吕学海
天津吉诺科技有限公司 天津300000
摘要：在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。本文介绍了水下电连接器的密封机理，对水下电连接器的横向密封、纵向密封及
尾部与线缆的密封结构设计进行了论述。
关键词：水下电连接器；密封；设计
水下电连接器是一种暴露于苛刻外部环境，用来连接电缆、水下用电设备的水下可插拔连接装置，与采油树、脐带缆等重要部件都有直接联系。当其通电时，电连接器公头插入到母头腔体，防止海水进入和液压油流出以保护腔内电器设备，其腔口位置处设有密封装置。水下电连接器采用橡胶密封，利用橡胶的高弹性和低硬度特性，在压力作用下橡胶密封件将密封区域的间隙填满，与插针外表面紧密接触，压力越高，其密封效果越好，且密封件不会因机械作用而损坏。传统的 Ｏ型、唇型等密封圈因其密封过程中密封区域面积较小，不能达到良好的密封效果，因此水下湿式电连接器须采用接触区域面积较大的橡胶密封形式，但由于其密封接触区域面积大，且存在静密封和动密封工况，密封性能受密封面上的摩擦系数、动静密封状态、径向压缩量、外界约束载荷等影响，因此，对水下湿式电连接器的密封分析尤为重要。
一、水下电连接器密封结构
水下电连接器按照接触密封处采用套筒结构的橡胶密封组件形式，该橡胶密封组件内壁与插针外表面紧密接触形成大面积的密封区域，具有更好的密封效果。当水下湿式电连接器在工作工况下插入通电时，公头插入母头壳体内，梭针随公头一起向母头壳体内运动直至梭针与插针接触，此后梭针与插针静止，公头继续向母头腔内运动；拔出过程则相反。插针、梭针与母头腔壁接触位置处设有密封组件，橡胶密封组件上端与柔性隔膜接触，右端与导体套筒连接，腔内充满液压油，只有左侧与海水接触。当介质压差和预紧力综合作用时，密封组件被径向压缩，由于其上边沿被径向约束，因此密封组件内壁会与插针外表面压合紧密，从而实现密封。如图。
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二、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。
三、水下电连接器密封结构设计
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。
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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。
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、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。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。
4、沟槽设计
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，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。 b) 沟槽设计沟槽设计是密封圈实现有效密封的关键，推荐数值见表。
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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。
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。
5、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。硫化密封形式即连接器与线缆连接后，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。橡胶保护套和密封压塞密封，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。
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。
参考文献：
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