歐陽小平　方　旭　朱　瑩　王　鍇　楊華勇

1.浙江大學(xué)流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室,杭州,310027 2.航空機電系統(tǒng)綜合航空科技重點實驗室,南京,2111003.中航工業(yè)機電系統(tǒng)股份有限公司,北京,100164

航空液壓管接頭綜述

歐陽小平1方旭1朱瑩2王鍇3楊華勇1

1.浙江大學(xué)流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室,杭州,310027 2.航空機電系統(tǒng)綜合航空科技重點實驗室,南京,2111003.中航工業(yè)機電系統(tǒng)股份有限公司,北京,100164

航空液壓管接頭是直接影響飛機安全和可靠性的重要元件。為全面了解各類航空液壓管接頭性能，介紹了永久式、可分離式和柱端式三大類航空液壓管接頭的基本特點；從結(jié)構(gòu)、原理、使用范圍、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和供應(yīng)商等方面對主要液壓管接頭進(jìn)行了詳細(xì)闡述；從耐壓能力、拉脫強度、質(zhì)量和安裝等方面對比分析了三大類管接頭中每種管接頭的性能和優(yōu)缺點；針對不同壓力級別系統(tǒng)給出了航空液壓管接頭的選擇推薦，展望了航空液壓管接頭未來的發(fā)展方向，指出了我國在該領(lǐng)域與國際先進(jìn)水平的差距。

航空；液壓管接頭；永久式；可分離式；柱端式

0　引言

隨著國家航空事業(yè)的戰(zhàn)略調(diào)整，我國在民用和軍用飛機研制領(lǐng)域均取得了很大的進(jìn)展，一系列新型軍機(如殲-20、殲-31、運-20)和國產(chǎn)客機(ARJ21和C919)應(yīng)運而生。這些飛機的成功研制，都需要高可靠的液壓系統(tǒng)和元件為飛行控制提供安全保障。航空液壓管接頭作為一種最基礎(chǔ)的液壓附件，通過管路將液壓泵、閥、缸、油箱等液壓元件聯(lián)結(jié)起來，組成液壓系統(tǒng)。在飛機液壓系統(tǒng)中，液壓管接頭的數(shù)量多、分布廣，任何一處管接頭的泄漏都會造成飛機液壓系統(tǒng)故障甚至重大飛行事故。國內(nèi)飛機生產(chǎn)商及研究單位在飛機研制過程中，往往只注重泵、閥、缸等液壓元件特性的研究，忽略液壓管接頭對飛機性能的影響，從而給飛機的安全性和可靠性帶來了隱患。筆者通過調(diào)研大量的國內(nèi)外文獻(xiàn),在本文中系統(tǒng)地闡述了航空液壓管接頭的種類、結(jié)構(gòu)、原理、安裝及其性能對比，為我國從事飛機液壓科研工作的人員提供參考。

1　航空液壓管接頭分類

航空液壓管接頭一般分為永久式管接頭、可分離式管接頭和柱端式管接頭三大類[1-2],如表1所示。永久式管接頭是一類永久連接、不可拆卸式的管接頭，具有較強的耐壓能力和可靠性，質(zhì)量和體積均很小，在飛機液壓系統(tǒng)中使用十分廣泛。

表1　航空管接頭分類

注：psi為磅/平方英寸,1psi=6895Pa,下同。

可分離式管接頭是一類可以拆裝維護(hù)的管接頭，具有較好的可維護(hù)性，但是其質(zhì)量和體積相對較大，接頭零件數(shù)多，可靠性一般。柱端式管接頭是一類連接管路與柱端端口的專用管接頭，通常位于管路系統(tǒng)的終端，需要較高的機械連接強度。其他類型的管接頭一般只針對特定的場合，如旋轉(zhuǎn)接頭和柔性接頭用于元件或管路存在較大旋轉(zhuǎn)、位移或振動的場合，快速接頭用于元件需要頻繁更換維護(hù)的場合等。由于篇幅有限，本文主要討論更常用的永久式、可分離式和柱端式三類管接頭。

2　永久式管接頭

永久式管接頭采用永久連接形式，耐壓能力和機械強度都較高，用于不需要拆裝的管路系統(tǒng)，主要有徑向擠壓式、軸向擠壓式、記憶合金式、熔焊式和釬焊式五種。

2.1徑向擠壓式

徑向擠壓式永久接頭通過徑向壓接的方式使接頭與管子機械相連，如圖1所示。接頭由接頭體和接頭端部組成，兩部分通過薄壁結(jié)構(gòu)連接，這種薄壁結(jié)構(gòu)能很好地吸收振動和彎曲[3]。徑向擠壓接頭與管子在受擠壓變形后會有回彈力，通過管子和接頭的變形和回彈力的作用形成可靠的永久性連接，該回彈力大小受接頭和管子退火條件的影響[4]。

(a)接頭原理圖

(b)接頭實物圖圖1　徑向擠壓式管接頭

為避免因管子表面缺陷而存在泄漏，接頭體內(nèi)部設(shè)計有兩個密封槽，使用硅酮密封圈來實現(xiàn)接頭備份密封。不同材料的接頭，硅酮密封劑填充的個數(shù)也不同。鈦合金和不銹鋼的接頭可以只填充外側(cè)槽就能實現(xiàn)有效密封，而鋁合金接頭和管子由于回彈力相對較小，故需要同時填充兩個槽，但是一般推薦所有接頭包括不銹鋼和鈦合金接頭都同時使用兩條密封槽[3]。

接頭端內(nèi)部涂有聚四氟乙烯干膜潤滑劑，在彎曲或振動條件下，可以有效地減少應(yīng)力集中。接頭內(nèi)部端面設(shè)計有一個最大為7.6 mm(0.3in)的管端間隙,避免管子在裝配時和接頭底部或者另一根管子端面直接接觸，允許接頭安裝位置在管子上有少量軸向位移余量，提高了安裝的靈活性[5]。這個間隙的設(shè)計也同樣體現(xiàn)在軸向擠壓式和記憶合金式永久接頭上。

