等压平衡及压力补偿密封技术在水下动密封连接器中的应用.pdf

第 期 年 月机电元件 收稿日期：研 究 与 设 计等压平衡及压力补偿密封技术在水下动密封连接器中的应用孙晓军，曹宏涛，杨成博，江浪，李思行，乔永红（中航光电科技股份有限公司，河南省洛阳市，；（海装沈阳局驻沈阳地区第四军事代表室，辽宁省沈阳市，）摘要：本文属于水下密封连接器技术领域，介绍了等压平衡密封技术和压力补偿密封技术和该技术在水下动密封连接器中的应用情况、测试验证结果，提出解决水下动密封连接器可靠性和使用寿命的技术途径。关键词：等压平衡；压力补偿；密封技术；水下动密封连接器 ：中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言在连接器从业者的努力下，我国水下密封连接器的科技水平取得了长足的发展，形成了一批成熟的密封技术，如形密封圈密封、其他形状橡胶圈密封、玻璃封接密封、强装密封、灌胶密封、嵌装密封等，这些密封技术广泛使用在水下密封连接器静密封的场景（使用时密封的零件固定不动）。但国内水下密封连接器在动密封场景的应用方面起步晚、技术不够成熟。动密封连接器具有在水下进行插拔或者旋转的功能，使用时密封零件需要产生相对运动，采用传统的密封技术容易损坏泄露，可靠性低。推动新技术在水下密封连接器的应用，是我们电子元器件从业者的责任担当。水下动密封技术需求国内海洋装备发展迅猛，对水下动密封连接器的需求十分迫切，考虑到可靠性、水下维修成本方面，现在大都采购进口的水下动密封连接器产品。如某海洋装备需要采用的电旋转连接器，要求能在水下数百米深处工作，在水下旋转寿命指标不低于 万转；某海洋装备需要采用的水下湿插拔连接器，要求水下 米深处工作，通过 在水下插拔 次。水下动密封连接器需要进行特殊设计，才能满足水下使用的可靠性。本文以旋转连接器为例，介绍了等压平衡和压力补偿技术在动密封情况下的应用。等压平衡密封技术 等压平衡密封技术原理和结构等压平衡密封技术，由动密封连接器等压平衡调节结构实现。图 连接器等压平衡密封原理与结构技术实现原理是：将连接器内充满液体绝缘介质，通过等压平衡调节膜片能够将外部的水压传递作用在连接器内液体绝缘介质上，达到连接器在任何深度的水中使用时，腔体内外部达到等压平衡，避免电连接器在旋转或者插拔运动时，因外部单侧水压作用导致密封处的损坏、渗漏，延长电连接器使用寿命。如图 。该等压平衡密封结构的优点是：等压平衡调节膜片能随着外界水压的变化自动调整电连接器的内腔压力，使电连接器内腔的压力一直与外界的水压保持平衡，保证了连接器工作的可靠性。等压平衡密封技术的应用图 是一种等压平衡调节结构在水下旋转连接器上的应用方案。在密封腔体内充满绝缘油，在右侧开孔处安装等压平衡调节波纹膜片，波纹膜片在腔内与内腔绝缘油接触，在腔外与海水接触，形成等压平衡调节结构。旋转轴穿过腔体位置设计有轴颈密封圈将海水与腔体内部绝缘油密封隔离，工作时该处是滑动密封形式。旋转连接器在海水中工作时，波纹膜片传递腔内和腔外的压力，当腔外压力大于腔内的压力时，膜片向内运动增加腔内的压力，使腔内外的压力相等；反之，膜片向外运动，减少腔内的压力，使腔内外的压力相等。这样轴颈密封圈处动密封因两侧没有压力差，海水不容易渗漏到连接器中。图 连接器等压平衡调节结构 连接器等压平衡调节结构工作容积确定采用等压平衡调节结构时，必须计算校橡胶波纹膜片的工作容积。如果膜片的工作容积小于所充的绝缘油的容积变化体积，膜片将会受到破坏，引起密封失效。