后 偉，邱金水，劉伯運

(海軍工程大學動力工程學院，武漢 430033)

潛艇等深潛器可用來執(zhí)行水下考察、海底勘探、海底開發(fā)和打撈、救生等任務(wù)，并可以作為潛水員活動的水下作業(yè)基地，或執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)［1］。在大深度航行的時候，潛艇穿耐壓殼體的電纜填料函出現(xiàn)的漏水現(xiàn)象時有發(fā)生，對潛艇的安全造成一定的隱患。密封功能是否可靠將直接關(guān)系到連接器及整個系統(tǒng)是否可靠工作。我國傳統(tǒng)的穿艙電纜密封工藝主要為石棉繩浸漬601 膠密封工藝、石棉繩浸漬環(huán)氧樹脂并使用膩子封口密封工藝，以及橡膠圈密封工藝［2］。第1 種工藝對裝配人員的操作技能要求較高，且密封效果差，已被證明不適合用作潛艇穿耐壓艙電纜的密封材料。第2 種工藝密封效果好，但不具可拆性，且會揮發(fā)出有毒物質(zhì)。第3種工藝可拆裝性好，具有較大的發(fā)展空間。

密封圈密封性能取決于密封圈的結(jié)構(gòu)和材料兩個方面。當前，密封圈結(jié)構(gòu)主要有矩形圈、O 形圈和V 型圈等。對于密封填料的結(jié)構(gòu)分析，Ochonski［3］提出了密封填料測壓系數(shù)的概念來建立密封填料的軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力的關(guān)系。Song Pengyun 等［4］利用Ochonski 提出的測壓系數(shù)，通過建立力學模形，計算出密封填料的受力變形，但只能得出內(nèi)外接觸面測壓系數(shù)的關(guān)系，而無法分別得到內(nèi)外接觸面測壓系數(shù)值。朱維兵［5］利用有限元軟件ADINA，用有限元法對柱塞泵密封圈進行了分析，得到了橡膠密封圈與柱塞間接觸應(yīng)力的分布規(guī)律以及接觸應(yīng)力與工作介質(zhì)壓力的關(guān)系，為研究V 型密封圈的密封機理提供了計算依據(jù)。同時，上海造船廠開創(chuàng)的成束電纜橡膠塊組合拼裝密封法為密封圈的組合拼裝工藝提供了理論基礎(chǔ)［6］。但由于深海工作條件高壓、高濕、強腐蝕等特點，對潛艇穿艙電纜密封圈材料提出了更高要求。本文考慮從V 型密封圈組合拼裝和材料選擇兩個方面，研究提高潛艇穿耐壓殼體電纜填料函的密封工藝水平，從而提高穿耐壓殼體電纜填料函的密封性能。

1 3 種結(jié)構(gòu)密封圈的密封性分析

O 形橡膠密封圈成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單，被廣泛應(yīng)用于汽車、動力、機械等領(lǐng)域。但是目前對O 形密封圈密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計、O 形密封圈的選擇和安裝等均是按照傳統(tǒng)經(jīng)驗進行。而矩形橡膠密封圈以其結(jié)構(gòu)簡單和自身特點被應(yīng)用于某些領(lǐng)域，在多種同軸組合密封圈中，矩形橡膠密封圈也可以作為彈性體。

矩形密封圈與O 形密封圈的密封機制相同，都可用于雙向密封的密封件。但由于矩形密封圈與軸的接觸面積大，散熱困難，橡膠產(chǎn)生“焦耳效應(yīng)”從而對軸產(chǎn)生很大的抱緊力，摩擦力急劇增大，密封圈極易被破壞失去密封作用。因此，矩形密封圈的接觸面積大，散熱效果差，只能用于靜密封［7］。靜密封中矩形密封圈的總變形量在有、無工作壓力的情況下均小于O 形圈的變形量; 矩形密封圈較O 形圈的接觸壓力均勻，密封面大，密封效果好。矩形圈的初始壓縮率較O 形圈小，老化速度慢;在有、無液體壓力時矩形圈的形狀變形較小，有較好的穩(wěn)定性。但是，潛艇穿艙電纜更宜采用動密封的方法。故考慮運用V 型密封圈作為密封填料函。

