螺纹快速连接器改进方法

沈贵鸿李笑羽卢嘉轩张亚杰张震

摘要：本文研制的螺纹快速连接器主要包括卡爪套和芯轴、缸体等零件，并且开设有贯通螺纹快速连接器第一端和第二端的中心孔。顶杆从缸体的第一端伸入中心孔而传动套，设置在中心孔中。第一复位弹簧，套设在顶杆上，两端分别与顶杆和传动套抵靠，在第二复位弹簧其中的卡爪套自缸体第二端伸入中心孔并与传动套连接；芯轴依次穿设卡爪套、传动套，并与顶杆连接；第二复位弹簧套设在卡爪套上，其两端分别与传动套和缸体抵靠。当螺纹快速连接器使用完毕后，卡爪套在第二复位弹簧的恢复力的作用下其端部能够部分回缩至缸体内，解决了现有技术中的内螺纹连接器的卡爪套可能因刚性小而无法被芯轴带动回缩的问题。

1技术背景

目前，管道的螺纹连接密封基本靠人工手拧连接，而且在螺纹连接处还需要缠绕密封胶带或涂抹密封胶，操作比较复杂。通常，管道的螺纹连接的密封只是临时密封，解除密封后该管道的螺纹会与其他管道或阀门进行连接，而由于缠绕了密封胶带或涂抹了密封胶，使得拆除密封变的非常麻烦。为实现螺纹的快速连接和拆卸，本文研制了一种内螺纹快速连接器，该内螺纹快速连接器通过具有外螺纹的卡爪套和芯轴的配合实现与内螺纹的快速连接和拆卸。其工作过程为：首先通过手柄压缩主活塞弹簧，使卡爪套和芯轴一同伸出外壳端部，芯轴再伸出卡爪套的端部，卡爪套收缩，此时将卡爪套插入内螺纹中，然后芯轴端部自动回缩至卡爪套中，卡爪套在芯轴端部的作用下膨胀，从而实现与内螺纹的快速连接；当需要拆卸时，通过手柄再次压缩主活塞弹簧芯轴端部，再次伸出卡爪套，卡爪套再次收缩，然后将卡爪套从内螺纹中拔出；当从内螺纹中拔出后，在主活塞弹簧的恢复力的作用下，芯轴通过其端部与卡爪套的端部接触带动卡爪套回缩，卡爪套的端部至少部分回缩至外壳。

由于卡爪套由多个卡爪围成，卡爪的刚度较小，芯轴在带动卡爪套回缩至外壳的过程中，芯轴的端部对卡爪施加的力很容易使卡爪向外膨胀，进而使芯轴缩无法带动卡爪套回缩。

2研究方法的主要特点

（1）采用简单的旋紧连接驱动，使生产成本显著降低，非常适合重复性测试。

（2）不需要扭矩扳手，密封胶或密封胶带，可以有效的防止螺纹接口的耗损及流体受污染。

（3）压力驱动，锁定并密封的连接，是借助处理中的流体压力，增强连接及密封效果，可以在处理高动压时，无需忧虑连接失效问题。

（4）精确的工程产品，并配合操作员的直觉达到不需经验及专业知识，操作容易的效果。

（5）采用坚固耐用的不锈钢结构，适合苛刻的工业应用。定期维护简便容易，不需特殊工具，用户自行检修，停工时间短，维修成本低。

3技术特点

3.1螺纹涨爪伸出过程

转动把手组成，滚轮推动顶针，再由推顶杆下端斜面动滚珠，滚珠在锁紧套孔内可横向移动，滚珠由中套直边区域运动时（滚珠只有纵向运动），当滚珠运动从圆弧运动至斜边过程时（滚珠纵向运动同时发生横向运动），此时锁紧套组成与拉杆组成差步运动（此机构实现差步运动此时拉杆与螺纹涨爪出现相对位移），当滚珠运动至顶杆上端直线部分，锁紧套组成（螺纹涨爪不再向前运动），此时拉动时，螺纹涨爪被O型密封圈收拢，直到收拢直径小于螺纹小径。

3.2伸入待测零部件过程

当螺纹连接器伸入待测零部件时，松开把手，此时拉杆首先退回，将螺纹涨爪撑开此时螺纹连接器与待测工件实现螺纹连接，继续松开把手，螺纹涨爪后移，前套盖相对向前移动，此时工件端面压在前套盖上面，由于两端面时间存在O型密封圈，密封动作完成。

