手持通信装备的密封设计

2020-01-03刘军水林兰修张伟涛赵奎

现代信息科技 2020年16期

关键词：防水

刘军水林兰修张伟涛赵奎

摘要：文章主要对橡胶密封圈和壳体密封槽在手持通信装备的密封设计中的应用进行了研究。简单介绍了密封圈的选型、压缩率和拉伸量设计，分析了不同材料与硬度的密封圈对密封性能的影响，阐述了密封槽槽深设计、槽宽设计和槽底圆角设计的一般方法，介绍了密封圈和密封槽公差设计的原则，通过一个手持通信装备在防水性能不足导致故障的案例，对设备渗漏现象的解决过程加以分析，进一步验证了密封设计方法的有效性。

关键词：手持通信装备;防水;密封性能;橡胶密封圈

中图分类号：TN914;TN820 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）16-0034-03

Sealing Design of Handheld Communication Equipment

LIU Junshui，LIN Lanxiu，ZHANG Weitao，ZHAO Kui

（Tongfang Electronic Technology Co.，Ltd.，Jiujiang 332002，China）

Abstract：This paper mainly studies the application of rubber seal ring and shell seal groove in the seal design of handheld communication equipment. This paper briefly introduces the selection of sealing ring，compression ratio and tensile design，analyzes the influence of different materials and hardness of sealing ring on sealing performance，expounds the general methods of groove depth design，groove width design and groove bottom fillet design，introduces the principle of tolerance design of sealing ring and sealing groove，and through a case of failure caused by insufficient waterproof performance of handheld communication equipment. The solution process of equipment leakage is analyzed，and the effectiveness of the sealing design method is further verified.

Keywords：handheld communication equipment;waterproof;sealability;rubber sealing ring

0 引言

由于气候环境变幻莫测，手持装备在实际使用时有的可能受到液体溅射、沾水等，也有可能长时间浸泡入水中，有时使用温度也会出现冷暖不一等状况，因此，手持通信装备的设计和制造尤其应考虑环境因素的影响，进行耐环境设计，采取相应措施，使之具有较高的环境适应性。目前，手持通信装备因为设计方法、工艺手段以及成本控制的原因，在密封防水方面存在不足，产品可靠性得不到保证，所以产品整体结构设计必须遵循一定的密封设计规范，包括密封材料的选用、结构与安装方式、密封细节的确定以及相关的工艺过程等，以此降低手持通信装备的故障率，提高产品可靠性。笔者依据实际工程项目，阐述了手持通信装备的密封防水设计方法。

1 密封防水结构原理

一台手持通信装备的一般由上下壳、按键、电池仓、显示屏、送话器、接插件和各功能电路板板等零部件组成。各个零部件互相组装在一起时，受加工精度等因素的影响，看似光滑的安装表面，从微观角度来看，会存在一定起伏，因此其安装接触部位必然存在微小间隙，当装备腔体内外有压力差时，就会因为间隙的存在导致渗漏产生。

橡胶密封圈能对这些高低不平的微观结构到隔离的作用，是由于密封圈具有良好的压缩变形的特性，容易与接觸零件表面贴合，填满表面的微间隙，阻断流体的渗入通道，最终实现装备的密封防水。手持通信装备的防水结构一般采取橡胶圈轴向密封，安装结构如图1所示。其中B表示密封槽深度，C表示密封槽宽度，A表示密封圈直径。

2 密封圈设计

手持通信装备需要在多处使用橡胶密封圈密封，比如主壳体、扬声器、麦克、接插件等处。密封圈多采用O型橡胶圈，O型圈的截面为圆形，它设计简单，结构小巧，装拆方便，且有自密封作用，密封性能可靠，是使用最广泛的一种密封圈。O形圈内径、截面直径及公差可以参考GB/T34542.1—2005规定。

