浅谈水下电连接器的密封设计

胡晓东，于慧敏，韩继先

(1．驻一一七厂军代表室，沈阳，110144;2．沈阳兴华航空电器有限责任公司，沈阳，110144)

1 引言

在海洋水下工程及装备技术领域，随着水下电气设备和装置的广泛使用，用来联系水下电气与水面终端设备或电源的重要元器件－－水下连接器也逐步发展起来，并对其要求日益提高，从1MPa静水压力要求逐步扩展到5MPa、10MPa，甚至更高的静水压力要求。水密连接器插头与插座的插配处具有径向或轴向密封结构，保证插配端的密封;插座纵向具有单头防水功能，可防止水通过连接器进入装备内部而使之破坏;连接器与尾部电缆的可采用密封橡胶保护套、硫化、灌封等方式实现密封，用户可根据在不同场合的使用要求选择相应结构的连接器。

2 水下电连接器的密封机理

水下电连接器实现密封的方法主要是在零件配合间隙之间设置一道有足够强度的密封件。密封件必须有足够的弹性，并能嵌入和填满被密封面上的任一凹凸不平处，同时还要保持足够的刚度以防止在介质的高压作用下被挤入表面间隙内。弹性密封体经压缩加载而变形，维持接触应力，紧贴在被密封面上，并挤入密封面的所有微观凹坑。密封介质压力小于弹性体对表面的接触压力，泄漏就不能形成。密封使用的橡胶密封圈靠装时与被密封面的配合有一个过盈量而获得变形和接触压力。接触压力与密封圈的变形量和材料的弹性模量有关。对于静密封来说，只要密封材料本身不因过度受压损坏而丧失工作能力，就可以实现绝对的密封。

水下电连接器的设计主要是密封结构的设计，而水下电连接器的密封主要采用O形密封圈来实现。橡胶密封圈可以被想象成为不可压缩，具有很高表面张力的“高粘度流体”。不论是受周围机械结构的机械压力作用，还是受液压流体传递的压力作用，这种“高粘度流体”在沟槽内“流动”，形成“零间隙”，或者说阻止了被其密封的流体的流动。橡胶的弹性补偿了制造和配合公差，其材料内部的弹性记忆是维持密封的重要条件。图1表示O形密封圈在应用过程中的状态。

图1 密封圈在应用过程中的状态

图1a中，O形圈安装后，未施加系统压力，此时O形圈受沟槽的机械压力，其截面已不是圆形，它关闭了流体的通道。

图1b中，在系统压力作用下，O形圈被迫挤向(但未挤进)配合面之间的狭窄的间隙，从而获得了更大的接触面积和密封应力。

图1c中，O形圈所受压力达到了它的压力极限，有一小部分密封材料被挤进了沟槽间隙。

图1d中，进一步加大系统压力，密封件表面张力已不足以阻止“流动”，材料挤出到开放的通道或间隙中，导致O形圈的挤出失效。

3 密封结构设计

3．1 横向水密结构设计

水下连接器的横向水密，即插头、插座插配处的密封是依靠O形密封圈来保证的。O形密封圈安装在插头壳体的沟槽内，在插头与插座对接后，两壳体对密封圈适量的压缩来实现水密。产品设计过程中，根据环境温度、工作压力、介质材料等合理选择密封圈的材料、硬度和耐温等级，并对O形圈的压缩率、O形圈的挤出极限及间隙进行计算，确保密封结构的合理。

3．1．1 密封圈结构及工艺设计

水下电连接器所采用的密封圈密封大多为径向密封，为保证配合面的密封良好，推荐密封圈成型模具设计时应明确密封圈的分型面为45°，为保证毛边不会影响应用。

图2 密封圈结构态

3．1．2 密封圈压缩率的确定

水下电连接器所采用的O形密封圈大多安装在沟槽内，而O形圈在沟槽内的初始变形的合理确定对于实现密封起着至关重要的作用。密封圈初始变形量与密封圈截面直径d2的比例应为15%～30%。

