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水下密封連接器技術概述

    作者:宏拓新軟件
    發布日期:2023-12-11         
閱讀:56     
 
 

摘要:水下密封連接器是一種能夠在水下環境使用,連接電源和傳輸電壓信號的連接器。該類連接器廣泛應用于水下潛航器、探測器,以及其它艦船和海上平臺的水下電子設備中,是整個海洋工程儀器設備、工程系統、網絡中的關鍵節點,它們直接決定了電子設備的工作壽命、性能及可靠性。與國外相比,國內水下密封連接器技術還有較大差距,本文對水下密封連接器設計及工藝技術進行了簡要概述。

關鍵詞:水下;密封;連接器;技術。

1 引言

不同的應用環境,對不同的連接器產品有不同的要求。水下密封連接器是一種能夠在水下環境中使用,連接電源和傳輸電壓信號的連接器。它廣泛應用于水下機器人、潛航器、探測器,以及其它艦船和海上平臺的水下電子設備中,隨著武器裝備和海上平臺的更新換代,連接可靠的水下密封連接器,變的越來越不可或缺。

軍用電子設備和海上平臺電子設備使用的水下密封連接器,對傳輸連接節點的要求非常高,必須滿足惡劣復雜的海洋地質環境,特別是深潛帶來的巨大水壓,以及各種海上突發情況。水下密封連接器是整個海洋工程儀器設備、工程系統、網絡中的關鍵節點,它們直接決定了電子設備的工作壽命、性能及可靠性。

水下密封連接器最早是由美國Marsh&Marine公司在20世紀50年代推出的,其采用橡膠模壓結構方式。從上世紀六十年代起,國外水下密封連接器技術獲得迅猛的發展,SUBCONN公司、SOURIAU公司以及SEACON等著名公司都相繼推出水表面連接器、水下連接器等系列產品。目前,國外水下密封連接器已經能夠滿足全海深應用需求。世界范圍內,研制、生產、銷售水下密封連接器的著名廠商多達數十家,主要集中在歐洲、美國等地區和國家。

國內水下密封連接器的研制和生產起步相對較晚,無論是設計技術,相關新材料、新工藝研發方面,還是生產、檢驗以及相關標準、規范制定方面,均與國外有很大差距。尤其是在高端水下密封連接器技術領域,我國尚處在起步或跟跑階段,還有相當長的路要走。

水下密封連接器圖示

圖1 水下密封連接器圖示

2 水下密封連接器分類

水下密封連接器的分類方式有很多種。按照插合方式來分類,水下密封連接器可分為干插拔水下密封連接器、濕插拔水下密封連接器以及水下插拔連接器;按功能分類,水下密封連接器可分為水下密封電連接器、水下密封光纖連接器、水下密封光電混合連接器;按結構分類,水下密封連接器可分為金屬殼體與絕緣體裝配式水下密封連接器、橡膠模壓成型水下密封連接器以及玻璃燒結水下密封連接器。每個類別都具有鮮明的特征及應用特點,在應用領域既有交叉又各有側重。

橡膠模壓成型水下密封連接器圖示

圖2 橡膠模壓成型水下密封連接器圖示

3 設計要求及注意事項

水下密封連接器的耐水壓等級表示其可以承受海水(或淡水)壓力,對應一定的工作水深。常見的水下密封連接器的耐水壓等級對應的水深有500m、1000m、7000m、11000m(全海深)等。由于該類連接器的承壓能力強、密封性能指標高,因此,在連接器的結構、材料設計、制造工藝、試驗方法與可靠性要求等方面與普通連接器存在很大的差別。

3.1關鍵零件材料

很多該類連接器要求長期在水下使用,并且要保證插頭、插座防水密封,同時要求保證橫向水密和縱向水密,由于環境條件特殊要求,防潮濕、防霉菌、防鹽霧的三防設計是研制的重要任務,因此在材料選用上要進行特殊選型設計。

1)密封材料的選擇

用于水下密封連接器的密封材料一般為橡膠,如氯丁橡膠。密封材料在該類連接器結構中承擔了密封和絕緣兩大任務,因此在密封材料的選擇上不僅要考慮材料的彈性、耐腐蝕性、粘接性能,還要考慮材料的絕緣性能。

2)接觸件材料選擇

接觸件是連接器最關鍵的零件,需要具有優異的彈性,較高的硬度,耐磨性和延展性,能滿足彈性接觸件對接觸壓力、插拔力和插拔次數的要求,且表面需要具有優異的抗氧化能力,以及極低的接觸電阻,從而保證電接觸的可靠性。彈性接觸件(如懸臂式插孔)材料一般選用錫青銅或鈹青銅材料。

3.2結構設計

1)連接器殼體設計

水下密封連接器的耐水壓性能是結構設計的基礎,水下密封連接器的殼體承受的水下壓力較大,而且連接器外殼作為支撐結構件,不僅起到支撐接觸件、連接內部結構件的作用,同時還起到連接和固定作用,并便于拆裝;因此,根據不同水深和插接要求,對結構與材料設計和選型十分重要。通常情況下,殼體結構設計采用高強度、防銹蝕的不銹鋼或鈦合金材料,殼體耐壓的關鍵部位可考慮設計加強筋結構。

