基于橡膠擠壓密封技術(shù)的真空密封連接器淺析

胡 豪，楊光東，羊衍富

(1.四川華豐科技股份有限公司，四川綿陽，621000；2.四川互連創(chuàng)新科技有限公司，四川綿陽，621000)

1 前言

真空密封連接器主要用于氣密座艙及其他電氣、無線電設(shè)備，需要保持氣密性能的電信號(hào)傳輸連接的場合。隨著我國航空、航天、船舶、勘探等工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事工業(yè)的突飛猛進(jìn)，各種高溫、高壓、腐蝕、輻射等工作環(huán)境、工作設(shè)備的增多，耐環(huán)境密封連接器的需求與日俱增。

國內(nèi)外連接器行業(yè)內(nèi)通常采用的是玻璃-金屬、陶瓷—金屬燒結(jié)技術(shù)：即可伐合金接觸件和可伐合金殼體之間采用熱膨脹系數(shù)相近的玻璃體或陶瓷進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，進(jìn)而達(dá)到氣密封合格的產(chǎn)品。采用玻璃或陶瓷燒結(jié)出來的真空密封產(chǎn)品，密封性能優(yōu)異，指標(biāo)高，可達(dá)到對(duì)干燥氦氣的最大氣體泄漏率不大于1×10-12Pa·m3/s。但是國內(nèi)的玻璃(陶瓷)燒結(jié)技術(shù)不夠成熟，燒結(jié)成品率低，投入大、產(chǎn)出少。并且玻璃(陶瓷)絕緣子比較脆，當(dāng)連接器受到強(qiáng)振動(dòng)或沖擊的機(jī)械環(huán)境時(shí)，玻璃子(陶瓷)容易開裂，從而導(dǎo)致密封失效。急需一種新的結(jié)構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)真空密封性能，以解決玻璃(陶瓷)燒結(jié)存在的問題，同時(shí)解決制造周期長、成本高的問題。本文所要介紹的基于橡膠擠壓密封技術(shù)的真空密封連接器結(jié)構(gòu)，可在低成本及快速制造方面做出突破。

2 橡膠擠壓密封原理

橡膠密封圈可以被想象成為不可壓縮的、具有很高表面張力的“高粘度流體”。不論是受周圍機(jī)械結(jié)構(gòu)的機(jī)械壓力作用、還是受流體傳遞的壓力作用，這種“高粘度流體”在溝槽中“流動(dòng)”，形成“零間隙”，或者說阻止了被其他密封的流體(如空氣、水介質(zhì)、油介質(zhì)、粉塵)的流動(dòng)。橡膠的彈性補(bǔ)償了制造和配合公差，其材料內(nèi)部的彈性記憶是維持密封的重要條件。

下圖1a～d分別展示了O形密封圈在溝槽內(nèi)部的四種形態(tài)。

a.裝入溝槽 b.受到系統(tǒng)壓力 c.O形圈擠出 d.O形圈失效

圖1a中，O形圈安裝后，未施加系統(tǒng)壓力。此時(shí)O形圈受溝槽的機(jī)械壓力，其截面已不是圓形，它關(guān)閉了流體的通道。

圖1b中，在系統(tǒng)壓力作用下，O形圈被迫擠向(但未擠進(jìn))配合面之間的狹窄間隙，從而獲得了更大的接觸面積和密封應(yīng)力。

圖1c中，O形圈所受壓力達(dá)到了它的壓力極限，有一小部分密封材料被擠進(jìn)了溝槽間隙。

圖1d中，進(jìn)一步加大系統(tǒng)壓力，密封件的表面張力已不足以阻止“流動(dòng)”，材料擠出到開放的通道或間隙中，導(dǎo)致O形圈擠出失效。

3 關(guān)鍵技術(shù)介紹

用戶都希望密封系統(tǒng)能無泄漏地長時(shí)間工作。對(duì)不同的應(yīng)用，要獲得完美的密封效果，材料的性能和密封的設(shè)計(jì)都是非常重要的。

