CN100406799C - 流体接头及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种流体接头及其设计方法，其中，垫圈(4)的突起(7)的截面形状呈梯形，该梯形由成为外周面的缩径锥形面(7a)、成为内周面的扩径锥形面(7b)及成为前端面的平坦面(7c)划分而成。垫圈(4)的硬度、突起(7)的锥形面(7a、7b)之间的夹角角度、突起高度及突起前端的平坦面(7c)的面积设定为使紧固接头时的推力值处于规定的最小值与最大值之间。
Description
技术领域
本发明涉及流体接头，特别是涉及通过使存在于接头部件间的垫圈变形来获得密封性流体接头及其设计方法。
背景技术
在现有技术里，在由本申请人公开的日本特开平09-032984号公报(各图，特别是图14～17)中公开的流体接头，包括：具有相互连通的流体通路的第1及第2接头部件、夹设于两接头部件的对接端面间的有孔圆板状的垫圈、结合两接头部件的螺纹机构，在第1及第2接头部件的对接端面上设有用于推压垫圈的环状突起。另外，在上述公报中还公开了如下内容，即，在第1及第2接头部件的对接端面上分别设有具有平坦底面的环状凹处，在由两接头部件凹处形成的垫圈收纳空间内配置有环状垫圈，在该环状垫圈的两侧面上设有环状突起。
在上述现有技术的流体接头中，要求在包括镜面加工在内的工序中对具有用于推压垫圈的环状突起的接头部件的端面进行高精度加工，因而存在对有突起的端面进行加工花费工时，妨碍接头整体的制造工程的合理化的问题。因此，考虑使用在垫圈的两侧面上设有环状突起的类型，然而关于垫圈的形状，人们以往没有进行过详细的考察，特别是关于垫圈上所设有的突起的形状仍然停留在可以是各种类型的程度上，而从未对突起形状进行过细致研究。
发明内容
本发明的目的在于，设计一种包括垫圈的形状在内的、接头部件间适当的密封构造，由此来提供一种流体接头及其设计方法，其能够使其密封性和耐久性两方面都得到提高。
本发明的流体接头包括：具有相互连通的流体通路的第1及第2接头部件、介于两接头部件的对接端面间的垫圈、结合两接头部件的螺纹机构，在各接头部件端面上分别设有具有平坦底面的环状凹处，在由两接头部件的凹处形成的垫圈收纳空间内配置有环状垫圈，在垫圈的两侧面上设有环状突起，其特征在于，垫圈的突起的截面形状呈梯形，该梯形由以下3个面划分而成，即，成为外周面的锥形面、成为内周面的锥形面及成为前端面的平坦面，上述成为外周面的锥形面随着朝向突起顶端去其直径逐渐缩小(以下称为缩径锥形面)，上述成为内周面的锥形面随着朝向突起顶端去其直径逐渐增大(以下称为扩径锥形面)。
本发明的流体接头不但能用作连接各管之间的管接头，还能用作将具有流体路径的各块状部件之间流体密封性接合时的结构。
采用本发明的流体接头，由于垫圈的突起的截面形状做成梯形，所以可变更的要素有3个：锥形面之间的夹角角度、突起的高度、及突起前端的平坦面面积，这种流体接头与只有两个要素可变更的突起，即，锥形面之间的夹角角度及突起的高度这两个要素可变更的截面呈三角形的突起、或只有突起的宽度及突起的高度这两个要素可变更的截面呈矩形的突起相比，能够增加其设计的自由性、确保更高水平的密封性和耐久性。
最好是将垫圈的硬度、突起的锥形面之间的夹角角度、突起高度及突起前端的平坦面的面积设定成使紧固时的推力值处于规定的最小值与最大值之间。这样做可切实地兼顾密封性和耐久性。
而且，最好是垫圈的环状突起的缩径锥形面与扩径锥形面间的夹角角度α为50～130°，这样做可使例如以α＝90°为基准，通过求出包括α＝60°及120°在内的不同夹角角度时的推力，能够容易地得到适当的垫圈突起形状。
本发明的流体接头的设计方法，其设计的流体接头包括：具有相互连通的流体通路的第1及第2接头部件、介于两接头部件的对接端面间的垫圈、结合两接头部件的螺纹机构，在各接头部件端面上分别设有具有平坦底面的环状凹处，在由两接头部件的凹处形成的垫圈收纳空间内配置有环状垫圈，在垫圈的两侧面上设置环状突起，其特征在于，垫圈的突起的截面形状呈梯形，该梯形由成为外周面的缩径锥形面、成为内周面的扩径锥形面及成为前端面的平坦面划分而成，且将垫圈的硬度、突起的锥形面之间的夹角角度、突起高度及突起前端的平坦面的面积设定为使紧固时的推力值处于规定的最小值与最大值之间。
