CN108150649B - 一种水下湿式电气通用连接头密封圈的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下湿式电气通用连接头密封圈的设计方法，该设计方法用来保证设计制造后的电气通用连接头的密封圈满足设计需求，步骤包括：S1、根据设计要求确定水下湿式电气通用连接头的参数；S2、密封圈插拔次数测试；S3、密封圈温度老化测试；S4、密封圈磨损测试；S5、确定水下湿式电气通用连接头的最终参数，并以最终参数为准进行生产制造。本发明能够将密封圈插拔次数、密封圈温度老化、密封圈磨损进行量化分析，分析的结果更加准确，结论更加明确，有助于提高和保证实际产品的质量。

Description

一种水下湿式电气通用连接头密封圈的设计方法

技术领域

本发明涉及湿插拔电气通用连接头技术领域，尤其涉及一种水下湿式电气通用连接头密封圈的设计方法。

背景技术

水下湿插拔连接器是一种暴露于苛刻外部环境，如海水、油液、钻井液等，用来连接电缆、及水下用电设备的水下可插拔的连接装置，是为各水下用电设备提供稳定可靠的电力与信号传输的关键部件。

连接器在水中湿插拔的连接过程中，插头和插座间充满海水，需要研究水下插拔的工作原理和动密封结构，保证接触件可靠绝缘的情况下，实现将海水尽量排出，并在安装后对接触件自动隔离、密封和锁紧，保证设备的正常工作；在深水情况下，海水压力会影响水下湿式连接器的安装和拆卸，必须研究有效的压力补偿结构，使连接器内部和外部压力平衡，保证连接器能够连续可靠安装操作。

目前国内水下湿插拔技术领域处于研制的起步阶段，关键技术仍需突破。随着海洋工程设备、无人系统和水下装备的发展，系列化的水下湿式电气通用插头也必然有广阔的市场前景。水下湿式电气通用插头和小型水下连接器主要用于海洋油气开发、海底资源探查、海洋环境监视以及水面和水下军用平台，在国家海洋经济开发的大潮中，对于具有水下环境工作能力的连接器的需求大量增加。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种水下湿式电气通用连接头密封圈的设计方法，用以解决现有方法无法对密封圈插拔次数、密封圈温度老化、密封圈磨损进行精确的量化分析的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种水下湿式电气通用连接头密封圈的设计方法，设计方法用来保证设计制造后的电气通用连接头的密封圈满足设计需求，步骤包括：

S1、根据设计要求确定水下湿式电气通用连接头的参数；

S2、密封圈插拔次数测试；

S3、密封圈温度老化测试；

S4、密封圈磨损测试；

S5、确定水下湿式电气通用连接头的最终参数，并以最终参数为准进行生产制造。

步骤S2具体为：

S2.1、根据水下湿式电气通用连接头的参数计算一个插针在插拔一次的情况下的密封圈泄露量；

S2.2、根据密封圈允许泄露的总量，计算求得水下湿式电气通用连接头的插拔次数；

S2.3、根据计算得到的插拔次数与设计要求的插拔次数进行比较，满足要求就进行步骤S3，否则调整水下湿式电气通用连接头的参数并从步骤S2.1开始重新进行。

步骤S2.1中，水下湿式电气通用连接头的插针在插拔一次的过程中泄漏量G满足：

式中，K为系数，D为密封圈内径，S为插针往复插拔一次时密封面行程长度，L为密封面接触宽度，p为海水和液压油的压差值，v为被密封面的运动速度，R_a为表面粗糙度参数，η为介质动黏度，v_r为橡胶的复原速度。

步骤S2.2中，插拔次数N满足：

式中，G_max为密封圈允许泄露的总量，△G为每插拔一次密封圈泄露的增加量。

密封圈插拔次数测试中，通过大量反复的理论推导和试验验证，总结出了每插拔一次密封圈泄露量的计算关系式，该公式能够更加准确的反应每插拔一次密封圈泄露量的具体大小，误差较小，通过该公式还能够定量的计算密封圈的插拔次数，计算结果与实际结果相差无几。

步骤S3具体为：

S3.1、根据水下湿式电气通用连接头的参数，计算得到密封圈老化性能参数与老化时间的关系；

S3.2、根据老化性能参数与老化时间的关系，得到密封圈材料的压缩永久变形率与老化时间之间的关系并绘制曲线；

S3.3、根据绘制的曲线和密封圈材料的最大允许压缩永久变形率，判断最大寿命是否满足设计要求的最大寿命，如果满足就进行步骤S4，否则调整水下湿式电气通用连接头的参数并从步骤S2开始重新进行。

