一种新型液压快换接头的设计开发

随着液压技术的广泛应用，液压快换接头在工业领域、移动设备和频繁连接和断开的场合应用也更加广泛，由于系统或者管路的背压造成的快换接头的连接和断开困难，这是一直以来困扰工程师和现场使用人员的工程难题，本文根据先导阀的工作原理，设计开发出一种新型快换接头的背压释放器，并将该背压释放器应用到现有GB/T5860-2003和ISO16028-1999标准的快换接头产品中，新产品有效解决液压系统中背压的安全释放，使快换接头连接和断开更容易和方便。本文研究了液压快换接头的主要故障的分类和故障率，分析计算了背压和残压对快换接头连接力的影响；紧接着对新研究的快换接头背压释放器的基本原理、结构和在接头中的工作过程进行了详细的说明；在介绍完背压释放器后，研究和分析了在此基础上开发的两种标准的产品，并通过产品的结构图、工作过程图来详细介绍产品工作机理；随后又对这种新型快换接头完成的相关测试数据进行说明和分析；并对其在工业领域的应用场合和现场照片进行总结。最后，总结该新型带背压释放器快换接头产品的市场应用前景。

绪论

液压传动系统中快换接头为流体管路提供一种快速、简便、可靠地重复连接和断开的接头形式。自从1935年世界上第一个带阀芯的快换接头在欧洲被研制出来，发展至今液压快换接头被广泛应用到各个领域中，如：农用机械、建筑机械、液压设备、加工机床、重卡、机械手和高压工具等。

多年来我们一直为各领域客户提供快换接头的选型、设计和配套服务，通过收集用户关于液压快换接头的故障及失效的问题的各类问题，我们得到液压快换接头的常见故障、故障原因和故障率比例见表1。从表中我们可以看出，泄漏是最常见的故障，但是这种故障通常解决方法比较简单。故障表排在第二位的是快换接头的连接和断开困难，国内对这类问题的学术研究和解决方案非常少，文献[1]和文献[2]的研究为近两年的研究，其中对快换接头的背压释放的详细研究也非常局限。美国专利[3]于1999年3月专利公开了带背压释放的平面型快换接头，对ISO国际标准《ISO 16028：1999液压流—平面型快速接头—压力在20Mpa至31.5Mpa》[4]于1999年12月公布实施，该标准的平面型高压快换接头的外形及通用连接部位尺寸进行约定，具体产品的内部结构，工作原理和关键技术均有各厂商自行决定，美国专利[5]是对两种标准的快换接头进行了完善和改进。目前，国外的一些快换接头的制造商提供的产品，可以满足在系统存在背压的工况下连接，更高端的产品甚至可以达到在背压到达工作压力下的连接和断开。

表1 液压快换接头常见故障及原因

通过对液压快换接头的工作原理、背压产生的原因和消除方法的详细研究和分析，并结合国外公布的文献资料，产品信息自助研究并设计开发出一种带背压释放器的快换接头产品。该产品于2014年设计完成后，经过不断测试和完善，并于2018年申请国内专利，在多个配套设备厂进行安装应用，经过多年实际检验产品使用效果好、可靠性高、有效解决快换接头的连接和断开困难的问题，具有广泛的市场应用价值。

一、液压快换接头概述

1.1结构及使用

液压快换接头的结构主要由阴接头（又称母接头）和阳接头（又称公接头）两半部分组成。现今，液压快换接头型式主要有三类：第一类是符合标准《GB/T 5860-2003 液压快换接头的尺寸和要求》[6]的快换接头（该标准等同ISO7241-1：1987版，该国际标准已经废止并更新为2014年版[7]），该类产品又分为“A”系列（通常用于欧洲地区）和“B”系列（通常用于美洲地区），产品的的外形和结构如图1所示；第二种是符合ISO 16028：1999的快换接头，产品结构如图2所示。这类产品典型特点是采用平齐端面阀芯，连接时的夹气量和断开时的泄漏量非常小，因此又称为无泄漏式快换接头。同时，平齐端面易于清洁和防尘，可以大大减少系统介质污染的风险。除此之外，其它快换接头产品主要是制造商开发的企标产品。本文主要的研究对象是前两种产品。

