飞机管路卡箍式柔性导管连接技术

飞机管路卡箍式柔性导管连接技术

管道系统是重要的飞机输送系统。管道连接卡是飞机管道连接中不可或缺的部件。它用于连接飞机和发动机上的各种管道，在固定飞机系统中发挥着重要作用。由于应用环境条件较差,因此要求卡箍密封性和对中性高,抗高温变形、抗热冲击、共振和气体流动,抗各种冲击载荷等。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、使用寿命和飞行安全。1柔性导管连接卡再压缩技术飞机以及各类大型设备上均使用大量的低压、大通径导管,用以输送各类流体介质。如飞机燃油系统和环控系统中的导管,这些导管用于输送燃油或气体,其工作压力不大于2MPa,通径不小于φ20mm。由于导管的大量存在,因此,导管之间的连接是必须要解决的问题。传统的飞机管路系统大多使用刚性的硬连接,其结构重量大,且无自动补偿能力,安装和维修操作复杂,外场使用极不方便。为了满足管路系统柔性连接的要求,部分飞机使用橡皮管对两段导管进行连接,同时,采用捆扎或卡紧的方式解决连接处的密封,并相对固定两段导管。由于橡皮管的柔性特点,使得可以比较方便地调节相互连接的两段导管,具有很大的自由度。但是,这种连接形式的结构重量仍然较大,在捆扎或卡紧橡皮管时工作量大,操作困难,使用和维护也极不方便。为了解决硬连接和传统柔性导管连接的弊端,同时,也为了满足新研飞机总体设计中对燃油、空调系统导管连接卡箍“结构轻便、操作灵活、高密封性、高可靠性和维修方便”等要求,出现了卡箍式柔性导管连接形式。该形式采用金属零件代替传统的橡皮管,并采用O形圈进行密封,既保证了密封的可靠性,也保留了卡箍的柔性连接特点,具备一定的轴向(3mm~6mm)和径向(0°~3°)补偿能力,这样,大大改善了导管连接的安装性能和可维修性。卡箍式柔性导管连接器已成为新一代的导管连接形式,它重量更轻,在使用上更为方便,操作更为简洁,密封性能更容易得到保证,是目前国内外新型军机柔性导管连接技术的发展方向。事实上,飞机管路采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,增加了飞机的重量,安装不方便。第2代管路连接采用2根导管外面套胶管,用2个卡箍进行连接,卡箍由箍带、螺栓、螺母、套管、垫圈组成,HB3–9可拆卸卡箍就属于这一代产品,卡箍零件还是笨重,安装不方便。第3代管路连接采用的是导管连接快卸卡箍,这种快卸卡箍是由箍带、螺栓、螺母、套管、垫圈、卡圈、2个刚性凸缘、密封圈等零件组成,卡箍零件仍很笨重,安装也不方便,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2代产品也是用螺纹连接,由6个零件组成,管子与管套是通过管套的环形槽,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3代产品是扩口或无扩口接头。近年来,国内飞机大部分的低压油路和环控系统用的还是第2代的胶管连接卡箍(HB3–9、HB3–30、HB3–31)和第3代的导管连接卡箍(HB6521、HB8091、HB8093)。这两种卡箍结构复杂、重量重、安装不方便,由于燃油系统(–55℃~70℃)没有相应的导管连接卡箍可适,因此,以前不得不采用HB6521导管连接卡箍(1A3–85)。HB6521导管连接卡箍存在一些问题,如结构复杂、刚性连接、重量重、加工复杂,2导管间必须同心,不能有角度偏差,从而导致安装不方便,易产生装配应力、裂纹,进而导致漏油等。而柔性导管连接卡箍具有结构简单、重量轻、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,可有效解决飞机管路系统中油路和空调系统的导管连接密封差的问题。目前,国外军用飞机的燃油、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(ОСТ110085)等。例如高温高压带垫铰链式导管连接快卸卡箍(AEB/197A),有2种形式:锥密封和紧配合,锥密封采用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,无焊接应力,能获得高强度密封连接,在国内外称之最先进、最可靠、维修性最佳卡箍标准,同时还减少经常拆卸引起箍带变形疵病。铝凸缘配合铝密封垫,可获得同样热膨胀。槽型整体式高温空气导管卡箍(AEB/201)消除了焊接、铆接导致疲劳破坏或过大力矩使凸缘失效的疵病,结构上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(ОСТ110085)的箍带与卡圈之间采用铆接结构减少焊接应力;4~8块卡圈提高了密封性和对中性,采用3个焊点结构减少应力;2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能提高密封性;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;箍带上设有减轻孔用于减轻卡箍重量等。而国内卡箍尺寸规格偏小,功能不全,性能较差。如HB6521–2001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、卡圈之间间隙为5mm~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。2国内外典型的导管连接特性和卡箍应用2.1导管连接连接涂层2.1.1导管柔性连接件这种卡箍主要用于直径为φ19mm~φ228mm,工作压力为0.082MPa~0.8MPa(直径小取大值,直径大取小值)的热空气导管和液压、燃油低压导管的连接,能补偿由振动引起的角度偏差(允许±4°)和轴向移动。