一種水下光電連接組件的設(shè)計(jì)

朱家遠(yuǎn)　洪進(jìn)　周曉楠

摘 要：文章介紹了光電連接組件的各項(xiàng)性能指標(biāo)及其設(shè)計(jì)過程并對其可行性及可靠性進(jìn)行了分析，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該連接組件各項(xiàng)性能均滿足指標(biāo)要求，具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、性能穩(wěn)定、工藝成熟及可靠性高等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：水下光電 連接組件 性能設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TN818 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）06（a）-0099-04

水下連接組件是水下系統(tǒng)的重要組成部分，一方面為系統(tǒng)的水下部分提供動(dòng)力電源，同時(shí)也承擔(dān)水上與水下信息的高速傳輸，是重要的“連接紐帶”，因此應(yīng)對該產(chǎn)品進(jìn)行性能分析及可靠性計(jì)算。根據(jù)該產(chǎn)品的應(yīng)用環(huán)境及背景，影響其性能的因素主要包括：光電單元數(shù)量、載荷作用、水壓密封、密度（重量）、外形尺寸、海水腐蝕以及滿足收放通道要求和運(yùn)輸存放條件等，因而需要對該組件進(jìn)行承力、水密、耐腐蝕等特殊性能的設(shè)計(jì)分析以及嚴(yán)格的尺寸、重量控制。

1 整體方案設(shè)計(jì)

連接組件主要由光電復(fù)合纜和承力連接單元兩部分組成，如圖1所示。承力連接單元面臨動(dòng)態(tài)載荷作用下的承力密封，考慮到尺寸空間受限，復(fù)合纜增強(qiáng)層的連接采用膠粘結(jié)構(gòu)，密封結(jié)構(gòu)采用組合密封方式，通過多種、多層密封結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)具有一定承載能力的密封結(jié)構(gòu)。

1.1 承載設(shè)計(jì)

1.1.1 承載單元接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

承載單元采用粘接結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)復(fù)合纜與組件剛性連接，在此結(jié)構(gòu)中，增強(qiáng)層受到的應(yīng)力可表示為：·，式中，和分別為纖維和粘膠基體中的應(yīng)力，并分別等于·和（ε為復(fù)合材料的應(yīng)變），其受力變形如圖2所示。

組件采用粘接結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)復(fù)合纜與組件的剛性連接，方案中采用專用粘接膠抗剪切性能優(yōu)良，剪切強(qiáng)度超過20 MPa以上；專用承力部件的抗拉強(qiáng)度通過計(jì)算完全滿足2 t拉力要求，具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊等特點(diǎn)；通過預(yù)緊拉伸粘接工藝實(shí)現(xiàn)芳綸均勻受力，保證組件的承載性能。

1.1.2 外殼體承載設(shè)計(jì)

連接組件的材料為鈦合金，工作拉力設(shè)計(jì)為200 kg，破斷拉力為2 000 kg，所以外殼體的承載設(shè)計(jì)主要針對破斷拉力情況下而進(jìn)行的強(qiáng)度計(jì)算。在此條件下，外殼體的危險(xiǎn)斷面受力如圖3所示。

在2 000 kg的拉力作用下，外殼體上產(chǎn)生的應(yīng)力可以表示為：

≤[σ]

式中：F為斷裂強(qiáng)度；

Ko為預(yù)緊系數(shù)；

Kc為剛性系數(shù)；

n為安全系數(shù)；

[σ]為材料的許用應(yīng)力；

D為殼體外徑；

d為殼體外徑。

根據(jù)計(jì)算，承載元件危險(xiǎn)斷面所受拉應(yīng)力為143 MPa，遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力。

1.2 水密設(shè)計(jì)

水密性能是承力連接單元的重要性能指標(biāo)，確保組件在5 MPa的水域可以進(jìn)行正常供電或光電信號(hào)的傳輸。主要采用耐水壓密封膠、O型圈密封及填料函密封，每種密封結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上均能滿足5 MPa水壓密封要求并對密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核，保證密封件能正常工作。

1.2.1 O型圈密封

O圈密封屬于擠壓彈性體密封，是靠密封環(huán)預(yù)先被擠壓由彈性變形產(chǎn)生預(yù)緊力，同時(shí)工作介質(zhì)壓力也擠壓密封環(huán)，使之產(chǎn)生自緊力。設(shè)計(jì)中，必須保證密封圈要有足夠的預(yù)壓縮率，同時(shí)避免預(yù)壓縮率過大，以免影響密封圈的工作壽命，如圖4所示。

