浅析即插即拔式水下连接器

张 博，薛 萍，许晓冬

(中国电子科技集团公司第二十三研究所)

1 引言

在各国日益发展海洋技术的大背景下，我国近些年来也加大了对海洋技术领域的投入。其中，海底通讯已经成为各个海洋开发技术实现的基本条件。而海底电缆和深海水密连接器就起到了信号传输和机械连接的关键作用。水密连接器作为信号和动力传输的节点，不仅要实现光、电信号和电能的传输，同时也要起到机械连接的作用。这对节点的要求是非常高的，而水下即插即拔连接器又有着更高的使用要求和技术指标要求。水下即插即拔连接器使用方便，操作环境不受限，可配合水下机器人在任意深度的海洋环境下进行插拔使用，是现今各国都在努力攻克的一个关键技术。

2 国内外发展现状

20世纪60年代早期，国外改进型的插拔连接器才能真正地实现水下连接和水下拆卸。这类连接器以密封圈与插头插座间的过盈配合来实现与外界环境的密封。随后出现了感应耦合式的湿插拔连接器，它在插头和插座内设有独立的感应线圈。连接后，通过感应线圈实现信号的传送。不过，由于它的体积较大，因此使用的范围不广。20世纪60年代中期，充油与压力平衡式电连接器首先应运而生。这类颇具艺术性质的连接器不仅能实现了连接拆卸过程中与外界环境的绝缘隔离，而且还能在任何深度进行插合和分离。

国外的水下插拔连接器已应用于海底观测网系统中，可以配合水下机器人在海底进行插拔作业，为观测网即时系统增加或减少设备数量。

图1 海底观测网形态及构架

图2 配合水下机器人使用的水下插拔连接器

国内的水密连接器领域已有相当的技术基础，目前能够实现大潜深的干插拔光电混合连接器的工程化应用。但水下湿插拔技术领域尚属空白，处于研制的起步阶段。有关水下插拔的关键技术，仍有待突破。

3 主要技术要求

水下插拔连接器要求其能够实现在水压环境下的插拔工作，实现信号的连接和断开，并且具有可配合ROV操作的把持装置，实现具体的操作过程。

水下插拔连接器，一般以模块化接触件集成的方式实现功能，并主要通过其光、电接触件的独立模块实现水下插拔的动密封过程。图3、4分别是单个的光接触件、电接触件的模块示意图。

图3 光接触件模块示意图

图4 电接触件模块示意图

4 关键技术介绍

4.1 动密封机理

该类连接器要实现能够在水下插拔的功能，要求其插合密封处必须具有动态密封结构，能够实现在插针未插入时的闭合密封，以及插针插入和插合到位的过程密封，是水下插拔最关键的技术。

4.2 压力补偿技术

由于连接器需要在水下进行插拔，则必须考虑到水下的压力环境。在连接器腔体内和腔体外，必须保证压力平衡或者压力差在一定范围内。因此就必须引入压力补偿技术，使连接器在插合拔出的过程中，其腔体内外的压力保持平成状态，以便进行插拔操作。

4.3 配接缆连接密封技术

连接器与配接缆在使用时是不可分割的，连接器必须配接合适的缆绳形成组件才能实现信号的传输功能。在水下环境中，连接器与配接缆间的连接和密封也非常关键，直接决定了连接器的连接机械强度、耐水压性能和信号传输性能。

5 关键技术初探

5.1 动密封原理结构

动密封过程本质上是用来防止液体、固体和气体从机械零件的动、静接合面泄露的过程，所有的接触密封都需要在装配状态下使密封配合面之间产生一个初始的接触应力。这个初始接触应力使密封相配材料的表面产生变形，相互接触，堵塞流体通道，阻止压力泄露。

密封的作用，主要靠在密封元件和被密封的金属结构件表面之间产生的接触压力，以阻止被密封流体从密封元件和被密封的金属表面之间通过，起到密封作用。因此，接触压力的大小及分布状况是决定密封性能的重要因素。

对于接触型动密封而言，密封动、静表面之间有相对滑动，为了保持密封，在密封相对滑动面之间必须施加一定的正压力。在没有契合的情况下，密封摩擦力F与有效接触压力成正比，即:

