淺談水下電連接器的密封設(shè)計(jì)

胡曉東，于慧敏，韓繼先

(1．駐一一七廠軍代表室，沈陽(yáng)，110144;2．沈陽(yáng)興華航空電器有限責(zé)任公司，沈陽(yáng)，110144)

1 引言

在海洋水下工程及裝備技術(shù)領(lǐng)域，隨著水下電氣設(shè)備和裝置的廣泛使用，用來(lái)聯(lián)系水下電氣與水面終端設(shè)備或電源的重要元器件－－水下連接器也逐步發(fā)展起來(lái)，并對(duì)其要求日益提高，從1MPa靜水壓力要求逐步擴(kuò)展到5MPa、10MPa，甚至更高的靜水壓力要求。水密連接器插頭與插座的插配處具有徑向或軸向密封結(jié)構(gòu)，保證插配端的密封;插座縱向具有單頭防水功能，可防止水通過(guò)連接器進(jìn)入裝備內(nèi)部而使之破壞;連接器與尾部電纜的可采用密封橡膠保護(hù)套、硫化、灌封等方式實(shí)現(xiàn)密封，用戶可根據(jù)在不同場(chǎng)合的使用要求選擇相應(yīng)結(jié)構(gòu)的連接器。

2 水下電連接器的密封機(jī)理

水下電連接器實(shí)現(xiàn)密封的方法主要是在零件配合間隙之間設(shè)置一道有足夠強(qiáng)度的密封件。密封件必須有足夠的彈性，并能嵌入和填滿被密封面上的任一凹凸不平處，同時(shí)還要保持足夠的剛度以防止在介質(zhì)的高壓作用下被擠入表面間隙內(nèi)。彈性密封體經(jīng)壓縮加載而變形，維持接觸應(yīng)力，緊貼在被密封面上，并擠入密封面的所有微觀凹坑。密封介質(zhì)壓力小于彈性體對(duì)表面的接觸壓力，泄漏就不能形成。密封使用的橡膠密封圈靠裝時(shí)與被密封面的配合有一個(gè)過(guò)盈量而獲得變形和接觸壓力。接觸壓力與密封圈的變形量和材料的彈性模量有關(guān)。對(duì)于靜密封來(lái)說(shuō)，只要密封材料本身不因過(guò)度受壓損壞而喪失工作能力，就可以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)的密封。

水下電連接器的設(shè)計(jì)主要是密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，而水下電連接器的密封主要采用O形密封圈來(lái)實(shí)現(xiàn)。橡膠密封圈可以被想象成為不可壓縮，具有很高表面張力的“高粘度流體”。不論是受周?chē)鷻C(jī)械結(jié)構(gòu)的機(jī)械壓力作用，還是受液壓流體傳遞的壓力作用，這種“高粘度流體”在溝槽內(nèi)“流動(dòng)”，形成“零間隙”，或者說(shuō)阻止了被其密封的流體的流動(dòng)。橡膠的彈性補(bǔ)償了制造和配合公差，其材料內(nèi)部的彈性記憶是維持密封的重要條件。圖1表示O形密封圈在應(yīng)用過(guò)程中的狀態(tài)。

圖1 密封圈在應(yīng)用過(guò)程中的狀態(tài)

圖1a中，O形圈安裝后，未施加系統(tǒng)壓力，此時(shí)O形圈受溝槽的機(jī)械壓力，其截面已不是圓形，它關(guān)閉了流體的通道。

圖1b中，在系統(tǒng)壓力作用下，O形圈被迫擠向(但未擠進(jìn))配合面之間的狹窄的間隙，從而獲得了更大的接觸面積和密封應(yīng)力。

圖1c中，O形圈所受壓力達(dá)到了它的壓力極限，有一小部分密封材料被擠進(jìn)了溝槽間隙。

圖1d中，進(jìn)一步加大系統(tǒng)壓力，密封件表面張力已不足以阻止“流動(dòng)”，材料擠出到開(kāi)放的通道或間隙中，導(dǎo)致O形圈的擠出失效。

3 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3．1 橫向水密結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水下連接器的橫向水密，即插頭、插座插配處的密封是依靠O形密封圈來(lái)保證的。O形密封圈安裝在插頭殼體的溝槽內(nèi)，在插頭與插座對(duì)接后，兩殼體對(duì)密封圈適量的壓縮來(lái)實(shí)現(xiàn)水密。產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)環(huán)境溫度、工作壓力、介質(zhì)材料等合理選擇密封圈的材料、硬度和耐溫等級(jí)，并對(duì)O形圈的壓縮率、O形圈的擠出極限及間隙進(jìn)行計(jì)算，確保密封結(jié)構(gòu)的合理。

3．1．1 密封圈結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計(jì)

水下電連接器所采用的密封圈密封大多為徑向密封，為保證配合面的密封良好，推薦密封圈成型模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)明確密封圈的分型面為45°，為保證毛邊不會(huì)影響應(yīng)用。

圖2 密封圈結(jié)構(gòu)態(tài)

3．1．2 密封圈壓縮率的確定

水下電連接器所采用的O形密封圈大多安裝在溝槽內(nèi)，而O形圈在溝槽內(nèi)的初始變形的合理確定對(duì)于實(shí)現(xiàn)密封起著至關(guān)重要的作用。密封圈初始變形量與密封圈截面直徑d2的比例應(yīng)為15%～30%。

