CN114135731B - 一种管接头环榫确定方法及带环榫的管接头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种管接头环榫确定方法及带环榫的管接头，方法包括：获取变形前的导管数据和变形后的导管数据；所述变形前的导管数据包括导管变形前的内径和外径；所述变形后的导管数据包括导管变形后的内径和外径；根据所述变形前的导管数据和所述变形后的导管数据确定总变形量；根据所述总变形量确定应变弹性增量；根据所述应变弹性增量和设定承载强度确定环榫信息。本发明能够提升管接头和导管之间的密封性。

Description

一种管接头环榫确定方法及带环榫的管接头
技术领域
本发明涉及管接头领域，特别是涉及一种管接头环榫确定方法及带环榫的管接头。
背景技术
众所周知，将金属导管和管接头进行连接的工艺有很多种，其中一种普遍且重要的连接工艺是通过金属导管塑性变形进行连接。按照变形压迫的方向和接头材料作为主要特征，可分为如下类型为：径向外挤压连接、轴向挤压连接，内挤压连接、内滚压连接和形状记忆合金连接。
尽管上述连接工艺的实现方式不同，但是其具有的共同点是通过管接头的变形或工具的运动，使得导管材料发生向导管外侧的塑性流动。在此过程中，导管外表面材料部分进入接头内孔的环槽中，产生了导管和接头两者机械连接的直接效果，同时产生附加的一定程度的密封效果。
在金属塑性变形过程中，弹性回弹量是客观存在。在一般的精度的工程计算中，弹性部分经常被忽略，将高塑性金属材料视为不可压缩的以简化分析计算。但是在精度需求更高的工程计算中，需要对此弹性增量加以讨论。
导管所采用的高塑性金属材料的典型应力应变曲线如图1所示。横坐标表示应变，纵坐标表示应力。曲线体现的是金属材料受载后，随着变形(应变)的增加，应力不断增大的趋势。该趋势表现为先急剧上升(OB段)，随后发生屈服便逐渐平缓的过程(BE段)。图中线段ED、BA、PO为互相平行的三条线段。
当加载至B点，沿BA线返回产生不可回复的塑性变形AO段(说明)，而CA段为卸载后弹性回弹量。
加载至E点，沿ED线返回产生不可回复的塑性变形DO段(说明)，而FD段为卸载后弹性回弹量。
对于接头本体在上述连接工艺的过程中，其变形主要为弹性变形或少量的塑性变形，即加载至P点或B点状态。
对于被挤入接头本体的内孔环槽中的导管材料，其变形为大的弹性变形和更大量的塑性变形，即加载至接近E点状态。
图1中三角形ABC和DEF为相似三角形，因为金属材料塑性变形过程中会产生形变强化效应，即出现塑性变形后，应力-应变曲线持续升高，导致EF段远高于BC段。因此，加载至E点的弹性回弹FD段远高于CA段，即导管被挤入环槽的极限塑性变形的材料回弹量远高于接头本体材料的回弹量，从而在挤入材料和环槽底部之间形成微小缝隙，导致渗漏隐患的存在。上述微小缝隙导致的常见的渗漏现象是：渗漏发生在管路无压力的闲置状态，因为该情况下，导管未因为承受压力发生膨胀时，上述缝隙处在最大状态。
综上所述，在金属导管和管接头的连接工艺过程中，即使完成了良好的塑性变形，导管的弹性回弹仍然可以导致管接头和导管之间产生如图2、图3中的a，和图4中的b所示的微小缝隙，影响了密封性能的进一步提升。因此，需要一种可以进一步提升导管和管接头的密封性能从而消除渗漏隐患的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种管接头环榫确定方法及带环榫的管接头，以提升管接头和导管之间的密封性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种管接头环榫确定方法，包括：