3．1．3 密封圈挤出极限与间隙的确定

O形圈在沟槽中受介质压力的作用下，会发生变形，“流”向间隙位置，达到密封效果。也就是说，随着压力的增加，O形圈发生更大的变形，其应力也增加，从而获得更紧的密封。

图3 密封圈挤出间隙

在O形圈在承受高压的情况下被挤入到间隙中，造成密封失效，所以在设计时应使间隙尽可能小。挤出间隙的大小取决于O形圈的硬度、工作压力及沟槽间隙大小。O形圈沟槽的径向间隙必须保持在表1中给出的最大径向间隙范围内。若公差太大，会导致O形圈挤出。

表1 O形圈挤出极限(mm)

3．1．4 沟槽设计

a)导入倒角设计

正确的沟槽设计可以从一开始就消除可能的损坏和密封失效，见图4。由于密封圈安装时受到拉伸或挤压，为避免配合处的锋利尖边对O形圈造成损伤，设计O形圈导入过程中接触到的零件时，必须要规定倒角和倒圆。导入倒角的表面粗糙度为:Rz≤0．4μm ，Ra≤0．8μm。

图4 a 孔的导入倒角

图4 b 轴的导入倒角

b)沟槽设计

沟槽设计是密封圈实现有效密封的关键，密封圈沟槽设计按图5所示，推荐数值见表2。

图5 a 轴密封

图5 b 孔密封

表2 沟槽尺寸——径向压缩推荐值

c)表面粗糙度设计

在压力作用下，弹性体将贴紧不规则的密封表面，被密封的表面应满足一些基本的要求。密封表面上不得有开槽、划痕、凹坑、同心或螺旋状的加工痕迹。

表3 表面粗糙度推荐值

3．2 纵向水密结构及工艺设计

连接器的纵向水密即单头防水性能，该项性能是保证在横向水密失效时水不能通过连接器进入装备内部而对其造成损坏。纵向水密结构设计包括绝缘体与壳体之间的密封及绝缘体与接触件之间的密封，绝缘体与壳体之间的密封依靠在壳体内加装密封圈来实现，接触件与绝缘体之间采用镶嵌塑压的方式结合在一起来实现密封性能。详见图6。

3．3 连接器与线缆连接处的密封结构设计

连接器与线缆连接处的密封是防止海水沿线缆防护层渗入。目前，常采用的密封方式为硫化形式或橡胶保护套和密封压塞的形式。

图6 a 镶嵌塑压组件

图6 b 加装密封圈组件

3．3．1 硫化密封

硫化形式即连接器与线缆连接后，如图7所示用合适的橡胶将连接器尾部与线缆硫化在一起，以实现连接处的密封性能。

图7 连接器尾部与线缆硫化示意图

3．3．2 橡胶保护套和密封压塞密封

密封原理如图8所示，电缆夹紧用卡簧把线缆夹紧固定的同时，将绝缘体组件固定在插头中，密封压圈受到通过夹线套筒施加的力产生变形而实现对线缆的密封作用;同时将橡胶保护套管通过夹线套筒套在插头壳体上，依靠橡胶保护套对插头壳体、夹线套筒及线缆的包覆作用实现对连接器尾部与线缆连接部位的密封。

图8 插头与线缆连接部分密封结构示意图

4 结论

在水下连接器设计过程中，利用三维绘图软件进行仿真设计，对密封圈安装部位的粗糙度、O形圈导入过程中接触零件的倒角等进行严格要求，并进行详细的尺寸链计算，尤其是根据工作压力对O形圈的挤出极限及间隙、密封圈的压缩率计算。目前，采用该密封结构的水下连接器已通过相应标准规定的鉴定试验，各项技术指标均达到要求。

［1］邱云凤一种防水防盐雾圆形电连接器的结构设计 机电元件 2003．12．

［2］王强，张军QH型系列圆形高压连接器的设计机电元年2002．09．