用于深水电机的密封结构

2014-01-13施杨华方晓强李晓锦张东宁

微特电机 2014年3期

施杨华，方晓强，李晓锦，张东宁

(中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海200233)

0 引言

随着人们对水下区域的探索和工程发展，对于深水电机的需求和应用也越来越广泛，而密封一直是制约深水电机性能的关键技术之一。由于电机是在水下工作的，下潜深度越深，受到的水压越高。水下100 m 的电机要能承受1 MPa 的压力，水下2 000 m 的电机就要承受20 MPa 的压力，所以深水电机下潜深度的大小取决于水下电机的密封效果。本文介绍一种轴向运动电机的静密封结构，主要涉及深水电机两个最薄弱的定子密封和引出线密封。由于设计要达到2 000 m 以上潜水深度，而电机要求设计成长径比较大的结构，制约因素较多，对密封结构的设计难度较大。

1 密封方法与研究

1.1 深水环境电机的静密封技术种类及特点

深水环境密封主要是电机的定子密封和电缆引出线的密封，深水电机的定子和引出线密封主要为静密封，静密封可分为法兰连接垫片密封、粘合面密封、自紧密封、胶圈密封、O 型圈密封、承插连接密封、螺纹连接垫片密封、密封胶密封。

深水电机定子密封主要是机械连接结合部的密封，根据深水电机的结构与恶劣的工作环境，所以选定O 型圈与螺纹连接垫片相结合的组合式密封。O型圈密封包括非金属O 型圈和金属空心O 型圈两种，根据需要选择了非金属O 型圈(O 型圈橡胶)。非金属O 型圈装入密封沟槽后，其截面压缩变形量一般为15% ～30%，在压力作用下，顺力移至沟槽的一边，封闭密封间隙来达到密封目的。非金属O型圈密封性能好，结构紧凑，寿命长，装拆方便。螺纹连接垫片密封由接头体、接管、螺母、金属垫片组成，适用于小直径螺纹连接和管道连接的密封。金属平垫密封，又称“活接头”，结构紧凑，使用方便。垫片为金属垫，适用压力为32 MPa。

深水电机电缆引出线密封是不同于其定子的静密封，它要比定子的静密封更复杂一些。因为引出线电缆自身外层是橡胶圆柱体材料，密封的压缩量不可控，并且不能用机械加工手段来随意地实现理想的机械密封结构。深水电机的结构限制和其恶劣工作环境的制约，在参考多种类似密封插头后选择了胶圈密封。胶圈密封由壳体、槽、管子、橡胶圈组成，结构简单，重量轻，密封可靠，适用于快速拆装的场合。若压力较高或者密封要求更加可靠，可以选择两个橡胶圈。

1.2 橡胶的选材

O 型圈和密封胶体橡胶的选材。一般通用橡胶材料有:丁晴橡胶、顺丁橡胶、丁基橡胶、氯丁橡胶和丁苯橡胶;特种橡胶材料有:氟橡胶、丙烯酸酯橡胶、氯磺化聚乙烯橡胶、硅橡胶、乙丙橡胶等，可根据电机的使用环境选用。部分橡胶主要性能指标如表1所示。

表1 部分橡胶材料主要性能指标

为了耐强烈腐蚀、耐高温及耐油，O 型圈与胶圈采用氟橡胶材料。

1.3 深水环境电机静密封设计

该电机由定子机壳、定子组件、前、后端盖构成一个密封体，需要长期承受20 MPa 的水下压力。为此，在前、后端盖处采取加双O 型密封圈与紫铜环垫片密封相结合的密封方法。

双O 型圈密封结构是一种使用广泛的挤压型密封件，如图1 所示。O 型圈及其匹配的密封槽均选取适宜的结构及标注的公差配合。密封槽与O型圈接触的有效面要求有较高的光洁度，预防有毛刺及锐角而划伤O 型圈。在装配时密封圈及其相应的槽需均匀涂上硅脂，这样做使器件不易损坏密封圈，使其更加容易安装、拆卸。

图1 挤压型密封件

紫铜环密封圈具有良好的耐腐蚀性，由于其压缩回弹性好、机械强度高、使用方便，可以符合深水电机的工作环境需求。紫铜环的密封原理是两个槽结合面将紫铜环挤压变形，使得紫铜环的两个表面与槽的两个结合面紧密贴合而没有缝隙，从而达到密封效果。

1.4 引出线密封

该电机的引出线需要从定子组件中引出。电机引出线与端盖的防水密封结构更为特殊，相比O 型密封圈更复杂。经过反复论证、研制和试验验证，设计了单根引出线的密封结构。采用特制六角螺钉旋转沿轴向加压挤压密封橡胶。引出线密封结构如图2 所示。

图2 引出线密封结构

2 密封模拟试验

根据深水电机结构的要求，设计了一个整体的密封模拟件，如图3 所示。此密封试验件与深水电机的密封结构基本相同，试验时紫铜环与O 型圈分开试验，以检验它们独立的密封性。最后紫铜环与O 型圈都装入模拟件中，放入压力容器试验，25 MPa下试验48 h，密封模拟件试验用于压力容器中，分别加入酸碱溶液等其它高腐蚀溶液进行长期试验，均达到试验要求。