郝苒杏，張黎源，高志廣

（核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180）

0 引言

近年來，隨著我國核工業(yè)和航天的迅速發(fā)展，某些試驗須在特殊環(huán)境（如放射性[1]、宇航[2]等環(huán)境）中開展，而通水通電是試驗開展的必備條件，目前水電連接常采用連接器快插形式連接，通過人工將多個水電連接器分別斷開，與之相連的試驗組件可作為一個整體移出維修或更換。這種操作方式會產(chǎn)生一定的安全危害，一方面是環(huán)境危害（如放射性[3]、易燃易爆等）；另一方面是操作不當(dāng)對人體造成的危害（如水壓泄壓不完全、電連接器漏電等）。

對此課題組開發(fā)了一種多路水電混用快速插拔系統(tǒng)，可自動實現(xiàn)多路水電的快速同時插拔，代替人工操作，避免環(huán)境和操作不當(dāng)?shù)葘θ梭w造成的危害，同時水電連接斷開實現(xiàn)自動化后，連接的試驗組件可通過自動化設(shè)備轉(zhuǎn)運移出、維修和更換，實現(xiàn)全流程自動操作，達到某些特殊環(huán)境下無人操作的功能。

1 應(yīng)用場景

如圖1所示，為目前多采用的水電連接方式，多個水、電管線通過快速連接器連接，通過人工操作實現(xiàn)連接與斷開，從而實現(xiàn)連接組件的試驗、維修或更換操作等。

圖1 人工操作試驗組件的水電連接

本課題組參與某項目中典型應(yīng)用場景如圖2所示，試驗組件與主體設(shè)備完成對接，需依靠人工完成3組電路連接、2組水路連接，從而可開展試驗；如果試驗組件測試發(fā)生故障，需依靠人工將水、電連接斷開，并通過自動化將試驗組件轉(zhuǎn)移出去完成維修，維修完成后可再利用自動化安裝使用。由于水電連接與斷開不是自動操作，導(dǎo)致該操作仍需要人工進行，某些特殊環(huán)境還會對人體造成損害。

圖2 研究課題的典型應(yīng)用場景

圖3 選用的電連接器結(jié)構(gòu)

為替代水電連接人工操作，實現(xiàn)全流程無人化操作，課題組針對該場景下問題開發(fā)了多路混用快速插拔系統(tǒng)，可實現(xiàn)多路水、電自動快速連接與斷開的功能。設(shè)計要求包括：1）水路一進一出，共2路，通徑為12 mm，工作壓力為0.3 MPa；2）電路，共3組，工作電流為5 A，每路不少于10芯；3）具備浮動對接功能，對接應(yīng)允許具有一定的位置偏差。

2 方案設(shè)計

依據(jù)設(shè)計要求，擬采用的解決思路是：選用或設(shè)計匹配的電連接器和流體連接器，將其插頭和插座兩部分分別固定在兩塊金屬板上，在金屬板上分別安裝導(dǎo)向柱和導(dǎo)向套，用以引導(dǎo)電連接器和流體連接器的插合，電連接器和流體連接器均為直插直拔形式，無自鎖功能，流體連接器在帶壓插接過程中無泄漏。兩塊金屬板分別構(gòu)成動板和定板，定板與試驗組件組裝為一體，動板與運動驅(qū)動機構(gòu)構(gòu)成一體，運動驅(qū)動機構(gòu)采用電動機驅(qū)動絲杠形式推動動板完成與定板的對接，依靠驅(qū)動實現(xiàn)連接器的鎖定與解鎖。整個過程可實現(xiàn)自動操作。

2.1 電連接器選用

電連接器主要用于試驗組件的電路連接，依據(jù)設(shè)計要求，選用國內(nèi)某成熟品牌，額定電流達10 A，共37芯，滿足設(shè)計要求。插頭選擇安裝在動板上，插座選擇安裝在定板上，通過4個端部的螺栓進行固定。

