手持通信裝備的密封設計

劉軍水 林蘭修 張偉濤 趙奎

摘? 要：文章主要對橡膠密封圈和殼體密封槽在手持通信裝備的密封設計中的應用進行了研究。簡單介紹了密封圈的選型、壓縮率和拉伸量設計，分析了不同材料與硬度的密封圈對密封性能的影響，闡述了密封槽槽深設計、槽寬設計和槽底圓角設計的一般方法，介紹了密封圈和密封槽公差設計的原則，通過一個手持通信裝備在防水性能不足導致故障的案例，對設備滲漏現(xiàn)象的解決過程加以分析，進一步驗證了密封設計方法的有效性。

關鍵詞：手持通信裝備;防水;密封性能;橡膠密封圈

中圖分類號：TN914;TN820 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）16-0034-03

Sealing Design of Handheld Communication Equipment

LIU Junshui，LIN Lanxiu，ZHANG Weitao，ZHAO Kui

（Tongfang Electronic Technology Co.，Ltd.，Jiujiang? 332002，China）

Abstract：This paper mainly studies the application of rubber seal ring and shell seal groove in the seal design of handheld communication equipment. This paper briefly introduces the selection of sealing ring，compression ratio and tensile design，analyzes the influence of different materials and hardness of sealing ring on sealing performance，expounds the general methods of groove depth design，groove width design and groove bottom fillet design，introduces the principle of tolerance design of sealing ring and sealing groove，and through a case of failure caused by insufficient waterproof performance of handheld communication equipment. The solution process of equipment leakage is analyzed，and the effectiveness of the sealing design method is further verified.

Keywords：handheld communication equipment;waterproof;sealability;rubber sealing ring

0? 引? 言

由于氣候環(huán)境變幻莫測，手持裝備在實際使用時有的可能受到液體濺射、沾水等，也有可能長時間浸泡入水中，有時使用溫度也會出現(xiàn)冷暖不一等狀況，因此，手持通信裝備的設計和制造尤其應考慮環(huán)境因素的影響，進行耐環(huán)境設計，采取相應措施，使之具有較高的環(huán)境適應性。目前，手持通信裝備因為設計方法、工藝手段以及成本控制的原因，在密封防水方面存在不足，產(chǎn)品可靠性得不到保證，所以產(chǎn)品整體結構設計必須遵循一定的密封設計規(guī)范，包括密封材料的選用、結構與安裝方式、密封細節(jié)的確定以及相關的工藝過程等，以此降低手持通信裝備的故障率，提高產(chǎn)品可靠性。筆者依據(jù)實際工程項目，闡述了手持通信裝備的密封防水設計方法。

1? 密封防水結構原理

一臺手持通信裝備的一般由上下殼、按鍵、電池倉、顯示屏、送話器、接插件和各功能電路板板等零部件組成。各個零部件互相組裝在一起時，受加工精度等因素的影響，看似光滑的安裝表面，從微觀角度來看，會存在一定起伏，因此其安裝接觸部位必然存在微小間隙，當裝備腔體內(nèi)外有壓力差時，就會因為間隙的存在導致滲漏產(chǎn)生。

橡膠密封圈能對這些高低不平的微觀結構到隔離的作用，是由于密封圈具有良好的壓縮變形的特性，容易與接觸零件表面貼合，填滿表面的微間隙，阻斷流體的滲入通道，最終實現(xiàn)裝備的密封防水。手持通信裝備的防水結構一般采取橡膠圈軸向密封，安裝結構如圖1所示。其中B表示密封槽深度，C表示密封槽寬度，A表示密封圈直徑。

2? 密封圈設計

手持通信裝備需要在多處使用橡膠密封圈密封，比如主殼體、揚聲器、麥克、接插件等處。密封圈多采用O型橡膠圈，O型圈的截面為圓形，它設計簡單，結構小巧，裝拆方便，且有自密封作用，密封性能可靠，是使用最廣泛的一種密封圈。O形圈內(nèi)徑、截面直徑及公差可以參考GB/T34542.1—2005規(guī)定。

2.1? 密封圈材料的選型

一般使用的橡膠密封圈材料有聚氨酯橡膠（PU）、丁腈橡膠（NBR）、氯丁橡膠（CR）、乙丙橡膠（EPDM）、異丁橡膠（IIR）、氟橡膠（FPM）、硅橡膠（SI）等，由于手持通信裝備需要較高的環(huán)境適應性，其中硅橡膠具有最佳的耐熱（最高300 ℃）耐寒（最低-100 ℃）性能，因此，密封圈應該優(yōu)先選用硅橡膠材料。