步骤S3.1中，密封圈老化性能参数P与老化时间t的关系满足：

式中，A为试验常量，K为反应速率常数，a为常数；

反应速率常数K随试验温度T变化而变化，满足：

K＝Ze^-E/RT；

式中，Z为频率因子，E为表面活化能，R为气体常数。

步骤S3.2中，密封圈老化性能参数P与压缩永久变形率ε，满足：

P＝1-ε。

密封圈温度老化测试中，通过通过大量反复的理论推导和试验验证，总结出了压缩永久变形率在某一测试温度下与老化时间的关系式，能够更加准确的反应压缩永久变形率与老化时间的关系；绘制曲线的计算方法融合了最小二乘法，使得复杂的超越方程求解转化为多项式的近似求解，通过结合残差的判断，能够最大限的减小计算误差，使得计算结果更贴近实际结果，绘制出的曲线更贴近实际的曲线，根据曲线也能够更加方便的确定不同压缩永久变形率的密封材料制造的密封圈的老化寿命，方便设计时挑选合适的密封圈材料。

步骤S4具体为：

S4.1、根据水下湿式电气通用连接头的参数，得到密封圈机械密封的磨损率的计算公式，并求得密封圈机械密封的磨损率；

S4.2、判断密封圈机械密封的磨损率是否满足设计要求的最大磨损率，如果满足就进行步骤S5，否则调整水下湿式电气通用连接头的参数并从步骤S2开始重新进行。

步骤S4.1中密封圈机械密封的磨损率V满足：

V＝(K_W/H)p_cv

式中，K_W为磨损系数，H为密封圈材料的布氏硬度，p_c为电气通用连接头插针和插孔接触后的接触面压强，v为电气通用连接头的插拔速度。

设计方法中，水下湿式电气通用连接头的参数，只有经过了步骤S2、S3、S4，并同时满足了每一步的要求，才能进行步骤S5。

开创性的提出了磨损率的计算公式，并通过该公式计算密封圈在插拔过程中的磨损量，可以以此来判断在多次插拔的过程中的磨损总量是否会造成密封圈的密封效果下降，及密封圈因磨损而与密封件的发生形式接触，将现有方法中的定性分析转换为定量分析，使得分析结果更加准确清楚。

本发明有益效果如下：

1、本发明能够对密封圈插拔次数、密封圈温度老化、密封圈磨损进行分析，并从三个方面来反应连接器的密封圈的性能，为密封圈的设计提供有力的支撑。

2、密封圈插拔次数测试中，通过大量反复的理论推导和试验验证，总结出了每插拔一次密封圈泄露量的计算关系式，该公式能够更加准确的反应每插拔一次密封圈泄露量的具体大小，误差较小，通过该公式还能够定量的计算密封圈的插拔次数，计算结果与实际结果相差无几。

3、密封圈温度老化测试中，通过通过大量反复的理论推导和试验验证，总结出了压缩永久变形率在某一测试温度下与老化时间的关系式，能够更加准确的反应压缩永久变形率与老化时间的关系；绘制曲线的计算方法融合了最小二乘法，使得复杂的超越方程求解转化为多项式的近似求解，通过结合残差的判断，能够最大限的减小计算误差，使得计算结果更贴近实际结果，绘制出的曲线更贴近实际的曲线，根据曲线也能够更加方便的确定不同压缩永久变形率的密封材料制造的密封圈的老化寿命，方便设计时挑选合适的密封圈材料。

4、密封圈磨损测试中，开创性的提出了磨损率的计算公式，并通过该公式计算密封圈在插拔过程中的磨损量，可以以此来判断在多次插拔的过程中的磨损总量是否会造成密封圈的密封效果下降，及密封圈因磨损而与密封件的发生形式接触，将现有方法中的定性分析转换为定量分析，使得分析结果更加准确清楚。

5、本发明能够将密封圈插拔次数、密封圈温度老化、密封圈磨损进行量化分析，分析的结果更加准确，结论更加明确，有助于提高和保证实际产品的质量。

6、经过本方法设计后的制造的水下湿式电气通用连接头，成品的抽样合格率达到了90％以上。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为一种水下湿式电气通用连接头密封圈的设计方法的流程图；

