胡曉東，于慧敏，韓繼先

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

1 引言

在海洋水下工程及裝備技術領域，隨著水下電氣設備和裝置的廣泛使用，用來聯(lián)系水下電氣與水面終端設備或電源的重要元器件－－水下連接器也逐步發(fā)展起來，并對其要求日益提高，從1MPa靜水壓力要求逐步擴展到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，可防止水通過連接器進入裝備內(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套、硫化、灌封等方式實現(xiàn)密封，用戶可根據(jù)在不同場合的使用要求選擇相應結(jié)構(gòu)的連接器。

2 水下電連接器的密封機理

水下電連接器實現(xiàn)密封的方法主要是在零件配合間隙之間設置一道有足夠強度的密封件。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與被密封面的配合有一個過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。對于靜密封來說，只要密封材料本身不因過度受壓損壞而喪失工作能力，就可以實現(xiàn)絕對的密封。

水下電連接器的設計主要是密封結(jié)構(gòu)的設計，而水下電連接器的密封主要采用O形密封圈來實現(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”。不論是受周圍機械結(jié)構(gòu)的機械壓力作用，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”，形成“零間隙”，或者說阻止了被其密封的流體的流動。橡膠的彈性補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形密封圈在應用過程中的狀態(tài)。

圖1 密封圈在應用過程中的狀態(tài)

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

圖1b中，在系統(tǒng)壓力作用下，O形圈被迫擠向(但未擠進)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力。

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

圖1d中，進一步加大系統(tǒng)壓力，密封件表面張力已不足以阻止“流動”，材料擠出到開放的通道或間隙中，導致O形圈的擠出失效。

3 密封結(jié)構(gòu)設計

3．1 橫向水密結(jié)構(gòu)設計

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)，在插頭與插座對接后，兩殼體對密封圈適量的壓縮來實現(xiàn)水密。產(chǎn)品設計過程中，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，并對O形圈的壓縮率、O形圈的擠出極限及間隙進行計算，確保密封結(jié)構(gòu)的合理。

3．1．1 密封圈結(jié)構(gòu)及工藝設計

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計時應明確密封圈的分型面為45°，為保證毛邊不會影響應用。

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于實現(xiàn)密封起著至關重要的作用。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，會發(fā)生變形，“流”向間隙位置，達到密封效果。也就是說，隨著壓力的增加，O形圈發(fā)生更大的變形，其應力也增加，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，所以在設計時應使間隙盡可能小。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，會導致O形圈擠出。

表1 O形圈擠出極限(mm)

3．1．4 溝槽設計

a)導入倒角設計

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

圖4 a 孔的導入倒角

圖4 b 軸的導入倒角

b)溝槽設計

溝槽設計是密封圈實現(xiàn)有效密封的關鍵，密封圈溝槽設計按圖5所示，推薦數(shù)值見表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)表面粗糙度設計

在壓力作用下，彈性體將貼緊不規(guī)則的密封表面，被密封的表面應滿足一些基本的要求。密封表面上不得有開槽、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)及工藝設計

連接器的縱向水密即單頭防水性能，該項性能是保證在橫向水密失效時水不能通過連接器進入裝備內(nèi)部而對其造成損壞。縱向水密結(jié)構(gòu)設計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)加裝密封圈來實現(xiàn)，接觸件與絕緣體之間采用鑲嵌塑壓的方式結(jié)合在一起來實現(xiàn)密封性能。詳見圖6。

3．3 連接器與線纜連接處的密封結(jié)構(gòu)設計

連接器與線纜連接處的密封是防止海水沿線纜防護層滲入。目前，常采用的密封方式為硫化形式或橡膠保護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，將絕緣體組件固定在插頭中，密封壓圈受到通過夾線套筒施加的力產(chǎn)生變形而實現(xiàn)對線纜的密封作用;同時將橡膠保護套管通過夾線套筒套在插頭殼體上，依靠橡膠保護套對插頭殼體、夾線套筒及線纜的包覆作用實現(xiàn)對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

在水下連接器設計過程中，利用三維繪圖軟件進行仿真設計，對密封圈安裝部位的粗糙度、O形圈導入過程中接觸零件的倒角等進行嚴格要求，并進行詳細的尺寸鏈計算，尤其是根據(jù)工作壓力對O形圈的擠出極限及間隙、密封圈的壓縮率計算。目前，采用該密封結(jié)構(gòu)的水下連接器已通過相應標準規(guī)定的鑒定試驗，各項技術指標均達到要求。

［1］邱云鳳一種防水防鹽霧圓形電連接器的結(jié)構(gòu)設計 機電元件 2003．12．

［2］王強，張軍QH型系列圓形高壓連接器的設計機電元年2002．09．