2.2? 密封圈硬度的選取

密封圈的硬度對密封性能有影響，而且聯(lián)系緊密。密封圈硬度低，優(yōu)點是安裝方便，缺點是容易出現(xiàn)擠出、剝落，甚至安裝損傷;密封圈硬度過高，缺點是安裝不方便，只有在壓力過大的情況下才會選擇。手持通信裝備使用的是硅橡膠材料，通常邵氏硬度為中等硬度（50度～60度）密封性最好。

2.3? 密封圈壓縮率與拉伸量設計

密封圈的壓縮率和拉伸量對密封性能和使用壽命有重要意義。一般來說，密封圈和溝槽均有一定的加工誤差，合適的壓縮率加上密封圈與溝槽尺寸的正確匹配，可以補償其加工和制造誤差，并保證在正常工作狀態(tài)下有足夠的密封性。

2.3.1? 壓縮率

壓縮率通常用公式表示為：W=（d0-h）/d0×100%

式中：W表示壓縮率，d0表示O型圈在自由狀態(tài)下的截面直徑（mm）;h表示溝槽深度，即密封槽槽底與被密封表面的距離（mm），如圖2所示。

在選擇密封圈的壓縮率時，要進行綜合考慮，過大的壓縮率會造成應力松弛，產(chǎn)生過大的永久變形，在高溫狀況中尤為嚴重。手持通信裝備屬于靜密封，靜密封壓縮率上限應小于30%。

2.3.2? 拉伸量

密封圈在裝入密封溝槽后，會有一定的拉伸量。拉伸量大不但可能造成扭轉(zhuǎn)，還會導致密封圈安裝困難，而且加速老化影響密封圈壽命，同時也會因截面直徑d0發(fā)生變化而使壓縮率降低，這些因素都將引起泄漏。拉伸量的取值范圍一般為2%～7%，在手持通信裝備中取5%左右。

2.4? 密封圈的安裝與固定

（1）安裝過程中不允許出現(xiàn)密封圈被劃傷、位置安裝不正以及形狀被扭曲等情況;

（2）密封圈安裝前，密封圈溝槽內(nèi)與密封配合面必須用酒精嚴格擦洗，清除表面雜質(zhì)和油污;

（3）通常不主張密封圈與槽粘接固定，但有時為防止密封圈移位、脫落，需對其粘接固定，應注意采用RTV硅膠，不允許使用瞬干膠或環(huán)氧膠。

3? 密封槽的設計

3.1? 密封槽的設計原則

一般密封圈都是安裝在裝備的密封槽中，如圖3所示，常用的密封槽形式為矩形溝槽，密封槽的設計要根據(jù)相關結構位置尺寸和對應密封圈尺寸綜合考慮。密封槽設計原則是：密封槽的截面積>密封圈的截面積。這種設計有利于密封圈被壓縮后能完全容納在槽內(nèi)，防止密封圈過壓，有利于延長密封圈使用壽命。

3.2? 槽深設計

一般來說槽深的尺寸是由密封圈的截面積和壓縮量決定的。

常用的O形密封圈壓縮量控制在25%～30%，硅橡膠密封圈壓縮量取30%，因此一般槽深可表示為：h=O形圈直徑×0.7 mm。

某型手持通信導航裝備在初樣試制階段，在密封防水方面也暴露了一些問題。第一，顯示屏密封槽和密封圈尺寸不匹配，由于密封槽的寬度受整體結構限制不能改動，就把密封圈的尺寸由直徑?1.2 mm的O形圈改為長軸1.4 mm、短軸1 mm的橢圓形圈，密封槽深度由0.5 mm增加為0.7 mm，經(jīng)過防水試驗測試符合要求。第二，殼體密封槽向外擴大