确定工作容积的因素主要有：随着温度的变化和随着压力的变化而产生的工作油液的体积变化，以及工作过程中油液的泄露，膜片的工作容积要大于这些变化的总和。对于本调节结构，油液泄露和随着压力变化产生的工作油液体积变化非常微量，最主要的因素是随着温度变化产生的工作油液的体积变化影响。首先，计算绝缘油的向内变化容积：内 下降（）式中：绝缘油的总体积（）；下降 温度下降的温差（）；绝缘油（变压器油）的膨胀率（）。其次，计算橡胶波纹膜的向内工作容积：膜内 （）内（）式中：橡胶波纹膜的工作直径（）；内 橡胶波纹膜的向内工作行程（）。第三，计算绝缘油的向外变化容积：外 上升（）式中：上升 温度上升的温差（）；第四，计算橡胶波纹膜的向外工作容积：膜外 （）外（）式中：外 橡胶波纹膜的向外工作行程（）。当内膜内，同时外膜外时，连接器压力补偿器的工作容积满足要求。以实际工程使用的旋转连接器压力补偿结构为例：该连接器要求：贮存温度 工作温度 ，连接器内部填充变压器油的膨胀率 ，油的体积为 。膜片的伸缩波纹直径为 ，向内伸缩长度尺寸为 ，向外伸缩长度尺寸为 。绝缘油向内变化容积计算：装配时室温 ，到存储温度 时的温度变化范围为 ，容积变化为 。到工作温度 时的温度变化范围为 ，容积变化为 。橡胶波纹膜向内的工作容积：（），可以满足低温贮存 时变化的容积，也可以满足工作温度 时变化的容积。绝缘油向外变化容积计算：假设装配时室温 ，到存储温度 时的温度变化范围为 ，容积变化为 。到工作温度 时的温度变化范围为 ，容积变化为 。橡胶波纹膜向外的工作容积：（），可以满足高温贮存 时变化的容积，也可以满足工作温度 时变化的容积。根据以上计算分析，橡胶膜的工作容积满足温度变化引起的腔内变压器油体积的变化。同时根据进行高低温试验的结果，验证可以满足温度变化的要求。压力补偿密封技术 压力补偿密封技术原理和结构压力补偿密封技术需要始终保持系统内压略高于机 电 元 件 年外部水深压力来提高安全可靠性。技术原理为：连接器内充满液体绝缘介质，外部的水压通过压力补偿器直接传递在液体绝缘介质上，同时压力补偿器还能够单独提供给液体绝缘介质一个恒定的压力，内腔的液体压力大于外部的水压，使外部的海水无法进入内腔，延长电连接器使用寿命。图 弹簧压力补偿密封原理与结构如图 是一种弹簧压力补偿器设计结构，该补偿器采用刚性外壳，内部由一个带有弹簧的滚动膜或者活塞分为两腔。一个腔连通连接器的压力补偿油，另一腔通向外界海水环境，弹簧力实现补偿油压力始终比外界海水压力略高，防止外部海水的渗入。压力补偿密封技术优点是：能随着外界水压的变化自动调整电旋转连接器的内腔压力，使电旋转连接器内腔的压力始终大于外界的水压，保证了连接器工作的可靠性。压力补偿密封技术的应用图 是压力补偿密封技术在水下旋转连接器上的一种应用方案。压力补偿器安装在电旋转连接器壳体一侧，旋转连接器在海水中工作时，压力补偿器橡胶滚动膜受到腔内绝缘油的压力和腔外海水的压力，以及弹簧压力。当弹簧压力加外界水压大于腔内的压力时，滚动膜向内滚动，增加腔内的压力，直到与弹簧加腔外的压力平衡为止；反之，滚动膜向外滚动，减少腔内的压力，直到与弹簧加腔外的压力平衡为止。这样内腔压力始终比外界压力大一个弹簧的压力，轴颈密封圈处虽然存在动密封，但因内侧压力一直略高于外界海水压力，所以海水不会渗漏到连接器内部。