一种水下带电插拔连接器结构设计

1 概述

随着海底观测站对海底探测的范围越来越大，提供的数据也越来越多，这直接推动了水下插拔连接器的不断创新。现今，美国、英国和日本等都有自己的海底观测站，而水下插拔连接器是组建新型海底观测站的条件之一。目前，国外水下插拔连接器从开始的单一品种已发展到各类功能强大的改进产品，如全光型、光电混装型连接器；从小功率连接器发展到大功率、高电压、多芯连接器。

国内的水密连接器领域已有相当的技术基础，但多为干插拔水下使用型连接器，应用环境受限。目前国内水下插拔技术领域尚属空白，处于研制的起步阶段，有关水下插拔的关键技术，仍有待突破。国内海洋工程用水下插拔连接器均为进口产品，成本高，采购周期长，制约着海洋工程的开发。

水下插拔连接器与传统水密连接器存在很大差异，无论是在原理上、结构设计上以及工作性能上，都与传统水密连接器有着巨大的改变。该组件在设备系统、武器装备中都可以起到关键性的连接作用，最重要的是其具有即时通断的功能，大大提高了设备系统的机动性、安全性和适应性。可广泛应用于海底石油工作平台、采矿工程、水下搜救以及潜艇等领域的电力传输、电/液控制、信号传输等诸多方面，对我国海洋勘探、开发以及海军设备和武器系统的发展具有重要意义。

在工业和信息化部科研项目——水下控制系统对接盘、锁紧机构研制的支持下，研制了一种水下带电插拔连接器。

2 水下插拔连接器结构组成

水下插拔连接器由插座和插头两部分组成。

插座包括：插针组件、基座、金属壳体、法兰盘、定位销、密封圈、保护罩组件等。插座外形见图1，结构图见图2。

图1 插座外形图

图2 插座结构（二维）

插头包括：插孔组件、调节压力平衡油腔的内壳体组件、ROV湿式插拔装置、锁紧机构、配接电缆连接组件等。插头外形见图3、结构图见图4。

图3 插头外形

图4 插头结构（二维）

3 水下插拔连接器的工作原理

该产品为水下带电插拔连接器，采用了动密封、压力补偿、电接触冲洗、电缆密封、柔性肘节等技术。连接方式为ROV湿式插拔，可以通过蛙人、遥控潜水器（ROV）或水下机器人（AUV）在海洋环境下进行带电插拔使用，具有快速、高效、可靠连接的特点。

插头设计有电接触系统、调节压力平衡油腔、ROV湿式插拔装置、锁紧机构、配接电缆连接密封腔等。海水环境中ROV操作插头，完成与插座的插合和分离。插头、插座插合和分离时，插针导电部位和插孔的接通和断开均在绝缘油中进行，可有效湮灭接通和分离时产生的电弧，实现带电插拔。其工作原理如下：

3.1 未插合状态

3.1.1 插头

插头密封性能好坏取决于内壳体组件的密封效果，内壳体组件工作原理见图5。

图5 未插合状态内壳体组件

内壳体组件中的插孔组件一端密封固定在前基座孔内，另一端密封固定在后基座孔内；插孔组件内的滑销为PEEK高强度绝缘材料，它通过长18mm氟硅橡胶入口套管实现与插孔组件内部腔体的密封。

插头内壳体组件的密封腔充满绝缘油，插孔组件分布在充满绝缘油的腔体4中。插头入水时，外部压力大于油腔内部，海水通过压力平衡孔1进入外腔，外腔内的海水促使膜1向内变形；缓冲腔内部油压增加，绝缘油流动并驱动压力平衡膜2向内运动；腔3油压增大，绝缘油通过孔2进入腔4，使腔4压力趋于平衡，最终达到插头油腔内外压力平衡。

3.1.2 插座

插座工作原理图见图6，插针组件固定在安装板中，插针组件、安装板与插座壳体之间采用密封圈密封。

图6 插座未插合状态

3.2 水下插拔

3.2.1 插合过程

连接器插合状态见图7，插合时插座的插针与插头的滑销接触挤开滑销凹槽中的海水，插座的插针向前插入将滑销顶入插孔组件内腔，弹簧被压缩，插针导电部位与开槽插孔接触，完成电连接。

