用于深水電機的密封結(jié)構(gòu)

施楊華，方曉強，李曉錦，張東寧

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海200233)

0 引 言

隨著人們對水下區(qū)域的探索和工程發(fā)展，對于深水電機的需求和應(yīng)用也越來越廣泛，而密封一直是制約深水電機性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于電機是在水下工作的，下潛深度越深，受到的水壓越高。水下100 m 的電機要能承受1 MPa 的壓力，水下2 000 m 的電機就要承受20 MPa 的壓力，所以深水電機下潛深度的大小取決于水下電機的密封效果。本文介紹一種軸向運動電機的靜密封結(jié)構(gòu)，主要涉及深水電機兩個最薄弱的定子密封和引出線密封。由于設(shè)計要達(dá)到2 000 m 以上潛水深度，而電機要求設(shè)計成長徑比較大的結(jié)構(gòu)，制約因素較多，對密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計難度較大。

1 密封方法與研究

1.1 深水環(huán)境電機的靜密封技術(shù)種類及特點

深水環(huán)境密封主要是電機的定子密封和電纜引出線的密封，深水電機的定子和引出線密封主要為靜密封，靜密封可分為法蘭連接墊片密封、粘合面密封、自緊密封、膠圈密封、O 型圈密封、承插連接密封、螺紋連接墊片密封、密封膠密封。

深水電機定子密封主要是機械連接結(jié)合部的密封，根據(jù)深水電機的結(jié)構(gòu)與惡劣的工作環(huán)境，所以選定O 型圈與螺紋連接墊片相結(jié)合的組合式密封。O型圈密封包括非金屬O 型圈和金屬空心O 型圈兩種，根據(jù)需要選擇了非金屬O 型圈(O 型圈橡膠)。非金屬O 型圈裝入密封溝槽后，其截面壓縮變形量一般為15% ～30%，在壓力作用下，順力移至溝槽的一邊，封閉密封間隙來達(dá)到密封目的。非金屬O型圈密封性能好，結(jié)構(gòu)緊湊，壽命長，裝拆方便。螺紋連接墊片密封由接頭體、接管、螺母、金屬墊片組成，適用于小直徑螺紋連接和管道連接的密封。金屬平墊密封，又稱“活接頭”，結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便。墊片為金屬墊，適用壓力為32 MPa。

深水電機電纜引出線密封是不同于其定子的靜密封，它要比定子的靜密封更復(fù)雜一些。因為引出線電纜自身外層是橡膠圓柱體材料，密封的壓縮量不可控，并且不能用機械加工手段來隨意地實現(xiàn)理想的機械密封結(jié)構(gòu)。深水電機的結(jié)構(gòu)限制和其惡劣工作環(huán)境的制約，在參考多種類似密封插頭后選擇了膠圈密封。膠圈密封由殼體、槽、管子、橡膠圈組成，結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，密封可靠，適用于快速拆裝的場合。若壓力較高或者密封要求更加可靠，可以選擇兩個橡膠圈。

1.2 橡膠的選材

O 型圈和密封膠體橡膠的選材。一般通用橡膠材料有:丁晴橡膠、順丁橡膠、丁基橡膠、氯丁橡膠和丁苯橡膠;特種橡膠材料有:氟橡膠、丙烯酸酯橡膠、氯磺化聚乙烯橡膠、硅橡膠、乙丙橡膠等，可根據(jù)電機的使用環(huán)境選用。部分橡膠主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 部分橡膠材料主要性能指標(biāo)

為了耐強烈腐蝕、耐高溫及耐油，O 型圈與膠圈采用氟橡膠材料。

1.3 深水環(huán)境電機靜密封設(shè)計

該電機由定子機殼、定子組件、前、后端蓋構(gòu)成一個密封體，需要長期承受20 MPa 的水下壓力。為此，在前、后端蓋處采取加雙O 型密封圈與紫銅環(huán)墊片密封相結(jié)合的密封方法。

雙O 型圈密封結(jié)構(gòu)是一種使用廣泛的擠壓型密封件，如圖1 所示。O 型圈及其匹配的密封槽均選取適宜的結(jié)構(gòu)及標(biāo)注的公差配合。密封槽與O型圈接觸的有效面要求有較高的光潔度，預(yù)防有毛刺及銳角而劃傷O 型圈。在裝配時密封圈及其相應(yīng)的槽需均勻涂上硅脂，這樣做使器件不易損壞密封圈，使其更加容易安裝、拆卸。

圖1 擠壓型密封件

紫銅環(huán)密封圈具有良好的耐腐蝕性，由于其壓縮回彈性好、機械強度高、使用方便，可以符合深水電機的工作環(huán)境需求。紫銅環(huán)的密封原理是兩個槽結(jié)合面將紫銅環(huán)擠壓變形，使得紫銅環(huán)的兩個表面與槽的兩個結(jié)合面緊密貼合而沒有縫隙，從而達(dá)到密封效果。

1.4 引出線密封

該電機的引出線需要從定子組件中引出。電機引出線與端蓋的防水密封結(jié)構(gòu)更為特殊，相比O 型密封圈更復(fù)雜。經(jīng)過反復(fù)論證、研制和試驗驗證，設(shè)計了單根引出線的密封結(jié)構(gòu)。采用特制六角螺釘旋轉(zhuǎn)沿軸向加壓擠壓密封橡膠。引出線密封結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 引出線密封結(jié)構(gòu)

2 密封模擬試驗

根據(jù)深水電機結(jié)構(gòu)的要求，設(shè)計了一個整體的密封模擬件，如圖3 所示。此密封試驗件與深水電機的密封結(jié)構(gòu)基本相同，試驗時紫銅環(huán)與O 型圈分開試驗，以檢驗它們獨立的密封性。最后紫銅環(huán)與O 型圈都裝入模擬件中，放入壓力容器試驗，25 MPa下試驗48 h，密封模擬件試驗用于壓力容器中，分別加入酸堿溶液等其它高腐蝕溶液進(jìn)行長期試驗，均達(dá)到試驗要求。

圖3 密封模擬件

3 結(jié) 語

(1)經(jīng)試驗結(jié)果表明，所采取的各種密封方法適用該深水電機的密封。

(2)密封結(jié)構(gòu)合理、性能可靠、成本低廉，是較保險密封結(jié)構(gòu)。

(3)由于壓力容器及其它條件所限，該靜密封所能承受的最大壓力尚未測出，其中壽命如何、是否為最佳結(jié)構(gòu)，還有待進(jìn)一步研究。

［1］ 孟永奇，宋宏. 淺談潛水電動機動密封技術(shù)［J］. 機械管理開發(fā)，2009，24(2):19－20.

［2］ 劉子俊，崔皆凡.海洋機器人用水下電機的深水密封研究［J］.機器人，1997(1):61－64.