CN112600029A - 一种水下湿拔插压力平衡电连接器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下湿拔插压力平衡电连接器，属于水下电连接技术领域。包括插座主体和插头主体；插座主体包括插座外壳和密封设置在插座外壳内的电连接模块；电连接模块设有动密封的止动活塞，止动活塞穿过插座外壳；插座外壳内设有油液腔，电连接模块设置在所述油液腔内，油液腔内还设有与外界连通的第一平衡软囊；插头主体包括插头壳体和设置在插头壳体的空腔中的插针，电连接时，插头壳体与插座外壳套接，插针推动止动活塞并插入对应的电连接模块内。采用充液压力平衡设计以尽可能降低甚至消除水下连接器的内外压差，提高抗压能力，降低湿拔插所需的拔插力。止动活塞可以保证水下湿拔插所需的动密封性能，通过第一平衡软囊平衡海水的压力。

Description

一种水下湿拔插压力平衡电连接器

技术领域

本发明涉及水下电连接技术领域，具体地说，涉及一种水下湿拔插压力平衡电连接器。

背景技术

据统计显示，海洋工程领域的失败案例绝大多数是由连接器失效导致的。水下湿拔插连接器的技术难点主要有三个方面：一是在拔插动态过程中始终需要保持密封和绝缘性能；二是尽可能降低甚至消除水下连接器的内外压差，使其能够自适应外界压力环境的变化，提升抵抗深海压力的能力，并降低拔插力；三是内部充液困难。

公布号为CN107910699A的专利申请文献公开了一种压力平衡式水下插拔电连接器。包括插头和插座两个部分。插头部分主要由插针、插头壳体、插头支撑板、插头尾盖组成。插座部分主要包括插座前支撑板、插座后支撑板、插座外壳、插座滑动套筒、插接组件、压力平衡组件、插座尾盖等组成。其中插接组件包括导电轴、导电环、活塞杆、活塞杆弹簧；压力平衡组件包括油囊、活塞、活塞弹簧。该发明可以实现深海环境下带电可靠插拔，但充油及压力平衡设计较为复杂。

公布号为CN111463624A的专利申请文献公开了一种可带电插拔的水下湿式电连接器，包括公插头本体和母插座本体。公插头的顶端设有一级锁紧沟槽，内部嵌套有可滑移的插针组件及附带的二级锁紧沟槽、不可滑移的二级锁紧爪；母插座内部设有与公插头相配合的一级锁紧爪和插孔组件。插合时，两级锁紧机构相配合且插针与插孔相配合，使电连接器密封锁定；拔脱时，二级锁紧结构先于一级锁紧结构分开。整个插拔过程插针的导电内芯始终处于密封绝缘环境，可实现水下带电插拔。但该发明只将海水引入内腔，仅通过插座连接器电连接器单元的活塞进行压力平衡，其可靠性较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种水下湿拔插压力平衡电连接器，能够实现在水下环境中进行连接器的拔插操作，在恶劣的深海环境中满足密封性能，且可靠性高。

为了实现上述目的，本发明提供的水下湿拔插压力平衡电连接器包括插座主体和插头主体；

所述插座主体包括插座外壳和密封设置在所述插座外壳内的电连接模块；所述电连接模块设有动密封的止动活塞，所述止动活塞穿过插座外壳；所述插座外壳内设有油液腔，所述电连接模块设置在所述油液腔内，所述油液腔内还设有与外界连通的第一平衡软囊；

所述插头主体包括插头壳体和设置在所述插头壳体的空腔中的插针，电连接时，所述插头壳体与所述插座外壳套接，所述插针推动所述止动活塞并插入对应的电连接模块内。

上述技术方案中，采用充液压力平衡设计以尽可能降低甚至消除水下连接器的内外压差，提高抗压能力，降低湿拔插所需的拔插力。止动活塞可以保证水下湿拔插所需的动密封性能，通过第一平衡软囊平衡海水的压力，使得水下连接器可以用于浅海或深海环境，甚至可以承受全海深压力，适用于各种水下作业及深海装备中传递电能、电信号。

可选地，在一个实施例中，所述的插座外壳内设有密封固定的前基座和后基座，所述前基座位于插座外壳内腔的端部，所述后基座将内腔分为所述的油液腔和插座走线腔；

所述的插头外壳内设有密封固定的安装基座，所述安装基座与插头外壳间形成插头走线腔，所述的插针安装在所述安装基座上。

可选地，在一个实施例中，所述的第一平衡软囊设有主体段、穿过所述前基座的过渡段、以及设置在所述过渡段的端部的限位段，所述限位段呈扁平状，被压在所述插座外壳与所述前基座之间。

