电子设备密封设计

巫恩禹

（成都天奥电子股份有限公司，成都 610037）

随着科学技术的快速发展，电子设备的环境条件和工作要求越来越苛刻。调查分析显示，潮气、盐雾、霉菌以及温度等环境因素极易影响设备性能、寿命，甚至造成电子设备故障或损坏。密封设计能有效降低元器件的选型要求，增加电子设备的环境适应性。电子设备密封主要采用橡胶材料密封，利用材料形变与装配面间的压力达到密封效果，且不影响设备的维修性。本文通过对橡胶性能特性、密封原理、密封结构及设计计算的研究，确保电子设备的密封性。

1 材料特性

电子设备密封，对材料常有如下要求：适当的机械强度，包括扩张强度、伸长率和抗撕裂强度等；要有弹性和回弹性；耐氧性和耐老化性好，经久耐用；化学性能稳定，热收缩率小，在高温下不分解、不软化，在低温下不硬化、不影响使用；接触面不易腐蚀，不污染介质[1]。橡胶是具有可逆形变的高弹性聚合物，在一定温度范围内富有弹性，在很小的外力作用下能产生较大形变，去除外力后能恢复形状，是满足上述密封要求的最合适且最常用的材料。

橡胶的物理性能、机械性能与普通的结构材料差别很大。它的压缩弹性模量与体积弹性模量有较大差异，压缩弹性模量为3～8 MPa，体积弹性模量高达220 MPa。根据橡胶的配方不同，性能也不相同，选用时需重点关注耐磨性、伸长率、拉断伸长率、耐候性、拉伸强度、压缩永久变形性、邵氏硬度以及脆性温度[2]。常用的几种密封橡胶性能参见表1。其中，5为超优，4为优，3为佳，2为差，1为劣。

表1 常见橡胶材质物性比较

橡胶密封件滞后损失小，所以耐各种曲饶和弯曲变形，能与多种材料进行并用、共混、复合，由此进行优化得到良好的综合性能，是密封的优选材料。

2 密封原理

如图1所示，密封圈装入密封槽。按预设计的沟槽尺寸，密封盖贴合密封面后，压缩密封圈截面变形产生弹性应力，即初始密封力p0。此时为预密封作用，密封圈与被密封光滑面和沟槽底面紧密接触。当密封界面内外有压力差时，介质通过间隙进入沟槽对密封圈的一侧面起作用。在压力作用下，密封圈向低压方向移动变形并填充间隙。密封圈被推向沟槽另一侧面而挤压成D形，并把压力传递给接触面。这样由系统压力而产生的密封力p1为

图1 密封原理

式中：K为橡胶材料密封圈压力传递系数，取K=1；p为密封界面压力差。

此时，密封系统总的密封力即密封接触压力为pm。它随系统压力的增大而增大，表达式为

一般K≥1，所以pm＞p。只要接触压力大于密封压力，就不会发生泄漏。这种自密封作用极大地保障了密封性能。大量工程实践证明，这种密封作用对防止泄漏很有效。

3 密封结构

3.1 密封设计常规要求

电子设备的密封应与表面防护、结构细节及电磁兼容综合考虑。

设计时的一般要求包括：

（1）密封条安装在不易损伤的位置，且在安装时需注意金属表面清洁；

（2）保证结构件强度，不能因运输或工作时的振动、冲击、温度变化以及残余应力而引起零件变形影响密封；

（3）考虑密封结构的可视性和可达性，方便密封操作，并可检查、维修；

（4）密封间隙大小恰当，胶接密封时考虑不同密封材料涂施，在橡胶密封时防止挤出变形、损伤；

（5）机箱结构形式简单，保证足够的密封尺寸，表面应平整、连续，并避免急剧的转角和局部应力集中，对凹槽或缝隙可用施敏打硬8008填充；

（6）尽量减少需要密封的区域与开口尺寸；

（7）螺钉排布于密封区域外围，并选择合适的直径和螺距，使接合面有足够的压力，保证密封条达到预期变形，防止结构件明显变形；

（8）设备箱体或盒体应采用整体结构，如通过机械加工、模压铸造、焊接等成型方式，保证良好的导电连续性和水汽密封连续性[3]。

3.2 连接器与电缆密封设计

连接器和电缆用于电子设备信号传输。因为需要穿透设备壳体，所以它的密封设计是整机密封设计的重点。连接器的密封形式有密封垫、O形圈以及密封剂填边槽等[4]。外接可拆卸电缆可使用烙克赛克公司的模块化穿隔系统进行穿孔密封。这种标准密封模块可灵活适配多种规格的电缆和管道，并可在穿隔系统内提供备用容量，可在最少的空间内密封大量的金属包覆电缆、铠装电缆或屏蔽电缆，但在装配工艺上需严格规范工艺流程[5]。连接线缆也可使用线束密封塞，要求内孔表面至少有两个唇，形成多个密封接触面。在电线插入后径向压缩，即使电线弯曲，内唇轮廓也能确保良好的密封。电缆连接器尾部附件通常采用灌封技术，推荐选用环氧树脂E-51、E-44和硅橡胶GN512、GD414填充产品，并排除空气与外界隔离，达到产品防护要求。