图7 连接器插合状态平面图

插座的插针插入时，插孔组件腔体压力变大，插孔组件的入口阀打开与腔4相通，插孔组件内部的绝缘油在压力作用下向插孔接触部位流动，以冲洗开槽插孔，提高电接触的可靠性；同时绝缘油进入腔4，腔4压力增加，迫使膜2向外变形，缓冲腔油压增加，膜1向外变形，实现油腔内部与外界海水压力平衡。插合过程中，插座的插针组件代替滑销与入口套管形成动密封；插合完成后，插针组件绝缘部位与入口套管密合将油腔密封。

3.2.2 分离过程

拉动手柄，锁紧机构与手柄一起向后运动，内壳体组件上的锁紧钩在锁紧机构上解锁套接触斜面的引导下产生径向运动，锁紧钩张开，插头与插座解锁；继续向后拉动手柄，内壳体将一起运动，插孔与插针分离，实现电信号断开。

插针向外拔出时，插孔组件内部腔体压力减小，腔4绝缘油进入插孔组件内部，缓冲腔、外腔、海水依次补充压力，调节压力平衡。同时弹簧推动滑销与插针组件同步运动，并恢复原位再次与入口套管密合将油腔密封。

4 计算分析

本文结合项目研制的4芯和12芯水下带电插拔连接器的结构设计，通过理论计算结合试验验证，提供了水下带电插拔连接器的设计及计算方法。

4.1 动密封摩擦力计算

插头的动密封结构如图8所示：

图8 动密封结构

对于接触型动密封而言，密封动、静表面之间有相对滑动，为了保持密封，在密封相对滑动面之间必须施加一定的正压力。在没有契合的情况下，密封摩擦力F与有效接触压力成正比，即：

式中：μ-摩擦系数;

pc-有效接触压力;

a-密封接触面宽度;

b-密封接触面长度。

当密封为环形密封时，b=πd，d为密封轴向直径。

在多数情况下，非金属密封材料不存在表面烟花膜的问题，污染对其影响也很小。就常用的密封橡胶来说，具有质软、弹性大的特点，摩擦系数随滑动速度的不同而变化。滑动速度很低的时候，静摩擦系数大于动摩擦系数，滑动速度高时，动摩擦系数非常大。当橡胶与结构件间进行干摩擦时，在正常插拔速度下，摩擦系数可高达0.8至1.0左右。摩擦系数也是压力的函数，但确切的变化受到多种因素的影响，其大致关系如图9所示。

图9 橡胶的摩擦系数随压力变化曲线

根据动密封的机理分析结合结构设计，插头内腔为充油均压密封，内外压力差最大为0.15MPa，相应的有油或水作为润滑剂的滑动摩擦系数0.1，密封轴为Φ3mm，入口套管长度为18mm，动密封的摩擦力确定为：

F1=0.1×0.15×18×3.14×3=2.54N。

4.2 滑销弹簧的弹簧力

当插头从插座上拔出时，为了保证插座插针从插头插孔组件内退出后，滑销在弹簧的弹簧力作用下克服摩擦力滑动再次与入口套管形成密封，必须保证弹簧具有一定弹簧力。

弹簧的刚度使弹簧产生单位轴向变形所需的载荷，即：Kp=式中：G-材料的切变模量；

d-弹簧直径；

D2-弹簧中径；

n-有效圈数。

根据结构要求设计的弹簧，材料的切变模量81000MPa，弹簧直径0.8mm，弹簧中径6.4mm，有效圈数26，计算出Kp为0.6N/mm。具体应用中的弹簧设计参数及弹簧刚度如图10所示。

图10 弹簧设计尺寸及特性曲线

当插座的一个插针组件刚插入到插头插孔组件内时，需要克服8N的预紧弹簧力，最终达到插针组件完全插入到插孔组件内，即安装在插头内壳体组件上的锁紧钩和插座上的环形槽配合锁紧，一个插针组件插入到插孔组件需要克服F2=32N的弹簧力。

4.3 开槽插孔分离力

当插座插针插入到插头插孔组件的开槽插孔内时，开槽插孔设计一个锥度收口，这样是为了保证插针与开槽插孔全面接触，减小接触电阻。

图11 开槽插孔外形示意图

设计开槽宽度为0.5mm，开槽长度6mm，四个均布，然后通过夹具进行收口处理，收口锥度为2°，收口后时效处理HV350～380，最后镀涂：Cu/Ep.Ni3Au1.27。通过验证试验，采用标准插针直径φ2.98 mm，插入深度5mm，插孔分离力约为200g～500g，能够保证插针与开槽插孔的接触电阻满足指标要求。

