淺析即插即拔式水下連接器

張 博，薛 萍，許曉冬

(中國電子科技集團公司第二十三研究所)

1 引言

在各國日益發(fā)展海洋技術(shù)的大背景下，我國近些年來也加大了對海洋技術(shù)領域的投入。其中，海底通訊已經(jīng)成為各個海洋開發(fā)技術(shù)實現(xiàn)的基本條件。而海底電纜和深海水密連接器就起到了信號傳輸和機械連接的關鍵作用。水密連接器作為信號和動力傳輸?shù)墓?jié)點，不僅要實現(xiàn)光、電信號和電能的傳輸，同時也要起到機械連接的作用。這對節(jié)點的要求是非常高的，而水下即插即拔連接器又有著更高的使用要求和技術(shù)指標要求。水下即插即拔連接器使用方便，操作環(huán)境不受限，可配合水下機器人在任意深度的海洋環(huán)境下進行插拔使用，是現(xiàn)今各國都在努力攻克的一個關鍵技術(shù)。

2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀60年代早期，國外改進型的插拔連接器才能真正地實現(xiàn)水下連接和水下拆卸。這類連接器以密封圈與插頭插座間的過盈配合來實現(xiàn)與外界環(huán)境的密封。隨后出現(xiàn)了感應耦合式的濕插拔連接器，它在插頭和插座內(nèi)設有獨立的感應線圈。連接后，通過感應線圈實現(xiàn)信號的傳送。不過，由于它的體積較大，因此使用的范圍不廣。20世紀60年代中期，充油與壓力平衡式電連接器首先應運而生。這類頗具藝術(shù)性質(zhì)的連接器不僅能實現(xiàn)了連接拆卸過程中與外界環(huán)境的絕緣隔離，而且還能在任何深度進行插合和分離。

國外的水下插拔連接器已應用于海底觀測網(wǎng)系統(tǒng)中，可以配合水下機器人在海底進行插拔作業(yè)，為觀測網(wǎng)即時系統(tǒng)增加或減少設備數(shù)量。

圖1 海底觀測網(wǎng)形態(tài)及構(gòu)架

圖2 配合水下機器人使用的水下插拔連接器

國內(nèi)的水密連接器領域已有相當?shù)募夹g(shù)基礎，目前能夠?qū)崿F(xiàn)大潛深的干插拔光電混合連接器的工程化應用。但水下濕插拔技術(shù)領域尚屬空白，處于研制的起步階段。有關水下插拔的關鍵技術(shù)，仍有待突破。

3 主要技術(shù)要求

水下插拔連接器要求其能夠?qū)崿F(xiàn)在水壓環(huán)境下的插拔工作，實現(xiàn)信號的連接和斷開，并且具有可配合ROV操作的把持裝置，實現(xiàn)具體的操作過程。

水下插拔連接器，一般以模塊化接觸件集成的方式實現(xiàn)功能，并主要通過其光、電接觸件的獨立模塊實現(xiàn)水下插拔的動密封過程。圖3、4分別是單個的光接觸件、電接觸件的模塊示意圖。

圖3 光接觸件模塊示意圖

圖4 電接觸件模塊示意圖

4 關鍵技術(shù)介紹

4.1 動密封機理

該類連接器要實現(xiàn)能夠在水下插拔的功能，要求其插合密封處必須具有動態(tài)密封結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)在插針未插入時的閉合密封，以及插針插入和插合到位的過程密封，是水下插拔最關鍵的技術(shù)。

4.2 壓力補償技術(shù)

由于連接器需要在水下進行插拔，則必須考慮到水下的壓力環(huán)境。在連接器腔體內(nèi)和腔體外，必須保證壓力平衡或者壓力差在一定范圍內(nèi)。因此就必須引入壓力補償技術(shù)，使連接器在插合拔出的過程中，其腔體內(nèi)外的壓力保持平成狀態(tài)，以便進行插拔操作。

4.3 配接纜連接密封技術(shù)

連接器與配接纜在使用時是不可分割的，連接器必須配接合適的纜繩形成組件才能實現(xiàn)信號的傳輸功能。在水下環(huán)境中，連接器與配接纜間的連接和密封也非常關鍵，直接決定了連接器的連接機械強度、耐水壓性能和信號傳輸性能。

5 關鍵技術(shù)初探

5.1 動密封原理結(jié)構(gòu)

動密封過程本質(zhì)上是用來防止液體、固體和氣體從機械零件的動、靜接合面泄露的過程，所有的接觸密封都需要在裝配狀態(tài)下使密封配合面之間產(chǎn)生一個初始的接觸應力。這個初始接觸應力使密封相配材料的表面產(chǎn)生變形，相互接觸，堵塞流體通道，阻止壓力泄露。

密封的作用，主要靠在密封元件和被密封的金屬結(jié)構(gòu)件表面之間產(chǎn)生的接觸壓力，以阻止被密封流體從密封元件和被密封的金屬表面之間通過，起到密封作用。因此，接觸壓力的大小及分布狀況是決定密封性能的重要因素。

對于接觸型動密封而言，密封動、靜表面之間有相對滑動，為了保持密封，在密封相對滑動面之間必須施加一定的正壓力。在沒有契合的情況下，密封摩擦力F與有效接觸壓力成正比，即:

