摘要：水下密封連接器是一種能夠在水下環(huán)境使用，連接電源和傳輸電壓信號(hào)的連接器。該類連接器廣泛應(yīng)用于水下潛航器、探測(cè)器，以及其它艦船和海上平臺(tái)的水下電子設(shè)備中，是整個(gè)海洋工程儀器設(shè)備、工程系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，它們直接決定了電子設(shè)備的工作壽命、性能及可靠性。與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)水下密封連接器技術(shù)還有較大差距，本文對(duì)水下密封連接器設(shè)計(jì)及工藝技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述。
關(guān)鍵詞：水下;密封;連接器;技術(shù)。
1 引言
不同的應(yīng)用環(huán)境，對(duì)不同的連接器產(chǎn)品有不同的要求。水下密封連接器是一種能夠在水下環(huán)境中使用，連接電源和傳輸電壓信號(hào)的連接器。它廣泛應(yīng)用于水下機(jī)器人、潛航器、探測(cè)器，以及其它艦船和海上平臺(tái)的水下電子設(shè)備中，隨著武器裝備和海上平臺(tái)的更新?lián)Q代，連接可靠的水下密封連接器，變的越來(lái)越不可或缺。
軍用電子設(shè)備和海上平臺(tái)電子設(shè)備使用的水下密封連接器，對(duì)傳輸連接節(jié)點(diǎn)的要求非常高，必須滿足惡劣復(fù)雜的海洋地質(zhì)環(huán)境，特別是深潛帶來(lái)的巨大水壓，以及各種海上突發(fā)情況。水下密封連接器是整個(gè)海洋工程儀器設(shè)備、工程系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，它們直接決定了電子設(shè)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(guó)Marsh&Marine公司在20世紀(jì)50年代推出的，其采用橡膠模壓結(jié)構(gòu)方式。從上世紀(jì)六十年代起，國(guó)外水下密封連接器技術(shù)獲得迅猛的發(fā)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(chǎn)品。目前，國(guó)外水下密封連接器已經(jīng)能夠滿足全海深應(yīng)用需求。世界范圍內(nèi)，研制、生產(chǎn)、銷售水下密封連接器的著名廠商多達(dá)數(shù)十家，主要集中在歐洲、美國(guó)等地區(qū)和國(guó)家。
國(guó)內(nèi)水下密封連接器的研制和生產(chǎn)起步相對(duì)較晚，無(wú)論是設(shè)計(jì)技術(shù)，相關(guān)新材料、新工藝研發(fā)方面，還是生產(chǎn)、檢驗(yàn)以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范制定方面，均與國(guó)外有很大差距。尤其是在高端水下密封連接器技術(shù)領(lǐng)域，我國(guó)尚處在起步或跟跑階段，還有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走。
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(lái)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(jié)構(gòu)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(jié)水下密封連接器。每個(gè)類別都具有鮮明的特征及應(yīng)用特點(diǎn)，在應(yīng)用領(lǐng)域既有交叉又各有側(cè)重。
圖2 橡膠模壓成型水下密封連接器圖示
3 設(shè)計(jì)要求及注意事項(xiàng)
水下密封連接器的耐水壓等級(jí)表示其可以承受海水(或淡水)壓力，對(duì)應(yīng)一定的工作水深。常見(jiàn)的水下密封連接器的耐水壓等級(jí)對(duì)應(yīng)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(qiáng)、密封性能指標(biāo)高，因此，在連接器的結(jié)構(gòu)、材料設(shè)計(jì)、制造工藝、試驗(yàn)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(guān)鍵零件材料
很多該類連接器要求長(zhǎng)期在水下使用，并且要保證插頭、插座防水密封，同時(shí)要求保證橫向水密和縱向水密，由于環(huán)境條件特殊要求，防潮濕、防霉菌、防鹽霧的三防設(shè)計(jì)是研制的重要任務(wù)，因此在材料選用上要進(jìn)行特殊選型設(shè)計(jì)。
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(jié)構(gòu)中承擔(dān)了密封和絕緣兩大任務(wù)，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(guān)鍵的零件，需要具有優(yōu)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(duì)接觸壓力、插拔力和插拔次數(shù)的要求，且表面需要具有優(yōu)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1)連接器殼體設(shè)計(jì)
水下密封連接器的耐水壓性能是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，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(jié)構(gòu)件，不僅起到支撐接觸件、連接內(nèi)部結(jié)構(gòu)件的作用，同時(shí)還起到連接和固定作用，并便于拆裝;因此，根據(jù)不同水深和插接要求，對(duì)結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)和選型十分重要。通常情況下，殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用高強(qiáng)度、防銹蝕的不銹鋼或鈦合金材料，殼體耐壓的關(guān)鍵部位可考慮設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)。
2)水密電纜及接口設(shè)計(jì)
水下密封連接器需要與電纜適配才能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。所以，在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意對(duì)水密電纜與水下密封連接器的接口進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。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(nèi)壁阻隔流體)，或者采用硫化的方式進(jìn)行尾部密封。