当插座插针插入到开槽插孔内时，最大的分离力为F3=500g，即 4.9N。

4.4 锁紧钩的变形力与安全簧的弹簧力

锁紧钩的变形力与安全簧的弹簧力主要是保证插头与插座插合后，锁紧钩的平面可靠的与插座的环形槽端面贴合，理论情况下在锁紧钩承载能力下，如图示方向拉动内壳体组件，插座和插头是无法解锁的。只有在拉动解锁机构的情况下，解锁机构的斜面使锁紧钩变形，并使安全簧向外移动，当锁紧钩完全从插座环形槽中退出时，插座与插头解锁分离。

图12 连接器锁紧状态

当锁紧钩的变形力及弹簧力通过试验验证满足插头与插头的锁紧要求后，在插头内壳体组件内不安装插孔组件的情况下，将插头插合到插座内并可靠锁紧，可以独立的测试锁紧钩的变形力及安全簧的弹簧力的约为50N～80N。即插座与插头插入或分离时，需要克服的锁紧钩的变形力及安全簧的弹簧力最大为F3=80N。

4.5 插座与插头的插合力及分离力

4芯插头及插座，插合力和分离力：

12芯插头及插座，插合力和分离力

通过理论计算，4芯插头及插座的插合力及分离力能够满足指标要求的FM ax=250N。由于实际加工及装配调试的情况及理论计算有所差别，我们通过对四芯的插座及插头通过多次插合及分离，在插入和拔出最大速率0.02m/s的情况下，得到实际插入力为245N，分离力为94N，验证了理论计算及实际情况基本相符。

12芯插头及插座的插合力及分离力能够满足指标要求的FMax=650N。

4.6 压力补偿系统设计必要性

插头的压力补偿主要是通过补偿膜来实现的，插头的内壳体组件内腔内充满油液，当水深发生变化时，皮囊式补偿膜会发生变化而贴向内胆，基于油液的不可压缩性，则内部的补偿压力将等于外界的环境压力。

压力补偿系统在本电插拔连接器中主要有3个作用，一是降低密封难度，二是插座与插头的插合力及分离力不会随水深压力的变化而变化，三是插头中插孔组件的滑销不会因为水深变化克服弹簧力缩回到插孔组件中，从而造成海水进入插头内。

如果插头内无压力补偿系统时，滑销在深海中受到的压力随水深增大而增大，即：

F5=P*S

式中：F5-压力，N；

P- 静水压力，MPa；

S-滑销密封轴截面积，mm2。

当插头下潜到500m水深，滑销密封轴为Φ3mm，滑销受到的压力F5=35.3N，而滑销克服动摩擦力F1和弹簧进入入口套管内部的弹簧力，即 F2′=F1′+Kp*l。

式中：F2′-滑销进入入口套管所需弹簧力，N；

F1′- 弹簧预紧力，N；

Kp-弹簧刚度，N/mm。

l-入口套管长度，mm。

F2′=F1′+Kp*l=8+0.6×18=18.8N。

由于F5≥F2′，插头下到工作深度滑销会退回到插孔组件内，从而海水污染插头而使插头损坏。

所以压力补偿系统是插头水下带电插拔的关键，插头入水、出水过程中及水下非工作状态，压力平衡系统随时调节油腔内部与外界海水压力保持一致，使得油腔内外不存在压力差。由于插头内设计有压力平衡系统，插头密封腔体内的压力和外部的海水压力一致，确保了在深海环境下插孔组件中的滑销不会受海水压力退入到插孔组件内部，从而更好地保证了插头密封。

结束语

我国此类连接器的技术较为落后，国外厂商售价极高，目前具有能在水下即插即用的光、电连接器，大部分又用于国家重点项目中，一旦国际形势发生变化，该连接器就成为了禁运品。因此，水下插拔连接器的研制成功，其作用非常明显，对我国海洋领域的立体化技术开发将会是一个巨大的推动。同时能够解决国内从事海洋技术研究领域单位的迫切需求，掌握具有我国自主知识产权的深水即插即用光、电连接接术，并应用于实际工程中。