2.1 密封圈材料的选型

一般使用的橡胶密封圈材料有聚氨酯橡胶（PU）、丁腈橡胶（NBR）、氯丁橡胶（CR）、乙丙橡胶（EPDM）、异丁橡胶（IIR）、氟橡胶（FPM）、硅橡胶（SI）等，由于手持通信装备需要较高的环境适应性，其中硅橡胶具有最佳的耐热（最高300 ℃）耐寒（最低-100 ℃）性能，因此，密封圈应该优先选用硅橡胶材料。

2.2 密封圈硬度的选取

密封圈的硬度对密封性能有影响，而且联系紧密。密封圈硬度低，优点是安装方便，缺点是容易出现挤出、剥落，甚至安装损伤;密封圈硬度过高，缺点是安装不方便，只有在压力过大的情况下才会选择。手持通信装备使用的是硅橡胶材料，通常邵氏硬度为中等硬度（50度～60度）密封性最好。

2.3 密封圈压缩率与拉伸量设计

密封圈的压缩率和拉伸量对密封性能和使用寿命有重要意义。一般来说，密封圈和沟槽均有一定的加工误差，合适的压缩率加上密封圈与沟槽尺寸的正确匹配，可以补偿其加工和制造误差，并保证在正常工作状态下有足够的密封性。

2.3.1 压缩率

压缩率通常用公式表示为：W=（d0-h）/d0×100%

式中：W表示压缩率，d0表示O型圈在自由状态下的截面直径（mm）;h表示沟槽深度，即密封槽槽底与被密封表面的距离（mm），如图2所示。

在选择密封圈的压缩率时，要进行综合考虑，过大的压缩率会造成应力松弛，产生过大的永久变形，在高温状况中尤为严重。手持通信装备属于静密封，静密封压缩率上限应小于30%。

2.3.2 拉伸量

密封圈在裝入密封沟槽后，会有一定的拉伸量。拉伸量大不但可能造成扭转，还会导致密封圈安装困难，而且加速老化影响密封圈寿命，同时也会因截面直径d0发生变化而使压缩率降低，这些因素都将引起泄漏。拉伸量的取值范围一般为2%～7%，在手持通信装备中取5%左右。

2.4 密封圈的安装与固定

（1）安装过程中不允许出现密封圈被划伤、位置安装不正以及形状被扭曲等情况;

（2）密封圈安装前，密封圈沟槽内与密封配合面必须用酒精严格擦洗，清除表面杂质和油污;

（3）通常不主张密封圈与槽粘接固定，但有时为防止密封圈移位、脱落，需对其粘接固定，应注意采用RTV硅胶，不允许使用瞬干胶或环氧胶。

3 密封槽的设计

3.1 密封槽的设计原则

一般密封圈都是安装在装备的密封槽中，如图3所示，常用的密封槽形式为矩形沟槽，密封槽的设计要根据相关结构位置尺寸和对应密封圈尺寸综合考虑。密封槽设计原则是：密封槽的截面积>密封圈的截面积。这种设计有利于密封圈被压缩后能完全容纳在槽内，防止密封圈过压，有利于延长密封圈使用寿命。

3.2 槽深设计

一般来说槽深的尺寸是由密封圈的截面积和压缩量决定的。

常用的O形密封圈压缩量控制在25%～30%，硅橡胶密封圈压缩量取30%，因此一般槽深可表示为：h=O形圈直径×0.7 mm。

某型手持通信导航装备在初样试制阶段，在密封防水方面也暴露了一些问题。第一，显示屏密封槽和密封圈尺寸不匹配，由于密封槽的宽度受整体结构限制不能改动，就把密封圈的尺寸由直径?1.2 mm的O形圈改为长轴1.4 mm、短轴1 mm的椭圆形圈，密封槽深度由0.5 mm增加为0.7 mm，经过防水试验测试符合要求。第二，壳体密封槽向外扩大