图2为一种水下湿式电气通用连接头密封圈的设计方法的步骤S3求解方程的流程图；

图3为一种水下湿式电气通用连接头密封圈的设计方法的步骤S3绘制的曲线；

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

一种水下湿式电气通用连接头密封圈的设计方法，设计方法用来保证设计制造后的电气通用连接头的密封圈满足设计需求，本方法能够对密封圈插拔次数、密封圈温度老化、密封圈磨损进行分析，并从三个方面来反应连接器的密封圈的性能，现有方法中往往只会单一考虑甚至会忽略这三方面的分析，因此本方法能够更加全面的反应密封圈的材料性能，并且从三个方面同时考虑密封圈的效果，使分析过程更加贴近实际使用过程，从而使分析和设计结果能够更加准确的反应实际效果，设计出来的成品能够满足实际的应用需求，而避免产生实际应用不满足需求的情况。

步骤包括：

S1、根据设计要求确定水下湿式电气通用连接头的参数；

S2、密封圈插拔次数测试；

橡胶密封组件往复运动时其工况恶劣，由于接触部分不平整，橡胶密封件接触面上很多微小区域与金属插针表面没有接触，往复运动的插针很容易将液体带到密封组件与其之间，导致发生黏稠泄漏。由于流体动压效应，被挤入的液体压力高于工作液体压力时，液体被挤入密封组件的凹坑处，依次推移，介质便沿着插针运动方向流动，回程运动时没有被带回的部分液体就形成了泄漏，随着往复次数的增多，泄漏量积累增加。

S2.1、根据水下湿式电气通用连接头的参数计算一个插针在插拔一次的情况下的密封圈泄露量；

水下湿式电气通用连接头的插针在插拔一次的过程中泄漏量G满足：

式中，K为系数，D为密封圈内径，S为插针往复插拔一次时密封面行程长度，L为密封面接触宽度，p为海水和液压油的压差值，v为被密封面的运动速度，R_a为表面粗糙度参数，η为介质动黏度，v_r为橡胶的复原速度。

S2.2、根据密封圈允许泄露的总量，计算求得水下湿式电气通用连接头的插拔次数；

插拔次数N满足：

式中，G_max为密封圈允许泄露的总量，△G为每插拔一次密封圈泄露的增加量。

S2.3、根据计算得到的插拔次数与设计要求的插拔次数进行比较，满足要求就进行步骤S3，否则调整水下湿式电气通用连接头的参数并从步骤S2.1开始重新进行。

密封圈插拔次数测试中，通过大量反复的理论推导和试验验证，总结出了每插拔一次密封圈泄露量的计算关系式，该公式能够更加准确的反应每插拔一次密封圈泄露量的具体大小，误差较小，通过该公式还能够定量的计算密封圈的插拔次数，计算结果与实际结果相差无几。

S3、密封圈温度老化测试；

通过计算得到工况下密封件的温度分布，建立了基于阿伦尼乌斯公式的寿命预测模型，依据国标试验中测量出的不同温度下密封件寿命和压缩永久率对应的数据，通过逐步搜索法编程计算公式的系数，将有限元计算的结果代入算法，得到橡胶密封件的压缩永久变形率一定时，不同温度作用下对应的寿命值。

S3.1、根据水下湿式电气通用连接头的参数，计算得到密封圈老化性能参数与老化时间的关系；

密封圈老化性能参数P与老化时间t的关系满足：

式中，A为试验常量，K为反应速率常数，a为常数；

反应速率常数K随试验温度T变化而变化，满足：

K＝Ze^-E/RT；

式中，Z为频率因子，E为表面活化能，R为气体常数。

S3.2、根据老化性能参数与老化时间的关系，得到密封圈材料的压缩永久变形率与老化时间之间的关系并绘制曲线；

密封圈老化性能参数P与压缩永久变形率ε，对压缩性能试验，满足：

P＝1-ε；

利用MATLAB等绘图计算软件，对上述理论公式进行求解，求解思路如图1所示，具体为：利用先对公式K＝Ze^-E/RT进行对数化变换，并引入系数a₁和b₁，利用最小二乘法求解系数a₁和b₁，直至系数a₁和b₁的线性相关系数满足要求，对系数a₁进行两次逐步搜索，每次搜索均通过残差(其中m、i、j均为循环数)进行循环计算，并根据I值最小，确定系数a₁的大小和精度；对老化性能参数P进行对数化变换，并引入系数a和b，利用最小二乘法求解系数a和b，得到密封圈的老化寿命。