最好是将垫圈的硬度、垫圈的突起的锥角角度、突起高度及突起前端平坦面的面积设定为满足下式：
由最低紧固力求得的表面压力×安全率＜紧固接头时的单位面积的推力实验值＜由垫圈的维氏硬度求出的单位面积的推力×安全率
作为最低紧固力，使用例如使用状态下的螺栓载荷及紧固垫圈时的螺栓载荷中的较大的一方。紧固接头时的单位面积的推力的实验值例如通过推力的实测值和受压面积的计算值求出。由垫圈的维氏硬度求出的单位面积的推力由维氏硬度的式子：HV＝0.102×F/S(F：试验载荷、S：表面积)。
通过确定垫圈的硬度及形状使其满足上述式子，能够切实地兼顾密封性和耐久性。
附图说明
图1是表示本发明的流体接头的第1实施方式的剖面图。
图2是本发明的流体接头中使用的垫圈的放大剖面图。
图3是表示本发明的流体接头的扭矩与推力关系的曲线图。
图4是表示紧固力矩及受压面积与本发明的流体接头的位移量的关系。
图5是为得到适合用于本发明的流体接头的垫圈而使用的曲线图。
图6是与图5同样的曲线图，在图5中突起的锥角为90°，而图6的突起的锥角为60°。
图7是与图5同样的曲线图，在图5中突起的锥角为90°；而图7的突起的锥角为120°。
图8是为得到适合用于本发明的流体接头的垫圈而使用的其他曲线图。
图9是与图8同样的曲线图，在图8中突起的锥角角度为90°，而图9的突起的锥角角度为60°。
图10是与图8同样的曲线图，在图8中突起的锥角角度为90°，而图10的突起的锥角角度为120°。
具体实施方式
参照以下附图对本发明的实施方式进行说明。在以下的说明中，左右指的是图中的左右。
图1表示本发明的流体接头的第1实施方式。
流体接头1包括：具有相互连通的流体通路2a、3a的第1及第2接头部件2、3、介于两接头部件2、3的对接端面间的环状垫圈4、结合两接头部件2、3的螺纹机构(其图示省略)。
在各接头部件2、3端面上分别设有具有平坦底面的环状凹处5、6，在由两接头部件2、3的凹处5、6形成的垫圈收纳空间内设置有垫圈4，在垫圈4的两侧面上设有环状突起7。
如图2放大表示的那样，垫圈4的突起7的截面形状呈梯形，该梯形由成为外周面的缩径锥形面7a、成为内周面的扩径锥形面7b及成为前端面的平坦面7c划分而成。从缩径锥形面7a的基端向径向外方延伸的面7d成为求出突起7的高度的基准面，从垫圈4的轴向中心面到扩径锥形面7b基端的距离被形成为比从垫圈4的轴向中心面到基准面7d的距离(即、除突起以外的厚度的一半)小一些。垫圈4的内径(流体路径的直径)大于两接头部件2、3的流体路径2a、3a的直径。对垫圈4的外径的轴向边缘部进行倒角，在垫圈4的外径的轴向的中央部上形成有截面圆弧状的凹处7f。
根据下述设计方法来设定垫圈4的维氏硬度HV、突起7的锥形面7a、7b之间所夹的锥形角度α、突起7的高度P及突起7前端的平坦面7c的面积S，使得使紧固的位移量变化时的推力值处于规定的最小值和最大值之间。两接头部件2、3的维氏硬度约为HV＝300。
以下对采用本发明的流体接头的设计方法进行说明。
首先，关于上述流体接头1的特征进行了如下实验和考察。
图3的曲线图表示了扭矩与推力的关系。该曲线图求取当使用4根M4的螺栓对块状接头部件间进行紧固连接时的力矩与推力的关系，并对无镀层、镀银及无镀层但使用润滑脂这3种螺栓进行测定。从该结果可知，通过镀银或使用润滑脂等来降低螺栓旋转时的摩擦，能够推力与扭矩成比例地增加，另外，还可得知当无镀层时，相对于扭矩的增加量，推力增加的比率小。
在垫圈4的突起7的形状为α＝90°及P＝0.29mm的情况下，图4的曲线图调查了对应于位移量的紧固力矩及受压面积，得知受压面积相对于位移量成比例增加，另外，还得知在位移量达到突起高度P后，即使增加紧固扭矩，位移量也几乎不再有变化。