常見泄漏形式

◆穿漏

通過密封面間隙的泄漏。在壓力差的作用下，通過宏觀和微觀的縫隙的泄漏，此為單向泄漏。這主要與橡膠密封的預(yù)壓力和密封溝槽的加工精度有關(guān)。

◆滲漏

在壓力差的作用下，介質(zhì)通過密封件材料的毛細(xì)管泄漏。泄漏也是單向分子泄漏流動(dòng)。

◆擴(kuò)散

在濃度差的作用下，介質(zhì)通過密封間隙或密封材料毛細(xì)管產(chǎn)生的物質(zhì)傳遞，叫擴(kuò)散。擴(kuò)散過程是雙向的。

3.1 橡膠圈靜密封技術(shù)——橡膠密封圈材料的選擇

對(duì)于低真空和高真空，靜密封一般采用橡膠作為密封材料，主要是由于它具有高彈性、較高的耐磨性和適宜的機(jī)械強(qiáng)度。橡膠的體積是很不容易被壓縮的，在某一方向上受壓就在另一方向上伸長，總體積幾乎不變。因此，橡膠不僅可以用作壓緊密封，而且還可以用作脹緊密封。O形圈可以廣泛應(yīng)用于各種環(huán)境。[1]

泄漏形式中的“滲漏”、“擴(kuò)散”主要與橡膠圈材料及環(huán)境的溫度、橡膠的滲漏性能、介質(zhì)壓力、介質(zhì)種類、輻照、介質(zhì)酸堿度等因素有關(guān)，所以產(chǎn)品的密封設(shè)計(jì)第一步應(yīng)考慮各種條件因素，合理選擇密封圈材料。

連接器行業(yè)通常使用硅橡膠、丁腈橡膠，氟橡膠等做連接器的密封件使用，本文主要對(duì)這三種材料的差異及區(qū)別作介紹，根據(jù)本產(chǎn)品使用環(huán)境條件，結(jié)合自身的材料屬性做成選擇。

(1)溫度對(duì)橡膠的影響

在真空設(shè)備中，橡膠作為密封材料應(yīng)用最為普遍，主要是由于它具有高彈性，較高的耐磨性和適宜的機(jī)械強(qiáng)度，因而具有在常溫下密封可靠，可反復(fù)拆卸安裝，易于加工，價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是不能承受高溫和低溫的環(huán)境條件。溫度對(duì)橡膠的性能影響很大，高溫容易使橡膠產(chǎn)生殘余變形，加速橡膠的老化；低溫容易使橡膠發(fā)生結(jié)晶硬化，喪失彈性。因此，橡膠都有一定的使用溫度范圍。常規(guī)橡膠的使用溫度見表1，可知溫度使用范圍:丁腈橡膠<氟橡膠<硅橡膠。

(2)介質(zhì)對(duì)橡膠的影響

常見的介質(zhì)主要有水、油、氣體、塵土等。各橡膠材料的耐介質(zhì)性能介紹如下表1所示。[3]

表1 常用橡膠材料特點(diǎn)

從上表分析耐介質(zhì)性能：硅橡膠<丁腈橡膠<氟橡膠。

(3)橡膠的滲漏性能

沒有絕對(duì)的密封，橡膠圈自身也會(huì)發(fā)生泄漏。

氣體能夠通過橡膠等密封材料向真空一側(cè)滲漏。不同橡膠在不同溫度下對(duì)空氣的透氣性不盡相同，丁腈橡膠含有甲基基團(tuán)，透氣率較低，并且隨丙烯腈的含量增高而降低；氟橡膠十分致密，對(duì)各種氣體有較小的擴(kuò)散速度和較大的溶解度,透氣性很小，與丁基橡膠相當(dāng)，在高溫、真空中出氣率很低(在2.6×10-7Pa的失重為2.3%),可用于10-5Pa～10-7Pa的真空密封;采用雙“O”圈密封結(jié)構(gòu)，烘烤到200℃，并加上冷卻措施，可達(dá)到10-8Pa的超高真空。缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，通常只限于需要烘烤的高真空及超高真空系統(tǒng)中。硅橡膠是一種溫度范圍寬廣的耐熱橡膠，缺點(diǎn)是氣體滲透率較普通橡膠大數(shù)十至數(shù)百倍，線膨脹系數(shù)比其他橡膠大。[1]