可选地，在一个实施例中，所述的电连接模块包括设置在所述前基座上的电接触圈、设置在所述后基座上的导电轴、以及设置在所述电接触圈与所述导电轴之间的导电套筒；所述导电套筒内设有用于所述止动活塞复位的弹性件。

为了保证导电性能，导电部件的材料均采用铍铜合金或黄铜，截面均为圆形。

可选地，在一个实施例中，所述的插座走线腔和所述的插头走线腔内填充有绝缘材料；所述的插针、电接触圈、导电轴和导电套筒的除电接触区域的表面均涂覆有聚合物绝缘涂层。

可选地，在一个实施例中，所述的弹性件为与所述导电套筒适配的压簧，所述的止动活塞依次穿过插座外壳、前基座和电接触圈，并抵住所述压簧的端部。

可选地，在一个实施例中，所述的止动活塞与所述前基座之间设有O型密封圈；所述导电轴与所述后基座之间设有O型密封圈；所述前基座和后基座与所述插座外壳之间设有O型密封圈；所述安装基座与所述插头外壳之间设有O型密封圈。

在断开状态下，插座主体中的止动活塞与前基座上的开孔间的缝隙通过O形密封圈密封。在插座主体与插头主体连接时，插针推动止动活塞向内运动，并通过O形密封圈保证动密封性能。在插座主体与插头主体连接时，O形密封圈还能够对插针进行“擦拭”，以防止插针上携带的海水、淤泥、沙砾等污染物进入电接触区造成短路和电劣化。在插座主体与插头主体断开时，压簧推动止动活塞跟随插针向外运动，并通过O形密封圈保证动密封性能。可以采用其他密封形式代替插座主体中的O形密封圈，但应保证动密封性能并具备清洁插头主体中的插针的能力。

可选地，在一个实施例中，所述的导电套筒设有用于油液通过的通孔。

可选地，在一个实施例中，当电连接器为单芯连接器时，所述电连接模块的电接触圈外设置弹性套；

当电连接器为多芯连接器时，至少有一个电连接模块的电接触圈外设置弹性套，其余电连接模块外设置第二平衡软囊，所述第二平衡软囊的端部套住所述电接触圈，充当弹性套。

可选地，在一个实施例中，所述的插座外壳上设有可转动的锁紧套筒，所述锁紧套内设有内螺纹，与所述插头外壳的外螺纹配合锁紧。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

(1)密封和绝缘性能好。本发明能够实现在水下环境中进行连接器的拔插操作；能在恶劣的深海环境中满足密封性能；所采用的聚合物绝缘涂层设计可以大幅度降低水下连接器的尺寸。

(2)适用性强。本发明所采用的压力平衡设计使得水下连接器可以用于浅海或深海环境，理论上可以承受全海深压力，适用于各种水下作业及深海装备中传递电能、电信号。

(3)便于装配，适配性强。本发明降低了复杂结构水下连接器的装配难度；可以匹配不同尺寸的电缆，主要零件可采用我国标准件。

附图说明

图1为本发明实施例中插座主体的结构示意图；

图2为本发明实施例中插头主体的结构示意图；

图3为本发明实施例中插座主体与插头主体的连接示意图；

图4为本发明实施例中止动活塞的结构示意图；

图5为本发明实施例中第一平衡软囊的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例

参见图1至图3，本实施例的水下湿拔插压力平衡电连接器包括插座主体100和插头主体200。

其中，插座主体100包括插座外壳101和密封设置在插座外壳101内的电连接模块；插座外壳101内设有油液腔102，电连接模块设置在油液腔102内，油液腔102内还设有与外界连通的第一平衡软囊103。

插座外壳101内设有密封固定的前基座107和后基座108，前基座107位于插座外壳101内腔的端部，后基座108将内腔分为油液腔102和插座走线腔109。

电连接模块包括设置在前基座107上的电接触圈104、设置在后基座108上的导电轴105、以及设置在电接触圈104与导电轴105之间的导电套筒106。为保证水下湿拔插所需的动密封性能，本实施例采用可移动活塞式设计，电连接模块设有动密封的止动活塞112，止动活塞112穿过插座外壳101，导电套筒106内设有用于止动活塞112复位的压簧110，导电轴105端部设有弹簧芯轴111，弹簧芯轴111轴向配合安装在导电轴105上以辅助支撑压簧110。止动活塞112上设有与弹簧芯轴111相同尺寸的轴段，以辅助支撑压簧110。止动活塞112和弹簧芯轴111的材料均采用绝缘塑料，例如聚四氟乙烯等，截面为圆形。因强度需要，压簧110应采用冷拉碳素弹簧钢丝等强度较高的材料。

