潜艇穿舱电缆V 型密封圈组合拼装工艺研究

潜艇等深潜器可用来执行水下考察、海底勘探、海底开发和打捞、救生等任务，并可以作为潜水员活动的水下作业基地，或执行作战任务［1］。在大深度航行的时候，潜艇穿耐压壳体的电缆填料函出现的漏水现象时有发生，对潜艇的安全造成一定的隐患。密封功能是否可靠将直接关系到连接器及整个系统是否可靠工作。我国传统的穿舱电缆密封工艺主要为石棉绳浸渍601 胶密封工艺、石棉绳浸渍环氧树脂并使用腻子封口密封工艺，以及橡胶圈密封工艺［2］。第1 种工艺对装配人员的操作技能要求较高，且密封效果差，已被证明不适合用作潜艇穿耐压舱电缆的密封材料。第2 种工艺密封效果好，但不具可拆性，且会挥发出有毒物质。第3种工艺可拆装性好，具有较大的发展空间。

密封圈密封性能取决于密封圈的结构和材料两个方面。当前，密封圈结构主要有矩形圈、O 形圈和V 型圈等。对于密封填料的结构分析，Ochonski ［3］提出了密封填料测压系数的概念来建立密封填料的轴向应力和径向应力的关系。Song Pengyun 等［4］利用Ochonski 提出的测压系数，通过建立力学模形，计算出密封填料的受力变形，但只能得出内外接触面测压系数的关系，而无法分别得到内外接触面测压系数值。朱维兵［5］利用有限元软件ADINA，用有限元法对柱塞泵密封圈进行了分析，得到了橡胶密封圈与柱塞间接触应力的分布规律以及接触应力与工作介质压力的关系，为研究V 型密封圈的密封机理提供了计算依据。同时，上海造船厂开创的成束电缆橡胶块组合拼装密封法为密封圈的组合拼装工艺提供了理论基础［6］。但由于深海工作条件高压、高湿、强腐蚀等特点，对潜艇穿舱电缆密封圈材料提出了更高要求。本文考虑从V 型密封圈组合拼装和材料选择两个方面，研究提高潜艇穿耐压壳体电缆填料函的密封工艺水平，从而提高穿耐压壳体电缆填料函的密封性能。

1 3 种结构密封圈的密封性分析

O 形橡胶密封圈成本低廉、结构简单，被广泛应用于汽车、动力、机械等领域。但是目前对O 形密封圈密封结构的设计、O 形密封圈的选择和安装等均是按照传统经验进行。而矩形橡胶密封圈以其结构简单和自身特点被应用于某些领域，在多种同轴组合密封圈中，矩形橡胶密封圈也可以作为弹性体。

矩形密封圈与O 形密封圈的密封机制相同，都可用于双向密封的密封件。但由于矩形密封圈与轴的接触面积大，散热困难，橡胶产生“焦耳效应”从而对轴产生很大的抱紧力，摩擦力急剧增大，密封圈极易被破坏失去密封作用。因此，矩形密封圈的接触面积大，散热效果差，只能用于静密封［7］。静密封中矩形密封圈的总变形量在有、无工作压力的情况下均小于O 形圈的变形量; 矩形密封圈较O 形圈的接触压力均匀，密封面大，密封效果好。矩形圈的初始压缩率较O 形圈小，老化速度慢;在有、无液体压力时矩形圈的形状变形较小，有较好的稳定性。但是，潜艇穿舱电缆更宜采用动密封的方法。故考虑运用V 型密封圈作为密封填料函。

而V 型填料密封作为接触密封，接触部位也会出现类似于滑动轴承的边界润滑状态，通常称之为轴承效应。由于轴表面和密封圈表面的粗糙度的影响，没接触的部分形成小小的油楔，其间油膜较厚，轴与密封圈发生相对运动时，接触与非接触的部分就会组成不规则的迷宫，起到阻止泄漏的作用，也就是迷宫效应。V 型填料密封要保持好的密封性能，必须满足轴承效应和迷宫效应产生的条件，也就是保持良好的润滑和合理的压紧［8］。而V 型圈可适用于动密封，且具有自预紧作用，在深海高压工作环境中密封效果将优于另外两种讨论的密封圈。因此本文选择V 型圈作为密封填料函。

2 组合密封圈密封性分析

2.1 组合V 型密封圈的材料选择

模制均质和增强密封件的主要材料是橡胶。若需要增加机械强度，则应使用增强型密封件。塑料通常不能用于制造密封件，但是可用作橡胶密封件的支承件。而聚四氟乙烯(PTFE)是例外，它是一种氟碳塑料，具有独特的性能，最突出的是它几乎完全耐化学浸蚀，使用温度范围宽广，且摩擦很小，可以用于原子弹、炮弹等的防溶密封圈，因此，美国军方将该技术在二战期间一直保密，1946年实现工业化生产聚四氟乙烯。目前，该技术已相当成熟。典型商品橡胶具有高度的弹性回复率和极小的永久变形［9］。

根据电缆密封原理，参考液压设备密封装置的挤压式密封原理［10］，考虑用多根叠加式填料函进行密封。本文选用聚氨酯和聚四氟乙烯两种材料制造的V 型密封圈，其中聚氨酯橡胶密封圈为软质材料，聚四氟乙烯塑料密封圈为硬质材料，可同时作支承件。两种密封材料的性能都可满足在深海作业条件的要求。两种密封圈交替组合拼装，电缆密封试验结构如图1 所示。