氣體經(jīng)橡膠的滲漏速度，開始時(shí)很快，然后逐漸降低，經(jīng)過一定時(shí)間后，達(dá)到一穩(wěn)定的滲透值。在室溫條件下，空氣對(duì)部分橡膠的透氣性見表2。[1]

表2 部分橡膠對(duì)空氣的滲透系數(shù) (單位：cm3(STP)cm/cm2·s)

通過上表可知，滲透系數(shù)：丁腈橡膠<氟橡膠<硅橡膠。

綜合比較，同時(shí)結(jié)合客戶使用環(huán)境溫度5℃～50℃、高放射性(γ射線)、耐酸堿，以及密封性能達(dá)1×10-8Pa·m3/s的要求，選用可靠性更高的耐輻照氟橡膠密封圈進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。

3.2 橡膠圈靜密封技術(shù)——密封溝槽設(shè)計(jì)

3.2.1 溝槽密封型式

O形橡膠密封圈的溝槽尺寸和公差，一般參照GB/T3452.3-2005執(zhí)行。根據(jù)O形圈壓縮方向，O形圈溝槽型式分為徑向密封和軸向密封兩種，見下圖2、圖3，圖4。[4]具體詳見GB/T3452.3-2005敘述，此處不再深入?？傊疁喜鄣脑O(shè)計(jì)對(duì)其密封能力是非常重要的，設(shè)計(jì)溝槽的截面面積要求稍微大于橡膠密封圈的截面面積，橡膠壓縮后的充填因數(shù)φ>1，橡膠的壓縮量通常為15%～30%。溝槽尺寸主要包括溝槽寬度和溝槽深度，以及棱邊圓角及粗糙度要求。

圖2 徑向密封的活塞密封溝槽型式

圖3 徑向密封的活塞桿密封溝槽型式

圖4 軸向密封的溝槽型式

3.2.2 溝槽深度

設(shè)計(jì)橡膠密封槽，要充分考慮橡膠密封圈的特點(diǎn)，橡膠圈受力形變后形狀改變而保持體積不變，即不可壓縮的彈性壓縮能力，超過這種能力就會(huì)發(fā)生塑性變形，嚴(yán)重時(shí)造成表皮破損，因此，確保橡膠密封圈最適宜的壓縮量是密封槽設(shè)計(jì)中重要的參數(shù)之一。過小不能形成長期穩(wěn)定的可靠密封，過大會(huì)影響橡膠圈的使用壽命。

3.2.3 溝槽寬度

溝槽寬度是密封槽設(shè)計(jì)中另一重要參數(shù)。由于安裝在密封槽里的橡膠圈受壓前后，形狀發(fā)生變化而體積不變(橡膠本身不可壓縮)，因此，密封槽要有容納密封圈變形的空間。在受壓密封狀態(tài)下，密封圈不可能將密封槽完全允滿，在不同介質(zhì)和溫度下，橡膠圈會(huì)出現(xiàn)一定的膨脹，密封槽容積應(yīng)有相對(duì)的余量。

靜密封溝槽深度和溝槽寬度推薦參數(shù)見下表3所示。

表3 溝槽深度和寬度 (單位：mm)

3.2.4 安裝倒角設(shè)計(jì)

正確的溝槽設(shè)計(jì)可以已開始就消除可能的損傷和密封失效。由于O形圈安裝時(shí)受擠壓，所以設(shè)計(jì)O形圈導(dǎo)入過程中接觸的零件時(shí)，必須遵守規(guī)定的倒角和倒圓。