徑向擠壓式永久接頭廣泛應(yīng)用于各類飛機的液壓、氣動、環(huán)控和燃油等系統(tǒng)中，其設(shè)計壓力可達(dá)20.7～27.6 MPa(3000～4000 psi)[6],設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)SAE的AS4459、Boeing公司的27D0001/27M101/BPS-F-142,公制標(biāo)準(zhǔn)采用ISO7169。目前徑向擠壓式永久接頭的主要供應(yīng)商都集中在美國，包括Permaswage、Airdrome、Eaton等公司。

2.2軸向擠壓式

軸向擠壓式永久管接頭由接頭體和擠壓環(huán)組成，接頭體端部內(nèi)設(shè)計有齒槽結(jié)構(gòu)，如圖2所示[7]。使用擠壓工具將擠壓環(huán)沿著接頭體軸向推進(jìn),擠壓環(huán)擠壓接頭和管子，使接頭體的齒槽結(jié)構(gòu)嵌入到管子，形成機械連接和金屬密封。安裝時，管子的插入深度和擠壓環(huán)的推入距離都需要根據(jù)事先在管子上的標(biāo)記來判斷[8]。

(a)接頭原理圖

(b)接頭實物圖圖2　軸向擠壓式管接頭

為減小接頭質(zhì)量,可以將擠壓環(huán)分成內(nèi)環(huán)和外環(huán)，內(nèi)環(huán)為原金屬材料，外環(huán)使用高強度低密度的復(fù)合材料，如碳纖維強化環(huán)氧樹脂[9]。為使擠壓環(huán)更易軸向推動，常在擠壓環(huán)內(nèi)表面和接頭體外表面涂抹潤滑劑以減小兩者的摩擦力,更大程度減小擠壓環(huán)和接頭體接觸面刮擦的概率，從而避免因刮擦造成的擠壓環(huán)卡死甚至損壞擠壓環(huán)或接頭體[10]。

為拓展軸向擠壓式管接頭在快速維修場合的應(yīng)用，如快速修補有缺陷或者破損的管子,Eaton公司設(shè)計了一種僅用兩把扳手就能快速簡單完成安裝的軸向擠壓式管接頭H-Fitting[11]。

軸向擠壓接頭可以應(yīng)用于10.3～34.5 MPa(1500～5000 psi)的系統(tǒng)[12],滿足SAE AS5958標(biāo)準(zhǔn)要求。應(yīng)用機型有Boeing的F/A-18 E/F和MV-22,Bombardier的Learjet 45公務(wù)機。軸向擠壓接頭的供應(yīng)商和徑向擠壓接頭類似,主要是Permaswage和Eaton公司。

2.3記憶合金式

記憶合金管接頭是利用形狀記憶合金(鎳鈦合金)所制成的高性能航空管接頭。加工記憶合金管接頭時,在馬氏體條件下將預(yù)加工好的管套(內(nèi)徑略小于管路外徑)用相應(yīng)形狀的擴徑芯棒使之內(nèi)徑稍稍大于管路的外徑,并一直儲存在液氮(-196℃)中。安裝時,從液氮中取出管套，套在安裝位置,當(dāng)管套溫度逐漸升高時，管套收縮產(chǎn)生的回復(fù)力箍緊管子，同時管套的內(nèi)脊嵌入管子，使得該連接具有很高的連接強度和很好的密封性能，如圖3所示。

圖3　記憶合金式管接頭

在不降低密封性能及強度的情況下,使用記憶合金接頭，省去了管路端面加工設(shè)備、擠壓設(shè)備及力矩扳手等工具，大大簡化了管接頭安裝的工作量。但是記憶合金管套在安裝前，必須儲存在液氮中,這限制了其應(yīng)用范圍[13]。

記憶合金接頭可以應(yīng)用于13.8～34.5 MPa(2000～5000psi)各級壓力系統(tǒng)中,滿足SAE的AS85421/AS85720/AS18280/AS4459標(biāo)準(zhǔn),美軍標(biāo)MIL-F-18280和MIL-F-85421,以及Northrop的37A050。記憶合金管接頭已經(jīng)廣泛應(yīng)用于Airbus的A320/A340/A350、Boeing的B747/B787/C17和Northrop的B-2等機型中，目前市場上主要由Aerofit和Airdrome公司提供。據(jù)報道，該永久密封形式已經(jīng)保持39年無泄漏的記錄[14]。

2.4熔焊式

熔焊式管接頭是指采用熔焊方式的永久式管接頭。熔焊方法主要有電弧焊、等離子弧焊和激光焊等。熔焊式接頭可分為直接對焊式、T形環(huán)式和承插式等，航空領(lǐng)域較多采用T形環(huán)式熔焊，而套筒連接則是T形環(huán)的擴展形式，如圖4所示。此類熔焊接頭端設(shè)計成T形輪廓，以便與管接頭或管路端面在熔焊前配合，T形環(huán)同時還可以用作熔焊時的填料。熔焊式管接頭具有質(zhì)量輕、體積小、管路封套面最短和連接強度高等特點。

(a)T形環(huán)連接

(b)套筒連接圖4　熔焊式接頭

熔焊接頭焊縫的質(zhì)量直接關(guān)系到接頭的機械強度和耐壓密封性能，但是焊縫質(zhì)量難以通過目視觀察或者使用簡單量具檢測，必須采用X射線或超聲波檢測整條焊縫內(nèi)部質(zhì)量[15-16]，給熔焊接頭的現(xiàn)場安裝應(yīng)用帶來了極大困難，從而限制了其在現(xiàn)代飛機上的使用。目前，航空用熔焊接頭已廣泛使用軌道式自動熔焊設(shè)備，這使得精確控制焊接軌跡成為可能，大大提高了焊接效率和焊接可靠性。