式中，

μ——摩擦系数;

pc——有效接触压力;

a——密封接触面宽度;

b——密封接触面长度。

当密封为环形密封时，b=πd，d为密封轴向直径。

各种不同的密封材料都具有各自的摩擦特性。在多数情况下，非金属密封材料不存在表面烟花膜的问题，污染对其影响也很小。就常用的密封材料橡胶来说，具有质软、弹性大的特点，摩擦系数随滑动速度的不同而变化。滑动速度很低的时候，静摩擦系数大于动摩擦系数，滑动速度高时，动摩擦系数非常大。当橡胶与结构件间进行干摩擦时，在正常插拔速度下，摩擦系数可高达0.8至1.0左右。摩擦系数也是压力的函数，但确切的变化受到多种因素的影响，其大致关系如下图所示。

图5 橡胶的摩擦系数随压力变化曲线

动密封过程是一个相当复杂的物理过程，受到多种环境和自身因素的影响，因此必须考虑材料本身的性质、尺寸及使用环境情况等问题。

5.2 压力补偿技术

深水连接器中的电接触构件可采用充油与压力补偿结构，连接器的内部填充油可以反复使用。电接触构件采用绝缘体圆柱塞密封结构，每一个插孔都配有柱塞，并且每个柱塞后缘配有恢复弹簧。当插针退出插孔时，柱塞自动堵住孔口，完成整体密封;在连接时，插针推回柱塞，经过充油舱到达预定位置，完成信号的连接。

充油与压力平衡式的水下连接器由插头和插座两个充油密封舱组成，密封舱的前端有橡胶密封塞，插针排列在密封塞后。连接时，首先把密封舱的前端紧密地贴合在一起，相互挤压，把橡胶塞外的水挤出，接着继续挤压密封塞，使两个腔内的绝缘油相导通，最后弹簧被压缩，插头密封舱里的插针经密封通道与插座密封舱里的插孔连接在一起。拆卸过程正好相反，这样就能保证连接或拆卸时接插件一直处于绝缘油中。

图6 接触件的插合过程示意图

接插件在接插时，因为有了压力平衡孔 (Φ2～5mm左右，视接插件的几何尺度大小而定)的作用，即使外界的海水通过小孔进入柔性隔膜的外侧，电接插件的插头穿过密封装置进入插座内胶时，不存在压力梯度，不会产生任何应力。在理论上，压力平衡能使电接插件不受水深的制约，在任何深度下均能有效地接插或拔脱而且在这种状态下，水的渗透要比存在较大压力梯度时少得多。

图7 水下电接触件的压力平衡结构示意图

压力补偿结构的特点是它自身可以保护电接触点，避免与外界接触。具有压力补偿功能，可以在免维护的情况下在水中重复插拔，不依赖于外部环境。这种类型的连接器的水下工作寿命长，可广泛用于海洋仪器系统中。

5.3 配接缆连接密封技术

压力平衡密封结构最早使用在充油电缆中，通过充油来平衡压力使连接器、电缆内部的油压与外部的水压一致，当外界压力增大时作用于电缆外表面的压力增大，使电缆收缩变形而挤压电缆内部液体，使压力升高从而达到内外压力达到平衡，这样对连接器各个密封环节都大大降低要求。

图8 具有充油压力平衡式的水下连接器示意图

6 前景展望

该类连接器的研究成果可主要应用于海洋石油、天然气等海底资源的勘探，对相关产业的技术进步具有关键性的作用，经济效益非常可观、社会效益也非常明显，将极大地便于深海资源的探查、开发和施工作业，并将拓展水下设备、仪器的使用范围，大大地提高设备的灵活性。

由于此类连接器目前我国不能自主生产，国外厂商售价极高，目前具有能在水下即插即用的光电连接器，大部分又用于国家重点项目中，一旦国际形势发生变化，该连接器就成为了禁运品。因此，水下插拔连接器一旦研发成功，其作用将非常明显，对我国海洋领域的立体化技术开发将会是一个巨大的推动。同时能够解决国内从事海洋技术研究领域单位的迫切需求，掌握具有我国自主知识产权的深水即插即用光、电混合式连接技术，并应用于实际工程中。

［1］《连接器与互连技术第一卷》.机械电子工业部接插件专业情报网，1990.

［2］吴宗泽，罗圣国.《机械设计课程设计手册》.高等教育出版社，1992.

［3］黄伯云，李成功等.《中国材料工程大典－有色金属材料工程》第七篇.化学工业出版社，2005.

［4］刘鸿文.《简明材料力学》.高等教育出版社，1997.