一種彈性接觸件嵌壓密封連接器

查梅蕾，胡 鵬，邱 慶，王德峰

(1.四川華豐科技股份有限公司，四川綿陽，621000；2.火箭軍裝備部駐綿陽地區(qū)第一軍事代表室，四川綿陽，621000)

1 引言

作為傳遞設(shè)備間信號或能量的水密連接器要求滿足水密封性能。如圖1所示，為保證密封艙體的安全性，與密封艙安裝用的插座需實(shí)現(xiàn)軸向和徑向密封。而作為轉(zhuǎn)接用的連接器通常僅需徑向密封。

圖1 水密連接器密封示意圖

通用的軸向密封結(jié)構(gòu)是在連接器絕緣體與接觸件之間、絕緣體與殼體之間以及連接器與密封艙體之間進(jìn)行密封設(shè)計(jì)，通常采用橡膠、玻璃封結(jié)、陶瓷封結(jié)、嵌壓等密封方式。

通用的徑向密封結(jié)構(gòu)是在連接器插合界面間、尾部附件與殼體之間以及連接器與線纜之間進(jìn)行密封設(shè)計(jì)，通常采用橡膠、硫化、灌膠、金屬密封等密封方式。

連接器中非彈性接觸件與絕緣體的軸向密封通常采用接觸件與玻璃(或陶瓷)進(jìn)行燒結(jié)、塑料模壓成型、接觸件設(shè)置密封圈結(jié)構(gòu)；彈性接觸件與絕緣體的軸向密封通常采用圖2所示的非彈性接觸件與玻璃或陶瓷進(jìn)行燒結(jié)、塑料模壓成型后轉(zhuǎn)接為彈性接觸件或在彈性接觸件上放置橡膠密封圈的方式。

(a)非彈性接觸件密封后轉(zhuǎn)彈性接觸件

以上兩種方式中結(jié)構(gòu)(a)成本較高；結(jié)構(gòu)(b)要求接觸件之間的間距大，不利于器件的小型化。為滿足微間距高可靠、低成本水密連接器的應(yīng)用要求，進(jìn)行了彈性接觸件嵌壓密封連接器的研制，該連接器無需與設(shè)備密封艙進(jìn)行安裝，僅作為線纜之間轉(zhuǎn)接使用，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)要求

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)

該密封連接器由插頭和插座組成，二者的連接和分離方式為螺紋，接觸件端接方式為焊線式。如圖3所示，插頭端接觸件為彈性插孔接觸件，插座端接觸件為插針接觸件。

(a)插頭

2.2 絕緣體組件

如圖4所示，絕緣體組件由接觸件(插孔組件和插針)、絕緣體組成。接觸件與絕緣體之間的密封性通過模具嵌壓成型保證。為保證絕緣體與殼體配合處的直徑尺寸D，利用模流分析對模具的結(jié)構(gòu)、澆口形狀、澆口位置、流道大小等進(jìn)行了仿真分析。

圖4 絕緣體組件

圖5 絕緣體組件模流分析

為提升接觸件在絕緣體中的固定性和結(jié)合強(qiáng)度，接觸件設(shè)計(jì)為臺階式。為保證嵌壓后彈性接觸件的彈性，插孔選用耐高溫的彈性材料鈹青銅；為避免嵌壓時(shí)膠料進(jìn)入插孔體影響接觸件間的配合，插孔采用了帶套管的組件形式。

圖6 插孔組件

2.3 密封

由于該連接器應(yīng)用于電纜之間的轉(zhuǎn)接，不涉及與密封艙體的安裝，所以僅考慮接觸件與絕緣體之間、絕緣體組件與殼體之間、插頭和插座插合界面、連接器與電纜之間的密封性。

1)接觸件與絕緣體之間：此處采用嵌壓密封方式(圖4)，利用模具將接觸件與絕緣體塑壓成型實(shí)現(xiàn)密封。

2)絕緣體組件與殼體之間：此處采用O形密封圈形式(圖3)，在絕緣體組件上設(shè)計(jì)兩個(gè)O形圈，當(dāng)絕緣體組件裝入殼體時(shí)利用殼體內(nèi)孔與O形圈的過盈實(shí)現(xiàn)套緊密封。

絕緣體組件與殼體之間為套緊密封可利用(1)、(2)、(3)式計(jì)算出絕緣體放置O形圈處的槽深和槽寬：

H=0.883d-0.23[±0.04d]

(1)

εc=0.117+0.23/d

(2)

(3)

式中，d為O形圈的直徑，H為絕緣體溝槽深度，B為絕緣體槽寬

3)插頭和插座插合界面：此處設(shè)計(jì)有三個(gè)O形密封圈(圖3)，兩個(gè)O形圈設(shè)計(jì)在插頭殼體上，一個(gè)O形圈設(shè)計(jì)在插座殼體端面。插頭殼體上放置的兩個(gè) O形圈與座殼體內(nèi)孔的配合屬于套緊密封可以利用(1)、(2)、(3)式計(jì)算出頭殼體放置O形圈處的槽深H和槽寬B。放置于座殼體端面的O形圈與頭殼體端面形成壓緊密封，利用(3)、(4)、(5)式計(jì)算出槽寬和槽深，為避免在運(yùn)輸和使用過程中O形圈的脫落，設(shè)計(jì)時(shí)β角小于90°。

H=0.842d-0.219[±0.05d]

(4)

εc=0.158+0.219/d

(5)

