作者：倪瑋瑾（1988.12），女（漢族），上海文依電氣股份有限公司（201317），上海，本科，機(jī)械工程師，中級(jí)工程師，研究方向：電氣連接與保護(hù)系統(tǒng)，軌道交通連接設(shè)備，通訊連接設(shè)備。
摘要：進(jìn)口軟管接頭，連接可靠，但價(jià)格昂貴，其連接方式具有專(zhuān)利性。國(guó)內(nèi)的塑料軟管接頭及金屬接頭分別有可靠性不夠及價(jià)格昂貴的劣勢(shì)。本文所闡述的加強(qiáng)型高強(qiáng)度卡環(huán)式鎖緊防水軟管接頭，以其中一款WQGDM-M25B/AD28.5加強(qiáng)型高強(qiáng)度卡環(huán)式鎖緊防水軟管接頭為研究對(duì)象，從接頭與軟管的安裝、密封性能、連接可靠性、金屬螺紋銅鑲件設(shè)計(jì)、環(huán)保材料選擇等方面逐一分析，系統(tǒng)說(shuō)明加強(qiáng)型高強(qiáng)度卡環(huán)式鎖緊防水軟管接頭填補(bǔ)了目前市面上軟管接頭存在的一系列問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：IP69K；拆裝100次測(cè)試；卡環(huán)式鎖緊；一體式帶斜度環(huán)狀密封圈
0、引言
我國(guó)軌道交通、新能源汽車(chē)行業(yè)、鐵路、航運(yùn)、航空、等需要通過(guò)電纜操作設(shè)備連接的行業(yè)不斷的發(fā)展也促使軟管接頭的利用率不斷提升。
從性能方面，包括防水性能、連接軟管可靠性等，以及市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益、材料環(huán)保要求、生產(chǎn)加工便捷等方面，需要滿(mǎn)足以上各要求，就要依靠此款加強(qiáng)型高強(qiáng)度卡環(huán)式鎖緊防水軟管接頭。
1、問(wèn)題的提出與分析
軟管接頭按材料分為塑料軟管接頭與金屬軟管接頭。
國(guó)內(nèi)的塑料軟管接頭主要是快速軟管接頭。軟管與快速軟管接頭連接時(shí)，軟管插入接頭，與管端密封圈相接觸，通過(guò)軟管的軸向擠壓力，使管端密封圈圓周面和端面均與軟管緊密相連，起到密封作用。同時(shí)，內(nèi)鎖扣卡入波紋管凹槽內(nèi)，利用軟管的回彈，使內(nèi)鎖扣彈起并固定到位。
快塑軟管接頭存在以下問(wèn)題：1）安裝難度較高。軟管插入接頭后，需二次擠壓，如何判斷安裝到位只能依靠操作人員的經(jīng)驗(yàn)，很大程度上存在漏水風(fēng)險(xiǎn)。2）此類(lèi)接頭不能承受較大的軸向彎曲力。軟管穿入電纜后所具有的自身重力在很大程度上會(huì)壓在內(nèi)鎖扣上，使原本彈起的內(nèi)鎖扣出現(xiàn)較大程度的變形，影響防水性能。3）此接頭為塑料接頭，連接螺紋處存在連接失效風(fēng)險(xiǎn)。
以PMA軟管接頭作為業(yè)內(nèi)軟管接頭代表的進(jìn)口接頭。采用1~2片鎖片，按照軟管規(guī)格，等分圓周，將鎖片卡入軟管，有效解決了國(guó)內(nèi)快速軟管接頭安裝難度高以及性能上劣勢(shì)。但進(jìn)口件價(jià)格昂貴且進(jìn)口周期較長(zhǎng)是其致命弱點(diǎn)。
金屬軟管接頭能承受較大的彎曲力且螺紋扭矩都能滿(mǎn)足使用要求，但其高昂的制造成本并不適用于絕大多數(shù)的電氣連接與保護(hù)系統(tǒng)。