熔焊接頭的設(shè)計符合SAE的AS1576或AS4510標(biāo)準(zhǔn),Boeing的27M107和BPS-F-125,Lockheed的5PTV5401,以及Northrop的37A050,能滿足20.7～34.5 MPa(3000～5000psi)壓力等級的要求[15-16]。由于熔焊接頭的低成本和高可靠性,被廣泛應(yīng)用于早期的軍用和民用飛機。

2.5釬焊式

釬焊接頭連接形式是在接頭管套和管子間添加釬料，通過加熱熔化，依靠毛細(xì)作用或者附加聲波振動，均勻地擴散并填充到接頭管套與硬管之間，經(jīng)低溫冷卻而形成的連接。由于是毛細(xì)作用，接頭管套與管子之間的徑向間隙一般要求在0.05～0.1 mm之間，間隙過小會加大制造裝配工藝難度,間隙過大會使釬料分布不均勻[17]。

釬焊分硬釬焊和軟釬焊,主要以溫度和釬料區(qū)分。硬釬焊加熱溫度高于450℃,使用鋁基、銀基和銅基等高熔點釬料,軟釬焊加熱溫度低于450℃,使用錫基、鉛基和鋅基等低熔點釬料。硬釬焊的使用溫度高、機械強度高,所以航空用釬焊式管接頭一般采用硬釬焊形式。

釬焊接頭典型結(jié)構(gòu)如圖5所示。管套型釬焊接頭的接頭體內(nèi)部加工有預(yù)置焊料的凹槽(用于直接連接兩根管子)，而接頭型釬焊接頭的底部與管端面接觸的位置預(yù)置釬料環(huán)(用于連接管子和轉(zhuǎn)接頭),釬料環(huán)在通過高頻感應(yīng)加熱熔化后均勻地填充在管路和接頭管套間的縫隙，形成永久連接。

(a)管套型

(b)接頭型圖5　釬焊接頭

相比熔焊接頭,釬焊接頭的強度較低，耐熱能力較差，對管路與接頭的同軸度要求很高,釬焊后也需要用X射線檢測或超聲波檢測來觀察焊料的鋪展率。但是，釬焊對母材的理化性能影響小，焊接后應(yīng)力和應(yīng)變較小，可焊接性能差別較大的異種金屬，能同時完成多條焊縫，密封性好,被廣泛應(yīng)用于各類型軍用和民用飛機。釬焊式管接頭需滿足SAE ARP573和MIL-B-7883、Boeing的S7928939和27D0002的要求,其使用壓力可達(dá)20.7 MPa(3000psi)[17-18]。

2.6性能對比

五種永久式管接頭的性能對比如表2所示。

徑向擠壓式、軸向擠壓式和記憶合金式管接頭，均依靠管路和接頭體間的相互擠壓作用力實現(xiàn)高強度機械連接。其中，軸向擠壓式和記憶合金式管接頭均有刃齒結(jié)構(gòu)，安裝后刃齒嵌入管壁，可以形成有效的線-面金屬接觸密封，而徑向擠壓式管接頭安裝后是面-面金屬接觸，密封不可靠，需要附加密封圈來實現(xiàn)可靠密封。同時，刃齒結(jié)構(gòu)也使軸向擠壓式和記憶合金式管接頭的拉脫強度要高于徑向擠壓式管接頭的拉脫強度。由于軸向擠壓式和記憶合金式管接頭具有高效密封和高拉脫強度的特點，故其適用壓力也高于徑向擠壓式管接頭。

表2　永久式管接頭性能對比

注：“++”代表性能很好，“+”代表性能好，“-”代表性能差，“--”代表性能很差，下表同。

熔焊式和釬焊式管接頭通過熱加工實現(xiàn)接頭的安裝，焊縫質(zhì)量難以直觀控制，必須使用X射線或超聲波檢測，令安裝工藝復(fù)雜化，通常需要在部裝廠完成，這限制了熔焊式和釬焊式管接頭的使用。即便如此，釬焊所采用的感應(yīng)加熱方法比熔焊更易保證焊接質(zhì)量，也更簡便。徑向擠壓式、軸向擠壓式和記憶合金式管接頭則可以簡單地通過在管路外壁上作標(biāo)記來判斷接頭是否安裝到位，便于在總裝廠現(xiàn)場安裝。記憶合金式管接頭需要在液氮中儲存，使其便捷性又低于徑向擠壓式和軸向擠壓式管接頭。

在接頭零件數(shù)和質(zhì)量方面，熔焊式管接頭的優(yōu)勢最明顯，所占空間也最小。軸向擠壓式接頭共有三個零件組成，增大了接頭的質(zhì)量和空間。

3　可分離式管接頭

可分離式管接頭是最常用的管接頭，即接頭連接常用螺紋緊固形式，可以反復(fù)拆裝?？煞蛛x式管接頭主要有擴口式、無擴口式和唇密封式三種。

3.1擴口式

擴口式接頭是液壓系統(tǒng)里使用最廣泛的接頭之一，最常用的是37°擴口，其他還有45°、60°和雙錐度擴口等。預(yù)先將管端冷擠壓成喇叭口，配合使用相應(yīng)的螺母和管套，使管子擴口錐面與接頭錐面相互緊貼，形成金屬接觸面-面密封，如圖6a所示。使用管套壓緊管子能避免振動時應(yīng)力集中在管子擴口交界處,分散擴口處的剪切應(yīng)力，增大連接強度。擴口接頭安裝簡單,容易對中,但安裝時必須保證適當(dāng)潤滑。

對于材料比較軟且外徑較小的管子，如鋁合金管，可以將管子擴成雙層擴口[19]。雙層擴口能提高連接的強度,同時雙層擴口表面更光潔,同軸度更高,所以密封效果要比單層擴口好。