(a)插頭殼體 (b)插座殼體

4)連接器與電纜之間：如圖8所示，此處的密封是雙密封結(jié)構(gòu)，首先利用帶螺紋的金屬尾螺母擠壓U型密封圈實(shí)現(xiàn)電纜和連接器的密封和固定，接著將連接器與電纜利用硫化模具進(jìn)行硫化處理實(shí)現(xiàn)再次密封。

(a)密封圈密封和固定電纜

3 可靠性設(shè)計(jì)

按照常規(guī)連接器的電氣性能要求，分別對其耐電壓、絕緣電阻、接觸電阻及電流等進(jìn)行計(jì)算確定。本文僅對該水密連接器特殊的密封性和耐腐可靠性進(jìn)行分析。

3.1 密封性

如前所述，該連接器涉及的密封方式主要有嵌壓密封、O形圈密封和硫化密封三種。下面針對這三種密封的可靠性進(jìn)行介紹：

1)嵌壓密封：

接觸件與絕緣體經(jīng)過嵌壓后實(shí)現(xiàn)結(jié)合處的密封，嵌壓前首先對接觸件需要嵌壓部位進(jìn)行去鍍層處理(該工藝主要的作用是得到清潔的表面、形成高活性的表面、形成較大的膠結(jié)表面積、有利于潤濕)，接著在該處涂抹粘接膠，然后將接觸件放入模具經(jīng)加熱、加壓等工序使二者之間形成牢固結(jié)合體。這種工藝使接觸件和絕緣體結(jié)合部位的剪切強(qiáng)度在高低溫沖擊、潮濕等環(huán)境試驗(yàn)后達(dá)到58.2MPa，該強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于該項(xiàng)目要求的6MPa的耐水壓指標(biāo)從而保證了接觸件與絕緣體結(jié)合面的耐水壓性能。

2)O形圈密封：

如圖9所示，O形密封圈安裝在溝槽和被密封面之間，有一定的壓縮量Sq，由此產(chǎn)生的反彈力給予被密封的光滑面和溝槽底面以初始的壓縮應(yīng)力，從而起到自密封作用。耐靜水壓的能力與O形密封圈硬度、零件配合間隙、O形密封圈截面直徑等密切相關(guān)，根據(jù)耐水壓要求選用了O形密封圈后為保證密封的可靠性再按照(6)、(7)式對其壓縮量和壓縮率進(jìn)行校驗(yàn)。

圖9 O形圈自密封示意圖

壓縮量：Sq=d-H

(6)

壓縮率：εc=Sq/d

(7)

式中d為O形圈的直徑；H為溝槽深度

3)硫化密封：

為保證連接器與線纜之間的密封，在連接器與線纜完成連接后采用了硫化密封方式。硫化前首先對線纜、連接器需要硫化部位進(jìn)行粗化處理，接著在粗化部位涂抹粘接膠，然后經(jīng)加熱、加壓等工序使二者之間形成了牢固的膠結(jié)體，該硫化膠結(jié)的原理如圖10所示。這種工藝的良好粘合力保證了水密連接器在高水壓環(huán)境下的正常工作。

圖10 橡膠與金屬硫化膠結(jié)原理示意圖

3.2 耐腐蝕

由于該連接器服役于海水環(huán)境，長期浸泡于海水中，需有長期的耐海水及霉菌腐蝕的能力。其中耐海水能力用加速老化鹽霧試驗(yàn)驗(yàn)證。

1)耐鹽霧：

為實(shí)現(xiàn)耐鹽霧指標(biāo)，主要采取以下三方面的措施：

a：殼體類零件選用了耐鹽霧性能優(yōu)異的316L不銹鋼材料；

b：殼體與絕緣體組件的密封方式采用了O形密封圈方式，避免了高溫封接產(chǎn)生的晶間腐蝕；

c：完成裝配后在耐腐薄弱處(螺紋)涂抹電接觸潤滑脂，該潤滑脂附著在不銹鋼表面并填充到螺紋縫隙中，不僅阻止了絕大部分腐蝕性電解質(zhì)水溶液進(jìn)入縫隙，還阻斷了閉塞電池發(fā)生的路徑，提升了暴露于海水中的不銹鋼材料的耐腐性能。

試驗(yàn)證明該水密連接器經(jīng)過1000小時(shí)鹽霧試驗(yàn)后性能達(dá)到規(guī)范要求。

2)耐霉菌

連接器中使用的塑料、橡膠、涂料等有機(jī)高分子中存在霉菌生產(chǎn)所需的營養(yǎng)物質(zhì)，霉菌或者霉菌分泌的代謝產(chǎn)物在連接器生產(chǎn)過程中對其中的非金屬材料直接侵蝕從而影響了連接器的性能，因此連接器的非金屬材料需選用耐霉材料；該連接器所用的非金屬材料為聚苯硫醚和硅氟橡膠，這兩種材料均經(jīng)過多次霉菌試驗(yàn)驗(yàn)證，其耐霉菌性能達(dá)到1級。

4 結(jié)語

該連接器通過嵌壓彈性接觸件方式實(shí)現(xiàn)了非燒結(jié)式密封連接器的小型化。按照詳細(xì)規(guī)范中鑒定試驗(yàn)的要求對連接器進(jìn)行了全面試驗(yàn)，產(chǎn)品各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)完全滿足技術(shù)協(xié)議要求。產(chǎn)品可推廣應(yīng)用于水下資源勘探、潛水裝置裝備、ROV以及近海工程中的海洋錨泊系等多種學(xué)科和領(lǐng)域。