0.2 mm，即宽度向外增加0.2 mm，密封圈直径由?1 mm增大为?1.2 mm，增加了密封可靠性。

3.3 槽宽设计

槽深h先确定，槽宽W后确定，由于槽宽一般会影响设备的外形尺寸，所以槽宽都必须精心计算。

槽宽W=d0（O形圈截面积）/h（槽深）×（110%～120%）

系数110%～120%是让密封圈被压缩后能完全容纳在槽内。

3.4 控制槽、密封圈公差时，应遵循的原则

由于O型密封圈在长度方向极易变形，因此在控制密封槽及橡胶胶圈公差时，应遵循的原则是：橡胶密封圈长度取负公差，即橡胶圈的长度<密封槽的总长度，通常橡胶圈的负公差控制在-0.5%～-2%，以使密封圈能完全容纳在密封槽内，不至于过容。反之，如橡胶密封圈尺寸已确定，设计密封槽时，密封槽长度应取正公差。

3.5 槽口及槽底圆角的设计

槽口即密封槽的外边口需要设计一个圆角，这是为了防止密封圈装配时被刮伤。它一般采用较小的圆角半径，即R=0.1 mm～0.2 mm。这样不仅可以避免该处形成锋利的刃口，密封圈也不会发生间隙挤出，并能使挡圈安放稳定。

密封槽槽底也需要设计圆角，主要是为了避免槽底产生应力集中。圆角半径的取值，静密封的密封槽可取不大于其密封圈截面直径的一半，即R≤d0/2。

4 密封防水案例分析

单兵手持通信设备剖切图如图4所示。以某型单兵手持通信设备的密封故障为例，该设备在军检阶段环境试验过程中，发现在浸渍试验后机号为xxx0193的主机和机号为xxx0394的主机有渗水现象，并且单次抽检三台发现其中两台都出现渗水现象，说明该设备结构存在明显的防水薄弱环节。

该手持通信设备的密封部位有上下壳、按键、电池仓、喇叭、送话器、接插件等，经过多次气密和浸渍试验，判断两台渗水主机渗水部位均为送话器（型号为OD-8）部位密封不严造成。为确定送话器部位密封不严是因装配密封圈密封不严造成，还是送话器自身密封不严造成，又进行了用相同主机更换不同密封圈和更换不同送话器的试验，而且故障能复现，最终定位为两台主机渗水原因是送话器自身密封不严所导致。

通过机理分析并加大样本试验以及后面的生产可以确认，某型单兵手持通信设备在军检阶段环境浸渍试验过程中出现主机渗水现象属个例问题，该型设备本身结构的密封防水设计经受住了考验，没有再出现问题。

5 密封防水设计的要点归纳

（1）在进行零件的结构设计时，需要对密封表面平面度和粗糙度作较高的要求，其中平面度为0.06 mm（大于该值可不作标注），表面粗糙度为1.6 μm（一般为6.4 μm），值越小精度要求越高;

（2）选用防水型的外装器件。比如接插件、扬声器和送话器等，并且对每种外装器件都进行了大量浸渍摸底试验;

（3）在每一处安装部位采用橡胶圈密封。首先形状采用O形圈，其次材料采用硅橡胶，最后是硬度，采用了中等偏上的硬度，以达到最佳密封性能;

（4）按硅橡胶圈的最佳压缩率设计。根据理论和实践经验，硅橡胶圈的最佳压缩率是25%～30%，系统设备全部按照这一比率设计密封槽的深度和宽度;

（5）设计透气孔。留透气孔可有效避免因热胀冷缩而引起的橡胶圈密封问题;

（6）在密封部位尽量不涂胶。

6 结论

手持通信装备的密封是一个系统性工程，不仅需要从结构的渗漏原理、密封材料设计、结构形式等方面考虑，还要在生产保障环节加强控制。在防水密封装备结构的设计中，要解决关键的密封防渗漏难题，应对密封与渗漏的基本原理有清晰的认识，对泄漏的根本原因进行逐一分析，从而有针对性地进行技术设计。

参考文献：

[1] 吴高强，吕战强.一种装备结构的密封防水分析与测试 [J].液压气动与密封，2014，34（1）：47-49.