由于管端擴口法較難加工壁厚很大或者硬度很高的管子，可以采用機加工的37°內(nèi)錐頭[20]，通過焊接或擠壓等方式永久連接在管端上，從而取消了管套且管子不需要擴口。對于機加工的內(nèi)錐頭，如果直接設(shè)計成37°內(nèi)錐面，加工誤差會導(dǎo)致其與外錐面無法形成可靠的面密封,為了解決這個問題，將內(nèi)錐頭設(shè)計成雙錐度形式，如圖6b所示[21]。雙錐度面的錐度分別為38°～39°和25°,這兩個錐面的交線與擴口接頭37°外錐面接觸，在外錐面中線附近形成一條可靠的線密封，可以防止實際密封位置偏離錐面中間位置而處于外錐面過高或者過低的邊緣位置，以致密封不可靠。

(a)常規(guī)型(b)雙錐度頭圖6　擴口式管接頭

擴口式管接頭早在20世紀(jì)40年代就被應(yīng)用于飛機液壓系統(tǒng)，是航空工業(yè)中應(yīng)用最早的剛性導(dǎo)管連接件，適應(yīng)各種流體介質(zhì)。但其耐壓能力有限，最高設(shè)計壓力為20.7 MPa(3000psi)[22],滿足SAE的AS4841,美軍標(biāo)的MIL-F-5509。

3.2無擴口式

無擴口式管接頭不需要對管子擴口,最大的結(jié)構(gòu)特點是接頭端的24°內(nèi)錐面。無擴口式連接主要有兩種形式：圖7a是管套形式，由無擴口接頭、無擴口管套和螺母三部分組成[23];圖7b是球頭形式,由無擴口接頭、無擴口球形端頭和螺母三部分組成[24]。

(a)管套形式(b)球頭形式圖7　無擴口式管接頭

無擴口式連接主要依靠24°內(nèi)錐面與球形或近似球形曲面直接接觸形成線密封，密封線位置處于零件的較厚部位，避免重復(fù)拆裝后形成較大塑性變形使密封不可靠。管套前端面與管路端面之間留有一段直管，便于保證接頭與管路的同軸關(guān)系，避免彎矩直接作用于管套上；直管段不能過長，需保證管端面與接頭底部臺階有一定的間隙，避免兩者直接接觸而導(dǎo)致密封處接觸不良。而一般工業(yè)用咬入式卡套接頭需管端面直接頂住接頭底部臺階以使卡套刃部受力嵌入管子。

無擴口式接頭耐壓能力比傳統(tǒng)擴口式接頭的耐壓能力高，常用于20.7～34.5 MPa(3000～5000psi)的系統(tǒng)[25-26],設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)SAE的AS18280和AS4444,美軍標(biāo)的MIL-F-18280,Boeing的BPS-F-125。此類接頭具有較高的可靠性,能承受一定的振動和壓力脈動。根據(jù)航空標(biāo)準(zhǔn)(AS18280)要求,接頭在最大或最小扭矩情況下能重復(fù)拆裝8次且不能有泄漏，所以適用于低頻率重復(fù)拆裝使用的場合[25]。

3.3唇密封式

唇密封式管接頭的密封原理與U形唇形密封圈類似，密封結(jié)構(gòu)主要包括密封唇和U形截面結(jié)構(gòu),如圖8所示[27-28]。唇形密封接頭與管路的連接一般采用永久式，如焊接、擠壓等方式。唇形密封接頭連接處會形成兩處可靠的密封，一處是密封唇端部與接頭端面接觸的位置，密封唇類似于彈性懸臂梁，使其具有自緊特性，而U形截面又使其具有自封特性；另一處密封唇底部與接頭端面接觸的位置，依靠螺母與接頭對這個位置的壓緊力實現(xiàn)密封。

(a)擰緊前(b)擰緊后圖8　唇密封式管接頭

安裝唇形密封接頭時，隨著螺母扭矩增大，在密封唇端部首先形成第一處密封，然后在密封唇底部再形成第二處密封。第二處密封結(jié)構(gòu)沒有彈性，能防止因為螺母扭矩過大而造成第一處密封失效，在重復(fù)拆裝使用的場合效果明顯。航空管路連接處通常會受到較強振動和彎曲，第二處密封結(jié)構(gòu)能很好地防止振動和彎曲傳遞到密封唇端部的第一處密封位置，保證密封的穩(wěn)定可靠[29]。為了達(dá)到所需的彈性密封力，密封唇端通常使用高剛度彈性材料。唇形密封接頭端面和螺紋接合面需要用干膜潤滑劑拋光，即使經(jīng)常拆裝也不會破壞密封面。在對清潔度要求較高的地方，可以不用干膜潤滑劑來拋光接頭端面，而是直接處理成粗糙度為8 μm的金屬面[30]。

唇形密封接頭具有極高的密封性能，其系統(tǒng)設(shè)計壓力適用于20.7～55.2 MPa(3000～8000psi)[30-31]，滿足美軍標(biāo)MIL-F-85421和MIL-F-85720、Boeing的27M102和27M107、Northrop的37A050和Rockwell的TFD-82-272。唇密封式管接頭連接形式具有極高的可靠性，能承受劇烈振動和高壓力脈動。根據(jù)AS85421要求，接頭在最大或最小扭矩的情況下能重復(fù)拆裝25次且不能有泄漏，所以適用于低頻率重復(fù)拆裝使用的場合[30-31]。

目前,SAE標(biāo)準(zhǔn)只對唇形密封接頭公頭端有詳細(xì)尺寸要求,對密封唇只提出了基本技術(shù)要求,尺寸由各供應(yīng)商自己設(shè)計決定。唇形密封接頭主要由Parker、Eaton、Airdrome、Aerofit和Permaswage等公司提供。

3.4性能對比

三種可分離式管接頭性能對比如表3所示。

擴口式管接頭依靠管路內(nèi)壁擴口面與接頭外錐面形成面-面接觸密封,耐壓能力較低；無擴口式管接頭依靠管套球面與接頭內(nèi)錐面形成線-面接觸密封，耐壓程度較高；唇密封式管接頭依靠密封唇與接頭錐面形成兩處線-面接觸密封，且密封唇具有自緊效果，耐壓能力最好。無擴口式和唇密封式連接依靠擠壓或焊接等形式永久連接在管路上，拉脫強度顯著高于依靠擴口套和接頭將擴口端夾住的擴口式連接方式。