式中，

μ——摩擦系數(shù);

pc——有效接觸壓力;

a——密封接觸面寬度;

b——密封接觸面長度。

當密封為環(huán)形密封時，b=πd，d為密封軸向直徑。

各種不同的密封材料都具有各自的摩擦特性。在多數(shù)情況下，非金屬密封材料不存在表面煙花膜的問題，污染對其影響也很小。就常用的密封材料橡膠來說，具有質(zhì)軟、彈性大的特點，摩擦系數(shù)隨滑動速度的不同而變化。滑動速度很低的時候，靜摩擦系數(shù)大于動摩擦系數(shù)，滑動速度高時，動摩擦系數(shù)非常大。當橡膠與結(jié)構(gòu)件間進行干摩擦時，在正常插拔速度下，摩擦系數(shù)可高達0.8至1.0左右。摩擦系數(shù)也是壓力的函數(shù)，但確切的變化受到多種因素的影響，其大致關系如下圖所示。

圖5 橡膠的摩擦系數(shù)隨壓力變化曲線

動密封過程是一個相當復雜的物理過程，受到多種環(huán)境和自身因素的影響，因此必須考慮材料本身的性質(zhì)、尺寸及使用環(huán)境情況等問題。

5.2 壓力補償技術(shù)

深水連接器中的電接觸構(gòu)件可采用充油與壓力補償結(jié)構(gòu)，連接器的內(nèi)部填充油可以反復使用。電接觸構(gòu)件采用絕緣體圓柱塞密封結(jié)構(gòu)，每一個插孔都配有柱塞，并且每個柱塞后緣配有恢復彈簧。當插針退出插孔時，柱塞自動堵住孔口，完成整體密封;在連接時，插針推回柱塞，經(jīng)過充油艙到達預定位置，完成信號的連接。

充油與壓力平衡式的水下連接器由插頭和插座兩個充油密封艙組成，密封艙的前端有橡膠密封塞，插針排列在密封塞后。連接時，首先把密封艙的前端緊密地貼合在一起，相互擠壓，把橡膠塞外的水擠出，接著繼續(xù)擠壓密封塞，使兩個腔內(nèi)的絕緣油相導通，最后彈簧被壓縮，插頭密封艙里的插針經(jīng)密封通道與插座密封艙里的插孔連接在一起。拆卸過程正好相反，這樣就能保證連接或拆卸時接插件一直處于絕緣油中。

圖6 接觸件的插合過程示意圖

接插件在接插時，因為有了壓力平衡孔 (Φ2～5mm左右，視接插件的幾何尺度大小而定)的作用，即使外界的海水通過小孔進入柔性隔膜的外側(cè)，電接插件的插頭穿過密封裝置進入插座內(nèi)膠時，不存在壓力梯度，不會產(chǎn)生任何應力。在理論上，壓力平衡能使電接插件不受水深的制約，在任何深度下均能有效地接插或拔脫而且在這種狀態(tài)下，水的滲透要比存在較大壓力梯度時少得多。

圖7 水下電接觸件的壓力平衡結(jié)構(gòu)示意圖

壓力補償結(jié)構(gòu)的特點是它自身可以保護電接觸點，避免與外界接觸。具有壓力補償功能，可以在免維護的情況下在水中重復插拔，不依賴于外部環(huán)境。這種類型的連接器的水下工作壽命長，可廣泛用于海洋儀器系統(tǒng)中。

5.3 配接纜連接密封技術(shù)

壓力平衡密封結(jié)構(gòu)最早使用在充油電纜中，通過充油來平衡壓力使連接器、電纜內(nèi)部的油壓與外部的水壓一致，當外界壓力增大時作用于電纜外表面的壓力增大，使電纜收縮變形而擠壓電纜內(nèi)部液體，使壓力升高從而達到內(nèi)外壓力達到平衡，這樣對連接器各個密封環(huán)節(jié)都大大降低要求。

圖8 具有充油壓力平衡式的水下連接器示意圖

6 前景展望

該類連接器的研究成果可主要應用于海洋石油、天然氣等海底資源的勘探，對相關產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進步具有關鍵性的作用，經(jīng)濟效益非常可觀、社會效益也非常明顯，將極大地便于深海資源的探查、開發(fā)和施工作業(yè)，并將拓展水下設備、儀器的使用范圍，大大地提高設備的靈活性。

由于此類連接器目前我國不能自主生產(chǎn)，國外廠商售價極高，目前具有能在水下即插即用的光電連接器，大部分又用于國家重點項目中，一旦國際形勢發(fā)生變化，該連接器就成為了禁運品。因此，水下插拔連接器一旦研發(fā)成功，其作用將非常明顯，對我國海洋領域的立體化技術(shù)開發(fā)將會是一個巨大的推動。同時能夠解決國內(nèi)從事海洋技術(shù)研究領域單位的迫切需求，掌握具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的深水即插即用光、電混合式連接技術(shù)，并應用于實際工程中。

［1］《連接器與互連技術(shù)第一卷》.機械電子工業(yè)部接插件專業(yè)情報網(wǎng)，1990.

［2］吳宗澤，羅圣國.《機械設計課程設計手冊》.高等教育出版社，1992.

［3］黃伯云，李成功等.《中國材料工程大典－有色金屬材料工程》第七篇.化學工業(yè)出版社，2005.

［4］劉鴻文.《簡明材料力學》.高等教育出版社，1997.