3)接觸件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
接觸件是連接器中最關(guān)鍵的零件，接觸件結(jié)構(gòu)形式直接關(guān)系到連接器電(光)信號(hào)傳輸?shù)姆�(wěn)定性和可靠性，在深海環(huán)境中，橡膠材料在強(qiáng)大的外壓下受力會(huì)導(dǎo)致彈性接觸件保持力下降，電接觸不穩(wěn)定。所以，合理可靠的接觸件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)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(hù)套，或者選用冠簧式插孔，都是現(xiàn)階段選用較多的方案。
4)密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
設(shè)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(tǒng)機(jī)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(guò)連接器進(jìn)入設(shè)備艙體內(nèi)部，從而確保內(nèi)部設(shè)備的安全性。因此，水下密封連接器密封性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。可以參考國(guó)軍標(biāo)GJB 7244-2011《潛水電連接器通用規(guī)范》及以往同類連接器的研制經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)密封結(jié)構(gòu)。通常情況下，為實(shí)現(xiàn)連接器插合密封的可靠性，插頭或插座端會(huì)設(shè)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(nèi)，在插頭和座對(duì)接后，兩殼體對(duì)密封圈適量的壓縮即可實(shí)現(xiàn)密封。產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)環(huán)境溫度、工作壓力、介質(zhì)材料等因素合理選擇O形密封圈的材料、硬度，并對(duì)O形密封圈的壓縮率、擠出極限和間隙進(jìn)行計(jì)算，確保密封結(jié)構(gòu)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(nèi)，而O形密封圈在溝槽內(nèi)的初始變形的合理確定對(duì)于實(shí)現(xiàn)密封起著至關(guān)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(yīng)為15%。
圖3 O型密封圈圖示
圖4 O型密封圈應(yīng)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(dòng)用O形圈橡膠密封圈溝槽尺寸》設(shè)計(jì);同時(shí)，還可針對(duì)大水壓環(huán)境進(jìn)行力學(xué)分析。在壓力作用下，O形密封圈彈性體將貼緊不規(guī)則的密封表面。被密封的表面應(yīng)滿足一些基本的要求：密封表面上不得有開(kāi)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(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常用到的加工工藝包括零部件的機(jī)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(huán)氧樹(shù)脂膠灌封工藝和焊接工藝等。其中，與常規(guī)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(duì)特殊工藝。
4.1 表面涂膠工藝
零件在硫化之前，需要對(duì)其進(jìn)行表面涂膠處理，這樣才能達(dá)到較好的粘結(jié)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(duì)表面活化處理后的零件進(jìn)行涂刷。需要注意的是，涂刷要均勻，同時(shí)，應(yīng)注意順著一個(gè)方向刷涂，不應(yīng)往復(fù)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(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用最普遍也是最關(guān)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(tài)下仍然具備單獨(dú)的水密特性，不會(huì)使水通過(guò)連接器進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部)的性能問(wèn)題。橡膠硫化是指橡膠的線型大分子通過(guò)化學(xué)交聯(lián)而構(gòu)成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的化學(xué)變化過(guò)程。橡膠加入硫化劑經(jīng)熱處理或其它方式，橡膠分子之間會(huì)產(chǎn)生交聯(lián)，從而使其性能得到改善，尤其是彈性、耐熱性、拉伸強(qiáng)度和耐有機(jī)溶劑的不溶解性。橡膠硫化工藝的三個(gè)基本要素包括硫化溫度、硫化壓力和硫化時(shí)間。
4.3灌封工藝
灌封工藝也是水下密封連接器生產(chǎn)制造的常用工藝。灌封在增加水下密封連接器自身強(qiáng)度、抵抗外部環(huán)境水壓力的同時(shí)，還能使連接器接觸件獲得良好的定位(固定和保護(hù))，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(chǎn)生，否則容易滲水導(dǎo)致電性能失效。因此，通常灌封和固化需在真空環(huán)境下，避免灌封膠產(chǎn)生氣泡。
5 結(jié)語(yǔ)
隨著國(guó)家對(duì)海洋的開(kāi)發(fā)和利用以及光纖通信技術(shù)的發(fā)展，艦船、潛航器和各種水下設(shè)備的制造與使用越來(lái)越多，用于連接水下設(shè)備的水下密封連接器也得到了快速的發(fā)展�，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)水下密封連接器技術(shù)，尤其是高端水下密封連接器技術(shù)方面，與國(guó)外相比還有較大差距，本文拋磚引玉，對(duì)水下密封連接器設(shè)計(jì)及工藝技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述，以供參考和討論。
相信，隨著海洋工程和裝備技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)水下密封連接器技術(shù)也會(huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)從跟跑、并跑到領(lǐng)跑超越。 |