2.2 流體連接器設(shè)計

通常情況下流體斷開前，關(guān)閉進水閥門來阻斷流量，但由于管線較長等原因，管路中會存在部分壓力和水量，使用市場上常規(guī)的連接器斷開時，會有部分水噴灑，無法滿足使用要求。為此需設(shè)計一種帶壓插拔無泄漏的直插直拔式流體連接器，通過運動機構(gòu)來實現(xiàn)連接器的對接和鎖定。課題組提供的滿足該要求的流體連接器結(jié)構(gòu)如圖4所示。流體連接器為雙端密封結(jié)構(gòu)，帶壓插拔過程中無泄漏，是該系統(tǒng)中關(guān)鍵部件。流體連接器包括插頭和插座兩部分結(jié)構(gòu)，插頭由殼體、彈簧、閥瓣、膠圈組成，插座由殼體、內(nèi)層膠圈、外層膠圈、閥桿、彈簧組成。流體連接器設(shè)計了雙流道密封結(jié)構(gòu)，在插合過程中，外層膠圈一直保持密封，防止液體向外泄漏，滿足帶壓插拔要求。而內(nèi)部通過閥瓣和閥瓣的相對運動，形成液體流道，從而實現(xiàn)通水需求，同時滿足密封要求[4-6]。

圖4 流體連接器結(jié)構(gòu)示意

流體連接器插合原理和過程如圖5所示，在未插合狀態(tài)下，插頭和插座各自通過膠圈密封，在插頭進入插座過程中，插頭外表面擠壓插座外層膠圈，保證在插合過程中含壓力的液體無法滲出，而內(nèi)部閥瓣和閥桿在相對運動，慢慢形成內(nèi)部流道，待流體連接器完全插合到位后，形成了一套內(nèi)部流道，液體可順利通過，外部仍然保持密封狀態(tài)，通過該技術(shù)手段可以實現(xiàn)液體帶壓插拔無泄漏的技術(shù)難題。

圖5 流體連接器工作原理

2.3 導(dǎo)向設(shè)計

為了實現(xiàn)動板和定板中的多個數(shù)量的電連接器和流體連接器的精確對接，設(shè)計了兩組對接導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，包括導(dǎo)柱和導(dǎo)套兩部分結(jié)構(gòu)，導(dǎo)柱安裝在動板上，導(dǎo)套安裝在定板上。結(jié)構(gòu)上分兩級階梯進行設(shè)計，以便適應(yīng)較大的動板與定板位置偏差。導(dǎo)向結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 導(dǎo)向結(jié)構(gòu)

導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的長度設(shè)計主要考慮電連接器和流體連接器等的對接先后順序，如圖7所示，很顯然應(yīng)首先讓導(dǎo)柱和導(dǎo)套完成配合，其次才是流體連接器和電連接器的對接，并將兩組導(dǎo)柱和導(dǎo)套安裝至動板和定板的對角，以保證整板的配合對接，從而實現(xiàn)連接器的準(zhǔn)確對接，保障連接器使用安全，提高使用壽命。

圖7 導(dǎo)向、連接器插合順序

2.4 布局設(shè)計

由于定板與試驗組件組裝為一體，為簡化試驗組件與定板的連接結(jié)構(gòu)，將試驗組件的兩組水接頭位置對應(yīng)到定板中，同時，為保持插拔過程中力的平衡，在流體連接器的對角安裝3組電連接器，如圖8所示。中間位置預(yù)留設(shè)備固定支撐位置，用以支撐固定定板或動板，在插拔板兩端安裝各一組到位檢測傳感器，用來檢測定板與動板是否插合到位。

圖8 插拔板布局設(shè)計

2.5 浮動對接設(shè)計

插拔板定板與試驗組件一體為活動組件，在自動轉(zhuǎn)移過程中其插拔位置可能存在微小變化，而動板的驅(qū)動機構(gòu)與設(shè)備框架固定，為固定組件，其插拔位置相對固定，為了適應(yīng)兩者位置偏差，設(shè)計一定的浮動結(jié)構(gòu)可提高設(shè)備運行壽命[8]。課題組在動板相應(yīng)位置上設(shè)計了浮動對接結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。浮動對接結(jié)構(gòu)用于連接推力機構(gòu)和動板，包括4組柔性組件、4組固定環(huán)、4組緊固螺釘，以及連接板等，其中柔性組件包括螺柱、碟簧組件、上下碟簧擋塊等結(jié)構(gòu)組成。

