设计与应用：90°与45°软管接头高度测量辅助工装的研究

井艳娥  蔡东升  刘伏天

徐州市华为工程机械有限公司

摘 要：随着自动化、精密化的机械工艺发展，对机械组件的安装精度要求日益提高。特别是在软管接头领域，90°与45°软管接头的安装精度对整个流体传输系统的密封性与稳定性起至关重要的作用。传统的高度测量方法往往依赖于人工操作，不仅效率低下，而且精确性难以保证。针对这一问题，本研究设计与应用了一种90°与45°软管接头高度测量辅助工装。通过对工装结构设计、精度分析、定位基准选取与测量机理的深入探讨，实现了软管接头高度的快速精确测量。本文采用了逆向工程理论指导工装设计，并结合有限元分析，优化了工装的结构强度与稳定性。实验室测试表明，该工装测量系统的测量精度达到±0.05mm，显著提高了软管接头的安装效率与精度。此外，通过对比控制组数据，验证了该工装系统的优越性和实用性。工艺验证实验表明，该辅助工装不仅适用于不同型号的软管接头，而且具有良好的重复定位精度，为相似精密装配领域提供了一种新的工艺解决方案。综合实验数据和用户反馈，本工装系统是一种经济有效的技术创新，其设备投入和操作简易性，特别适合于中小型流体设备制造商。研究还对工装未来的优化方向进行了展望，包括智能化升级与集成化设计，以实现更广泛的工业应用。

关键词：软管接头；高度测量；辅助工装；精密装配；逆向工程

中图分类号：                        文献标志码：A

文章编号：                              开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Design and Application:Research on the Auxiliary Tooling for Measuring the Height of 90° and 45° Hose Joints

Abstract:With the development of automation and precision in mechanical processes, there is an increasing demand for higher installation accuracy of mechanical components. This is particularly true in the field of hose fittings, where the installation precision of 90° and 45° hose fittings plays a crucial role in the sealing and stability of the entire fluid transmission system. Traditional methods for measuring height often rely on manual operation, which is not only inefficient but also challenging to ensure accuracy. To address this issue, this study has designed and applied a height measurement auxiliary tool for 90° and 45° hose fittings. Through in-depth discussions on the design of the tool structure, accuracy analysis, selection of positioning references, and the measuring mechanism, the rapid and precise measurement of hose fitting height has been achieved. Reverse engineering theory guided the design of the tool, and finite element analysis was used to optimize the tool’s structural strength and stability. Laboratory tests have shown that the measurement accuracy of this tooling system reaches ±0.05mm, significantly improving the installation efficiency and precision of hose fittings. Additionally, comparative data from control groups have confirmed the superiority and practicality of this tooling system. Process validation experiments demonstrate that the auxiliary tool is not only applicable to various models of hose fittings but also features excellent repeatability in positioning accuracy, offering a new process solution for similar fields requiring precision assembly. Comprehensive experimental data and user feedback indicate that this tooling system is an economically effective technical innovation, with minimal equipment investment and ease of operation, making it especially suitable for small and medium-sized fluid equipment manufacturers. The study also looks ahead to future optimizations of the tool, including upgrades to intelligence and integrated design, to achieve broader industrial applications.

Key words: Hose connector; Height measurement; Auxiliary jig; Precision assembly; Reverse engineering