2)水密電纜及接口設計

水下密封連接器需要與電纜適配才能實現預期的功能。所以,在進行產品設計時,應注意對水密電纜與水下密封連接器的接口進行匹配設計。一般情況下,連接器尾部密封可采用加壓式密封方式(即在橡膠密封墊片上施加軸向壓力使密封墊片徑向脹大,壓到電纜和連接器內壁阻隔流體),或者采用硫化的方式進行尾部密封。

3)接觸件結構設計

接觸件是連接器中最關鍵的零件,接觸件結構形式直接關系到連接器電(光)信號傳輸的穩定性和可靠性,在深海環境中,橡膠材料在強大的外壓下受力會導致彈性接觸件保持力下降,電接觸不穩定。所以,合理可靠的接觸件結構設計,是實現水下密封連接器可靠工作的必要條件之一。為懸臂式插孔加裝保護套,或者選用冠簧式插孔,都是現階段選用較多的方案。

4)密封結構設計

設備在水下工作期間必須能夠保持傳輸性能的正常,并保持系統機械連接的可靠。其連接器頭座之間必須保證密封的可靠性,杜絕外部海水通過連接器進入設備艙體內部,從而確保內部設備的安全性。因此,水下密封連接器密封性能的結構設計十分關鍵?梢詤⒖紘姌薌JB 7244-2011《潛水電連接器通用規范》及以往同類連接器的研制經驗設計密封結構。通常情況下,為實現連接器插合密封的可靠性,插頭或插座端會設置O形密封圈,以阻止連接器插頭和插座配接后外殼滲漏。以插座安裝密封圈為例,O形密封圈安裝在插座殼體的溝槽內,在插頭和座對接后,兩殼體對密封圈適量的壓縮即可實現密封。產品設計過程中,應根據環境溫度、工作壓力、介質材料等因素合理選擇O形密封圈的材料、硬度,并對O形密封圈的壓縮率、擠出極限和間隙進行計算,確保密封結構的合理。水下電連接器所采用的O形密封圈大多安裝在溝槽內,而O形密封圈在溝槽內的初始變形的合理確定對于實現密封起著至關重要的作用。一般情況下,密封圈初始變形量與密封圈截面直徑d的比例應為15%。

O型密封圈圖示

O型密封圈圖示

圖3 O型密封圈圖示

 

O型密封圈應用示例

O型密封圈應用示例

圖4 O型密封圈應用示例

適配密封圈的溝槽尺寸可以按照GB/T3452.3-2005《液壓氣動用O形圈橡膠密封圈溝槽尺寸》設計;同時,還可針對大水壓環境進行力學分析。在壓力作用下,O形密封圈彈性體將貼緊不規則的密封表面。被密封的表面應滿足一些基本的要求:密封表面上不得有開槽、劃痕、凹坑等缺陷。

4 典型加工工藝

水下密封連接器的生產過程中,經常用到的加工工藝包括零部件的機械加工工藝、表面處理工藝、表面涂膠工藝、橡膠硫化工藝、注塑成型工藝、環氧樹脂膠灌封工藝和焊接工藝等。其中,與常規連接器相比,表面涂膠工藝、橡膠硫化工藝和膠灌封工藝為相對特殊工藝。

4.1 表面涂膠工藝

零件在硫化之前,需要對其進行表面涂膠處理,這樣才能達到較好的粘結性能。一般采用刷涂法,即選擇尺寸合適的軟毛刷,蘸取適量的特定膠液,對表面活化處理后的零件進行涂刷。需要注意的是,涂刷要均勻,同時,應注意順著一個方向刷涂,不應往復刷涂,以免帶入氣泡。

4.2 橡膠硫化工藝

橡膠硫化工藝是水下密封連接器生產過程中應用最普遍也是最關鍵的工藝。它主要解決的是水下密封連接器縱向水密(即連接器在非插合的狀態下仍然具備單獨的水密特性,不會使水通過連接器進入設備內部)的性能問題。橡膠硫化是指橡膠的線型大分子通過化學交聯而構成三維網狀結構的化學變化過程。橡膠加入硫化劑經熱處理或其它方式,橡膠分子之間會產生交聯,從而使其性能得到改善,尤其是彈性、耐熱性、拉伸強度和耐有機溶劑的不溶解性。橡膠硫化工藝的三個基本要素包括硫化溫度、硫化壓力和硫化時間。

4.3灌封工藝

灌封工藝也是水下密封連接器生產制造的常用工藝。灌封在增加水下密封連接器自身強度、抵抗外部環境水壓力的同時,還能使連接器接觸件獲得良好的定位(固定和保護),并使其具備良好的絕緣性能,以滿足使用需求。由于水下密封連接器承壓大、密封性要求高,尾端的灌封膠固化后不允許有氣泡產生,否則容易滲水導致電性能失效。因此,通常灌封和固化需在真空環境下,避免灌封膠產生氣泡。

5 結語

隨著國家對海洋的開發和利用以及光纖通信技術的發展,艦船、潛航器和各種水下設備的制造與使用越來越多,用于連接水下設備的水下密封連接器也得到了快速的發展,F階段,國內水下密封連接器技術,尤其是高端水下密封連接器技術方面,與國外相比還有較大差距,本文拋磚引玉,對水下密封連接器設計及工藝技術進行了簡要概述,以供參考和討論。

相信,隨著海洋工程和裝備技術領域的發展以及科學技術的進步,國內水下密封連接器技術也會得到進一步的發展,從而實現從跟跑、并跑到領跑超越。

 

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