表3　可分離式管接頭性能對比

可分離式管接頭安裝前都需要預(yù)裝，擴口式管接頭需要預(yù)先擴口，無擴口式管接頭需要預(yù)先安裝管套，唇密封式管接頭需要預(yù)先連接唇形端頭。三種預(yù)裝方式中，擴口式的實現(xiàn)最簡單，其次是無擴口式和唇密封式。

在接頭零件數(shù)和質(zhì)量方面，三種接頭的直通形式均為5個零件，包括2個螺母、1個接頭體和2個管套，質(zhì)量區(qū)別不大。但是，無擴口式和唇密封式可將接頭體預(yù)裝在管路上，比傳統(tǒng)方式可減少近半個接頭體、1個管套和1個螺母。

對于現(xiàn)場安裝，插入尺寸是衡量接頭裝配維護(hù)性能的一個指標(biāo)。插入尺寸過長，拆裝接頭需要很大軸向位移，需要較大的空間才能拆裝此處接頭，如圖9所示?？梢钥闯?，唇形密封接頭的插入深度小，接頭拆裝基本不存在空間不夠的問題，而無擴口式接頭的插入深度大，需要在接頭處留有足夠的空間才能拆裝接頭。

(a)擴口式(b)無擴口式(c)唇密封式圖9　插入尺寸示意圖

4　柱端式管接頭

柱端式管接頭常用來連接管路與內(nèi)螺紋端面油口，主要有六種形式：直螺紋軟密封式、直螺紋硬密封式、延長雙密封式、螺栓式、錐管螺紋式和鎖環(huán)式。

4.1直螺紋軟密封式

直螺紋連接配合軟密封如O形圈，是最常用的柱端接頭形式，如圖10所示[32]。直螺紋起聯(lián)接緊固的作用，受擠壓變形的O形圈起密封作用。直螺紋軟密封式柱端管接頭又可分為兩大類：不可調(diào)向型與可調(diào)向型。不可調(diào)向型一般有堵頭和直通接頭,如圖10a所示,這類接頭安裝時直接擰入油口,不存在接頭轉(zhuǎn)向?qū)R問題。可調(diào)向型一般有彎頭、三通接頭和四通接頭等，如圖10b所示,這類接頭通常需要精確定位幾個端頭的方向。

(a)不可調(diào)向型　　 (b)可調(diào)向型圖10　直螺紋軟密封式柱端接頭

直螺紋軟密封式柱端接頭，其柱端設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)主要有MS33649和AS5202，對應(yīng)端口設(shè)計主要有AS1859、AS930和AS756。除了以上專有的柱端形式外，常用的擴口接頭和無擴口接頭的標(biāo)準(zhǔn)端頭形式也符合柱端形式的設(shè)計，可以直接作為柱端接頭使用。

4.2直螺紋硬密封式

直螺紋硬密封式柱端接頭的六角螺母密封端面設(shè)計有凸緣結(jié)構(gòu),在接頭裝配時，凸緣嵌入到端口密封面形成金屬直接接觸密封，如圖11所示[33]。這種接頭形式不需要橡膠密封圈等復(fù)合材料零件,避免了密封圈等對油液的耐腐蝕性和自身使用溫度的限制，適用于絕大部分流體介質(zhì)，能適應(yīng)很寬的溫度范圍。

圖11　直螺紋硬密封式柱端接頭

4.3延長雙密封式

延長雙密封式柱端接頭是在傳統(tǒng)直螺紋柱端接頭基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，延長了柱端端頭，在突出端設(shè)計了密封結(jié)構(gòu),如圖12所示[34]。延長雙密封式柱端接頭有兩道密封,互為備份,提高了柱端接頭的密封耐壓性能和可靠性,常用于航空泵進(jìn)出口與管路的連接。

圖12　延長雙密封式柱端接頭

4.4螺栓式

圖13　螺栓式可調(diào)向柱端接頭

螺栓式可調(diào)向柱端接頭主要由螺栓接頭、調(diào)向接頭和密封墊圈組成，如圖13所示[35]。與圖10b直螺紋的可調(diào)向型柱端接頭相比，兩者對應(yīng)的柱端端口一致，但是螺栓式可調(diào)向柱端接頭尺寸更小、質(zhì)量更輕。螺栓式可調(diào)向柱端接頭還可以設(shè)計成多段并聯(lián)形式，延長螺栓接頭長度并多開一個孔，將兩個調(diào)向接頭串在螺栓上，形成兩個并聯(lián)的流道，這種形式的特點是兩個調(diào)向接頭的方向都可以在平面上任意調(diào)整。螺栓式可調(diào)向柱端接頭需要兩處密封，增大了接頭泄漏的風(fēng)險，通常用在壓力為20.7 MPa(3000 psi)及以下的系統(tǒng)[34],設(shè)計要求要滿足SAE的AS4875。常用的螺栓式可調(diào)向柱端接頭形式標(biāo)準(zhǔn)主要有NAS551與NAS552，NAS1236與NAS1237，AN775與AN776。

4.5錐管螺紋式

錐管螺紋式柱端接頭的連接采用航空用錐管螺紋(ANPT)，具有結(jié)構(gòu)簡單、裝配方便的特點。在不大于51 mm(2in)時，ANPT螺紋與NPT螺紋的尺寸完全相同；大于51 mm(2in)時，ANPT螺紋的裝配余量為3個螺距，而NPT螺紋為2個螺距。NPTF螺紋為干密封式錐管螺紋，其連接密封的原理是，在沒有潤滑劑或密封填料情況下進(jìn)行螺紋連接時，內(nèi)外螺紋牙的側(cè)面、牙頂和牙底同時接觸并產(chǎn)生輕微變形以形成密封，而NPT/ANPT螺紋為一般用途的錐管螺紋，與NPTF螺紋的區(qū)別在于牙頂和牙底的削平高度不一樣，NPT/ANPT螺紋使用扳手?jǐn)Q緊后，在螺紋大徑和小徑上允許裝配后可能漏氣的情況，所以當(dāng)NPT/ANPT螺紋用于壓力密封時，需要使用合適的密封劑并用扳手?jǐn)Q緊，常用的有聚四氟乙烯密封帶。

