1. 引言
快卸连接器通过连接其阴极和阳极实现气路的连通和断开，具有连接、拆卸快捷等优点，广泛应用于航天航空、石油化工等工业领域。快卸连接器的设计往往在特定的使用条件下进行，然而其适应具有局限性。在管路系统的连接中多采用O型橡胶密封或X型橡胶密封，这些连接器在低温使用环境中存在抵抗低温能力不足的问题 [1] [2] [3] 。对于快卸式插拔连接器，在电气连接领域有广泛的应用和研究 [4] [5] 。
针对现有气体快卸连接器在抗低温性能不足的问题，本文结合快卸插拔连接器技术现状设计了一种气体快卸连接器，并应用ANSYS对其接触密封性进行数值计算，验证了设计的合理性和可靠性。
2. 气体快卸连接器设计
本文根据产品开发实际需要，设计了如图1所示的气体快卸连接器，该连接器主要由阀芯和组件II组成。阀芯和组件II的连接依靠手动插拔力，通过设置在组件II里凹槽内一排钢球，将组件II推向阀芯，使组件II中的钢球落入到阀芯环槽中，快卸连接器连接到位时，组件II中的波纹管组件处于压缩状态，单手操作推力最大值不超过80 N。组件II与阀芯分离时，拉开滑套，使它克服弹簧力后移，弹簧处于压缩状态。滑套后移让出钢球脱离阀芯环槽的空间，钢球在环槽斜面的作用下弹出，组件II中钢球顶压在滑套上，使组件II与阀芯相互脱开。
3. 基于ANSYS的快卸连接器密封性能分析
3.1. 计算模型和网格划分
快卸连接器密封性能分析主要针对密封部位展开。忽略壳体，同时将波纹管简化，重点考虑密封垫
Figure 1. Sectional view of gas fast release connector in connection state
图1. 气体快卸连接器连接状态剖视图
与阀芯的接触。根据连接器的实际接触条件，建立相应的接触对。第一道密封面处，以阀芯为目标单元，以密封垫为接触单元建立一对接触单元，其接触类型为粗糙接触。再以密封垫为目标单元，密封垫安装块为接触单元，建立第二道密封的接触单元，其接触类型为摩擦接触。
选用四面体网格单元 [6] 建立数值计算模型。在接触对网格的处理上，采用接触网格方法生成接触面网格，以保证接触面的匹配合理，网格尺度定为0.1 mm。调整网格相关度等相关参数控制网格数量，经过网格无关性验证，最终选择的计算网格数为666,294，节点数为944,859。计算网格如图2、图3所示。边界条件为：将波纹管的弹簧力等效施加在密封垫安装块端面，其值为75.2 N (理论计算值)；管道内压为0.1 MPa；阀芯端面固定支撑。
Figure 2. Mesh of simplified model for seal calculation
图2. 密封计算简化模型网格
Figure 3. Local mesh in the seal contact surface
图3. 密封接触面网格局部
3.2. 计算结果及分析
阀芯唇边圆弧面与密封垫平面接触为线接触，在波纹管弹力的作用下，将密封垫与阀体圆弧形唇边压紧，产生一定的接触过盈量，实现密封。为评估快卸连接器接触面的密封状态，图4给出了密封部位I的接触状态。由图4可见，在波纹管轴向弹性力的作用下，密封垫被压紧、接触、渗透。接触状态分布均匀、呈对称形式。密封垫与阀体唇边接触状态为粘着，表明其接触密封良好。从接触中心沿接触面到两侧存在三种接触状态，依次为滑动接触区、近距离区和间隙区。滑动接触区为紧密接触区，两接触面相互渗透。由此说明，波纹管75.2 N的设计弹性力可将两接触面压紧，使接触区域起密封作用。
图5给出了接触对的Von-Mises等效应力分布情况，其中图5(a)为密封垫接触面上应力分布，图5(b)密封垫接触面上应力数值分布。图5(c)为阀体接触面应力分布。Von-Mises等效应力用来衡量波纹管弹力以及快卸连接器内静压力在密封接触处的接触应力分布。由图可见，接触区域最大的压应力位于接触密封处，密封垫、阀体接触面各自应力分布均匀。密封垫的最大应力值在材料的许允范围内，满足设计要求。从应力分布来看，正常连接下，波纹管提供的轴向力可使得阀体和密封垫接触面产生足够大的应力以维持接触面间的微量渗透，从而达到接触密封作用。
4. 密封试验验证
用氦质谱正压检漏方法对本文所述气体快卸连接器进行氦质谱检漏。按容积积累法要求 [7] ，首先将气体快卸连接器置于积累容器中，将积累容器封闭，给气体快卸连接器充0.1 MPa氦气，积累10 min后，用吸枪通过容器的检漏孔进行检测。图6所示为容积积累法工作示意图。
表1所示为试验所用仪器和设备。经国家低温容器质量监督检查中心检测，该气体快卸连接器在连接时充氦气压力0.1 MPa下的漏率为4.5 × 10−7 Pa∙m3/s，满足漏率 ≤ 1 × 10−6 Pa∙m3/s技术指标要求。
5. 结论
本文设计了一种插拔式气体快卸连接器，并对其进行了密封性能的数值仿真计算和试验验证。结果
Figure 4. Contact state in the contact surface
图4. 接触对接触状态
Figure 5. Contact stress distributions in the contact surface
图5. 接触面应力分布
Figure 6. Curve: system result of standard experiment
图6. 标准试验系统结果曲线
Table 1. Instruments and equipment for testing
表1. 试验所用仪器和设备
表明，该气体快卸连接器密封性能良好，各项技术指标满足设计要求，并成功应用于型号产品中。