S3.3、根据绘制的曲线和密封圈材料的最大允许压缩永久变形率，判断最大寿命是否满足设计要求的最大寿命，如果满足就进行步骤S4，否则调整水下湿式电气通用连接头的参数并从步骤S2开始重新进行。

密封圈温度老化测试中，通过通过大量反复的理论推导和试验验证，总结出了压缩永久变形率在某一测试温度下与老化时间的关系式，能够更加准确的反应压缩永久变形率与老化时间的关系；绘制曲线的计算方法融合了最小二乘法，使得复杂的超越方程求解转化为多项式的近似求解，通过结合残差的判断，能够最大限的减小计算误差，使得计算结果更贴近实际结果，绘制出的曲线更贴近实际的曲线，根据曲线也能够更加方便的确定不同压缩永久变形率的密封材料制造的密封圈的老化寿命，方便设计时挑选合适的密封圈材料。

S4、密封圈磨损测试；

在正常情况下，机械密封的寿命主要取决于密封面的磨损情况。软密封面承磨台的高度是根据规定的磨损率，即密封寿命要求来确定的。因此磨损率的估算，设计者或使用者均十分关注。目前磨损量的确定,一般都是根据机械密封技术条件的规定，作100h或更长时间运转试验来测得的,小于规定值者为合格。密封寿命则可按这一平均磨损率来推算。

S4.1、根据水下湿式电气通用连接头的参数，得到密封圈机械密封的磨损率的计算公式，并求得密封圈机械密封的磨损率；

密封圈机械密封的磨损率V满足：

V＝(K_W/H)p_cv

式中，K_W为磨损系数，H为密封圈材料的布氏硬度，p_c为电气通用连接头插针和插孔接触后的接触面压强，v为电气通用连接头的插拔速度。

S4.2、判断密封圈机械密封的磨损率是否满足设计要求的最大磨损率，如果满足就进行步骤S5，否则调整水下湿式电气通用连接头的参数并从步骤S2开始重新进行。

密封圈磨损测试中，开创性的提出了磨损率的计算公式，并通过该公式计算密封圈在插拔过程中的磨损量，可以以此来判断在多次插拔的过程中的磨损总量是否会造成密封圈的密封效果下降，及密封圈因磨损而与密封件的发生形式接触，将现有方法中的定性分析转换为定量分析，使得分析结果更加准确清楚。

S5、确定水下湿式电气通用连接头的最终参数，并以最终参数为准进行生产制造；只有经过了步骤S2、S3、S4，并同时满足了每一步的要求，才能进行步骤S5。本方法对密封圈插拔次数、密封圈温度老化、密封圈磨损进行分析，并从三个方面来反应连接器的密封圈的性能，为密封圈的设计提供有力的支撑

实施例

对某型号的水下湿式电气通用连接头密封圈进行设计

S1、根据设计需求可以确定该型号连接头密封圈的所有相关参数；

S2、根据水下湿式电气通用连接头的插针在插拔一次的过程中泄漏量G的关系

式中，K为系数K＝2.1×10^-4，D为密封圈内径D＝0.00235m，S为插针往复插拔一次时密封面行程长度S＝2πD，L为密封面接触宽度L＝0.01m，p为海水和液压油的压差值p＝50bar，一般取0bar～50bar，v为被密封面的运动速度v＝0.1m/s，一般取0m/s～0.1m/s，R_a为表面粗糙度参数R_a＝3.2×10^-6m，η为介质动黏度η＝1.6×10^-6Pa·s，v_r为橡胶的复原速度v_r＝1.3×10^-4m/s。

经查表密封圈允许泄露的总量G_max＝3mL，根据轴套形式密封件的泄漏量最终求得插拔次数为371次，大于300次的设计要求。

S3、根据密封圈老化性能参数P与老化时间t的关系反应速率常数K随试验温度T变化而变化的关系K＝Ze^-E/RT，密封圈老化性能参数P与压缩永久变形率ε的关系P＝1-ε，当温度为30.87℃，时使用MATLAB绘制密封圈压缩永久变形率ε与老化时间t之间的曲线，如图2所示，选取压缩率为0.10的材料制成密封圈，那么其寿命约为14年，大于10年的设计要求。

