摘 要：超高压液压管接头的研制开发已成为液压系统超高压化进程中亟需解决的问题。介绍了一种新型超高压管接头结构形式，在此基础上利用ANSYS建立了管接头组件的有限元模型，研究了70 MPa 工作压力下，结构参数如锥面角、球头半径、外倾角对管接头接触密封性能的影响。研究结果表明：锥面角对密封区域的接触点中心位置、接触带宽影响较大，球头半径主要影响密封区域的接触带宽度，而外倾角对密封区域的接触应力影响较大。研究结果对于管接头的结构尺度优化具有指导意义，同时为超高压管接头组件的研发提供了技术支撑。
关键词：超高压；液压管接头；接触带宽；接触应力
引言
液压管接头是最基础的液压辅件之一，通过管路将液压泵、控制阀、液压缸、油箱等液压元件有机连接在一起，对液压系统的安全性和可靠性具有重大影响[1]。据统计，飞机使用故障中，设计制造类故障占总故障数的11.19%，其中管路故障是设计制造类故障的主体，占其中的71%[2]。而在民用设备领域，管路系统的故障多表现为泄漏，一方面污染环境，导致能量的巨大浪费，另一方面降低液压系统的输出功率，严重时将导致设备瘫痪而停止工作。近年来，管路附件及管路系统的设计受到各方的极大关注[3-5]。
目前，常用的液压管接头结构型式主要有焊接式、卡套式、扩口式以及软管接头等，公称压力通常在40 MPa 以下[6]。随着科学技术的发展，人们对设备轻量化和节能化的要求不断提高，超高压液压技术的重要性日益显现，一批超高压液压元件成功研制并在小流量液压系统中率先得到示范应用，取得了较好的经济效益[7-9]。超高压技术的发展亟需超高压管路系统及其辅件配套跟进，但由于缺乏相关的国家标准，现有超高压液压系统中使用的管接头主要是在高压(40 MPa)管接头标准基础上改进来[10-11]，普遍存在加工制造工艺复杂、结构零部件多、适用性差、可靠性低等问题。
本研究针对某款70 MPa的新型超高压液压管接头，研究其结构参数对接触密封性能的影响，以期为该型管接头的结构优化、发展提供技术指导。
1 新型超高压管接头介绍
新型超高压管接头三维结构剖面图如图1所示，该管接头组件由接头体、球头管和压紧螺帽三部分组成，具有结构零件少、拆装便利、生产效率高等优点。其中，接头体、压紧螺帽采用传统切削加工工艺制造而成， 而球头管是采用特殊的冷压延工艺一次成形的。
1. 接头体 2. 球头管 3. 压紧螺帽
图1 超高压管接头组件的三维结构剖面图
特殊的冷压延工艺过程，使球头管内壁自然形成一种类“碟簧”特征，可以起到自预紧和防松的作用，有利于提高管接头密封的可靠性。
在使用过程中，通过压紧螺帽施加一定的拧紧力矩，使球头管端部的球形头与接头体的内部锥面接触而形成球-锥面密封[12]。需要说明的是，本研究管接头与文献[12]管接头的关键零件在制造工艺方面具有本质区别。
在小学阶段，学生的自我控制和管理能力比较弱，教师往往是维护课堂秩序的中坚力量。生活化的教学要求更加注重学生在课堂上的主体地位，提倡激发学生的主动性，使其在课堂上进行自主的学习。教师如果不及时调整课堂教学，很容易使课堂陷入到无序、混乱的状态之中，最终使课堂教学完全失控。生活化的课堂教学有一定的导致课堂走向无序状态的风险，要避免出现这样的风险就应该进行全盘的考虑，而不应该片面地把形式搬过来套用。
图2 超高压管接头组件主要结构参数
2 建模与仿真结果分析
考虑到管接头组件的轴对称结构形式，基于ANSYS 有限元分析软件，采用二维轴对称单元PLANE82对DN 6(壁厚δ=2 mm)的管接头进行数学建模和网格划分。为分析结构参数对管接头接触密封性能的影响，在球形头和锥面以及球头根部和压紧螺帽外倾角位置，选取接触单元TARGE169和CONTA172分别建接触对，接触区域的摩擦系数设置为0.15；在压紧螺帽螺纹截面处创建预紧力单元PRETS179，沿轴线方向施加10700 N的预紧力，此设置相当于利用压紧螺帽施加50 N·m的拧紧力矩；在管接头组件内壁与工作介质接触的相关边线上，施加70 MPa均布力，模拟超高压工况。此外，在接头体端部设置位移约束UX=0、UY=0，假设管接头组件材料为各向同性材料，球头管(20号热轧钢管)、接头体和压紧螺帽(45号钢)本构关系采用双线性强化模型，建立管接头有限元模型如图3所示，该模型共有节点20686个，单元6664个。
图3 超高压管接头有限元模型
