趙奎

摘 要 自組網(wǎng)通信設(shè)備在戶外使用，需要進(jìn)行密封設(shè)計(jì)。復(fù)合導(dǎo)電橡膠具有耐腐蝕功能，且適用于大范圍的EMI，成為密封材料的首選。在設(shè)計(jì)過程中，首先選取合適的橡膠相對變形量范圍，確定安裝溝槽尺寸、公差、橡膠墊應(yīng)力以及螺釘數(shù)量，其次利用ANSYS軟件對設(shè)備外殼翹曲變形進(jìn)行分析與優(yōu)化，最終確定合適的法蘭邊厚度與螺釘間距。

關(guān)鍵詞 密封設(shè)計(jì);溝槽設(shè)計(jì);螺釘間距;ANSYS分析;翹曲變形

引言

自組網(wǎng)通信設(shè)備是一款便攜式電子設(shè)備，需要在戶外工作，復(fù)合導(dǎo)電橡膠墊內(nèi)側(cè)為鍍銀導(dǎo)電橡膠，提供EMI屏蔽，外側(cè)為硅橡膠，具有超強(qiáng)的耐鹽霧腐蝕功能[1]。

在以往設(shè)計(jì)中，設(shè)備殼體往往假設(shè)為剛體，但便攜式設(shè)備要求體積小，重量輕，最大限度的去除材料，殼體不能作為剛體考慮，需要分析殼體的翹曲變形對密封性能的影響，確定合適的法蘭邊厚度與螺釘間距。

作為工程設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程中不能忽略公差，而且要根據(jù)實(shí)際加工能力與成本選取合適的公差值。

1密封墊溝槽設(shè)計(jì)

橡膠墊片密封設(shè)計(jì)重點(diǎn)是控制橡膠墊的相對變形量ε，一方面保證接觸面有足夠的壓力，另一方面防止過度形變，導(dǎo)致橡膠失效。導(dǎo)電橡膠截面形狀不同，ε值也不同。選用的復(fù)合導(dǎo)電橡膠，供應(yīng)商推薦值為13%，文獻(xiàn)推薦值為20%～30%，考慮到設(shè)備的使用性，選擇ε在18%～25%之間。

復(fù)合導(dǎo)電橡膠墊（簡稱密封墊）截面為矩形雙峰形狀，高度h=3.2±0.05mm，寬度b=3±0.05mm，截面積S=，密封墊安裝后外形近似矩形，尺寸為L×B，結(jié)構(gòu)尺寸圖如圖1所示。

密封墊高h(yuǎn)=3.2mm，壓縮率18%<ε<25%，考慮公差，溝槽深度H為：

得：2.4375≤H≤2.533，取H=2.45mm。

考慮到密封墊預(yù)拉伸因素[2]，尺寸B與L分別取B=252mm，L=247mm。

橡膠受預(yù)拉伸后，體積不變，長度變長，截面積變小為，預(yù)拉伸后，密封墊最小高度：

k為密封墊前后長度比值，為0.94。預(yù)拉伸后，密封墊最小壓縮率為：

ε=（h′-Hmax）/ h′=20.38%>18%，滿足密封最小壓縮率要求。

考慮密封圈的溶脹等因素，寬度d為：

考慮到加工等因素，取值d=mm。

2密封墊應(yīng)力及螺釘數(shù)量計(jì)算

作為單向變形的密封墊，其應(yīng)力計(jì)算采用巴爾涅夫-哈扎諾維奇方程[5]。

方程中需要知道橡膠的彈性模量E。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)將彈性模量E以表觀彈性模量Ea代替。Ea是其幾何形狀和硬度的函數(shù)[4]，本例中：

形狀系數(shù)S=b/2h，其中b=3mm ，h=3.2mm

代入得：Ea=4.569×G

切變模量G主要與橡膠硬度HA有關(guān)。密封墊HA=62，代入下式計(jì)算[3]。

設(shè)蓋板有n個(gè)M3×10螺釘，性能等級為A2-50，則單個(gè)螺釘受力為：F1=F÷n

在實(shí)際應(yīng)用中，螺釘還受預(yù)緊力F2的作用。預(yù)緊力一般取值為0.2F1～0.6F1，本次取值0.6F1，單個(gè)螺釘所受到的合力ΣF=F1+ F2=8088.96/n

查國標(biāo)[6]得螺釘屈服強(qiáng)度σs=450MPa，應(yīng)力截面積As=5.03mm2，取1.5安全系數(shù)：

解不等式得螺釘數(shù)量為：n≥5.36。

考慮到設(shè)備整體的對稱性及螺釘間距的均勻性，取值n=8。

3蓋板翹曲分析

設(shè)外殼翹曲量為δt，密封墊變形量為：

因此，設(shè)備殼體和蓋板的翹曲量之和要小于0.0748mm。

利用ANSYS進(jìn)行變形分析。殼體與蓋板的材料均為5A05-H112，螺釘數(shù)量8個(gè)，螺釘間距129mm，結(jié)果如下圖所示。圖1顯示設(shè)備殼體溝槽處變形，最大變形量0.039mm。

圖2所示為蓋板變形圖，最大變形量為0.10964mm，超出設(shè)計(jì)范圍。

針對蓋板變形有兩種思路，一是增加蓋板法蘭邊厚度，二是增加螺釘，減小螺釘間距。法蘭邊厚度與蓋板變形關(guān)聯(lián)表格如下：

從表1可知，法蘭邊需加厚至9mm，變形量才能勉強(qiáng)達(dá)到要求，而重量增加0.15kg，且設(shè)備體積也有所增加，不符合整體設(shè)計(jì)思路[7]。

方案二：如圖3所示，螺釘數(shù)量增加至12個(gè)后，螺釘間距86mm，蓋板最大變形量為0.032mm，整體翹曲量δt =0.051mm，則密封墊相對變形量為ε=18.7%，符合設(shè)計(jì)要求，最終采用此方案。

4結(jié)束語

自組網(wǎng)通信設(shè)備采用以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，依據(jù)GJB367A-2001《軍用通信設(shè)備通用規(guī)范》附錄A“A06淋雨試驗(yàn)”進(jìn)行試驗(yàn)，在降雨速度為10cm/h，水平風(fēng)速為18m/s，每面持續(xù)時(shí)間30min的條件下，產(chǎn)品未發(fā)現(xiàn)任何滲水現(xiàn)象，滿足國軍標(biāo)要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬建章，高馳名.導(dǎo)電橡膠在電子設(shè)備密封設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].無線電工程，2015（6）：78-81.

[2] 阮健.手持式野戰(zhàn)通信設(shè)備外接電池供電密封設(shè)計(jì)[J].電子機(jī)械工程，2011（4）：21-23.

[3] 戶原春彥.防振橡膠及其應(yīng)用[M].北京：中國鐵道出版社，1982：63.

[4] 吳宗澤.機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社2004：117.

[5] 周到，史敏，王磊，等.空氣源熱泵熱水機(jī)組壓縮機(jī)矩形橡膠圈的有限元分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009（6）：144-146.

[6] 緊固件機(jī)械性能—不銹鋼螺栓、螺釘和螺柱：GB/T3098.6-2014[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

[7] 軍用通信設(shè)備通用規(guī)范：GJB367A-2001[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.