S4、根据密封圈机械密封的磨损率V的公式V＝(K_W/H)p_cv，根据查表获得磨损系数K_W＝1.05×10^-6m²/N，橡胶布氏硬度为H＝5.25×10^-6N/m²，插拔速度v＝1mm/s，插针和插孔接触后的接触面正压力p_c＝1.5MPa，可计算求得磨损率V＝1.08μm/h，满足设计要求。

S5、确定水下湿式电气通用连接头的最终参数，并以最终参数为准进行生产制造。

经过本方法设计后的制造的水下湿式电气通用连接头，成品的抽样合格率达到了90％以上。

综上所述，本发明实施例提供了一种水下湿式电气通用连接头密封圈的设计方法，本发明能够对密封圈插拔次数、密封圈温度老化、密封圈磨损进行分析，并从三个方面来反应连接器的密封圈的性能，为密封圈的设计提供有力的支撑；本发明能够将密封圈插拔次数、密封圈温度老化、密封圈磨损进行量化分析，分析的结果更加准确，结论更加明确，有助于提高和保证实际产品的质量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种水下湿式电气通用连接头密封圈的设计方法，其特征在于，所述设计方法用来保证设计制造后的电气通用连接头的密封圈满足设计需求，步骤包括：

S1、根据设计要求确定水下湿式电气通用连接头的参数；

S2、密封圈插拔次数测试；

S3、密封圈温度老化测试；

S4、密封圈磨损测试；

S5、确定水下湿式电气通用连接头的最终参数，并以最终参数为准进行生产制造；

所述步骤S2具体为：

S2.1、根据水下湿式电气通用连接头的参数计算一个插针在插拔一次的情况下的密封圈泄露量；

S2.2、根据密封圈允许泄露的总量，计算求得水下湿式电气通用连接头的插拔次数；

S2.3、根据计算得到的插拔次数与设计要求的插拔次数进行比较，满足要求就进行步骤S3，否则调整水下湿式电气通用连接头的参数并从步骤S2.1开始重新进行；

步骤S2.1中，水下湿式电气通用连接头的插针在插拔一次的过程中泄漏量G满足：

式中，K为系数，D为密封圈内径，S为插针往复插拔一次时密封面行程长度，L为密封面接触宽度，p为海水和液压油的压差值，v为被密封面的运动速度，R_a为表面粗糙度参数，η为介质动黏度，v_r为橡胶的复原速度；

所述步骤S4具体为：

S4.1、根据水下湿式电气通用连接头的参数，得到密封圈机械密封的磨损率的计算公式，并求得密封圈机械密封的磨损率；

S4.2、判断密封圈机械密封的磨损率是否满足设计要求的最大磨损率，如果满足就进行步骤S5，否则调整水下湿式电气通用连接头的参数并从步骤S2开始重新进行；

水下湿式电气通用连接头的参数，只有经过了步骤S2、S3、S4，并同时满足了每一步的要求，才能进行步骤S5。

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，步骤S2.2中，插拔次数N满足：

式中，G_max为密封圈允许泄露的总量，ΔG为每插拔一次密封圈泄露的增加量。

3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：

S3.1、根据水下湿式电气通用连接头的参数，计算得到密封圈老化性能参数与老化时间的关系；

S3.2、根据老化性能参数与老化时间的关系，得到密封圈材料的压缩永久变形率与老化时间之间的关系并绘制曲线；

S3.3、根据绘制的曲线和密封圈材料的最大允许压缩永久变形率，判断最大寿命是否满足设计要求的最大寿命，如果满足就进行步骤S4，否则调整水下湿式电气通用连接头的参数并从步骤S2开始重新进行。

4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，所述步骤S3.1中，密封圈老化性能参数P与老化时间t的关系满足：

式中，A为试验常量，K为反应速率常数，a为常数；

反应速率常数K随试验温度T变化而变化，满足：

K＝Ze^-E/RT；

式中，Z为频率因子，E为表面活化能，R为气体常数。

5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，所述步骤S3.2中，密封圈老化性能参数P与压缩永久变形率ε，满足：

P＝1-ε。

6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤S4.1中密封圈机械密封的磨损率V满足：

V＝(K_W/H)p_cv

式中，K_W为磨损系数，H为密封圈材料的布氏硬度，p_c为电气通用连接头插针和插孔接触后的接触面压强，v为电气通用连接头的插拔速度。