2.1 锥面角对接触密封性能的影响
锥面角不同时，超高压管接头组件的接触状态如图4所示。可以看出，上述加载条件下，球-锥面密封区域产生一定宽度的接触带，从而在管接头组件内部形成环状密封面。锥面角的变化主要影响球-锥面接触密封区域的中心(以灰色接触带中心点作为标记)位置，随着锥面角α的增大，接触带中心点逐渐前移。当锥面角α等于110°时，材料的变形已迫使接触区域延伸至球头管端部。球头管端部受切割工艺影响，在冷压延成形过程中球头成形质量相对较差，易出现飞边、毛刺或成形出不规则的轮廓，因此接触区域靠近球头管端部对于其实际密封效果是不利的。另外，通过提取数据，测得锥面角α为95°、100°、105°、110°时，球-锥面密封区域的接触带宽度分别为0.470 mm、0.494 mm、0.526 mm和0.583 mm。随着锥面角α的增大，接触带宽度逐渐增加。一般来说，接触带越宽，密封效果相对越好[13]。
图4 锥面角不同时的接触状态云图
接触应力是评价接触密封性能的另一项重要指标。锥面角不同时，超高压管接头组件的接触应力云图，如图5所示，接触应力最大值均出现在球头根部与压紧螺帽接触区域，该区域非管接头的密封接触区。在密封接触区，当α为95°、100°、105°、110°时，测得球-锥面处的最大接触应力值约分别为495 MPa、502 MPa、521 MPa、534 MPa，球-锥面处的最大接触应力值随着锥面角α的增大而逐渐增大，这对于该管接头在超高压工况的可靠密封是有利的。
图5 锥面角不同时的接触应力云图
根据球-锥面密封的工作机理，结合关键零件的制造工艺，定义该超高压液压管接头组件的主要结构参数如图2所示。其中，α为锥面角，位于接头体上，切削加工而成；R为球头半径，位于球头管端部，主要受材料、成形工艺参数以及模具尺寸影响；β为外倾角，位于压紧螺帽上，切削加工而成。上述参数在零件成形过程中可在一定范围内调整。
球头半径不同时，超高压管接头组件的接触状态如图6所示。可以看出，随着球头半径R的增大，球-锥面接触密封区域的接触带中心点逐渐后移，但与锥面角α变化相比，球头半径R变化对接触带中心点位置的影响程度相对较小。此外，球-锥面密封接触区的接触带宽，随着球头半径R的增大而逐渐减小。因此，要想获得足够的密封接触带宽，其球头半径不宜过大。
球头半径不同时，超高压管接头组件的接触应力云图如图7所示，接触应力最大值仍出现在球头根部与压紧螺帽接触区域。在密封接触区，当R为9.0 mm、9.2 mm、9.5 mm、9.7 mm时，测得球-锥面处的最大接触应力值约分别为511 MPa、506 MPa、502 MPa、483 MPa。随着球头半径R的增大，球-锥面密封接触区域的最大接触应力值逐渐减小。
图6 球面半径不同时的接触状态云图
图7 球面半径不同时的接触应力云图
2.3 外倾角对接触密封性能的影响
外倾角不同时，超高压管接头组件的接触状态如图8所示。可以看出，随着外倾角β的增大，球-锥面接触密封区域的接触带中心点基本不变，且外倾角变化对密封区域的接触带宽影响较小，接触带宽基本在0.500 mm左右。
图8 外倾角不同时的接触状态云图
外倾角不同时，超高压管接头组件的接触应力云图如图9所示。可以看出，随着外倾角β的增大，球头根部与压紧螺帽处的接触区域逐渐增大，接触应力集中现象趋于缓解。在密封接触区，当β为95°、100°、105°、110°时，测得球-锥面处的最大接触应力值约分别为447 MPa、483 MPa、502 MPa、515 MPa。球-锥面密封接触区域的最大接触应力值随着外倾角β增大而逐渐增大。
图9 外倾角不同时的接触应力云图
3 结论
本研究对一种新型超高压管接头进行了有限元模拟分析，得到了70 MPa超高压工况下，管接头结构参数对接触密封性能的影响结论如下：
(1) 锥面角对密封区域的接触点中心位置、接触带宽影响较大。随着锥面角的增大，接触带宽度增加，接触点中心逐渐前移。接触点前移使接触带逐渐靠近球头管前端切头处，受球头管成形工艺影响，其对管接头组件的可靠密封是不利的；
(2) 球头半径主要影响密封区域的接触带宽度。随着球面半径的增大，接触带宽度减小，接触点中心略有后移；
(3) 外倾角对密封区域的接触点中心位置、接触带宽影响很小，但随着外倾角的增大，密封区域的最大接触应力值逐渐增加。