柔性組件一端與連接板相連，另一端與動板相連，由于驅(qū)動機構(gòu)與連接板連接方式為剛性連接，在動板與定板對接過程中，柔性組件發(fā)揮柔性調(diào)節(jié)作用，4組柔性組件的螺桿與動板均存在調(diào)整間隙D，間隙D為3 mm，因此在X、Y方向即平行于動板或定板方向有±3 mm的偏差調(diào)整量，如圖10所示。

圖10 平面方向浮動原理

而插拔板法向也就是Z軸方向，通過可壓縮的4組碟簧組件，在一定的推力作用下，Z軸方向具有不小于1 mm的調(diào)整量，同時可進行±0.5°的角度偏差調(diào)整量，在動板和定板出現(xiàn)角度偏差，或驅(qū)動機構(gòu)到位行程出現(xiàn)偏差的情況下，可有效保護動板與定板的設(shè)備安全，防止由于位置偏差插拔造成動板與定板的導(dǎo)向、連接器等結(jié)構(gòu)的損壞。

2.6 集成設(shè)計

將插拔板安裝于系統(tǒng)中，如圖11所示，采用電動機驅(qū)動絲杠等結(jié)構(gòu)，使動板與定板完成對接與分離，完成自動化設(shè)計，結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖11 法向方向浮動原理示意

圖12 系統(tǒng)集成

3 測試試驗

將采購或加工完成的電連接器、流體連接器、導(dǎo)向結(jié)構(gòu)、插拔板、浮動對接結(jié)構(gòu)等組裝為一套插拔板樣機產(chǎn)品，為測試驗證產(chǎn)品使用效果，針對該產(chǎn)品設(shè)計了測試試驗機，原理及結(jié)構(gòu)示意如圖13所示。測試試驗機結(jié)構(gòu)主要包括插拔板、推力傳感器、電缸、水路自循環(huán)給壓裝置、控制系統(tǒng)等。水路自循環(huán)給壓裝置采用市場上現(xiàn)有產(chǎn)品，分別與插拔板定板和動板流體連接器端接，構(gòu)成兩進兩出回路，通過控制系統(tǒng)以給定水壓如0.3 MPa實現(xiàn)兩回路水循環(huán)，可以模擬帶壓插拔。電連接器通過線纜連接至控制系統(tǒng)，可檢測插合狀態(tài)下的通斷情況，模擬通電操作。兩個傳感器連接至控制系統(tǒng)，通過傳感器通斷情況可判斷是否插合到位。通過控制系統(tǒng)自動程序可實現(xiàn)電缸往復(fù)插拔運動，模擬插拔板插接與斷開，同時在電缸和動板連接位置設(shè)置壓力傳感器，用于檢測電缸推力，并設(shè)置推力上限值，用于診斷插合或斷開過程中的推力奇點或超限報警，避免損壞設(shè)備。

圖13 測試試驗機結(jié)構(gòu)及原理

組裝完成的測試試驗機實物如圖14所示。

圖14 測試試驗機實物

設(shè)置循環(huán)水路工作水壓為0.3 MPa，運動速度設(shè)置為8 mm/s，運動過程中監(jiān)測推力大小[7]，從而可得到整個運動過程中推力曲線，如圖15所示。

