接卡箍存在一些问题,如结构复杂、质量重、加工复杂、两导管间必须同心不能有角度偏差而导致安装不方便等问题。为解决飞机管路系统中油路和空调系统的导管连接密封问题,柔性导管连接卡箍具有结构简单、质量轻、加工工艺简单、安装方便、能补偿导管安装时的角度偏差和相对位移等优点。新型高温高压导管连接卡箍(HB8093)是某型飞机空调系统使用的重要标准件,属刚性连接卡箍,结构形式为永久型(装后不拆卸)卡箍,每架飞机使用6件,主要用于高、中低温导管与系统附件的密封连接,这种连接对两个被连接件的位置公差要求较严。在典型部位,导管同系统附件用锥形凸缘和卡箍由拉紧螺栓和螺母实现连接,连接处的垫圈由铜料制成,导管均用不锈钢制造,用隔热材料隔热。其密封原理是凹凸缘和凸缘对接,中间用铜制密封圈密封,靠箍带、卡圈为一体夹紧,使密封圈压缩产生变形,从而起到密封作用。该卡箍具有耐高温、耐高压、耐腐蚀、高强度密封、免维护及高可靠性等特点,可以在-50~650℃温度范围内、工作压力1.18MPa以下的管路上使用。与国内燃油、空调系统用卡箍HB6521相比,具有更好的耐蚀性,可减少燃油、空调系统故障,确保军用飞机飞行安全、可靠。铝合金柔性导管连接卡箍结合了卡箍和接头的特点。它区别于第二代接头是将螺套和螺母取消,而用套筒和卡箍取代。管子与管套形成的组合导管连接成一种无螺纹自锁的密封接头(见图5)。铝合金柔性导管连接卡箍是国际上第四代产品。其性能在各方面都有较大的改进,具有质量轻、便于安装、安装有余度设计、安装后可挠动、大大提高维修性等优点。技术特点如下:(1)工作压力:P≤0.57MPa;(2)工作温度:-55℃≤t≤100℃;(3)管接头工作后可按最大偏差角度3°进行安装;(4)安装后,连接部可进行0.5°的挠动。铝合金柔性导管连接卡箍是目前国外飞机上广泛采用的一种新型管路系统用连接件(见图5),与我国现用的导管连接卡箍相比,具有结构简单,质量轻,防止漏油、漏气等特点,便于加工、安装、维护。该卡箍不仅能满足飞机新型号研制的急需,还将使我国飞机管路系统连接技术向前迈进一步。铝合金柔性导管连接卡箍是一种飞机导管连接新型卡箍,主要用于飞机燃油、环控等系统的导管连接。目前,国外已广泛应用于空中客车、麦道、波音以及F-16等飞机。3连接涂层和连接涂层的优点的比较下面从结构、材料、性能等方面将铝合金柔性导管连接卡箍和第三代的导管连接卡箍作一具体比较。具体比较见表2。4柔性导管连接卡箍的确定试验为保证卡箍使用的可靠性,柔性导管连接卡箍应根据HB7648和ARP699C要求进行下述鉴定试验。4.1泄漏试验试验方法按HB7648-2004的4.5.3进行,试验后试验件不允许泄漏。4.2高温抗压试验试验方法按HB7648-2004的4.5.5进行。4.3低温抗压试验试验方法按HB7648-2004的4.5.5进行。4.4共振点的选择和试验试验件固定在试验台上,使导管中心线之间保持3°的偏移,以全振幅0.6mm,加速度≤2g,频率从5Hz扫描到200Hz找出共振点,并记录共振数据,试验后按4.1进行漏气量试验。4.5透气性试验试验件一端固定,另一端偏心安装,使导管中心线之间保持3°的偏移,按2P的压力做漏气量试验,然后卸压。充压并保持1h,在任何方向上进行0.5°的挠曲试验,试验后按4.1进行漏气量试验。4.6透气性试验试验件一端固定,另一端偏心安装,使导管中心线之间保持3°的偏移,按2P的压力做漏气量试验,然后卸压。充压并保持1h,在任何方向上进行0.5°的挠曲试验,试验后按4.1进行漏气量试验。4.7试验1,10d/min试验件固定在试验台上,按2P的压力做漏气量试验后,以20周/min~60周/min的速率、压力从0MPa(±0.2MPa)——1.24MPa——0MPa(±0.2MPa)进行试验,试验后按4.1进行漏气量试验。4.8保持和提高压力将试验件固定在试验夹具上,增加2P的压力,保持5min,再将压力逐渐升至2.5P。试验后不要求该部件保持完好,卡箍变形是允许的,但不应破裂。5减少飞机性能铝合金柔性导管连接卡箍可减轻质量,与对应的用于相同管径的导管HB6521-91相比较,质量