0.2 mm，即寬度向外增加0.2 mm，密封圈直徑由?1 mm增大為?1.2 mm，增加了密封可靠性。

3.3? 槽寬設計

槽深h先確定，槽寬W后確定，由于槽寬一般會影響設備的外形尺寸，所以槽寬都必須精心計算。

槽寬W=d0（O形圈截面積）/h（槽深）×（110%～120%）

系數(shù)110%～120%是讓密封圈被壓縮后能完全容納在槽內(nèi)。

3.4? 控制槽、密封圈公差時，應遵循的原則

由于O型密封圈在長度方向極易變形，因此在控制密封槽及橡膠膠圈公差時，應遵循的原則是：橡膠密封圈長度取負公差，即橡膠圈的長度<密封槽的總長度，通常橡膠圈的負公差控制在-0.5%～-2%，以使密封圈能完全容納在密封槽內(nèi)，不至于過容。反之，如橡膠密封圈尺寸已確定，設計密封槽時，密封槽長度應取正公差。

3.5? 槽口及槽底圓角的設計

槽口即密封槽的外邊口需要設計一個圓角，這是為了防止密封圈裝配時被刮傷。它一般采用較小的圓角半徑，即R=0.1 mm～0.2 mm。這樣不僅可以避免該處形成鋒利的刃口，密封圈也不會發(fā)生間隙擠出，并能使擋圈安放穩(wěn)定。

密封槽槽底也需要設計圓角，主要是為了避免槽底產(chǎn)生應力集中。圓角半徑的取值，靜密封的密封槽可取不大于其密封圈截面直徑的一半，即R≤d0/2。

4? 密封防水案例分析

單兵手持通信設備剖切圖如圖4所示。以某型單兵手持通信設備的密封故障為例，該設備在軍檢階段環(huán)境試驗過程中，發(fā)現(xiàn)在浸漬試驗后機號為xxx0193的主機和機號為xxx0394的主機有滲水現(xiàn)象，并且單次抽檢三臺發(fā)現(xiàn)其中兩臺都出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，說明該設備結構存在明顯的防水薄弱環(huán)節(jié)。

該手持通信設備的密封部位有上下殼、按鍵、電池倉、喇叭、送話器、接插件等，經(jīng)過多次氣密和浸漬試驗，判斷兩臺滲水主機滲水部位均為送話器（型號為OD-8）部位密封不嚴造成。為確定送話器部位密封不嚴是因裝配密封圈密封不嚴造成，還是送話器自身密封不嚴造成，又進行了用相同主機更換不同密封圈和更換不同送話器的試驗，而且故障能復現(xiàn)，最終定位為兩臺主機滲水原因是送話器自身密封不嚴所導致。

通過機理分析并加大樣本試驗以及后面的生產(chǎn)可以確認，某型單兵手持通信設備在軍檢階段環(huán)境浸漬試驗過程中出現(xiàn)主機滲水現(xiàn)象屬個例問題，該型設備本身結構的密封防水設計經(jīng)受住了考驗，沒有再出現(xiàn)問題。

5? 密封防水設計的要點歸納

（1）在進行零件的結構設計時，需要對密封表面平面度和粗糙度作較高的要求，其中平面度為0.06 mm（大于該值可不作標注），表面粗糙度為1.6 μm（一般為6.4 μm），值越小精度要求越高;

（2）選用防水型的外裝器件。比如接插件、揚聲器和送話器等，并且對每種外裝器件都進行了大量浸漬摸底試驗;

（3）在每一處安裝部位采用橡膠圈密封。首先形狀采用O形圈，其次材料采用硅橡膠，最后是硬度，采用了中等偏上的硬度，以達到最佳密封性能;

（4）按硅橡膠圈的最佳壓縮率設計。根據(jù)理論和實踐經(jīng)驗，硅橡膠圈的最佳壓縮率是25%～30%，系統(tǒng)設備全部按照這一比率設計密封槽的深度和寬度;

（5）設計透氣孔。留透氣孔可有效避免因熱脹冷縮而引起的橡膠圈密封問題;

（6）在密封部位盡量不涂膠。

6? 結? 論

手持通信裝備的密封是一個系統(tǒng)性工程，不僅需要從結構的滲漏原理、密封材料設計、結構形式等方面考慮，還要在生產(chǎn)保障環(huán)節(jié)加強控制。在防水密封裝備結構的設計中，要解決關鍵的密封防滲漏難題，應對密封與滲漏的基本原理有清晰的認識，對泄漏的根本原因進行逐一分析，從而有針對性地進行技術設計。

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作者簡介：劉軍水（1977.03—），男，漢族，江西九江人，工程師，本科，研究方向：電子設備結構設計。