圖15 插拔測試推力曲線

推力中有兩個突增點（稱為奇點），均發(fā)生在插合過程中，粗導(dǎo)向進入時，由于動板與柔性結(jié)構(gòu)之間存在間隙D，會將動板抬起，導(dǎo)柱和導(dǎo)套摩擦造成了推力的增大，即產(chǎn)生第一個奇點。隨著粗導(dǎo)向進入，動板與定板完成配合，推力變小，當(dāng)二級導(dǎo)向完全進入時，導(dǎo)柱和導(dǎo)套配合產(chǎn)生較大摩擦力，推力又會急劇增大，即產(chǎn)生奇點2。而插拔板插合到位后，在行程一定情況下，柔性組件產(chǎn)生一定的壓縮力，推力會有小幅陡升，為整個插合過程中推力峰值。分離過程中，導(dǎo)向與導(dǎo)套分離，為卸力過程，推力持續(xù)下降。

通過分析，整個插合過程的推力主要包括3組電連接器插合阻力、2組流體連接器（含水壓）插合阻力、4組柔性組件壓縮阻力、2組導(dǎo)向結(jié)構(gòu)插合阻力，從推力曲線圖中可以看出，奇點2到峰值之間流體連接器和電連接器插合力基本穩(wěn)定，因此整個過程中對推力影響最大的就是導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，研究得到導(dǎo)柱與導(dǎo)套的配合間隙直接影響推力大小。為找到較優(yōu)的配合間隙，加工5套不同尺寸的導(dǎo)套、導(dǎo)柱，導(dǎo)套與導(dǎo)柱直徑差分別為0.30、0.25、0.20、0.15、0.10 mm，分別安裝在該套樣機產(chǎn)品中，運行參數(shù)設(shè)置為一致，分別進行插拔測試各20次，記錄-140 mm（奇點2）位置和到位（峰值）位置的推力值。20次推力取均值后得到導(dǎo)柱、導(dǎo)套間隙尺寸與兩個推力值的曲線圖，如圖16所示。

圖16 推力與導(dǎo)向配合間隙關(guān)系曲線

從圖中可以看出，配合間隙越小，奇點2推力值越小，這是由于配合間隙變大后，動板與定板配合所需要的力變小。而峰值推力在配合間隙0.2 mm時最小，這是由于配合間隙增大后，導(dǎo)致動板與定板對接過程中，多個流體連接器和電連接器對接出現(xiàn)微小角度偏差，會造成插合過程中推力增大。綜合來看，為實現(xiàn)插合過程推力較小，插合過程順暢，設(shè)置導(dǎo)柱和導(dǎo)套配合間隙為0.2 mm。

保持水路0.3 MPa的工作壓力，帶水壓進行長時間超過2000次插拔測試，插接、分離過程未發(fā)生液體滴漏，電信號通斷正常，到位傳感器檢測正常，推力大小基本保持在320 N附近，個別點因偶然因素有較大跳動，樣機產(chǎn)品功能測試正常，水路無泄漏，電路連接正常，產(chǎn)品穩(wěn)定性和安全性較高。

4 結(jié)論

水電連接與斷開的人工操作對人體具有一定概率的安全危害，為實現(xiàn)自動化操作，課題組設(shè)計了一種多路水電混用快速插拔系統(tǒng)。提出了一整套的技術(shù)解決思路，結(jié)構(gòu)主要包括流體連接器、電連接器、導(dǎo)向、浮動對接結(jié)構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、控制系統(tǒng)等，解決了流體帶壓插拔的技術(shù)難題，設(shè)計了浮動對接結(jié)構(gòu)，在一定位置偏差情況下仍能夠精確對接，滿足設(shè)計要求。

圖17 2000次運行推力曲線

為測試樣機產(chǎn)品使用效果，研發(fā)了測試試驗機，經(jīng)測試，得到了導(dǎo)向較優(yōu)的配合間隙尺寸，有效地降低了所需要的推力。2000次運行考核中，產(chǎn)品運行平穩(wěn)，未發(fā)生故障，試驗證明該產(chǎn)品可實現(xiàn)水電的自動連接與斷開的功能，性能可靠。通過研發(fā)該產(chǎn)品，該技術(shù)可擴展應(yīng)用到其他場景（如水、電、氣、熱電偶[9]、光纖[10]等）多種形式、多種數(shù)量的混用連接系統(tǒng)中，有效提高全流程的自動化水平，具有廣闊的市場前景。