获取变形前的导管数据和变形后的导管数据；所述变形前的导管数据包括导管变形前的内径和外径；所述变形后的导管数据包括导管变形后的内径和外径；
根据所述变形前的导管数据和所述变形后的导管数据确定总变形量；
根据所述总变形量确定应变弹性增量；
根据所述应变弹性增量和设定承载强度确定环榫信息；所述环榫信息为厚度系数。
可选的，所述根据所述变形前的导管数据和所述变形后的导管数据确定总变形量的计算公式为：
其中，εt表示总变形量，DL表示导管变形后的外径，dL表示导管变形后的内径，D0表示导管变形前外径，d0表示导管变形前内径。
可选的，所述根据所述总变形量确定应变弹性增量，具体包括：
根据所述总变形量和应力-应变曲线确定塑性增量；
将所述总变形量和所述塑性增量相减，得到应变弹性增量。
可选的，所述根据所述应变弹性增量和设定承载强度确定环榫信息，具体包括：
根据所述应变弹性增量和等效筒体压力确定环榫的平均承载强度；
根据所述环榫的平均承载强度和所述设定承载强度确定环榫信息。
可选地，所述总变形量为1％-25％。
一种带环榫的管接头，包括：管接头本体、多个凹槽和多个环榫；
所述管接头本体上设有内孔；多个所述凹槽均匀设置在所述内孔中；每个所述凹槽的第一侧设置一个所述环榫；所述第一侧为远离所述凹槽的槽底的一侧；所述环榫与所述凹槽的侧壁接触；所述环榫用于与变形回弹过程中的导管形成密封环。
可选的，所述凹槽的槽底与所述凹槽的侧壁垂直；所述环榫为空心圆柱体。
可选的，所述环榫的侧壁与所述凹槽的侧壁位于同一条直线上；所述凹槽的槽底与所述凹槽的侧壁之间的夹角为锐角。
可选的，所述环榫为将半圆形以第一中心线为旋转轴进行旋转得到的旋转体；所述第一中心线为与所述槽底平行的直线；所述第一中心线与所述半圆的弧面不接触；所述半圆形的直径与所述凹槽的侧壁接触。
可选的，所述环榫为将直角梯形以第一中心线为旋转轴进行旋转得到的旋转体；所述第一中心线为与所述槽底平行的直线；所述第一中心线与所述直角梯形的底面平行。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的管接头环榫确定方法及带环榫的管接头，获取变形前的导管数据和变形后的导管数据；所述变形前的导管数据包括导管变形前的内径和外径；所述变形后的导管数据包括导管变形后的内径和外径；根据所述变形前的导管数据和所述变形后的导管数据确定总变形量；根据所述总变形量确定应变弹性增量；根据所述应变弹性增量和设定承载强度确定环榫信息。通过在管接头内设置环榫从而提升管接头和导管之间的密封性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为高塑性金属材料典型应力-应变(σ-ε)曲线图；
图2为现有技术中导管塑性变形连接工艺典型结构示意图；
图3为现有技术中导管塑性变形连接工艺典型结构-导管与槽底间隙示意图；
图4为现有技术中导管塑性变形连接工艺典型结构-导管与内孔/槽顶间隙示意图；
图5为本发明提供的管接头环榫确定方法流程图；
图6为本发明实施例2提供的带环榫的管接头示意图；
图7为导管材料0Cr18Ni9材料拉伸曲线图；
图8为本发明实施例3提供的带环榫的管接头示意图；
图9为本发明实施例4提供的带环榫的管接头示意图；
图10为本发明实施例5提供的带环榫的管接头示意图。
符号说明：
1-内孔；2-环榫；3-导管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种管接头环榫确定方法及带环榫的管接头，以提升管接头和导管之间的密封性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图5所示，本实施例提供的一种管接头环榫确定方法，包括：