快换接头的连接和断开是通过一套机械装置来完成，图1快换接头的连接和断开需要两只手操作完成，连接时通过手动滑动阴接头的套筒，套筒滑动定位钢球被释放，两边接头在手动推力的作用下克服接头内阀座的弹簧力，打开两边的单向阀形成通路，释放套筒在弹簧力的作用下复位，并将定位钢球锁定限制在定位槽内，保证阴阳接头形成可靠连接。当需要断开时，推动滑套后移，定位钢球从定位槽中被释放，阴阳接头分开，阴阳接头内的单向阀在弹簧作用力下复位截止流体。图2所示快换接头可以单手连接完成，但断开时需要双手操作。阴阳接头连接时，阳接头在手动推力作用下克服单向阀的弹簧阻力，将两个单向阀打开，限位钢珠在安装到位后落入阳接头的限位槽中，套筒在弹簧作用滑动并限制钢球的弹出，从而确保阴阳接头的可靠连接。接头断开时，先滑动套筒以将限位钢球释放，在弹簧力和手动拉力下阴阳接头分开，单向阀复位，流体截止。

图1 ISO 7241 系列快换接头 

图2 ISO 16028平面快换接头

1.2 系统背压和残压

液压系统背压的产生主要分为两类：一类是系统设计的功能需要，另一类是系统设计的不合理产生的背压，有时也称为系统残压。系统中为了防止液压元件及设备在重力或者负载下的失控、失速下落，采用液压锁、溢流阀、单向阀、平衡阀等形成系统背压，以确保系统的安全、平稳和可靠的工作。比如采用背压来保证起重设备、货仓启闭系统、电梯升降平台等设备在下行时的安全。利用系统背压来减少数控机床滑台的惯性前冲。系统停止工作后由于功能阀、管路设计及温度变化等原因造成管路内压力不能及时卸掉，以一定的残余压力保持在管路中。无论是设计的带背压回路系统，还是设计不合理造成的系统残压，都会造成快换接头的连接和断开困难。

GB/T 5860-2003标准中对手动连接时系统的最大内压力给出了推荐值，尺寸为DN6.3、DN10、DN12.5和DN20的最大压力值分别为10bar、6.3bar、5bar和2.5bar。快换接头在系统内压或者残压下连接或断开接头需要克服的阻力计算公式[8]如式1。

F=F_1+P×(D^2-d^2 )×π/4         公式1

F — 对接断开时的手动力；   F1 — 快换接头的弹簧力；    P — 对接时系统的压力或者残压；

D — 快换接头阀的最大外径；  d — 快换接头阀杆的直径；

下面我们对不同通径、在50bar的残压下的连接所需要的力进行模拟计算，计算得出相应的手动力结果如表1所示。根据《人机工程学》[9]参考资料男性手臂肌肉力370-390牛，女性200-220N，而在5Mpa背压下基本上列表中的所有接头的连接和断开正常人类的手臂力是无法完成。

表2   不同尺寸和标准的快换接头在背压下的推力值

1.3 现有解决方案

面对带压管路或残压管路的系统，为了方便快换接头的操作在系统设计时，在相应的部位和管路设计安装压力释放阀或释放器，在系统有残压或背压时操作压力释放阀来放卸压力，确保快换的接头连接和断开方便。另外，大多数的压力系统没有设置压力释放阀，快换接头连接和断开时遇到困难时，采用外力敲击的方式来释放压力，这种操作方法比较危险，容易造成压力释放不可控、螺纹和密封件等连接部件的损坏。

以上方法安装背压释放器造成成本增加，操作时不方便。而采用外力敲击的方法风险比较大，对液压系统的损坏严重。因此，针对上述的问题和解决方案，本文设计出一种带背压释放器的快换接头。

二、背压释放器

2.1背压释放器

针对上述问题，参照液压泄压阀和先导阀的原理[10]，我们对快换接头结构进行重新设计，图3所示，a和a’图是目前常用的锥阀结构和剖面图，b和b’为新型的带泄压阀式的锥阀结构和剖面图。新设计结构在锥阀的阀体内设计了一个先导泄压阀，泄压阀组件的爆炸图如图4所示，新型锥阀主要包括顶针、套筒、钢球、密封、阀体、定位销、弹簧和定位轴套，主要增加了顶针、钢球（也可以设计成一体式的小型锥阀）和定位销。因为，顶针的横截面是锥阀面积1/50~1/100，操作者仅需要较小的操作力，便可以克服弹簧阻力和管道内背压力或残余压力。图5为背压释放器泄压阀的装配图和轴侧图。

图3 通用锥阀和新型泄压式锥阀结构图 

图4 新型锥阀组件爆炸图 

图5 背压释放器总成装配图和轴侧图

背压释放器工作原理如图6、图7所示，图6所示的连接方式是常规设计的单边有背压的应用状况，一般压力源设计在阳接头端，阳接头进入阴接头后在弹性密封作用下，两边形成一个密封腔体，此时两个接头的锥阀端面开始接触，阴接头锥阀端面把带泄压阀的阳接头的锥阀顶针推起，顶针将钢球从密封的锥面推起，管道内的背压和残压瞬间便可释放出来，释放的油液在密封腔体内保留。背压和残压释放后，在手动作用力下继续向内推进，此时仅需克服锥阀的回位弹簧力便可以打开两边的锥阀，阴阳接头推到位后，锁定钢球落入定位槽内，套筒回位锁定钢球，此时阴阳接头形成可靠连接。