而V 型填料密封作為接觸密封，接觸部位也會出現(xiàn)類似于滑動軸承的邊界潤滑狀態(tài)，通常稱之為軸承效應(yīng)。由于軸表面和密封圈表面的粗糙度的影響，沒接觸的部分形成小小的油楔，其間油膜較厚，軸與密封圈發(fā)生相對運動時，接觸與非接觸的部分就會組成不規(guī)則的迷宮，起到阻止泄漏的作用，也就是迷宮效應(yīng)。V 型填料密封要保持好的密封性能，必須滿足軸承效應(yīng)和迷宮效應(yīng)產(chǎn)生的條件，也就是保持良好的潤滑和合理的壓緊［8］。而V 型圈可適用于動密封，且具有自預(yù)緊作用，在深海高壓工作環(huán)境中密封效果將優(yōu)于另外兩種討論的密封圈。因此本文選擇V 型圈作為密封填料函。

2 組合密封圈密封性分析

2.1 組合V 型密封圈的材料選擇

模制均質(zhì)和增強密封件的主要材料是橡膠。若需要增加機械強度，則應(yīng)使用增強型密封件。塑料通常不能用于制造密封件，但是可用作橡膠密封件的支承件。而聚四氟乙烯(PTFE)是例外，它是一種氟碳塑料，具有獨特的性能，最突出的是它幾乎完全耐化學浸蝕，使用溫度范圍寬廣，且摩擦很小，可以用于原子彈、炮彈等的防溶密封圈，因此，美國軍方將該技術(shù)在二戰(zhàn)期間一直保密，1946年實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)聚四氟乙烯。目前，該技術(shù)已相當成熟。典型商品橡膠具有高度的彈性回復(fù)率和極小的永久變形［9］。

根據(jù)電纜密封原理，參考液壓設(shè)備密封裝置的擠壓式密封原理［10］，考慮用多根疊加式填料函進行密封。本文選用聚氨酯和聚四氟乙烯兩種材料制造的V 型密封圈，其中聚氨酯橡膠密封圈為軟質(zhì)材料，聚四氟乙烯塑料密封圈為硬質(zhì)材料，可同時作支承件。兩種密封材料的性能都可滿足在深海作業(yè)條件的要求。兩種密封圈交替組合拼裝，電纜密封試驗結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 電纜密封試驗結(jié)構(gòu)示意

此結(jié)構(gòu)上下部分為墊鐵，其將密封圈壓住，中間部分為密封圈的結(jié)構(gòu)。采用擠壓式電纜密封不需要用壓蓋螺母施加壓力，而填料與電纜和填料箱內(nèi)壁都有適當?shù)倪^盈量。試驗中給墊鐵一定的預(yù)緊力，整個部分由于軸向受力、徑向為剛性約束，因此在徑向產(chǎn)生壓力，達到密封效果。由于所有密封圈均采用V 型密封圈，因此結(jié)構(gòu)上可以很好地契合。同時交替安裝軟硬質(zhì)密封圈可更好地提供迷宮效應(yīng)，減少剛性接觸。其密封作用完全自動，所以有時該種密封形式稱為自動密封。

2.2 組合V 型密封圈的受力分析

從目前研究來看，國內(nèi)外對填料函受力計算方法的研究仍不充分，導(dǎo)致現(xiàn)在設(shè)計主要靠經(jīng)驗來確定填料密封的力學參數(shù)。以普通V 型填料密封為研究對象，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。密封圈內(nèi)徑為R1，外徑為R2，長度為為L，E 是密封圈彈性模量，μ 是密封圈的泊松比。軸的半徑為R1+Δδ1，填料箱內(nèi)徑為R2-Δδ2(Δδ1、Δδ2即為密封圈內(nèi)外徑的過盈量)。

圖2 V 型填料函剖視圖

填料壓蓋為密封圈提供均布軸向壓緊力σD，密封圈內(nèi)徑、外徑分別受到均勻壓力P1和P2。假設(shè)密封圈與軸、填料箱壁間的摩擦系數(shù)分別是v1、v2，αx為密封圈距受壓緊面軸向距離為x 處的軸向壓應(yīng)力，dFR1和dFR2為密封圈微元體內(nèi)外面受到的摩擦力。根據(jù)彈性力學胡克定律和Lame 公式，得到密封圈在受到軸向力和徑向力的共同作用下，內(nèi)外徑向位移ur(R1)、ur(R2)