这种导管柔性连接件主要由卡箍组件和橡胶弹性密封套组成。导管两端采用滚波形式,滚波尺寸按MS33658标准,比HB0–110滚波要大些。这种卡箍的结构按用途和加工工艺分为:铆接式和焊接式。所谓铆接式结构是指用于连接铝导管的卡圈(铝制)与箍带是采用铆接工艺连接的;焊接式结构是指用于连接不锈钢导管的卡圈(不锈钢制)与箍带是采用焊接工艺连接的。这2种结构形式均安装方便,拆卸迅速,调整容易,能减小安装后的不同轴度误差,渗漏符合MIL–C–22263的要求,详细使用条件见表1。2.1.2铝合金导管柔性连接卡帽铝合金导管柔性连接卡箍结合了卡箍和接头的特点。它区别于第2代接头的地方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。铝合金导管柔性连接卡箍是国际上第4代产品。其性能在各方面都有较大的改进,具有重量轻、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。技术内容如下:●工作压力:P≤0.43MPa;●工作温度:-55℃≤t≤100℃;●管接头可按最大偏差角度3°进行安装;●安装后,连接部位可进行0.5°的挠动。铝合金导管柔性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卡箍,主要用于空中客车、麦道、波音以及F–16、F–22等飞机燃油、环控系统的导管连接。导管柔性连接卡箍具有结构简单、重量轻、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,可有效解决飞机管路系统中油路和空调系统的导管连接密封性差的问题。其主要特点如下:●与对应的用于相同管径导管的HB6521–91卡箍相比,新连接结构的重量只有旧连接结构重量的30%~35%。同种规格的管路连接件,卡箍式柔性导管连接器比传统的硬连接重量减少了约60%,比螺纹式柔性导管连接器重量减少了约50%。●国内飞机如××飞机上的燃油系统使用了多种规格的螺纹式柔性导管连接器,其他飞机上的燃油管路连接件大多为刚性的硬连接或传统的软管柔性连接。硬连接和传统的柔性导管连接器的弊端在于结构重量大,无自动补偿能力,安装和维修操作复杂(如在捆扎或卡紧橡皮管时工作量大),操作困难,外场使用和维护极不方便。螺纹式柔性导管连接器虽较传统的柔性导管连接器安装相对容易,但因有螺纹装置,长时间使用存在着螺纹部分过度磨损、导致脱扣问题。而柔性导管连接卡箍因其具有快卸锁装置,不需要任何工具,手工操作,操作快捷、容易,拆卸方便,便于维护,同时,可大大缩短装机及日常维修时间。●卡箍连接管道成柔性,每一个管接头都允许一定的伸缩量与转角,能吸收管基的变形(位移、转角等),能吸收温度变化带给管道的热胀冷缩变化,不会使管道产生应力,能消除管道振动,从而提高密封性。●可替代现在型号中采用的2种连接件,包括HB6521–2001和HB4–84–83,实现卡箍及柔性连接件的更新换代。2.2弹性凸缘的卡再压缩技术这种卡箍主要由卡箍组件、凸缘和密封圈组成,见图1a),主要用于导管与导管、导管与附件的连接。根据系统功能的需要,其V型带有3种:整体V型带、铰链V型带,见图1b)和弹性连接V型带,见图1c)。凸缘的组成亦有3种,见图2:由一个刚性凸缘(机加)和一个弹性凸缘(冲压或旋压成形)组成、由2个弹性凸缘组成、或由2个刚性凸缘组成。这种卡箍的特点是:能补偿安装角度偏差(±4°)和轴向位移,能承受较大压力、较高弯曲拉伸复合载荷,并能承受飞机在起飞、着落时由于活门突然打开或关闭而引起的动态脉冲载荷。它结构简单,重量轻,安装方便,拆卸迅速,开敞性好,连接可靠,密封性能好。铰链V型带卡箍还能承受最佳轴向、径向弯曲载荷,能避免在拆卸弯曲应力作用下的疲劳断裂等。这种卡箍的结构形式有:永久型(装后不拆卸)、半永久型(有时拆卸)和快卸型(经常拆卸)3种,见图3。密封原理是通过弹性凸缘的端面变形或密封圈压缩产生弹性变形起密封作用。这3种卡箍的漏气量应符合ARP699要求:不超过D×0.0111/min,工作温度、压力和连接导管直径见表2。3国内外典型的加固材料卡箍材料根据使用温度、工作压力和环境条件来决定,常见的美国、俄罗斯及中国的柔性连接和刚性连接卡箍的主体材料见表3。4导管连接卡再压缩技术导管连接卡箍今后应朝以下几个方向发展:●低重量。即研制结构轻便、操作灵活的卡箍满足新研飞机的需求,例如,新型铝合金导管柔性连接卡箍与对应的用于相同管径的导管的HB6521-91卡箍相比,重量减轻了65%~70%。●高密封性。例如,新型铝合金导管柔性连接卡箍连接管道成柔性,每一个管接头都允许一定的伸缩量与转角,能吸收管基的变形(位移、转角等),能吸收温度变化带给管道的热胀冷缩变化,不致使管道产生应力,能消除管道振动,从而提高密封性。●高性能化。卡箍在设计时尽量实现高性能化,即尽可能研制出耐高温、耐高压导管连接卡箍,以满足恶劣环境(如发动机附近)的使用需求。如,俄制卡箍ОСТ110085耐高温达650℃,满足发动机引气附近空调系统的使用要求。●安装快捷、维修性佳。减少装机工具,方便安装、拆卸,利于维护,缩短装机、维修时间等,它将成为今后卡箍研究领域的发展方向。●高可靠性。为满足今后新研飞机的长寿命需求,卡箍的寿命及可靠性也将给予充分考虑。●高耐蚀性。为保证卡箍在沿海等复杂环境下保持高密封性,必须在设计时尽量采用耐腐蚀材料,并进行必要的表面防护工作。如,俄制卡箍ОСТ110085为确保耐腐蚀性能,从结构、材料、热处理、表面防护、零件本身残余应力控