图1 电缆密封试验结构示意

此结构上下部分为垫铁，其将密封圈压住，中间部分为密封圈的结构。采用挤压式电缆密封不需要用压盖螺母施加压力，而填料与电缆和填料箱内壁都有适当的过盈量。试验中给垫铁一定的预紧力，整个部分由于轴向受力、径向为刚性约束，因此在径向产生压力，达到密封效果。由于所有密封圈均采用V 型密封圈，因此结构上可以很好地契合。同时交替安装软硬质密封圈可更好地提供迷宫效应，减少刚性接触。其密封作用完全自动，所以有时该种密封形式称为自动密封。

2.2 组合V 型密封圈的受力分析

从目前研究来看，国内外对填料函受力计算方法的研究仍不充分，导致现在设计主要靠经验来确定填料密封的力学参数。以普通V 型填料密封为研究对象，结构示意图如图2所示。密封圈内径为R1，外径为R2，长度为为L，E 是密封圈弹性模量，μ 是密封圈的泊松比。轴的半径为R1 +Δδ1，填料箱内径为R2 -Δδ2(Δδ1、Δδ2 即为密封圈内外径的过盈量)。

图2 V 型填料函剖视图

填料压盖为密封圈提供均布轴向压紧力σD，密封圈内径、外径分别受到均匀压力P1 和P2。假设密封圈与轴、填料箱壁间的摩擦系数分别是v1、v2，αx 为密封圈距受压紧面轴向距离为x 处的轴向压应力，dFR1和dFR2为密封圈微元体内外面受到的摩擦力。根据弹性力学胡克定律和Lame 公式，得到密封圈在受到轴向力和径向力的共同作用下，内外径向位移ur(R1)、ur(R2)

由于轴和填料箱弹性模量远大于密封圈弹性模量，将轴和填料箱视为刚体，不发生变形，因此最后达到平衡状态时，密封圈的内径R'1 = R1 + Δδ1，外径R'2 = R2 - Δδ2。即ur(R1)=Δδ1，ur(R2)= -Δδ2。得到:

取厚度为dx 的微元体，建立轴向受力平衡

其中，

将P1、P2 代入上式，得到:

其中，C 是积分常数;

当x=0 时，σx =σD，则

得到密封圈沿轴向方向x 各点所受到轴向压力的大小

密封圈轴向线应变

密封圈的轴向位移ω 为

通过理论分析轴向压缩量在不同工况下的变化规律。图3(a)所示，当内外接触面均不发生过盈时，在压紧填料的过程中，轴向压缩量随压紧力增大而线性增长。图3(b)所示，当内外接触面均过盈，未压紧时就存在径向接触压力，因此开始时密封圈轴向不发生变化，随着轴向压紧力的增大，轴向压缩量线性增长。

图3 不同压紧力下密封圈轴向压缩量

图4(a)所示，内接触面过盈，外接触面不过盈时，轴向压紧力从某一点开始随压紧力增大而线性增大。图4(b)所示，内接触面不过盈，外接触面过盈时(Δδ1 =0，Δδ2 ＞0)时，轴向压紧力从某一点开始随压紧力增大而线性增大。

图4 轴向压缩量随不同轴向压紧力变化

3 实验分析

3.1 实验仪器

采用V 号杯形管节，装配图如图5 所示。

图5 杯形管节装配图

结构说明如下:

1)电缆直径φ28mm;

2)密封填料函结构:测试容器前段内外为密封组合垫、后端为新形填料。密封组合垫内侧为:4 个四氟垫、3 个聚氨酯橡胶垫。密封组合垫外侧为:4 个四氟垫、3 个聚氨酯橡胶垫。后端:新形填料函一根φ21 ×80。

3.2 实验过程

于2014 -5 -25，2014 -5 -27，2014 -6 -3 分别进行了3 次实验。实验时，将杯形管节与电动恒压注水泵连接，通过注水口向密封空腔内注水加压，在恒定水压下检测装置后端的V 型密封圈组合拼装工艺的密封性能。

3.3 实验结果

试验记录结果分别如表1，表2，表3 所示。

表1 实验一记录表

在本次实验中，对前端内侧、外侧以及后端三部分分别进行了压紧，压力到达4.5MPa 时，后端发生泄漏，前端未发生泄漏。

表2 实验二记录表

本次实验中，随着压力的增大，必须加大后端的压进量才能保证后端不泄漏，而在这一过程中，前端始终未发生泄漏，这说明采用多个密封圈叠加的前端密封效果明显好于传统填料方式。

表3 实验三记录表

本次实验是在实验二的基础上，经过泄压后重新加压的实验结果。可以看出在压力为4 MPa 时，后端重新泄漏。

4 结论

1)使用密封圈代替传统填料函密封，可根据电缆的不同规格，预制备用，且不受场地、温度、湿度等气候条件的限制，随用随拿，安装拆卸方便。

2)V 型密封圈在高压动密封中的密封性能优异，且由于其结构特点可以组合套装使用。

3)聚氨酯和聚四氟乙烯两种不同的材料制造的V 型圈，组合拼装使用起到了很好的密封效果。

4)该V 型组合密封圈构件经实验检测，可承受6.5 MPa水压持续工作不漏水，拆装后再次使用可承受4 MPa 水压，密封效果可以满足深海作业条件。