图 连接器压力补偿器 压力补偿器工作容积确定采用压力补偿器时，也必须要计算校核橡胶滚动膜的工作容积，可以参考式（）、（）、（）、（）进行。验证使用情况按照本文所述技术原理，近几年已经陆续投入了几十种实物产品，图 为一种等压平衡型水下湿插拔连接器，可以在深水中插拔工作。经过迭代优化，插拔试验 次后绝缘电阻可以达到 。图 为一种带压力补偿器的水下旋转连接器，已经用于装备近十年时间，旋转寿命 万转，绝缘电阻保持 。图 等压平衡水下湿插拔连接器样件图 带压力补偿器的水下旋转连接器 结论将等压平衡技术及压力补偿技术应用于水下动密封连接器，可以使水下密封连接器具有可靠性高、寿命长等明显的技术优势。该技术经过多年开发应用和通过多个预研项目的验收鉴定，在关键技术应用方面取得了显著突破，为水下连接器密封技术的发展和研究积累了宝贵经验。在此基础上通过进一步持续攻关研究，必将全面超越国外产品，为我国建设海洋强国的重要战略做出重要贡献。（下转第 页）第 期孙晓军等：等压平衡及压力补偿密封技术在水下动密封连接器中的应用件，按照产品的技术指标要求进行以上三类成品试验。成品试验验证分为 、三组，试验项目、试验方法及试验结果见表 。其中机械寿命试验考察连接器产品受到插合和分离循环的影响，循环次数为 次。在此试验期间，由 制作的摩擦副零件经受表 成品试验结果组别试验项目试验方法试验结果温度冲击连接扭矩高温绝缘电阻机械寿命振动冲击高温寿命潮湿室温绝缘电阻介质耐电压 合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格臭氧暴露室温绝缘电阻介质耐电压液体浸渍介质耐电压连接扭矩 合格合格合格合格合格合格耐冰冻 ，合格砂尘 合格撞击 合格 次循环摩擦。试验结果说明摩擦副零件未出现影响连接器产品性能的故障，这表明耐磨 满足该型连接器的使用要求。结语本文通过对某型号耐磨 的进行一系列试验验证，明确了该材料的成型工艺参数、理化性能和耐磨性能等指标。并将该材料应用于连接器产品，经受了各项目试验验证，试验结果表明耐磨 可在连接器产品中应用。随着武器装备行业和电子工业的发展，连接器的应用数量与日剧增，对连接器各零部件使用寿命要求也越来越严苛，耐磨聚醚醚酮在电连接器行业将有更好的应用前景。参考文献：赵春颖，温晓兰，李一 电连接器的机械寿命浅析 机电元件，（）：辛存良，何世安，满长才，等 聚合物基耐磨材料研究进展 材料开发与应用，（）：何健，李小红，张治军 聚合物基复合材料摩擦学改性研究新进展 摩擦学报，（）：周祥兴 合成树脂新资料手册 中国物资出版社，付国太，刘洪军，张柏，等 的特性及应用 工程塑料应用，（）：李恩重，郭伟玲，王海斗，等 聚醚醚酮摩擦学性能改性及其应用研究进展 材料工程，（）：韩继先，胡晓东，于慧敏 聚醚醚酮在复合材料上的应用 新技术新工艺，（）：（上接第 页）参考文献 章艳主编，深海压力适应性水下机器人压力补偿技术机电工程 第 卷第 期 年 月：孟庆鑫、王茁、魏洪兴等，深水液压动力源压力补偿器研究 船舶工程，（）：徐鲁杰、孙晓军、汤振、乔永红，水下插拔电连接器技术，何立岩、李智刚、何震，水下插拔电连接器的研制，机电元件，朱家远、叶杨高，国外水下插拔连接器密封设计及分析，中国电子科学研究院学报，赵宏林、胡栋、赵东伟、安晨、戚圣好，水下湿式电连接器密封组件密封性能模拟与分析，中国海上油气，褚伟、邓玉聪、姜伟、杨帆，一种水下带电插拔连接器结构设计，科学技术创新，：第 期侯锦秋等：耐磨聚醚醚酮在连接器中的应用研究