步骤101：获取变形前的导管数据和变形后的导管数据；所述变形前的导管数据包括导管变形前的内径和外径；所述变形后的导管数据包括导管变形后的内径和外径。
步骤102：根据所述变形前的导管数据和所述变形后的导管数据确定总变形量。根据所述变形前的导管数据和所述变形后的导管数据确定总变形量的计算公式为：
其中，εt表示总变形量，DL表示导管变形后的外径，dL表示导管变形后的内径，D0表示导管变形前外径，d0表示导管变形前内径。所述总变形量为1％-25％。
步骤103：根据所述总变形量确定应变弹性增量。所述根据所述总变形量确定应变弹性增量，具体包括：根据所述总变形量和应力-应变曲线确定塑性增量；将所述总变形量和所述塑性增量相减，得到应变弹性增量。
步骤104：根据所述应变弹性增量和设定承载强度确定环榫信息；所述环榫信息为厚度系数。所述根据所述应变弹性增量和设定承载强度确定环榫信息，具体包括：
根据所述应变弹性增量和等效筒体压力确定环榫的平均承载强度；根据所述环榫的平均承载强度和所述设定承载强度确定环榫信息。
根据所述环榫信息制备管接头的环榫。
首先根据导管材料的特性，通过尺寸设计和工艺参数控制导管的总变量在特定的范围，该特定范围由导管材料的拉伸特性和疲劳特性决定，一方面确保产生一定的弹性回弹量，另一方面确保导管材料不因微观损伤而减少疲劳寿命；首先根据导管材料的特性，控制导管的塑性变形量在一定的范围。为确保密封面的形成，应保证导管产生足够的塑性变形以产生较大的弹性增量。
DL、dL分别表示导管L区域变形后外径和内径；D0、d0分别表示导管变形前外径和内径；εt表示总变形量，可表示为：
变形前的尺寸D0、d0由导管原始尺寸决定；变形后内径dL取决于变形方法。
当变形方法是使用工具对导管内表面进行滚压或挤压变形时(如：关于内滚压连接、内挤压连接)，可以通过调节变形程度的大小(如：工具的压力、扭矩)，从而对变形后内径dL和壁厚δ加以控制，壁厚δ会相应减薄，内径dL会相应增大；变形后的外径DL由与上述导管变形接触的管接头环槽槽底直径、内孔直径决定。
当变形方法是依靠工具和接头由外向内挤压时(如：形状记忆合金连接、轴向挤压连接)，可以通过调节工具控制变形程度的大小(如工具的压力、行程等)，从而控制变形后外径DL。导管壁厚δ基本不发生改变，则变形后内径dL＝DL-2δ。
以εe、εp分别表示变形中的应变弹性增量、塑性增量：
εt＝εe+εp
当确定了总变形量εt时，首先确定对应的坐标点(εt，S(εt))，以此坐标点向水平轴方向引出一直线。上述直线与应力-应变曲线的初始弹变形的直线段平行，其与水平轴(应变)的交点确定为分界点。上述分界点与坐标原点之间的距离表征了应变的塑性增量εp，分界点的坐标为(εp，0)。弹性增量εe可由εe＝εt-εp确定。同时弹性增量也可以用点(εt，0)和分界点(εp，0)之间的距离来表征。
上述方法所确定的εe-εt对应关系用函数f表示：
εe＝f(εt)
上述对应关系的本质是材料的应力-应变曲线形状。
在本发明中，一方面，为保证导管产生较大的弹性增量的同时不至于产生损伤和风险点，优选的总变形量εt范围在1％-25％εg范围，其中εg为应力-应变曲线最高点(应力极值)对应的应变。
另一方面，在管接头的结构中增加环榫结构，使其突出于导管材料径向收缩回弹的路径上，阻碍导管回弹，从而产生密封压紧的作用，进而生成密封环。
根据强度设计要求确定合适的榫槽结构和尺寸。环榫尺寸过大会导致导管材料变形困难，尺寸过小会导致强度不足，而在变形过程中失效。因此，实际中根据设置的槽宽、槽间距和槽深来确定环榫的厚度系数。
内孔含槽的结构尺寸如下：槽宽2L0；槽间距2N0；槽深H0。如图6所示。
按照旋转体纵截面作为分析对象，单槽和槽间的一半区域(L和N)做分析，分析对象简化为：半槽和半槽间对应单个卡榫承载。