新型加強(qiáng)型高強(qiáng)度卡環(huán)式鎖緊防水軟管接頭的研發(fā)，能解決國(guó)內(nèi)外塑料軟管接頭以及金屬軟管接頭的缺點(diǎn)，包含以下幾點(diǎn)：1）軟管與接頭安裝方便，即無(wú)需操作人員的經(jīng)驗(yàn)與否，均能快速安裝完成；2）防水密封性能良好，在復(fù)雜多變的力學(xué)環(huán)境中均能起到密封作用，能達(dá)到IP68、IP69K防護(hù)等級(jí)；3）連接可靠；4）金屬與塑料兩種材料有機(jī)結(jié)合；5）所用材料均需環(huán)保無(wú)害。
2、問(wèn)題的解決與論證
以WQGDM-M25B/AD28.5加強(qiáng)型高強(qiáng)度卡環(huán)式鎖緊防水軟管接頭為例，其設(shè)計(jì)如圖
1.主要由4部分組成，分別是1、O型圈，用以密封螺紋端
2.接頭體
3.鎖緊螺帽
4.卡環(huán)。
下文中將逐條闡述其各項(xiàng)設(shè)計(jì)理念。
圖1加強(qiáng)型高強(qiáng)度卡環(huán)式鎖緊防水軟管接頭
2.1 軟管與接頭安裝方便
將軟管按照需要的長(zhǎng)度切割，保證切面在軟管同一節(jié)距的凹槽內(nèi)，且軟管突出部分的的端面基本平整，反之，需修整軟管。見(jiàn)圖2。將鎖緊螺帽套入軟管，再將卡環(huán)套入軟管規(guī)定凹槽內(nèi)，WQGDM-M25B/AD28.5接頭連接普通AD28.5波紋軟管時(shí)，將卡環(huán)套入由右向左第6個(gè)卡槽內(nèi)，見(jiàn)圖3。接頭體套入軟管后，僅需將鎖緊螺帽與接頭體螺紋旋緊即可安裝完成，且各項(xiàng)性能均能滿(mǎn)足要求。
圖2 軟管修整圖
圖3 軟管接頭安裝圖
2.2 防水密封性能
加強(qiáng)型高強(qiáng)度卡環(huán)式鎖緊防水軟管接頭采用與普通管端密封圈相同材質(zhì)的熱塑性彈性體[2]（TPE）的一體式帶斜度環(huán)狀密封圈，見(jiàn)圖4。
圖4 一體式帶斜度環(huán)狀密封圈
與普通管端密封圈相比，其優(yōu)點(diǎn)如下：1）一體式帶斜度環(huán)狀密封圈與軟管接頭體一體成型，減少普通管端密封圈組裝成本。2）普通管端密封圈在使用中，因其可移動(dòng)，可旋轉(zhuǎn)性，在插入軟管時(shí)，因操作不當(dāng)，可能會(huì)出現(xiàn)軟管觸碰管端密封圈頂，使其整體變形的風(fēng)險(xiǎn)。而一體式帶斜度環(huán)狀密封圈與接頭體內(nèi)壁一次注塑成型，且研發(fā)此接頭時(shí)，考慮到密封圈的防拉脫性，特意增加倒扣的設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)完美解決了密封圈脫離接頭體的可能性。并且所選用的彈性體材料與接頭體內(nèi)壁完全連接，不易剝離，減小安裝變形。3）一體式帶斜度環(huán)狀密封圈外壁與接頭體一體成型，內(nèi)壁與中軸線(xiàn)成3°傾斜，并且在不同位置分布3個(gè)半徑大小一致的突起。3個(gè)突起的位置分布即涵蓋了普通軟管及寬節(jié)距軟管，因此，此類(lèi)軟管接頭即能與普通波紋軟管相連，也能與寬節(jié)距軟管相連。以外徑AD28.5的波紋軟管為例，與WQGDM-M25B/AD28.5的接頭連接時(shí)，從上至下的3個(gè)突起處最小的內(nèi)孔直徑分別為φ28.6mm、φ28.1mm、φ27.1mm，公差范圍均為-0.1/-0.3mm，以最小公差核算，壓縮比從上至下分別是1%、3%、6%。軟管可較容易插入，且依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，軟管接頭的管端密封圈壓縮比在2%~5%時(shí)能達(dá)到良好的密封性能。除了軟管圓周的密封外軟管端面的密封也同樣重要，即軟管軸向需要有一定的壓縮量。以AD28.5波紋軟管為例，普通軟管鎖扣卡在第6扣，而寬節(jié)距軟管卡在第5扣，此狀態(tài)下，鎖緊螺帽與接頭體鎖緊時(shí)，軟管軸向壓縮比分別是：普通軟管：2mm，寬節(jié)距軟管：6.2mm。依據(jù)軟管接頭軸向最優(yōu)壓縮比2mm~ 6mm，兩類(lèi)軟管均符合最有壓縮比，軸向密封性能良好。