插头主体200包括插头壳体201和设置在插头壳体201的空腔中的插针202。插头外壳201内设有密封固定的安装基座203，安装基座203与插头外壳201间形成插头走线腔213，插针202安装在安装基座203上。插针202的中部设有直径略大的一段轴肩以用于定位，限制连接时插针202的插入深度。

参见图4，止动活塞112上设有与导电套筒106相配合的一段轴肩1121，轴肩1121上开有槽1122，其作用是当止动活塞3移动时允许充液的自由流动。这将保证电连接模块始终处于充液压力平衡的保护之下。止动活塞112的主体部分较长，其与电接触圈104的通孔和前基座107上的开口相配合，其端部开有凹台1123，以便于同插头主体200上的插针202相接触。插针202的端部设有与止动活塞112的端部相配合的凸台以便于对准和接触。

电接触圈104是电连接的主要部件，当插头连接器200中的插针202插入到连接位置时，其与电接触圈104通过物理接触完成电连接。可以在电接触圈104上设置导电簧片(未画出)以提高可靠性和拔插性。电接触圈104与导电轴105之间通过导电套筒106相连接。导电套筒106的内径根据压簧110的尺寸确定。导电套筒106上开有通孔以允许充液的自由流动。

导电轴105上设有开孔，用于连接电线300。可以通过控制该孔的大小适配不同尺寸的电线，并可以通过焊接等方式使电线300和导电轴105相固接。

同样，在插头主体200中，插针202上设有开孔用于连接电线400。可以通过控制该孔的大小适配不同尺寸的电线，并可以通过焊接等方式使电线400和插针202相固接。

在插座主体100与插头主体200连接时，插针202推动止动活塞112向内运动，同时插针202穿过插座外壳101和前基座107上的开孔，进入电接触圈104的内部。当插座外壳101的端面与插针202的轴肩相接触时，到达连接位置，此时恰好插针202与电接触圈104完成电接触。连接成功后，电线300中的电流依次经过导电轴105、导电套筒106、电接触圈104和插针202传递给另一端的电线400，完成电连接。

在插座主体100中，电连接相关部件装配完成后，将安装在后基座108上相应的孔内，并设置挡圈113以限制其轴向移动。后基座108由挡圈114压紧，限制其轴向移动。

在插头主体200中，插针202将安装在安装基座203上相应的孔内，并设置挡圈204和205以限制其轴向移动。安装基座203由挡圈206压紧，限制其轴向移动。

本实施例中，所有导电部件的表面，除电接触区域外，均涂覆有聚合物绝缘涂层(未画出)，以保证绝缘性能。这种设计可以大大降低水下连接器的尺寸。

本实施例所采用的主要密封元件为O形密封圈，材料为丁腈橡胶，也可以选择其他合适的密封元件以提高密封性能。

在插头主体200中，插针202与安装基座203上的开孔间的缝隙通过O形密封圈207密封，并增设密封支撑环214以提高密封性能。

在断开状态下，插座主体100中的止动活塞112与前基座107上的开孔间的缝隙通过O形密封圈115密封。在插座主体100与插头主体200连接时，插针202推动止动活塞112向内运动，并通过O形密封圈115保证动密封性能。在插座主体100与插头主体200连接时，O形密封圈115还能够对插针202进行“擦拭”，以防止插针202上携带的海水、淤泥、沙砾等污染物进入电接触区造成短路和电劣化。在插座主体100与插头主体200断开时，压簧110推动止动活塞112跟随插针202向外运动，并通过O形密封圈115保证动密封性能。可以采用其他密封形式代替插座主体100中的O形密封圈115，但应保证动密封性能并具备清洁插头主体200中的插针202的能力。

前基座107与插座外壳101内壁面间的缝隙通过O形密封圈120密封。后基座108与插座外壳101内壁面间的缝隙通过O形密封圈121密封。导电轴105与后基座108上的相应开孔间的间隙通过O形密封圈122密封。安装基座203与插头外壳201内壁面间的缝隙通过O形密封圈209密封，并增设密封支撑环215以提高密封性能。

在插座主体100中，端盖123中央设有通孔以使电线穿出。端盖123深入插座外壳101内腔的部分可通过螺纹或其他形式与插座外壳101相连接。端盖123上同时设有连接部分，可以通过螺纹或其他形式与潜水器载人舱等深海装备的穿舱接头相连接。端盖123上的连接部分配有O形密封圈124，并增设密封支撑环125以提高密封性能。