ANPT螺紋的設(shè)計符合美軍標(biāo)的MIL-P-7105B和SAE的AS71051B。航空錐管螺紋式管接頭的設(shè)計壓力是20.7 MPa(3000psi),可用于各種介質(zhì)的系統(tǒng)，包括液壓油、燃油和潤滑油等，需要滿足SAE的AS4842標(biāo)準(zhǔn)[36]。

4.6鎖環(huán)式

鎖環(huán)式柱端接頭是一種可以不使用銷鍵或者防松鋼絲就能實現(xiàn)高效自鎖的接頭，它由鎖環(huán)和接頭體兩部分組成，如圖14所示[37-38]。接頭體一端為柱端形式端頭，另一端為常用可分離接頭形式的端頭，接頭體中部為花鍵結(jié)構(gòu)。鎖環(huán)是一個內(nèi)部為內(nèi)花鍵、外部為外花鍵的金屬環(huán)。擰緊接頭后，將鎖環(huán)外花鍵壓入油口內(nèi)花鍵，鎖環(huán)內(nèi)花鍵與接頭體外花鍵嚙合，使接頭相對于油口固定，避免振動造成接頭旋轉(zhuǎn)松動[37]。

圖14　鎖環(huán)式柱端接頭

為使鎖環(huán)能起防松作用，還需要限制鎖環(huán)軸向移動(通過設(shè)計對應(yīng)的螺母實現(xiàn))。螺母頂住鎖環(huán)外端面，固定鎖環(huán)軸向位置，同時還能防止旋轉(zhuǎn)螺母扭矩過大。鎖環(huán)接頭密封結(jié)構(gòu)由錐面金屬接觸密封和O形密封圈兩部分組成，其中錐面金屬接觸密封起主要作用，O形密封圈作為備份使用[38]。相比常規(guī)MS/AS接頭，鎖環(huán)式柱端接頭高度更低，封裝尺寸更小，設(shè)計緊湊。

鎖環(huán)式柱端接頭的外端頭可以設(shè)計成各種可分離式端頭，由于其高可靠性，系統(tǒng)壓力可以達(dá)到20.7～55.2 MPa(3000～8000psi),常與唇密封式管接頭配合使用。目前主要供應(yīng)商有Alcoa、Shur-Lok公司。

4.7性能對比

六種柱端式管接頭性能對比如表4所示。

表4　柱端式管接頭性能對比

柱端式管接頭根據(jù)密封材料可分為三類：直螺紋軟密封式、延長雙密封式和錐管螺紋式屬于橡膠軟密封類，直螺紋硬密封式和螺栓式屬于金屬密封類，鎖環(huán)式屬于混合密封類。柱端式管接頭的耐壓能力主要取決于密封形式，無論是橡膠軟密封還是金屬硬密封，均可以通過設(shè)計不同密封結(jié)構(gòu)或更換密封材料滿足不同壓力級別需求。

金屬硬密封雖然密封性能相對軟密封的差,但對各類油液敏感度低、耐腐蝕性好、耐高溫，所以直螺紋硬密封式、螺栓式和鎖環(huán)式柱端管接頭的可靠性比較高。延長雙密封式和鎖環(huán)式柱端管接頭均有兩處密封互為備份，提高了接頭的可靠性。鎖環(huán)式柱端管接頭的鎖環(huán)具有高效自鎖防松作用，進(jìn)一步增加了可靠性。

在可調(diào)向柱端式管接頭中，螺栓式可調(diào)向型比帶調(diào)節(jié)螺母的可調(diào)向型更便于安裝，而且螺栓式調(diào)向端頭可以多個并聯(lián)且朝向任意角度。但是螺栓式柱端接頭有兩處泄漏通道，降低了接頭的可靠性。

目前，直螺紋軟密封式柱端管接頭，憑借其簡單可靠的特點，易于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，一直是最常用的形式。鎖環(huán)式柱端管接頭由于其高可靠性和高耐壓能力也逐漸推廣應(yīng)用。

5　討論

永久式、可分離式和柱端式管接頭根據(jù)各自不同的特點應(yīng)用于不同的場合。永久式和可分離式管接頭主要用于管路連接，柱端式管接頭主要用于內(nèi)螺紋油口與管路的連接。其中，永久式管接頭質(zhì)量小、體積小、可靠性高，適用于定型量產(chǎn)機型中工況較好且不需要拆卸的位置；可分離式管接頭便于現(xiàn)場安裝和拆裝維護(hù)，適用于各類需要吸收安裝誤差、低頻率拆卸維護(hù)的元件和管路附近的位置。

對于不同的系統(tǒng)壓力等級，根據(jù)現(xiàn)有機型的管接頭選型，將管接頭推薦選型整理如表5所示。

表5管接頭選擇推薦

設(shè)計壓力Pd/MPaPd/psi永久式可分離式柱端式典型機型20.73000徑向擠壓式、軸向擠壓式、記憶合金式無擴口式、唇密封式直螺紋軟密封、鎖環(huán)式F-16A32027.64000徑向擠壓式、軸向擠壓式、記憶合金式無擴口式、唇密封式直螺紋軟密封、鎖環(huán)式RafaleC-1734.55000軸向擠壓式、記憶合金式唇密封式鎖環(huán)式V22F/A18E/FA38055.28000記憶合金式唇密封式鎖環(huán)式LHSHTTB