產(chǎn)品經(jīng)SGS認(rèn)證，符合IPX9K、IP68測(cè)試要求。
2.3 連接可靠性
加強(qiáng)型高強(qiáng)度卡環(huán)式鎖緊防水軟管接頭，使用卡環(huán)作為最主要的抗拉拔力的結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖5。為方便安裝將卡環(huán)設(shè)計(jì)為帶有1.5mm間隙的帶卡爪的環(huán)狀鎖扣。在安裝時(shí)將卡環(huán)分離套入軟管?？ōh(huán)卡爪與軟管凹槽緊密貼合，增強(qiáng)連接性。
圖5 卡環(huán)
除卡環(huán)連接外，用圓螺帽將卡環(huán)緊密壓實(shí)在接頭主體上，當(dāng)軟管受拉拔力的時(shí)候，軟管的凹槽壁與卡環(huán)的卡爪緊密接觸，卡環(huán)上沿與圓螺帽緊密接觸，根據(jù)力傳遞作用，等于拉拔力全部加載在接頭主體上，達(dá)到固定可靠的作用。
鎖緊螺帽與接頭體螺紋連接采用梯形螺紋[1]。梯形螺紋在連接時(shí)具有牙根強(qiáng)度高，對(duì)中性好，不易松動(dòng)等特點(diǎn)，加強(qiáng)抵抗拉拔力的能力。
鎖緊螺帽與接頭提的連接，為固定住螺紋，防止松動(dòng)，在不采用螺紋密封膠固定的情況下，將接頭體梯形螺紋牙底平面上設(shè)置45°斜度，高度為3mm的凸起，見(jiàn)圖6。而鎖緊螺帽梯形螺紋起牙位置向下縮短4mm用以固定接頭體上的突起，并且這4mm的突起整個(gè)做成與接頭體突起相適配的花瓣?duì)瞽h(huán)形狀態(tài)，旋緊過(guò)程中起到單向作用。在鎖緊過(guò)程中，凸起能輕送旋入花瓣，反之則很困難，需要通過(guò)扭矩扳手增加長(zhǎng)度，將鎖緊螺帽取下。按照高鐵行業(yè)五年一個(gè)維修期，以及汽車(chē)行業(yè)至少每半年一次保養(yǎng)得頻率來(lái)算，此接頭安裝后，拆卸情況較少，但為了驗(yàn)證接頭體突起及花瓣形固定方式的磨損是否會(huì)影響到接頭的性能。特意由SGS做了相應(yīng)測(cè)試，結(jié)論為：將加強(qiáng)型高強(qiáng)度卡環(huán)式鎖緊軟管接頭以正確方式安裝拆卸100次，其中10次、20次、50次、80次、100次時(shí)分別測(cè)試IP6X和IPX8測(cè)試，結(jié)果均符合測(cè)試要求。
圖6 接頭體凸起與鎖緊螺帽花瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)
2.4 螺紋銅鑲件的設(shè)計(jì)
接頭體螺紋以金屬銅鑲件的形式，與接頭體一體注塑成型（即銅鑲件、接頭主體、環(huán)狀密封圈一體成型），見(jiàn)圖7。穿線(xiàn)孔部位（螺紋內(nèi)孔）需注塑包覆，表面達(dá)到光滑，更好的保護(hù)所穿線(xiàn)纜，同時(shí)金屬部分所占比例較小，有效減輕產(chǎn)品整體重量，而應(yīng)金屬螺紋部分較小，成本也等到有效控制。
圖7 軟管接頭體
銅鑲件上端（非螺紋端）加工成雙層，且銅鑲件表面帶有4個(gè)2.5mm寬度，1.5mm深度的凹槽。此結(jié)構(gòu)目的是為了增強(qiáng)注塑后扭矩，防止銅鑲件脫出，同時(shí)此圓形銅棒為帶孔的開(kāi)模一體成型的產(chǎn)品，減小加工成本。經(jīng)測(cè)試，此產(chǎn)品包塑面較普通單層圓環(huán)形銅鑲件，接觸面增加1/3。銅鑲件破壞性扭矩測(cè)試較普通圓環(huán)形銅鑲件產(chǎn)品，需要更大的扭矩，更能滿(mǎn)足此產(chǎn)品性能要求。