密封圈被套在密封圈槽上之后，會(huì)有一定的拉伸量，其斷面直徑d0變小，假定變?yōu)閐1，根據(jù)體積不變原理，即：

式中：D0為密封圈外徑；

d0為密封圈斷面直徑；

D為孔直徑；

δ為密封圈壓縮量；

d1為拉伸后的密封圈斷面直徑。

對于平面軸向靜密封，密封圈壓縮量δ=15%～30%，對于圓柱面徑向靜密封，密封圈壓縮量δ=10%～15%為宜[1]。

1.2.2 填料函密封

填料函密封的機(jī)理類似于O型圈，填料函壓緊后的，其壓力分布圖如圖5所示。

密封墊沿表面長度上的接觸應(yīng)力變化：

P=K·≤

式中：K為橫向應(yīng)力比，常數(shù)；

μ1、μ2分別為墊圈與纜、金屬外殼之間的摩擦系數(shù)；

t為密封墊的徑向厚度。

得到密封墊的壓力分布圖后，即可控制密封墊的最大應(yīng)力在允許應(yīng)力值范圍內(nèi)，從而確定密封墊在工作中壓縮量，保證其可靠性及穩(wěn)定性[2]。

1.2.3 密封結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度

工作中，承力連接單元會(huì)受到水壓作用，如圖6所示，外殼的壁厚應(yīng)保證工作深度等要求，為保險(xiǎn)起見，增加材料安全系數(shù)nb。

抗水壓：≤[σ]

≤[σ]

式中：σr為水壓徑向載荷 ；

σθ為水壓軸向載荷；

p為工作水深壓力；

[σ]為材料的許用應(yīng)力；

σb為材料的強(qiáng)度極限；

nb為材料安全系數(shù)；

D為殼體外徑；

d為殼體內(nèi)徑。

通過校核，對密封結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)截面進(jìn)行仿真計(jì)算，最大應(yīng)力為11.3 MPa，遠(yuǎn)小于材料許用應(yīng)力值，完全可以保證密封結(jié)構(gòu)的可靠性及穩(wěn)定性。

1.3 外形尺寸及重量控制設(shè)計(jì)

組件的外形及重量越小對系統(tǒng)越有利，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需嚴(yán)格控制外形和重量。通過分析，組件的長度要求較為嚴(yán)格，在直徑上相對較為寬松，因此采用光電單元獨(dú)立連接方式以滿足設(shè)計(jì)要求，如圖7、圖8所示。采用該結(jié)構(gòu)，一方面可以采用較小的4個(gè)獨(dú)立連接器實(shí)現(xiàn)光電單元連接，避免光電整體插拔產(chǎn)生的大體積固定面板，利于減小重量；另一方面，該結(jié)構(gòu)可以省略導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)長度方向上的尺寸縮短。在材料選擇上，外殼體設(shè)計(jì)選用鈦合金，內(nèi)部芯體采用輕質(zhì)金屬或者工程塑料材料制成，盡量減少鋼、銅等高密度金屬材料的使用。

1.4 光電復(fù)合纜

光電復(fù)合纜結(jié)構(gòu)內(nèi)層采用層絞式集成，中間層采用高強(qiáng)度、高模量纖維增強(qiáng)，最外層采用柔軟、耐磨型護(hù)套材料，具備耐彎曲、強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。

1.4.1 工作及斷裂拉伸負(fù)荷

復(fù)合纜工作中受到水下分機(jī)及自身重量的影響，需承受20 000 N的載荷，鑒于光纜工作拉伸負(fù)荷可靠性設(shè)計(jì)，整體應(yīng)變量最大控制在7‰，在該應(yīng)變條件下光纜內(nèi)部的光單元和電線才不會(huì)受到影響。復(fù)合纜內(nèi)部采用新型高強(qiáng)度高模量纖維，經(jīng)過計(jì)算增強(qiáng)纖維量達(dá)到78 720 dtex，纖維整體強(qiáng)度將達(dá)到29 126 N，考慮到后期的承力連接器連接效率，在光纜內(nèi)部填充4根增強(qiáng)單元，保證光電復(fù)合纜的整體強(qiáng)度完全滿足設(shè)計(jì)要求。

1.4.2 線間耐電壓強(qiáng)度

線間耐壓要求大于等于5 000 kV，該指標(biāo)主要通過電線外護(hù)層的耐壓性能設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。外護(hù)層材料采用交聯(lián)ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚物），耐壓值計(jì)算公式：