在此，为了得到所期望的密封性，必须要保证最低紧固力，即、在紧固时，推力必须要为规定值或规定值以上，另外，为了维持所期望的强度，推力必须不超过对应于垫圈4的硬度的规定值。因此，再考虑到安全率，最好是在选定垫圈4的硬度及形状(锥角α、突起高度P及前端平坦面面积S)时使其满足下式：
最低紧固力×安全率＜紧固接头时的推力＜对应于表面硬度的推力×安全率
而且，考虑到因紧固引起的面积变化，最好是使用下式：
由最低紧固力求出的表面压力×安全率＜紧固接头时每单位面积的推力的实验值＜由垫圈的维氏硬度求出的单位面积的推力×安全率
作为最低紧固力，只要使用例如在使用状态下的螺栓载荷及紧固垫圈时的螺栓载荷中较大的一方即可。在表1中展示了求出维氏硬度、最低紧固力等的计算式及各符号的含义。
表1
| 符号 | 符号的含义 | 关系式 |
| HV | 维氏硬度 | HV＝1.102*F/S |
| F | 试验载荷[N] | |
| S | 表面积[mm<sup>2</sup>] | |
| Wm1 | 使用状态下必要的最小螺栓载荷[N] | Wm1＝π*G*P*(G+8*b*m)/4 |
| Wm2 | 紧固垫圈所必要的最小螺栓载荷[N] | Wm2＝π*b*G*y |
| G | 通过垫圈反作力所施加的位置的圆的直径[mm] | |
| P | 设计压力[Mpa] | |
| m | 密封系数(根据垫圈的材料与接触面选择) | |
| b | 垫圈座的有效宽度[mm] | |
| y | 垫圈或接头接触面的最小设计紧固压力[N/mm<sup>2</sup>] | |
| Am1 | 使用状态下的螺栓所需要的总截面积[mm<sup>2</sup>] | Am1＝Wm1/σ<sub>b</sub> |
| Am2 | 紧固垫圈时的螺栓所需要的总截面积[mm<sup>2</sup>] | Am2＝Wm2/σ<sub>a</sub> |
| Am | 螺栓所需要的总截面积[mm<sup>2</sup>] | Am＝Am1、Am2中较大的一方 |
| Wm1 | 螺栓载荷 | |
| Wm2 | 螺栓载荷 | |
| σ<sub>a</sub> | 常温下螺栓的许用拉伸应力[kgf/mm<sup>2</sup>] | |
| σ<sub>b</sub> | 设计温度下螺栓许用拉伸应力[kgf/mm<sup>2</sup>] | |
| W<sub>O</sub> | 使用状态下的螺栓载荷[kgf] | W<sub>O</sub>＝Wm1 |
| W<sub>g</sub> | 紧固垫圈时的螺栓载荷[kgf] | W<sub>g</sub>＝(Am+Ab)*σ<sub>a</sub>/2 |
| Ab | 螺栓有效截面积 | A<sub>b</sub>＝8.78(M4螺栓有效截面积) |
| bo | 垫圈座的基本宽度[mm] |
在图5中展示了为得到适于本发明的流体接头中使用的垫圈而使用的曲线图。在横轴上表示位移量、在纵轴上表示推力或螺栓载荷，取垫圈的突起的锥角α＝90°，求取位移量与推力或螺栓载荷的关系。从同图的图表中比较维氏硬度HV＝30、和HV＝100的两种情况，在位移量最大处(紧固结束时)，推力分别为约340kgf和约1120kgf，于是得知：维氏硬度HV＝30时需注意伴随着因推力不足引起的表面压力低下而带来的密封性不足；HV＝100时需注意伴随着推力过大而带来的接头或螺栓的损伤。另外，从同曲线图中还可以看出镀了银的螺栓(用Ag PLATING表示)的实验值位于两者之间、和在使用状态下的螺栓载荷远小于紧固垫圈时的螺栓载荷等情况。
图6及图7进行的是与图5同样的考察，其中，垫圈4的突起7的锥角α＝60°(图6)及α＝120°(图7)，通过与图5的比较得知：若将锥角由α＝90°变更到α＝60°则推力变小；若将锥角由α＝90°变更到α＝120°则推力变大。这样，当将推力设定到某范围内时，可进行通过变更维氏硬度、锥角等来得到预定推力的垫圈4的设计。