就目前航空管接頭的發(fā)展趨勢看，徑向擠壓式、軸向擠壓式和記憶合金式永久式管接頭,無擴口式和唇密封式可分離式管接頭、鎖環(huán)式柱端接頭憑借可靠性高、裝配過程簡易等優(yōu)點已成為航空接頭的應(yīng)用主流。隨著國際航空管接頭技術(shù)的發(fā)展，航空液壓接頭正向高壓化、輕量化方向發(fā)展，使用復(fù)合材料的航空管接頭也在研究發(fā)展中。

國內(nèi)過去對航空液壓管接頭的研究重視不夠，導(dǎo)致我國在該領(lǐng)域遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家，主要表現(xiàn)為：以熔焊式和釬焊式為主的永久式管接頭、以擴口式為主的可分離式管接頭占據(jù)我國軍機液壓管接頭的主流地位，其標(biāo)準(zhǔn)體系處于前蘇聯(lián)20世紀(jì)70年代水平；制造商以國內(nèi)軍用航空制造廠為主，生產(chǎn)成本低；相比國外先進(jìn)航空接頭，耐壓等級低、可靠性差。在民用飛機領(lǐng)域，傳統(tǒng)國產(chǎn)航空管接頭性能及標(biāo)準(zhǔn)均落后，難以達(dá)到國際民航適航取證的要求；我國自行研制的客機ARJ21和C919所用液壓管接頭只能全部進(jìn)口美國Eaton、Parker和Aerofit等公司的成熟產(chǎn)品及其配套裝配設(shè)備，價格昂貴。

國家正在大力發(fā)展航空運輸業(yè)，航空液壓管接頭性能的好壞直接影響飛機液壓系統(tǒng)及飛機本身的安全性，因此先進(jìn)航空液壓管接頭在材料、制造、維護(hù)等多方面均有很大的應(yīng)用市場。國內(nèi)飛機研制單位已經(jīng)意識到我國在液壓管接頭研究能力方面的不足，正在努力引進(jìn)國際上先進(jìn)的航空液壓管接頭(如以擠壓式和記憶合金式為主的永久式管接頭，以無擴口式和唇密封式為主的可分離式管接頭)，并逐步建立相應(yīng)的國產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)體系。目前成都飛機工業(yè)集團(tuán)、洪都航空工業(yè)集團(tuán)等國內(nèi)飛機制造單位已經(jīng)在殲-10、直-9等飛機上應(yīng)用了無擴口式管接頭，飛機液壓系統(tǒng)可靠性得到很大提高；而記憶合金式管接頭等還處于研究試驗階段，尚達(dá)不到在飛機上批量使用的水平。先進(jìn)航空液壓管接頭對材料性能、加工和裝配工藝的要求極高，因此其制造成本相較于傳統(tǒng)液壓管接頭高很多。隨著我國航空液壓管接頭在設(shè)計、材料、制造、維護(hù)等方面能力的提高，我國航空液壓管接頭的研制水平會逐步趕上國際前沿，并帶動一批新型航空液壓管接頭及其生產(chǎn)設(shè)備的發(fā)展。

6　結(jié)語

航空液壓管接頭是影響飛機安全的重要元件之一，高可靠、輕量化的管接頭是飛機安全性、經(jīng)濟(jì)性的重要保障。本文系統(tǒng)性地分析了目前各類航空液壓管接頭的性能及其特點，比較了三大主要管接頭的優(yōu)缺點及應(yīng)用范圍，指出了我國在該領(lǐng)域與國際水平之間存在的差距。振興中國的航空業(yè)，必須重視航空液壓管接頭等基礎(chǔ)元件的研制開發(fā)，從材料、設(shè)計、工藝和生產(chǎn)設(shè)備、試驗驗證等方面開展深入研究。

[1]ARP 994A Recommended Practice for the Design of Tubing Installations for Aerospace Fluid Power Systems[S].Warrendale,PA:SAE,2012.

[2]《飛機設(shè)計手冊》總編委會. 飛機設(shè)計手冊第2冊:標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)件[M].北京:航空工業(yè)出版社,2005.

[3]Airdrome Precision Components.Externally Swaged Fitting[EB/OL].[2014-07-10].http://www.airdrome.com/web/user_content/sps/airdrome/documents/catalogh.pdf.

[4]Permaswage.Mechanically Attached Aircraft Tube Connecting System[EB/OL].(2010-07-21)[2014-7-21].http://www.nihon-deutsch.co.jp/products/dat/permaswage/permswage.pdf.

[5]AS 5902 Installation of Externally Swaged Fittings[S].Warrendale,PA:SAE,2002.

[6]AS 4459B Fittings, Tube,Fluid System,3000 psig (21 000 kPa) Rated Pressure,Externally Swaged,Specification for[S].Warrendale,PA:SAE,2013.

[7]Eaton Aerospace Group.Rynglok Hydraulic Tube Fitting System[EB/OL].(2013-5-23)[2014-7-03].

http://www.eaton.com/ecm/groups/public/@pub/@eaton/@aero/documents/content/Pct_222937.pdf.

[8]AS 5959B Axially Swaged Fittings,Installation and Inspection Procedure[S].Warrendale,PA:SAE.2013.

[9]Hyatt A J,Hsieh B K,Hensley C W,et al.Axially Swaged Fitting with Composite Swaging Ring:US,5303958[P].1991-10-31.

[10]Irwin J P,Rorabaugh M E,Johnson B A,et al.Axially Swaged Fitting:US,2012/0280498A1[P].2011-05-04.

[11]Eaton Aerospace Group.“H” Repair Fitting and Kit[EB/OL].(2013-04-19)[2014-06-28].http://www.eaton.com/ecm/groups/public/@pub/@eaton/@aero/documents/content/ct_227805.pdf

[12]AS 5958E Fittings, Axially Swaged Tube with Flareless Separable,Fluid System for Operating Pressures up to and including 5080psi (35 000 kPa),Specification for[S].Warrendale,PA:SAE,2013.

[13]莫華強.Tininb形狀記憶合金的性能研究及其作為中溫管接頭的優(yōu)化設(shè)計[D].成都:四川大學(xué),2003.