图7是阴阳接头均带背压释放器的快换接头，工作原理和单边带背压释放器的接头基本相同，在针阀接触后，两边的泄压阀顶针相互作用均打开，两边管路的背压或残压都释放到密封腔体内，背压释放后，手动力将阴阳接头连接配对完成。在设计有带背压释放器的快换接头，可以让快换接头在系统有背压或残压工况下轻松完成连接和断开。

图6 阳接头带背压释放器的泄压示意图 

图7 阴阳接头均有背压释放器的泄压示意图

2.2 GB 7241的接头设计

GB7241型式的快换接头，是国内快换接头的主流产品，大部分的厂商制造的产品均属于此类产品，下面针对7241标准的快换接头，我们设计安装新型的带背压释放器的产品，阴阳接头带背压释放器的剖面图如图8所示，该图也是阴阳接头的断开状态图。

图8 符合GB7241标准的新型快换接头的剖面图

背压释放器工作状态的原理图如图9所示，阴阳接头配对完成后的正常工作状态如图10所示。

图9 背压释放器打开状态示意图

图10 阴阳接头连接状态下的示意图

2.3 ISO16028的接头设计

ISO16028在国内没有对应的标准，国内也有制造商制造并出口相关的类似产品，该标准的规定产品压力是在21.5Mpa至35Mpa的高压液压快换接头产品，该类产品的突出优点是平齐端面，因此连接时带入系统的空气量非常少，断开时泄漏的介质非常少，对环境和用户维护都非常的有利。

ISO16028的标准主要其外观及关键尺寸进行了定义，具体接头的内部结构，工作原理均由厂家自行定义。为了保证产品的通用性、互换性和一致性的原则下，我们保证新型的带背压释放器的产品和不带被压释放器的产品主要部件通用，背压释放器各系列通用。一种规格尺寸的背压释放器可以用在ISO7241标准的接头上，也可以安装在ISO16028标准的产品上，还可以安装在我们自主开发研发的产品上。

符合ISO16028标准带背压释放器的快换接头产品外形如图11所示，接头内部的结构如图12所示，这个状态也是快换接头断开后的状态图。图13是背压释放器工作时的状态图，图14是阴阳接头连接完成后的工作状态图。

图11 符合ISO16028标准快换接头新产品外形图 

图12  ISO16028产品断开状态的剖面图 

图13 ISO16028标准产品背压释放状态图 

图14  ISO16028产品连接完成状态剖面图

三、测试与应用

3.1测试

液压快换接头的测试，依据《GB/T 5861-2003液压快换接头 试验方法》[11]等同采用ISO 7241-2:2000[12]，本标准规定了液压快换接头测试的试验装置、试验条件、试验方法和系统、测试数据的精度、试验数据的记录格式等。第二章所研究设计的两种新型带背压释放器的快换接头产品，依照GB/T 5861的测试要求进行相关测试，与通用不带背压释放器的产品对比分析压降、泄漏量、系统内保持内压下的连接和断开力或扭矩。符合ISO16028标准平面型快换接头，脉冲压力循环测试需要经过断开连接100,000次和接通连接1000,000次的脉冲压力的循环测试，比GB/T5861标准规定的断开和连接循环脉冲试验次数10,000次更为严格和可靠。另外还增加溢流量和夹气量的指标。

图15是GB/T 5860 系列快换接头标准产品，即不带背压释放器的产品和带背压释放器产品的流量压降曲线，从曲线对比我们可以看出，背压释放器对系统的流量和压降具有一定的影响，随着产品尺寸的增大和流量的增大，带背压释放器产品比不带背压释放器的产品压降更快。用户在产品选型时需要根据流量-压降曲线进行严格的产品选型。

图15  GB/T5860快换接头标准产品和带背压释放器产品压降曲线

图16是平面型快换接头符合ISO16028标准的产品，标准产品、阴接头带背压释放器、阳接头带背压释放器和两端均带背压释放器的流量压降曲线。测试曲线的对比分析结果与理论符合，背压释放器由于空间结构和位置，对系统的压降具有一定的影响。同GB/T5860的产品相似，尺寸越大、流量越大、阀数量增多压降损失就多。

图16 ISO16028标准产品和带背压释放器产品的压降曲线

测试快换接头在压力下连接力或扭矩的大小，随机选择5对1/2尺寸的快换接头，三类符合GB/T5860 A 系列，B系列和ISO16028标准的产品，带背压释放器和不带背压释放器，系统内带背压和不带背压状态，记录测试结果如表3所示。从测试结果可以分析得出，带背压释放器类的接头在背压下连接和无背压下连接力基本相同，可以分析得出背压释放器的作用显著。