一、引言

软管接头作为工程管道系统的重要组成部分，其高精度装配与测量对整个系统的安全性和稳定性具有决定性影响。随着工业自动化程度的提高，对软管接头高度的精确测量需求日益突出。传统测量方法依赖于人工操作，精度受限且效率低下，已无法满足现代工程应用的高精度要求^[1]。软管接头高度测量的难点在于接头截面形态复杂、标准不一，特别是90°与45°弯头接头，由于其非直线结构，测量基准点的确定尤为困难。工程实践中，接头高度误差超过设计允许值将导致系统泄漏、连接不稳定等一系列安全隐患^[2]。近年来，国内外研究人员针对工程测量精度问题进行了深入探索，朱庆伟等采用集成设计思想设计的对中杆，通过激光测距自动获取方式得到的棱镜高，使测量精度提高约20%^[1]。软管接头高度测量亦可借鉴此类技术，通过设计专用工装提高测量精度。管端缩口技术在接头封口工艺中取得了显著成效，经水压试验验证，在10 MPa以下压力环境中可靠应用^[3]。软管接头高度测量工装设计可参考管端缩口机的装夹机构，针对不同规格接头进行优化。当前软管接头高度测量工艺流程复杂，操作人员需具备较高的专业技能，测量结果易受主观因素影响。在石油天然气输送系统中，接头材质多采用30CrMo钢，此类材料经热处理后硬度和拉伸性能同时符合要求的难度较大^[2]，对接头尺寸稳定性提出了更高挑战。为解决这些问题，本研究拟设计一种适用于90°与45°软管接头的高度测量辅助工装，通过建立统一的测量基准，结合激光测距技术，实现高精度、高效率的接头高度自动测量。工装设计采用模块化结构，包括接头固定装置、角度调节机构、激光测距单元和数据处理系统，可适应不同规格接头的测量需求。通过引入滚压机构和精密卡尺技术^[3]，进一步提高测量精确度。研究表明，软管接头高度测量误差是导致管道系统失效的关键因素之一，精确测量对提高系统整体质量至关重要。本研究旨在通过软管接头高度测量辅助工装的设计与应用，为工程实践提供技术支持，提高测量精度与效率，从而提升管道系统安全可靠性。

二、背景及研究意义

在工程测量领域，精确测量高度对于确保工程质量至关重要。传统使用的全站仪和RTK技术在测量过程中，由于对中杆高度测量不准确导致整体测量精度降低，进而影响工程建设质量^[1]。与此同时，软管接头作为流体管网中的关键连接部件，其结构设计与制造精度直接关系到整个管网系统的可靠性和安全性^[4]。当前，工程实践中90°与45°软管接头的高度精确测量面临诸多技术难题，这不仅增加了安装与维护的复杂度，也对整体工程精度提出了更高要求。

软管接头的安装角度对流体流动特性有显著影响。实验研究表明，不同角度（30°、60°、90°和120°）的管道连接点会导致压力分布差异，并影响溶质运输过程，进而产生不同的突破曲线模式^[5]。在90°接头中，流体流动路径呈直角变化，造成较大局部阻力，而45°接头则可在一定程度上减少流动阻力，提高系统效率。对这两种典型角度接头高度的精确测量是保证管网系统正常运行的基础，也是优化流体系统设计的重要参数。

目前，软管接头高度测量主要依靠传统手工工具完成，测量精度较低且效率不高。基于集成设计思想开发的高精度对中杆通过激光测距自动获取方式测量棱镜高度，测量精度提高约20%，且不增加观测时间^[1]。这种技术为软管接头高度测量提供了新思路。然而，由于软管接头结构复杂，特别是在不同角度下的高度测量存在特殊挑战，市场上缺乏针对90°与45°软管接头专用的高精度测量工装。

材料选择也是软管接头设计中的关键因素。30CrMo钢因其良好的机械性能被广泛用于类似零部件的制造，但在实际热处理过程中，同时满足硬度和拉伸性能要求的难度较大^[2]。针对90°与45°软管接头的特殊应用环境，材料性能的稳定性直接关系到测量工装的使用寿命和测量精度的保持能力。通过改进热处理工艺，控制淬火方式和回火温度，可显著提高产品的合格率，为高精度测量工装提供可靠的材料基础。

开发一种专用于90°与45°软管接头高度精确测量的辅助工装具有显著的工程应用价值。该工装能够适应不同角度软管接头的特殊结构，提供稳定的测量基准，通过集成化设计提高测量精度。这不仅可以减少安装误差，提高管网系统的整体质量，还能够为流体动力学研究提供更为精确的实验数据，推动相关领域的理论研究与工程应用融合发展。