式中：U為耐電壓；

K1為劣化系數(shù)，1.1；

K2為溫度系數(shù)，1.1；

K3為安全裕度，1.1；

E為ETFE最小擊穿場強(qiáng)，90 000 V/mm；

T為絕緣厚度，0.3 mm。

經(jīng)計(jì)算，U值為11 712 V，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

1.4.3 導(dǎo)體電阻

為滿足直流電阻小于等于15 Ω/km的要求，電線導(dǎo)體采用導(dǎo)電性能良好的鍍銀銅線。電線導(dǎo)體計(jì)算公式：

式中：A為電力導(dǎo)線截面積，電力導(dǎo)線用絞合鍍銀銅線，A因?yàn)榻g合軟銅線截面積之和（電線采用0.28×19鍍銀絞線）；

ρ為電力導(dǎo)線在溫度20℃時(shí)的電阻率（鍍銀銅線電阻率為0.017 241×10-6Ω.m）；

α為導(dǎo)體電阻材料溫度系數(shù)（0.003 85 ℃-1）；

k1為單根導(dǎo)線加工過程引起金屬電阻率的增加引入的系數(shù)1.07；

k2為用多根導(dǎo)線絞合而成的線芯，使單根導(dǎo)線長度增加引入的系數(shù)1.02；

k3為緊壓線芯引入的系數(shù)1.01；

k4為成纜絞合線芯長度引入的系數(shù)1.01；

k5為考慮導(dǎo)線允許公差引入的系數(shù)1.01。

代入公式計(jì)算電線導(dǎo)體直流電阻為12.9 Ω/km，滿足設(shè)計(jì)要求。

1.4.4 單位長度重量

經(jīng)過計(jì)算將構(gòu)成光纜的各項(xiàng)元器件疊加重量達(dá)到75 g/m。

1.4.5 具有防海水腐蝕、防鹽霧功能

光纜外層采用聚氨酯材料，是一種耐海水腐蝕、阻燃材料完全滿足系統(tǒng)的工作環(huán)境[3]。

2 可靠性及可行性分析

2.1 密封設(shè)計(jì)

金屬零部件間的密封采用螺紋密封膠與O型圈組合密封或雙O型圈組合密封（軸向+徑向）；纜與殼體之間采用填料密封及硫化密封。所采用的密封技術(shù)均有成熟的操作工藝，每種密封均具有優(yōu)良的耐環(huán)境性能且每種密封結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上均能滿足5 MPa水壓要求。

2.2 抗拉承載

2.2.1 復(fù)合纜

復(fù)合纜內(nèi)部的高強(qiáng)度高模量纖維設(shè)計(jì)強(qiáng)度將達(dá)到29 126 N，考慮到纖維的整體出力效應(yīng)80%，光纜的斷裂拉伸負(fù)荷為23 301 N。而后期的承力連接器出力效應(yīng)要達(dá)到20 000 N的狀態(tài)，在光纜內(nèi)部填充4根增強(qiáng)單元，每根單元可以達(dá)到2 000 N，4根總量達(dá)到8 000 N，光纜的整體強(qiáng)度就達(dá)到31 000 N，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.2 承力連接單元

組件采用錐形粘接結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)復(fù)合纜與組件剛性連接，具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊等特點(diǎn)，實(shí)施操作工藝成熟，該結(jié)構(gòu)及工藝在多個(gè)浮空平臺(tái)、拖曳探測系統(tǒng)中得到檢驗(yàn)及驗(yàn)證。抗拉鎖纜部件采用帶鎖纜結(jié)構(gòu)的抗拉粘接部件，利用特種粘膠將纜內(nèi)的承力單元與抗拉部件剛性連接，同時(shí)抗拉部件采用抱緊結(jié)構(gòu)對外護(hù)套實(shí)現(xiàn)抱緊鎖死，可有效地預(yù)防外護(hù)套在受力狀態(tài)下相對內(nèi)部的承力單元產(chǎn)生相對位移，保護(hù)密封結(jié)構(gòu)不受破壞。

2.3 耐環(huán)境載荷

組件在實(shí)際工作環(huán)境中可能會(huì)受到海流作用產(chǎn)生過度扭轉(zhuǎn)，造成復(fù)合纜的扭傷。如圖9示，在水下分機(jī)入水后，水下分機(jī)可能會(huì)自傳及圍繞直升機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。作業(yè)高度為25 m，可以緩沖扭轉(zhuǎn)狀況，實(shí)現(xiàn)一定的退扭功能。因此，組件在設(shè)計(jì)過程中，要使復(fù)合纜具備一定扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下的正常工作性能；在承力連接單元與復(fù)合纜的連接部位采用柔性過渡方式，通過延長硫化長度減緩該部位的應(yīng)力集中，保護(hù)該點(diǎn)免受破壞；條件允許時(shí)通過安裝光電滑環(huán)降低扭矩載荷的積累，也可以有效降低該現(xiàn)象造成傷害的概率。

2.4 耐反復(fù)收放

復(fù)合纜要滿足200次使用要求，強(qiáng)度上有足夠的設(shè)計(jì)安全余量，在200次使用后仍然滿足設(shè)計(jì)要求。該復(fù)合纜已經(jīng)在某型浮力拖曳纜得到驗(yàn)證，該型號(hào)光纜內(nèi)部2路光纖，動(dòng)態(tài)彎曲200次，4.5 MPa工作水深，破斷拉力30 kN，密度（1.025±0.05）g/cm3，產(chǎn)品與該項(xiàng)目非常相似，同時(shí)該纜也具有強(qiáng)度高、外徑小、零浮力、耐收放等特點(diǎn)，所以水下探測用光電復(fù)合纜已經(jīng)在同類型產(chǎn)品得到驗(yàn)證。

3 結(jié)語

文章詳細(xì)介紹了光電連接組件的各項(xiàng)性能及其設(shè)計(jì)過程，且均能滿足指標(biāo)要求。通過對連接組件進(jìn)行可行性及可靠性分析并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該連接組件具有性能穩(wěn)定、工藝成熟、可靠性高及可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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