L区域：E·εe·δ-PL·d＝0
N区域：E·ε′e·δ′-PN·d′＝0
其中：E表示：导管材料弹性模量；εe表示：应变弹性增量；δ、δ′分别表示：L、N区域(变形后)导管壁厚；PL、PN分别表示：L、N区域等效筒体压力；d、d′表示：L、N区域(变形后)导管内径。
视上述压力沿纵向均匀分布.：L、N区域等效筒体压力PL、PN表示为：
其中，εe＝f(εt)；ε′e＝f(ε′t)。
在纵剖面上，上述L区域和N区域的压力PL、PN与榫的平均承载强度σ0承载应平衡，简化的表述有：
其中：KH为厚度系数，KH∈(0，1]，厚度系数表征相对槽深的大小，范围在0、1之间是因为因为榫的高度不超过槽的深度。
实现密封的基本条件是环榫结构的应力集中部位(如：榫结构根部)发生局部屈服(σ0≥σs)，间隙得以消除，密封环才得以形成。其中，f为弹性增量函数，σs为设定承载强度：
由于采取了上述设计，导管塑性变形的弹性增量在环榫和导管间产生了压紧密封的作用，从而使导管材料和管接头的环榫结构之间得以形成密封环，用于消除渗漏隐患。
以下提供一个具体的应用数据：
导管材料弹性模量E＝198GPa，L区域壁厚δ＝0.65mm，N区域壁厚δ′＝0.45mm，L区域导管外径D＝8.5mm，N区域导管外径D′＝8.1mm，L、N区域导管内径均为d＝d′＝7.2mm，具体如表1所示。
表1具体应用数据表
其中，区域长度L0＝0.75mm，N0＝0.25mm，即槽宽为1.5mm，槽间距为0.5mm。
导管原外径为8mm，壁厚为0.65mm，L、N区域的εt、ε′t分别为6.8％和4.1％，结合如图7所示的导管材料0Cr18Ni9拉伸曲线，可得到：
εe＝f(εt)＝0.55％
ε′e＝f(ε′t)＝0.52％
其中，环榫的厚度系数KH＝0.5，槽深H0＝0.2mm，将上述数据代入公式1，计算得σ0＝897MPa。当接头材料使用常见的1Cr17Ni2的屈服强度σs一般在600-800MPa区间。综上：在上述参数条件下，σ0≥σs条件可满足。
实施例2
如图6所示，本实施例提供的一种带环榫2的管接头，所述带环榫2的管接头应用如实施例1所述的管接头环榫2确定方法，所述带环榫2的管接头包括：管接头本体、多个凹槽和多个环榫2。所述管接头本体上设有内孔1；多个所述凹槽均匀设置在所述内孔1中；每个所述凹槽的第一侧设置一个所述环榫2；所述第一侧为远离所述凹槽的槽底的一侧；所述环榫2与所述凹槽的侧壁接触；所述环榫2用于与变形回弹过程中的导管3形成密封环。其中，凹槽、环榫和导管均为以同一旋转轴进行旋转得到的旋转体。
在实际应用中，所述凹槽的槽底与所述凹槽的侧壁垂直；所述环榫2为空心圆柱体。
该环榫2位于环槽壁的边缘，由环槽边缘向凹槽内突起。当金属导管3材料塑性流动进入凹槽后，径向收缩回弹受到了该环榫2的阻碍。
实施例3
如图8所示，与实施例2不同的是，所述环榫2的侧壁与所述凹槽的侧壁位于同一条直线上；所述凹槽的槽底与所述凹槽的侧壁之间的夹角为锐角。将榫高度H最大化；榫和槽壁结合成为一体；环榫2截面呈三角形。
实施例4
如图9所示，与实施例2不同的是，所述环榫2为将半圆形以第一中心线为旋转轴进行旋转得到的旋转体；所述第一中心线为与所述槽底平行的直线；所述第一中心线与所述半圆的弧面不接触；所述半圆形的直径与所述凹槽的侧壁接触。KH＝0.5，环榫2截面形状为半圆形。
实施例5
如图10所示，与实施例2不同的是，所述环榫2为将直角梯形以第一中心线为旋转轴进行旋转得到的旋转体；所述第一中心线为与所述槽底平行的直线；所述第一中心线与所述直角梯形的底面平行。KH＝0.5，环榫2截面形状为直角梯形，直角梯形的下底面与凹槽侧壁接触，其中下底面的长度大于上底面的长度。