表3   不同产品连接力测试结果

平面型快换接头的优势是非常小的溢流量和夹气量，表4测试数据为我们开发的产品不同尺寸的最大溢流量和最大夹气量数值，数值基本维持在10-2的ml的数量级。

表4 平面型快接的溢流量和夹气量测试结果

3.2 应用

3.2.1 GB/T 5860 B系列应用

GB/T5860 B系列产品主要有三类：通用系列60C，带背压释放器的60R系列和特殊材质的60S系列。本文仅介绍带背压释放器的60R系列产品，产品实物如图17所示。60R系列产品主要工业液压市场应用有加工机床，重卡，海工，化工和石油石化行业。产品的尺寸范围从 1/4″ (250 bar) 至1’’ (250 bar)，材料可提供黄铜、碳钢、不锈钢等多种材质，带背压工况下连接，最高可达工作压力。图18是60R系列产品在石油石化行业的应用，图19是建筑机械设备上的应用。

图17 产品实物图 

图18 60R系列快换接头在石油石化行业的应用 

图19 60R系列快换接头在建筑机械行业的应用

3.2.2 平面型快换接头应用

ISO16028平面型快换接头产品的实物图如图20所示，图21为液压管路上安装快换接头产品的效果图。图22和图23是产品实际应用到建筑机械、机床和工程机械设备上的现场图片。下面对平面接头的典型应用场景进行简单归纳：

•  接头连接和断开时无溢流的场合；

•  快插式连接，安装方便，可以单手推入；

•  端面易于清洁，可防止系统的污染；

•  碳钢钝化处理具有更好的防腐蚀性，可提供不锈钢材料产品；

•  用于建筑机械、救援机械、液压工具、制造业及农机市场；

•  可选择带背压释放器产品。

图20 符合ISO16028标准的平面快换接头实物图

图21实际管路上平面快换接头的安装图 

图22 建筑机械应用 

图23 小型铲车和挖机的应用

结论

正如本文开始所分析的，系统背压一直是困扰快换接头连接和断开的主要原因，给操作者带来非常大的不方便性和安全隐患。本文新设计的快换接头背压释放器，原理和结构简单，应用在产品和实际应用中效果显著。基于GB/T 5860和ISO16028标准开发的带背压释放器的产品，经过试验测试和实际应用后，背压造成的快换接头的连接和断开问题得到解决，产品填补国内带背压释放器快换接头的市场空白。产品应用于石油石化、工程机械、建筑机械，机床设备等领域市场反馈良好，有效推动国内快换接头的更广泛普及和使用。

参考文献

1.  汤志东, 贠超. 全自动快换装置快速接头技术综述[J]. 浙江大学学报 (工学版), 2017, 51(3): 461-470.

2.  许建祥,郝丽娟,陈磊.快换接头失效案例分析[J].机床与液压,2018,46(08):146-148.

3.  Arosio M. Quick-action male coupling connectable under pressure: U.S. Patent 5,884,897[P]. 1999-3-23.

4.  International Organization for Standardization. Hydraulic fluid power -- Flush-face type, quick-action couplings for use at pressures of 20 MPa (200 bar) to 31,5 MPa (315 bar) – Specifications-AMENDMENT1:ISO 16028:1999/Amd.1:2006(E) [S]. Geneva:ISO Copyright office,2006.

5.  Manzato F. Hydraulic coupling for quick coupling: U.S. Patent Application 14/312,849[P]. 2014-12-25.

6.  国家质量监督检验检疫总局，国家标准化委员会. 液压快换接头　尺寸和要求GB/T 5860-2003, [S]. 北京，中国标准出版社，2004.

7.  International Organization for Standardization. Hydraulic fluid power -- Quick-action couplings -- Part 1: Dimensions and requirements,IDT：ISO 7241-1:2014 [S] .Geneva:ISO Copyright office,2014.

8.  黄建勋. 新型自密封式快换接头探究[J]. 企业科技与发展月刊, 2009(7):53-55.

9.  丁玉兰. 人机工程学.第4版.北京:北京理工大学出版社[M]. 2011.

10.  闻邦椿.机械设计手册[M].第六版.北京:机械工业出版社：2018年

11.  国家质量监督检验检疫总局，国家标准化委员会. 液压快换接头　试验方法GB/T 5861-2003, [S]. 北京，中国标准出版社，2004.

12.  International Organization for Standardization. Hydraulic fluid power -- Quick-action couplings -- Part 2: Test methods,IDT：ISO 7241-2:2000 [S] .Geneva:ISO Copyright office,2000.