4 接合面表面粗糙度与圆角

对气体或液体密封情况下的紧配合静密封，在压力作用下，弹性体将紧贴不规则的密封表面，密封效果直接取决于密封表面质量。被密封表面应满足一些基本要求，物料来料时应特别检验密封表面不得有划痕、碰撞痕、同心或螺旋状的加工痕迹。沟槽和配合件表面粗糙度应满足表2的相关要求。

表2 各种密封应用情况下表面粗糙度

沟槽设计时应考虑圆角。槽口处的圆角是为了防止密封圈装配时被刮伤。装配时，由于收缩力作用或自身不均匀拉伸，密封圈与槽口挤压接触。如槽口无圆角，锋利的棱角很容易刮伤它。槽底加工过程中无圆角时很容易磨损，且造成结构件应力集中。但是，如果这两处圆角太大，很容易发生挤出现象。根据使用经验，一般取值槽口r为0.1～0.2 mm，槽底R为0.2～0.5 mm。

5 密封结构的设计计算

对可拆卸的密封结构，密封圈安装在各种沟槽中使用。燕尾形沟槽摩擦力很低，但加工费用高。半圆形沟槽只用于旋转密封。V形沟槽只适用于固定密封，若用作动密封，则摩擦阻力很大，易挤进间隙，造成损伤。矩形沟槽加工容易，易保证压缩量，是最常用的沟槽形式。密封圈有O形、D形、Y形以及U形等截面形状，其中O形圈本身尺寸标准化，互换性强，成本低廉，设计简单，装拆方便，适合多种密封结构，是使用最广泛的截面形式。本文使用矩形沟槽和O形圈，设计考虑密封圈尺寸与沟槽尺寸的正确匹配。

密封圈装配于沟槽，当装配面贴合后，密封圈截面直径由d1压缩为d2，相对变形量ε为

若密封圈压缩量过小，会引起泄漏；若密封圈压缩量过大，会导致密封圈永久变形甚至损坏而引起泄漏。因此，一般相对变形量ε取20%～30%。

如图2所示，使用圆形截面橡胶密封圈，密封槽的尺寸由式（4）和式（5）确定。

图2 密封截面的结构尺寸

无论是在橡胶界还是在材料力学界，橡胶常常被视为不可压缩材料。不可压缩是指变形以后总体积不变且泊松比为0.50，但实际上这样的理想材料是不存在的。橡胶是比较接近这种特性的材料，泊松比为0.47。

选择橡胶材料时，已经考虑材料在介质中不易溶胀和加工尺寸与成型精度稳定等因素。所以假设橡胶不可压缩，在确定槽深后，槽宽b是槽深h的函数，有

式中：α为波动权重，取值为110%～120%。

计算橡胶圈的压缩应力，橡胶材料的弹性模量E为

式中：G为橡胶材料剪切模量；μ为泊松比。

橡胶圈的弹性模量Ep为

式中：f为金属与橡胶间的摩擦系数。

达到密封时橡胶圈所需的压紧力F为

式中：S为橡胶圈与密封盖的接触面积。

计算得到橡胶圈压紧力后，应验算密封盖螺钉直径、数量是否满足要求。螺钉要承受密封盖的反作用力和自身残余预紧力的综合作用，取预紧力安全系数为1.2。考虑可能需要补充预紧及扭转剪应力的作用，取剪应力安全系数为1.3。同时，取螺钉材料屈服强度安全系数为1.2。

于是，螺钉数量需要满足如下关系

式中：n为螺钉数量；σs为螺钉材料屈服强度；As为螺钉应力截面积。

6 结语

橡胶的材料和密封结构形式种类繁多，因此设计电子设备的密封形式、结构尺寸时，应秉承既简单经济又可靠实用的原则，根据电子设备的结构形式、尺寸、形状以及工作条件等，有针对性地选择合适的橡胶材料、截面形式，以适应不同的工作环境。