在图8中展示了另外一种曲线图，用以得到适用于本发明的流体接头的垫圈4。在横轴上表示位移量、在纵轴上表示单位面积的推力，取垫圈4的突起7的锥角为α＝90°，求取位移量与单位面积的推力的关系。取单位面积的实验值，是本发明的流体接头1的特性。从该图8的曲线图中可知，通过取位移量为≥0.1mm，能够得到维持密封性所需的单位面积的推力，即、能够满足从最低紧固力求出的表面压力小于紧固接头时的单位面积的推力这一条件。而且，实际上，考虑到安全率，例如，若位移量不小于0.15mm，则断定为能够切实地确保密封性。另外可知，若将位移量定为例如≥0.4mm，则单位面积的推力达到垫圈硬度HV＝100时的推力，于是不满足用于确保流体接头1的强度的推力条件，即、不满足紧固接头时单位面积的推力小于由垫圈的维氏硬度求出的单位面积的推力，因此考虑到安全率，例如，只要位移量不大于0.30mm，就可确保强度。由于位移量与垫圈4的突起7的高度P相对应，所以只要确定了位移量就可确定垫圈4的突起高度P。
图9及图10进行的是与图8同样的考察，其中，垫圈4的突起7的锥角为α＝60°(图9)及α＝120°(图10)，通过与图8的比较可知：若将锥角由α＝90°变更到α＝60°，则与α＝90°的场合相比，必须增大单位面积的推力，即必须增大维持密封性所需的单位面积的推力；例如，要研究一下为了增大位移量是否要同时进行增大突起高度等设计变更，另外，若将锥角由α＝90°变更到α＝120°，则与α＝90°的场合相比，必须减小单位面积的推力、即必须减小维持密封性所需的单位面积的推力；例如，要研究一下为了增大位移量是否要同时进行减小突起高度等设计变更。在上述内容中，使维氏硬度保持在HV＝100，当然也可以改变维氏硬度，增加垫圈4的设计自由性，通过变更维氏硬度、锥形角度等可以设出同时得到较高的水平的密封性及耐久性的垫圈4。
HV＝100等所需要的维氏硬度可通过对不锈钢制的垫圈4进行充分的固熔化热处理来取得，在热处理之后对垫圈4进行镜面研磨。
本发明的流体接头，通过使夹设于接头部件间的垫圈变形来获得密封性，能够构建包括垫圈形状在内的接头部件间合理的密封构造，由此可得密封性和耐久性两方面都得到提高的流体接头。
Claims (4)
1.一种流体接头，包括：具有相互连通的流体通路的第1及第2接头部件、介于两接头部件的对接端面间的垫圈、结合两接头部件的螺纹机构，在各接头部件端面上分别设有具有平坦底面的环状凹处，在由两接头部件的凹处形成的垫圈收纳空间内设置有环状垫圈，在垫圈的两侧面上设有环状突起，其特征在于，
垫圈的突起的截面形状呈梯形，该梯形由成为外周面的缩径锥形面、成为内周面的扩径锥形面及成为前端面的平坦面划分而成，
垫圈的硬度、突起的锥形面之间夹角角度、突起高度及突起前端的平坦面的面积设定为使紧固接头时的推力值处于规定的最小值与最大值之间，
垫圈的环状突起的缩径锥形面与扩径锥形面的夹角α为50～130°。
2.一种流体接头的设计方法，包括：具有相互连通的流体通路的第1及第2接头部件、介于两接头部件的对接端面间的垫圈、结合两接头部件的螺纹机构，在各接头部件端面上分别设有具有平坦底面的环状凹处，在由两接头部件的凹处形成的垫圈收纳空间内配置有环状垫圈，在垫圈的两侧面上设有环状突起，其特征在于，
垫圈的突起的截面形状呈梯形，该梯形由成为外周面的缩径锥形面、成为内周面的扩径锥形面及成为前端面的平坦面划分而成，且将垫圈的硬度、突起的锥形面之间的夹角角度、突起高度及突起前端的平坦面的面积设定为使紧固接头时的推力值处于预定的最小值与最大值之间。
3.如权利要求2所述的流体接头的设计方法，其特征在于，
将垫圈的硬度、突起的锥面间的夹角角度、突起高度及突起前端的平坦面的面积设定为满足下式：
由最低紧固力求得的表面压力×安全率＜紧固接头时的单位面积的推力实验值＜由垫圈的维氏硬度求出的单位面积的推力×安全率。
4.一种流体接头，其特征在于，所述流体接头是按照权利要求2或3所述的设计方法设计的。
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