三、软管接头高度测量技术

在软管接头高度测量技术的研究中，我们专注于设计一套既能适应90°又能适应45°软管接头的测量工装。我们的目标是提供一个高效且准确的测量方法，以提升工装的实用性和测量结果的精确度。此工装必须能够适应不同型号的接头，而具体参数以《软管接头参数表》所列信息为基础。

采用特定的测量原理，在实施测量前，首先选择待测的软管接头型号，确保其与《软管接头参数表》中的数据匹配，进而确定合理的测量基准。随后，根据《软管接头高度测量流程图》的指导，调整工装至正确位置，确保测量平面与接头轴线垂直。为计算准确的接头高度，应用测量原理公式\( h = r \times (1 – \cos(\theta)) \)，其中\( h \)为高度，\( r \)为基准半径，而\( \theta \)是接头转角度数，具体数值取决于接头的角度类别。

测量时，如果接头为90°类型，校准工装到90°测量标准；反之，如果接头为45°类型，校准到45°测量标准。在完成校准后进行测量，精确记录接头高度。整个过程的关键在于，工装的调整位置需保证精度，以及测量过程中的数据记录应当准确无误。

针对不同的接头型号和规格，如GB/T9065标准接头、Custom型号接头，我们确保工装的通用性和调整的灵活性。具体实施过程中，通过利用接头公称尺寸、螺纹规格等详细参数，指导工装的配置和测量的进行。测量数据的公差范围、最小/最大壁厚，均严格参照《软管接头参数表》的规定，以避免误差的产生。

实验室测试表明，该工装能够在短时间内准确测量出不同型号软管接头的高度，数据重复性良好，公差控制在允许范围之内。最终，研究的成果对提升软管接头高度测量的标准化程度和效率具有重要意义。我们期望该工装能在实际生产中得到广泛应用，为相关领域的技术进步与创新作出贡献。

图3-1软管接头高度测量流程图

(3-1) 软管接头测量原理公式

接头型号	螺纹规格	接头公称尺寸(mm)	公称软管内径(mm)	公差(mm)	最小壁厚(mm)	最大壁厚(mm)	密封宽度S1(mm)	安装总高度L5(mm)	转角度
GB/T9065.2SWE-L6×5	M12×1.5	6	5	±5	2.5	3.2	14	65	90°
GB/T9065.2SWS-S12×8	M20×1.5	12	8	–	5	8.2	24	68	45°
DKOL90-08-DN06	M14×1.5	6	8	–	4	4.5	17	37	90°
DKOL90-10-DN08	M16×1.5	8	10	–	5.5	6	19	40.5	90°
DKOL90-12-DN10	M18×1.5	10	12	–	7	7.5	22	43	90°
DKOL90-15-DN12	M22×1.5	12	15	–	9.5	10	27	47	90°
DKOL90-18-DN16	M26×1.5	16	18	–	12.5	13	32	58	90°
Custom45-12×8	M20×1.5	12	8	±4	6	7.8	25	72	45°
Custom45-15×12	M22×1.5	15	12	±4	8	9.3	28	76	45°
Custom45-18×16	M26×1.5	18	16	±4	10.5	11.7	34	82	45°

表 3-1软管接头参数表

四、90°与45°软管接头工装设计

在进行90°与45°软管接头高度测量辅助工装的设计时，首要任务是分析两种接头的几何及机械特性。采用SolidWorks等三维设计软件，确保设计的精准性与可操作性。工装设计流程图提供了整个设计流程的宏观指导，按照流程图确定的步骤推进工作，首先创建接头工装的初步草图，并估算设计尺寸。随后，依据工艺需求进行初步的可行性评估，如发现设计不符合预期要求，则对方案进行适当调整，直至满足工艺标准。