3．1．3 密封圈擠出極限與間隙的確定

O形圈在溝槽中受介質(zhì)壓力的作用下，會(huì)發(fā)生變形，“流”向間隙位置，達(dá)到密封效果。也就是說(shuō)，隨著壓力的增加，O形圈發(fā)生更大的變形，其應(yīng)力也增加，從而獲得更緊的密封。

圖3 密封圈擠出間隙

在O形圈在承受高壓的情況下被擠入到間隙中，造成密封失效，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使間隙盡可能小。擠出間隙的大小取決于O形圈的硬度、工作壓力及溝槽間隙大小。O形圈溝槽的徑向間隙必須保持在表1中給出的最大徑向間隙范圍內(nèi)。若公差太大，會(huì)導(dǎo)致O形圈擠出。

表1 O形圈擠出極限(mm)

3．1．4 溝槽設(shè)計(jì)

a)導(dǎo)入倒角設(shè)計(jì)

正確的溝槽設(shè)計(jì)可以從一開(kāi)始就消除可能的損壞和密封失效，見(jiàn)圖4。由于密封圈安裝時(shí)受到拉伸或擠壓，為避免配合處的鋒利尖邊對(duì)O形圈造成損傷，設(shè)計(jì)O形圈導(dǎo)入過(guò)程中接觸到的零件時(shí)，必須要規(guī)定倒角和倒圓。導(dǎo)入倒角的表面粗糙度為:Rz≤0．4μm ，Ra≤0．8μm。

圖4 a 孔的導(dǎo)入倒角

圖4 b 軸的導(dǎo)入倒角

b)溝槽設(shè)計(jì)

溝槽設(shè)計(jì)是密封圈實(shí)現(xiàn)有效密封的關(guān)鍵，密封圈溝槽設(shè)計(jì)按圖5所示，推薦數(shù)值見(jiàn)表2。

圖5 a 軸密封

圖5 b 孔密封

表2 溝槽尺寸——徑向壓縮推薦值

c)表面粗糙度設(shè)計(jì)

在壓力作用下，彈性體將貼緊不規(guī)則的密封表面，被密封的表面應(yīng)滿足一些基本的要求。密封表面上不得有開(kāi)槽、劃痕、凹坑、同心或螺旋狀的加工痕跡。

表3 表面粗糙度推薦值

3．2 縱向水密結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計(jì)

連接器的縱向水密即單頭防水性能，該項(xiàng)性能是保證在橫向水密失效時(shí)水不能通過(guò)連接器進(jìn)入裝備內(nèi)部而對(duì)其造成損壞。縱向水密結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括絕緣體與殼體之間的密封及絕緣體與接觸件之間的密封，絕緣體與殼體之間的密封依靠在殼體內(nèi)加裝密封圈來(lái)實(shí)現(xiàn)，接觸件與絕緣體之間采用鑲嵌塑壓的方式結(jié)合在一起來(lái)實(shí)現(xiàn)密封性能。詳見(jiàn)圖6。

3．3 連接器與線纜連接處的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

連接器與線纜連接處的密封是防止海水沿線纜防護(hù)層滲入。目前，常采用的密封方式為硫化形式或橡膠保護(hù)套和密封壓塞的形式。

圖6 a 鑲嵌塑壓組件

圖6 b 加裝密封圈組件

3．3．1 硫化密封

硫化形式即連接器與線纜連接后，如圖7所示用合適的橡膠將連接器尾部與線纜硫化在一起，以實(shí)現(xiàn)連接處的密封性能。

圖7 連接器尾部與線纜硫化示意圖

3．3．2 橡膠保護(hù)套和密封壓塞密封

密封原理如圖8所示，電纜夾緊用卡簧把線纜夾緊固定的同時(shí)，將絕緣體組件固定在插頭中，密封壓圈受到通過(guò)夾線套筒施加的力產(chǎn)生變形而實(shí)現(xiàn)對(duì)線纜的密封作用;同時(shí)將橡膠保護(hù)套管通過(guò)夾線套筒套在插頭殼體上，依靠橡膠保護(hù)套對(duì)插頭殼體、夾線套筒及線纜的包覆作用實(shí)現(xiàn)對(duì)連接器尾部與線纜連接部位的密封。

圖8 插頭與線纜連接部分密封結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

在水下連接器設(shè)計(jì)過(guò)程中，利用三維繪圖軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，對(duì)密封圈安裝部位的粗糙度、O形圈導(dǎo)入過(guò)程中接觸零件的倒角等進(jìn)行嚴(yán)格要求，并進(jìn)行詳細(xì)的尺寸鏈計(jì)算，尤其是根據(jù)工作壓力對(duì)O形圈的擠出極限及間隙、密封圈的壓縮率計(jì)算。目前，采用該密封結(jié)構(gòu)的水下連接器已通過(guò)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鑒定試驗(yàn)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到要求。

［1］邱云鳳一種防水防鹽霧圓形電連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)電元件 2003．12．

［2］王強(qiáng)，張軍QH型系列圓形高壓連接器的設(shè)計(jì)機(jī)電元年2002．09．