在插头连接器200中，端盖210的功能与插座主体100中的端盖123完全相同，其上的连接部分也配有O形密封圈211和密封支撑环212。

插座主体100中的插座走线腔109和插头主体200中的插头走线腔213可根据需要进行填充设计。例如，可以通过注塑成型等方式填满绝缘材料，如聚四氟乙烯、硫化橡胶等；也可以进一步采用压力平衡设计以适配充油电缆。插座主体100的端盖123、插头主体200端盖210与其相应的电线300、电线400之间的缝隙可以通过黏合剂等其他材料填充，以保证密封性能。

当电连接器为单芯连接器时，在电连接模块的电接触圈104外设置弹性套116；当电连接器为多芯连接器时，至少有一个电连接模块的电接触圈104外设置弹性套116，其余电连接模块外设置第二平衡软囊117，第二平衡软囊117的端部套住电接触圈104，充当弹性套的作用。

本实施例的第一平衡软囊103和第二平衡软囊117均为弹性软囊，材料采用丁腈橡胶。

在插座主体100中，第一平衡软囊103穿过前基座107端面中央的通孔。参见图5，第一平衡软囊103的开口端设有主体段1031、穿过前基座107的过渡段1032、以及设置在过渡段1032的端部的限位段1033，限位段1033呈扁平状，被压在插座外壳100与前基座107之间。前基座107端面设有容纳限位段1033的凹台。前基座103由挡圈128压紧，限制其轴向移动，同时插座外壳101端面内侧的凸台将第一平衡软囊103压紧。

在插座主体100中，第一平衡软囊103被压紧的部分预留出一定的缝隙，使其具有一定的膨胀空间。第一平衡软囊103形成软囊内腔118，插座外壳101端面中央开有通孔，使得外部环境可以同软囊内腔118相通。

相对多芯布置的连接器，设置第二平衡软囊117作为第二重保护。第二平衡软囊117包裹在电连接模块周围，其两端较厚，由前基座107和后基座108上相配合的孔压紧。第二平衡软囊117的端面与相配合的孔之间留出了一定的缝隙，以允许在拔插时或外界压力变化下具有一定的膨胀空间。第二平衡软囊117的一端开有较小的孔，与止动活塞112相配合，作为除O形密封圈115外的第二重密封。在插座主体100与插头主体200连接时，第二平衡软囊117同样具有清洁插针202的功能。第二平衡软囊117的另一端开有较大的孔，以便于装配。第二平衡软囊117中部的壁厚较小，以提高变形的灵敏度。

在插座主体100中，第二平衡软囊117形成较小的软囊内腔119，其中充入绝缘半流动充液(未画出)，例如凝胶、油液等。优先采用绝缘硅油，除传递压力外，还能够起到润滑和散热的作用，前基座107和后基座108之间形成的油液腔102中也充入同样的充液。

由于橡胶和充液都具有不可压缩性和均匀传递压力的性质，当插座主体100处于水下环境时，海水通过插座外壳101上的中央通孔进入第一平衡软囊103的软囊内腔118，第二平衡软囊117受压膨胀，并将压力传递给油液腔102中的充液，充液将压力又传递至插座外壳101的内壁面上。因此，插座外壳101的内外压差得以降低甚至消除。油液腔102中的压力还将同时传递给第二平衡软囊117，进而传递给软囊内腔119中的充液。那么，止动活塞112将同时承受外界海水的压力和内部充液的压力，达到压力平衡。因此，止动活塞112不会在外部海水的压力下向内移动。这降低了密封难度，减少了湿拔插所需的拔插力。油液腔102中的压力亦同时传递给前基座107，进而也消除了内外压差，降低了密封难度。

参见图3，在插头主体200中，插头外壳201在适当位置开有通孔208，使得在连接状态下接口面内腔500可以与外界环境相连通。

本实施例中，插座主体100的充液方法如下：

(1)充液设备可以采用医用或者是特制的毛细注射器。注射器的口径应与插头主体200中的插针202的口径相一致。或者，注射器的口径可与插座主体100中的止动活塞112相配合，以保证密封性能。

(2)充液时，首先将注射器插入，其推动插座主体100中的止动活塞112向内运动，当注射口接触到软囊内腔119时停止，进而抽净内部空气。

(3)插座主体100中的压簧110具有高于在连接器连接状态时的变形量，以保证注射口能够接触到软囊内腔119。

(4)将预先确定容量的充液以相同的方法充入软囊内腔119中。

(5)对于多芯布置的连接器，在插座主体100中，至少留出1个电连接通道不设置第二平衡软囊117，而替换为弹性套116。这样，依然可以采用上述充液方法，充液通过导电套筒106上的通孔即可进入油液腔102。显然，在本实施例中，对于单芯连接器，不得设置第二平衡软囊117，只能加设弹性套116以密封油液腔中的充液。