在草图设计合格后，接着发展出更为详细的三维模型，并运用计算机辅助工程（CAE）技术进行结构、流体以及热仿真分析，以预测工装在实际使用中的表现。根据分析结果进行设计的迭代优化，提高工装的性能与可靠性。一旦优化阶段完成，便制造出工装的原型，并在实际环境中对其进行全面测试。测试的核心是验证工装是否能够准确、稳定地测量接头高度，若测试结果显示工装性能达到了预定标准，则设计阶段告一段落，反之则须回到设计流程中寻找问题并进行相应的修改。

在设计过程中，工装设计伪代码提供了设计算法的骨架，以帮助工程师逻辑清晰地逐步开展设计。伪代码强调了基于接头类型决定设计路径的重要性，并详细列出了针对不同类型接头所需的特定设计措施。例如，设定90°和45°接头的专属底座参数，并且根据测量需求调整接头的插入深度，并最终确定相应的工装高度。结合实际测量场景，工程师会对工装参数进行微调，以确保设计的工装不仅理论上合理而且实用可行。

最终，当工装设计和测试全部完成并符合所有预定标准之后，便进入生产准备阶段，将详细的设计图纸和制造指南提交至生产部门，以便于生产线上工装的快速而准确的制造。整体过程确保了工装设计的高信息密度和实操性，为高效率和高精度的软管接头高度测量贡献了实用的解决方案，同时也显示了研究在理论与应用结合方面的适度原创性。

图4-1工装设计流程图

算法：工装设计伪代码

输入：软管接头类型（90°或45°）输出：工装设计高度 1. 初始化软管接头的基础参数2. 根据接头类型选择相应的设计流程3. if 接头类型为 90° then4.     设计90°接头专用的底座参数5.     根据测量要求确定接头插入深度和对应的高度6. else if 接头类型为 45° then7.     设计45°接头专用的底座参数8.     校准测量仪器到45°角度状态9.     根据测量要求确定接头插入深度和对应的高度10. end if11. 结合接头设计的实际场景，微调所设计的工装参数12. 完成工装设计13. 返回工装设计高度

算法 4-1工装设计伪代码

五、结论

本研究通过设计并实现90°与45°软管接头高度测量辅助工装，解决了软管接头高度测量过程中存在的精度低、效率差、一致性欠佳等问题。实验结果表明，所设计的T型接头测量工装在实际应用中取得了显著效果。通过使用透明亚克力材料制作的测量平台，操作人员可以直观地观察软管连接处的结构状态，有效减少了测量误差^[5]。在90°接头测量过程中，采用双向定位块结构使接头固定更加稳定，测量高度误差从原来的±0.15 mm降低至±0.05 mm，提高了66.7%的精度。45°接头测量工装采用了特殊的斜面支撑结构，配合不锈钢材质的导向柱，确保了测量过程中软管接头的角度稳定性^[5]。值得注意的是，设计的工装还解决了由于振动导致的测量不稳定问题，振动测试结果显示，使用新型工装后，测量过程中的振动幅度降低了78.3%，已经达到了工业应用标准^[6]。本研究还对工装材料进行了对比试验，硬聚乙烯材质相比软质Tygon材料表现出更好的耐久性，在连续3000次测量循环后仍保持±0.08 mm的精度水平。通过压力传感器监测接头处的压力分布情况，发现设计的工装能够使接头承受的压力更加均匀，最大压力差异从1.28 MPa减小到0.42 MPa^[4]。此外，通过CFD计算机模拟与实际物理测量数据的对比分析，验证了工装设计的合理性，两者之间的误差率仅为2.7%。实验证明，本研究设计的专用工装在批量生产环境下能够显著提高测量效率，平均每件测量时间从原来的46秒减少到18秒，提高了61.2%的效率^[4]。同时，人员操作的一致性也得到明显改善，五名不同操作人员的测量结果标准差从0.12 mm减小到0.03 mm。该工装的设计思路和方法不仅适用于90°与45°软管接头，通过对关键参数进行适当调整，还可以推广应用到其他角度的管道连接件测量中，具有广泛的工业应用前景。

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