3.3充入高压气体或液体测试过程

当A端充入高压气体或液体，锁紧套组成阻止气体进入上端，螺旋涨爪及前套盖O型密封圈存在，气体只能从螺纹涨爪与拉杆之间间隙进入待测试工件内，随测试压力增加，前套筒内压力将推动锁紧套组成后移（螺纹涨爪后移），此时螺纹涨爪与工件之间螺纹连接强度增加，与此同时，前套盖与工件端面之间压力增加，使O型密封圈贴合更加紧密，增加了密封性。

4理论设计计算

4.1异步证明

在顶杆向下移动的过程中，带动拉杆和锁紧套组成向下移动，此时就会出现滚珠与外部轮廓的异步与同步现象。图1为该构件的零件说明图，具体的操作过程如下图2所示。

图2间隙设计图

状态1：滚珠在A直面处，B斜面处时，会出现B与C同步运动；

状态2：滚珠在A斜面处，B斜面处时，会出现B与C异步运动；

状态3：滚珠在A内壁槽孔内，B内直边处，在B向下运动的过程中，C会处于静止状态。

在螺纹快速连接器的内部结构之中，为了实现滚珠与外轮廓结构的同步与异步，我进行了理论上的计算与分析。在异步证明的过程中，发现只需要证明如下公式即可。

图3.为异步证明示意图。

证明过程如下：

（1）证明圆心与圆边上一点在同一直线上且发生平行移动，则该方向上移动的距离一致。

BG：圆形移动的位置；

AF：圆上一点在圆心方向移动的距离。

（2）证明

EF：水平方向的位移；

AF：小球与平面相切点的位移。

参加两个方向上的运动，即水平方向上的运动，和竖直方向的小球的合位移为小球在斜面上的运动。在三角形中，且即可推导出和。以及在直角三角形当中和及。

6.创新点及其应用

6.1创新点

（1）全新的连接形式。有效锁紧内外螺纹与光孔，并能确保连接可靠，操作快捷方便；非常适用于重复操作性高的工种作业；

（2）密封形式。其采用端面密封，与传统管件，机械零部件密封连接相比较，省却了扭矩扳手与密封胶，有效防止了接口的污染与损耗，且无需其他测试装置；

（3）压力助推结构设计。压力驱动，锁定并密封的连接，是借助处理中的流体增密效果，随测试压力不同，连接密封效果可实现自动调节改善；

（4）迅速连接，精确的工程产品，并配合操作员的直觉不需经验及专业知识，操作容易；

（5）高规格材质。高规格铝合金质量小，高规格不锈钢强度大，硬度高，延伸率好；

（6）低成本方案。直螺纹接头比套筒挤压接头省钢70%左右,比锥螺纹接头省钢35%左右；

（7）性能稳定。接头性能不受扭紧力矩影响,少拧2~3扣,均不会对接头强度造成明显损害。

6.2快速螺纹连接器的应用：

螺纹连接结构装配后，螺栓受到轴向拉伸的预紧力。施加预紧力后螺纹快速连接结构可以产生设计希望的有溢应力，该应力能够提高结构承载能力、改善构建受力时内部应力分布情况。预紧能提高螺栓连接的可靠性、防松能力和螺栓的疲劳强度、增强连接的紧密性和刚性及防止受横向载荷的螺栓连接的滑动。在火箭工作载荷下，螺栓的疲劳强度寿命很大程度上取决于螺栓预紧力的大小，预紧力大则动载荷影响小、疲劳寿命长；预紧力小则动载荷影响大，螺栓易疲劳；预紧力过大，将导致结构承载力的下降，螺栓在载荷作用下会发生螺纹屈服、松脱、延迟断裂；预紧力不足，被连接件在载荷作用下会产生间隙或松动，改变螺栓的受力状态，降低螺栓的强度，降低疲劳强度。螺栓连接的断裂、松脱将改变结构连接刚度的连续性和一致性，改变结构整体模态，直接导致结构连接解体、失效；预紧力控制不均匀，将导致螺栓受力不均，个别螺栓超过设计载荷，导致螺栓组整体强度下降，箭体结构、设备安装连接失败。

参考文献

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