由于軸和填料箱彈性模量遠大于密封圈彈性模量，將軸和填料箱視為剛體，不發(fā)生變形，因此最后達到平衡狀態(tài)時，密封圈的內(nèi)徑R'1= R1+ Δδ1，外徑R'2= R2- Δδ2。即ur(R1)=Δδ1，ur(R2)= -Δδ2。得到:

取厚度為dx 的微元體，建立軸向受力平衡

其中，

將P1、P2代入上式，得到:

其中，C 是積分常數(shù);

當x=0 時，σx=σD，則

得到密封圈沿軸向方向x 各點所受到軸向壓力的大小

密封圈軸向線應(yīng)變

密封圈的軸向位移ω 為

通過理論分析軸向壓縮量在不同工況下的變化規(guī)律。圖3(a)所示，當內(nèi)外接觸面均不發(fā)生過盈時，在壓緊填料的過程中，軸向壓縮量隨壓緊力增大而線性增長。圖3(b)所示，當內(nèi)外接觸面均過盈，未壓緊時就存在徑向接觸壓力，因此開始時密封圈軸向不發(fā)生變化，隨著軸向壓緊力的增大，軸向壓縮量線性增長。

圖3 不同壓緊力下密封圈軸向壓縮量

圖4(a)所示，內(nèi)接觸面過盈，外接觸面不過盈時，軸向壓緊力從某一點開始隨壓緊力增大而線性增大。圖4(b)所示，內(nèi)接觸面不過盈，外接觸面過盈時(Δδ1=0，Δδ2＞0)時，軸向壓緊力從某一點開始隨壓緊力增大而線性增大。

圖4 軸向壓縮量隨不同軸向壓緊力變化

3 實驗分析

3.1 實驗儀器

采用V 號杯形管節(jié)，裝配圖如圖5 所示。

圖5 杯形管節(jié)裝配圖

結(jié)構(gòu)說明如下:

1)電纜直徑φ28mm;

2)密封填料函結(jié)構(gòu):測試容器前段內(nèi)外為密封組合墊、后端為新形填料。密封組合墊內(nèi)側(cè)為:4 個四氟墊、3 個聚氨酯橡膠墊。密封組合墊外側(cè)為:4 個四氟墊、3 個聚氨酯橡膠墊。后端:新形填料函一根φ21 ×80。

3.2 實驗過程

于2014 -5 -25，2014 -5 -27，2014 -6 -3 分別進行了3 次實驗。實驗時，將杯形管節(jié)與電動恒壓注水泵連接，通過注水口向密封空腔內(nèi)注水加壓，在恒定水壓下檢測裝置后端的V 型密封圈組合拼裝工藝的密封性能。

3.3 實驗結(jié)果

試驗記錄結(jié)果分別如表1，表2，表3 所示。

表1 實驗一記錄表

在本次實驗中，對前端內(nèi)側(cè)、外側(cè)以及后端三部分分別進行了壓緊，壓力到達4.5MPa 時，后端發(fā)生泄漏，前端未發(fā)生泄漏。

表2 實驗二記錄表

本次實驗中，隨著壓力的增大，必須加大后端的壓進量才能保證后端不泄漏，而在這一過程中，前端始終未發(fā)生泄漏，這說明采用多個密封圈疊加的前端密封效果明顯好于傳統(tǒng)填料方式。

表3 實驗三記錄表

本次實驗是在實驗二的基礎(chǔ)上，經(jīng)過泄壓后重新加壓的實驗結(jié)果?？梢钥闯鲈趬毫? MPa 時，后端重新泄漏。

4 結(jié)論

1)使用密封圈代替?zhèn)鹘y(tǒng)填料函密封，可根據(jù)電纜的不同規(guī)格，預(yù)制備用，且不受場地、溫度、濕度等氣候條件的限制，隨用隨拿，安裝拆卸方便。

2)V 型密封圈在高壓動密封中的密封性能優(yōu)異，且由于其結(jié)構(gòu)特點可以組合套裝使用。

3)聚氨酯和聚四氟乙烯兩種不同的材料制造的V 型圈，組合拼裝使用起到了很好的密封效果。

4)該V 型組合密封圈構(gòu)件經(jīng)實驗檢測，可承受6.5 MPa水壓持續(xù)工作不漏水，拆裝后再次使用可承受4 MPa 水壓，密封效果可以滿足深海作業(yè)條件。

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