本发明提供的管接头，包括管接头本体，管接头本体上设置有内孔1，内孔1能够使导管3的端部进入，内孔1内设置有若干个环形凹槽；在环形凹槽的结构中增加环榫2，使得导管3在变形回弹的过程中和环榫2之间形成密封环。本发明能够使得管接头和金属导管3的连接密封性大幅提高，由于是利用了巨大的增量回弹内应力，因此其密封性几乎不受管路压力、安装应力和服役振动的影响。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种管接头环榫确定方法，其特征在于，包括：
获取变形前的导管数据和变形后的导管数据；所述变形前的导管数据包括导管变形前的内径和外径；所述变形后的导管数据包括导管变形后的内径和外径；
根据所述变形前的导管数据和所述变形后的导管数据确定总变形量；
根据所述总变形量确定应变弹性增量；
根据所述应变弹性增量和设定承载强度确定环榫信息；所述环榫信息为厚度系数；管接头本体上设有内孔；多个凹槽均匀设置在所述内孔中；每个所述凹槽的第一侧设置一个环榫；
所述根据所述应变弹性增量和设定承载强度确定环榫信息，具体包括：
根据所述应变弹性增量和等效筒体压力确定环榫的平均承载强度；
根据所述环榫的平均承载强度和所述设定承载强度确定环榫信息；
在纵剖面上，L区域和N区域的压力PL、PN与榫的平均承载强度σ0承载应平衡，简化的表述有：
其中，KH为厚度系数，E表示导管材料弹性模量，f为弹性增量函数，εt、ε't表示L、N区域总变形量，L0为区域长度，d、d'表示L、N区域变形后导管内径，δ、δ'分别表示L、N区域变形后导管壁厚，H0为槽深，N0为槽间距的一半。
2.根据权利要求1所述的管接头环榫确定方法，其特征在于，所述根据所述变形前的导管数据和所述变形后的导管数据确定总变形量的计算公式为：
其中，εt表示总变形量，DL表示导管变形后的外径，dL表示导管变形后的内径，D0表示导管变形前外径，d0表示导管变形前内径。
3.根据权利要求1所述的管接头环榫确定方法，其特征在于，所述根据所述总变形量确定应变弹性增量，具体包括：
根据所述总变形量和应力-应变曲线确定塑性增量；
将所述总变形量和所述塑性增量相减，得到应变弹性增量。
4.根据权利要求1所述的管接头环榫确定方法，其特征在于，所述总变形量为1％-25％。
5.一种带环榫的管接头，其特征在于，所述带环榫的管接头应用如权利要求1-4中任意一项所述的管接头环榫确定方法，所述带环榫的管接头包括：管接头本体、多个凹槽和多个环榫；
所述管接头本体上设有内孔；多个所述凹槽均匀设置在所述内孔中；每个所述凹槽的第一侧设置一个所述环榫；所述第一侧为远离所述凹槽的槽底的一侧；所述环榫与所述凹槽的侧壁接触；所述环榫用于与变形回弹过程中的导管形成密封环。
6.根据权利要求5所述的带环榫的管接头，其特征在于，所述凹槽的槽底与所述凹槽的侧壁垂直；所述环榫为空心圆柱体。
7.根据权利要求5所述的带环榫的管接头，其特征在于，所述环榫的侧壁与所述凹槽的侧壁位于同一条直线上；所述凹槽的槽底与所述凹槽的侧壁之间的夹角为锐角。
8.根据权利要求5所述的带环榫的管接头，其特征在于，所述环榫为将半圆形以第一中心线为旋转轴进行旋转得到的旋转体；所述第一中心线为与所述槽底平行的直线；所述第一中心线与所述半圆的弧面不接触；所述半圆形的直径与所述凹槽的侧壁接触。
9.根据权利要求5所述的带环榫的管接头，其特征在于，所述环榫为将直角梯形以第一中心线为旋转轴进行旋转得到的旋转体；所述第一中心线为与所述槽底平行的直线；所述第一中心线与所述直角梯形的底面平行。
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