本实施例中，插座外壳101和插头外壳201的材料均采用钛合金以抵抗海洋恶劣环境带来的腐蚀，并提高连接器整体的可靠性。插座外壳101的外壁面直径略小于插头外壳201的内壁面直径，以方便连接器并使海水顺畅流通。

在插座主体100中，设置锁紧套筒126，其材料采用与插座外壳101和插头外壳201相同的钛合金，以使热膨胀系数相匹配。锁紧套筒126由挡圈127压紧，限制其轴向移动。

在连接时，当插座主体100和插头主体200达到连接位置之前，可以通过锁紧套筒126上的内螺纹与插头主体200端部的外螺纹相配合辅助完成最后的连接，并起到锁紧作用。插头外壳201的内壁面上设有对准键，插座外壳101的外壁面上的相应位置设有与之相匹配的键槽。可以周向设置多对对准键和键槽以增强对准性。

Claims (10)

1.一种水下湿拔插压力平衡电连接器，包括插座主体和插头主体；其特征在于：

所述插座主体包括插座外壳和密封设置在所述插座外壳内的电连接模块；所述电连接模块设有动密封的止动活塞，所述止动活塞穿过插座外壳；所述插座外壳内设有油液腔，所述电连接模块设置在所述油液腔内，所述油液腔内还设有与外界连通的第一平衡软囊；

所述插头主体包括插头壳体和设置在所述插头壳体的空腔中的插针，电连接时，所述插头壳体与所述插座外壳套接，所述插针推动所述止动活塞并插入对应的电连接模块内。

2.根据权利要求1所述的水下湿拔插压力平衡电连接器，其特征在于，所述的插座外壳内设有密封固定的前基座和后基座，所述前基座位于插座外壳内腔的端部，所述后基座将内腔分为所述的油液腔和插座走线腔；

所述的插头外壳内设有密封固定的安装基座，所述安装基座与插头外壳间形成插头走线腔，所述的插针安装在所述安装基座上。

3.根据权利要求2所述的水下湿拔插压力平衡电连接器，其特征在于，所述的第一平衡软囊设有主体段、穿过所述前基座的过渡段、以及设置在所述过渡段的端部的限位段，所述限位段呈扁平状，被压在所述插座外壳与所述前基座之间。

4.根据权利要求2所述的水下湿拔插压力平衡电连接器，其特征在于，所述的电连接模块包括设置在所述前基座上的电接触圈、设置在所述后基座上的导电轴、以及设置在所述电接触圈与所述导电轴之间的导电套筒；所述导电套筒内设有用于所述止动活塞复位的弹性件。

5.根据权利要求4所述的水下湿拔插压力平衡电连接器，其特征在于，所述的插座走线腔和所述的插头走线腔内填充有绝缘材料；所述的插针、电接触圈、导电轴和导电套筒的除电接触区域的表面均涂覆有聚合物绝缘涂层。

6.根据权利要求4所述的水下湿拔插压力平衡电连接器，其特征在于，所述的弹性件为与所述导电套筒适配的压簧，所述的止动活塞依次穿过插座外壳、前基座和电接触圈，并抵住所述压簧的端部。

7.根据权利要求6所述的水下湿拔插压力平衡电连接器，其特征在于，所述的止动活塞与所述前基座之间设有O型密封圈；所述导电轴与所述后基座之间设有O型密封圈；所述前基座和后基座与所述插座外壳之间设有O型密封圈；所述安装基座与所述插头外壳之间设有O型密封圈。

8.根据权利要求4所述的水下湿拔插压力平衡电连接器，其特征在于，所述的导电套筒设有用于油液通过的通孔。

9.根据权利要求4所述的水下湿拔插压力平衡电连接器，其特征在于，当电连接器为单芯连接器时，所述电连接模块的电接触圈外设置弹性套；

当电连接器为多芯连接器时，至少有一个电连接模块的电接触圈外设置弹性套，其余电连接模块外设置第二平衡软囊，所述第二平衡软囊的端部套住所述电接触圈，充当弹性套。

10.根据权利要求1所述的水下湿拔插压力平衡电连接器，其特征在于，所述的插座外壳上设有可转动的锁紧套筒，所述锁紧套内设有内螺纹，与所述插头外壳的外螺纹配合锁紧。

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