另外，在銅鑲件包塑過(guò)程中，由于尼龍材料收縮性以及尼龍部分厚度不均的原因，易造成產(chǎn)品縮水。因此將尼龍接頭扳手面做成凹凸結(jié)構(gòu)，即避免了產(chǎn)品成型過(guò)程中，由于尼龍部分材料收縮導(dǎo)致的表面凹凸不平，同時(shí)又滿(mǎn)足了扳手面強(qiáng)度要求。
2.5 材料環(huán)保
隨著近年來(lái)環(huán)保課題的不斷深入，塑料件的使用也需要滿(mǎn)足一定的標(biāo)準(zhǔn)要求。目前加強(qiáng)型高強(qiáng)度卡環(huán)式鎖緊防水軟管接頭采用全部綠色環(huán)保材料制作，材料全部通過(guò)國(guó)際環(huán)保認(rèn)證。包括產(chǎn)品整體取得CE認(rèn)證。通過(guò)各行業(yè)限用物質(zhì)檢測(cè)要求，包括Q/CRRC J 26-2018《軌道交通裝配產(chǎn)品禁用和限用物質(zhì)》和TB/T3139-2006《機(jī)車(chē)車(chē)輛內(nèi)裝材料及室內(nèi)空氣有害物質(zhì)限量》等。
3、加強(qiáng)型高強(qiáng)度卡環(huán)式鎖緊防水軟管接頭優(yōu)勢(shì)
該產(chǎn)品自2019年年底推向市場(chǎng)以來(lái)，使用情況良好，特別是國(guó)外客戶(hù)，對(duì)產(chǎn)品性能非常滿(mǎn)意。
新研發(fā)設(shè)計(jì)的加強(qiáng)型高強(qiáng)度卡環(huán)式鎖緊防水軟管接頭優(yōu)勢(shì)如下：
（1）接頭組裝方便，無(wú)需經(jīng)驗(yàn)即可安裝到位，可滿(mǎn)足未接觸過(guò)此類(lèi)接頭的安裝人員快速學(xué)會(huì)操作。
（2）防水性能優(yōu)異，滿(mǎn)足IP69K、IP68防水測(cè)試。通過(guò)軟管圓周及軟管端面的雙重防水保護(hù)，確保其防水性能。且與普通接頭相比，此接頭能同時(shí)與普通軟管以及寬節(jié)距軟管連接，增強(qiáng)其通用性。
（3）相較于普通快速軟管接頭所存在的可靠性不足問(wèn)題，加強(qiáng)型高強(qiáng)度卡環(huán)式鎖緊防水軟管接頭更好的滿(mǎn)足了可靠性要求。
（4）相對(duì)于市面上常規(guī)的塑料軟管與金屬軟管的區(qū)分，加強(qiáng)型高強(qiáng)度卡環(huán)式鎖緊防水軟管接頭將尼龍、金屬銅鑲件、TPE有機(jī)結(jié)合起來(lái)，即方便生產(chǎn)操作，又降低接頭成本，更具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
（5）加強(qiáng)型高強(qiáng)度卡環(huán)式鎖緊防水軟管接頭采用全部綠色環(huán)保材料制作，材料全部通過(guò)國(guó)際環(huán)保認(rèn)證。
4、結(jié)束語(yǔ)
加強(qiáng)型高強(qiáng)度卡環(huán)式鎖緊防水軟管接頭自投入市場(chǎng)以來(lái)，反饋良好，這充分證明研發(fā)設(shè)計(jì)取得了成功。當(dāng)今社會(huì)，各行各業(yè)都講究節(jié)能減排，提高效率。作為傳統(tǒng)機(jī)械行業(yè)，更應(yīng)該發(fā)揮主觀創(chuàng)造性，從產(chǎn)品初期的設(shè)計(jì)開(kāi)始，大力促進(jìn)設(shè)備優(yōu)化創(chuàng)新，在滿(mǎn)足生產(chǎn)要求的前提下，大大節(jié)省人力物力財(cái)力！