[14]Areofit,LLC.Shape Memory Alloy Fluid Fitting System[EB/OL].(2009-11-12)[2014-07-22]. http://www.aerofit.com/assets/smabook11-08.pdf .

[15]AS 1576D Fittings, Welded, Hydraulic, Titanium,and Corrosion Resistant Steel and Nickel,3000psi Hydraulic[S]. Warrendale,PA:SAE,2012.

[16]AS 4510 Fittings, Weld, Fluid Connection, 5000 psi[S].Warrendale,PA:SAE,1996.

[17]萇葆荃.導(dǎo)管焊接接頭設(shè)計[J]. 火箭推進(jìn),2001(2):23-26.

Chang Baoquan.Design of Welding Pipe Joints[J].Journal of Rocket Propulsion,2001(2):23-26.

[18]ARP 573D Silver,Copper and Nickel Alloy Brazed Joints for Aerospace Propulsion Systems [S].Warrendale,PA:SAE,2001.

[19]AS 33583 Tubing End Double Flare,Standard Dimensions for[S].Warrendale,PA:SAE,1997.

[20]AS 4325A Fitting End, Conical Design Standard[S].Warrendale,PA:SAE,2014.

[21]A S 1708E Fitting End, Internal Flare, Design Standard[S]. Warrendale,PA:SAE,2013.

[22]AS 4841A Fittings, 37° Internal Flare,Fluid Connection,Procurement Specification[S].Warrendale,PA:SAE,2012.

[23]AS 5529 Sleeve,Flareless Tube Fitting,Internally Swaged[S].Warrendale,PA:SAE,2006.

[24]AIAA.NAS 1760 Fitting End,Flareless Acorn,Standard Dimensions for[S].Arlington,VA:AIAA Inc.,2011.

[25]AS 18280E Fittings，24° Cone Flareless,Fluid Connection,3000psi[S].Warrendale,PA:SAE,2010.

[26]AS 4444 Fittings,24° Cone Flareless, Fluid Connection,5000 psi[S].Warrendale,PA:SAE,1996.

[27]AS 4207A Fitting End ,External Thread,Beam Seal,Design Standard[S].Warrendale, PA:SAE,1996.

[28]AS 4209B Fitting End Assembly,Internal Thread, Retained Nut, Beam Seal,Design Standard[S].Warrendale,PA:SAE,1997.

[29]Parker Hannifin Corporation.Dynatube Fittings for the Aerospace Industry [EB/OL].(2007-01-19)[2014-07-24].http://www.parker.com/literature/Stratoflex Products Division/SPD Literature Static Files/SPD 106-DYNATUBE.pdf

[30]AS 85421A Fittings, Tube,Fluid Systems,Separable,Beam Seal,3000/4000 psi,General Specification for[S].Warrendale, PA:SAE,2007.

[31]AS 85720A Fittings, Tube, Fluid Systems, Separable, High Pressure Dynamic Beam Seal,5000/8000psi,General Specification for[S].Warrendale,PA:SAE,2008.

[32]AS 758B Fittings - Installation in Straight Threaded Boss[S].Warrendale,PA:SAE,1989.

[33]ARP 618A Boss Fittings,Metal Seal,Fluid Systems:General Requirements for[S].Warrendale, PA:SAE,1988.

[34]ARP 994A Recommended Practice for the Design of Tubing Installations for Aerospace Fluid Power Systems[S].Warrendale,PA:SAE,2012.

[35]U. S. Department of Defense. MS 21345A Fitting,Installation of Universal Elbow[S].Washington, DC: U.S. Department of Defense,1984.

[36]AS 4842 Fittings and Bosses, Pipe Threaded,Fluid Connection[S].Warrendale,PA:SAE,1995.

[37]AS 1959 Insert-Ring Locked, Fluid Connection Port Design,Installation and Removal of[S].Warrendale,PA:SAE,2000.

[38]Shur-Lok Corporation.Sta-Lok Fluid Fittings[EB/OL].(2003-08-12)[2014-07-09].http://www.shur-Lok.Com/Product_Dls/Fittingscatalog.pdf.

(編輯王旻玥)

Overview of Aviation Hydraulic Fittings

Ouyang Xiaoping1Fang Xu1Zhu Ying2Wang Kai3Yang Huayong1

1.State Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control,Zhejiang University,Hangzhou,310027 2.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Aero Electromechanical System Integration,Nanjing,211100 3.China Aviation Industry Electromechanical Systems Corporation,Beijing,100164

The aviation hydraulic fitting is one of the most important components which directly affects the safety and reliability of aircrafts.A comprehensive overview was intended to introduce the general features of the aviation hydraulic fittings.The performance of three main types of aviation hydraulic fittings was demonstrated, including permanent fittings,separable fittings and boss fittings.The structure,principles,applications,design standards and suppliers of each type were illustrated.The characteristics of each main type fitting such as pressure resistance,pull-off strength,weight and installation,were analyzed and compared.The recommended selections of aviation hydraulic fittings for different pressure levels were summarized.Finally,the developing prospect of aviation hydraulic fittings was given, and the large distance in the aviation hydraulic fittings between China and the international advanced level was pointed out.

aviation;hydraulic fitting;permanent;separable;boss

2015-02-13

國家自然科學(xué)基金資助項目(51275450)；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2014CB046403);浙江大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費專項基金資助項目(2013FZA4004)

TH137DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.16.023

歐陽小平，男，1974年生。浙江大學(xué)流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室副教授。主要研究方向為航空液壓、電液控制、外骨骼機器人。發(fā)表論文20余篇。方旭,男,1989年生。浙江大學(xué)流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室博士研究生。朱瑩，女，1964年生。航空機電系統(tǒng)綜合航空科技重點實驗室研究員。王鍇,男,1973年生。中航工業(yè)機電系統(tǒng)股份有限公司高級工程師。楊華勇，男，1961年生。浙江大學(xué)流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室教授、博士研究生導(dǎo)師，中國工程院院士。