密封槽和轉(zhuǎn)軸的端角處應(yīng)有15°～30°的倒角，避免尖銳的棱角在裝配時(shí)劃傷密封圈，密封圈一旦被劃傷，劃傷處不僅僅存在漏氣隱患，更主要的是密封圈的損傷在受力后會(huì)在蔓延擴(kuò)大，導(dǎo)致密封失效。[1]運(yùn)動(dòng)部件各端部倒角形式見圖5、圖6，倒角最小長度Z，作為與O形圈截面直徑相關(guān)的函數(shù)，列于下表4中：

圖5 孔的導(dǎo)入倒角

圖6 軸的導(dǎo)入倒角

表4 密封槽溝端部倒角尺寸 (單位：mm)

3.2.5 溝槽棱邊圓角及粗糙度要求

密封圈受到內(nèi)部或外部空氣、液體等介質(zhì)壓力時(shí)，密封圈受壓將會(huì)有一小部分密封材料被擠進(jìn)了溝槽間隙，如圖1c。所以溝槽的棱邊尖銳部位將進(jìn)行倒圓角處理，見圖7。推薦圓角尺寸見下表5。

圖7 溝槽棱邊倒圓角

在壓力的作用下，彈性體將貼緊不規(guī)則的密封表面。對(duì)氣體或液體密封的緊配合靜密封，密封表面應(yīng)滿足一些基本的要求。密封表面上不得有開槽、劃痕、凹坑、同心或螺旋狀的加工痕跡。對(duì)對(duì)溝槽各個(gè)表面的粗糙度要求推薦見下表5。

表5 溝槽圓角尺寸 (單位：mm)

4 橡膠擠壓密封技術(shù)的真空密封連接器結(jié)構(gòu)介紹

一般灌膠密封連接器密封性能指標(biāo)要求：

例證1，Y11系列連接器，GJB101A中3.6.11條要求為灌膠密封插座在100kpa的壓差下，泄漏率為60pa.cm3/s，也就是6×10-5pa.m3/s；

例證2，XC系列連接器，GJB2889，要求為50kpa氣壓下，泄漏率為46pa.cm3/s，也就是4.6×10-5pa.m3/s。由此可見，一般灌膠密封插座，密封性能指標(biāo)不高，能滿足一般的氣密封要求，但在更高領(lǐng)域，無法滿足，有局限性，但制造成本低，適合大批量生產(chǎn)。

本文所介紹的橡膠擠壓技術(shù)真空密封連接器插座，采用橡膠擠壓密封+階梯狀的防滑槽分層灌膠密封結(jié)構(gòu)(見圖8)，來滿足：在200kPa壓差下，保壓時(shí)間不少于10分鐘，對(duì)干燥氦氣的最大氣體泄漏率不大于1×10-8Pa·m3/s。由此可見，本文所介紹的連接器真空密封性能指標(biāo)略低于常規(guī)的玻璃燒結(jié)指標(biāo)要求1×10-12Pa·m3/s，但是又高于一般灌膠密封連接器要求的1×10-5Pa·m3/s；適用于真空密封性能略低于玻璃燒結(jié)連接器，而又高于一般灌膠密封連接器，且更加可靠的一種低成本，快速批量制造的新型真空密封連接器領(lǐng)域。新型真空密封連接器結(jié)構(gòu)剖視見圖8。

圖8 橡膠擠壓密封技術(shù)真空密封連接器結(jié)構(gòu)

4.1 內(nèi)部橡膠擠壓密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在接觸件與安裝板、安裝板與外殼之間進(jìn)行密封設(shè)計(jì)。接觸件與安裝板，安裝板與外殼之間均裝入雙重O形圈，通過對(duì)O形圈一定的擠壓量，實(shí)現(xiàn)可靠密封。

裝配順序：

1)在插針、插孔接觸件上，將O形密封圈裝入，形成接觸件組件，結(jié)構(gòu)見圖9；

圖9 接觸件裝配O形密封圈狀態(tài)

2)將接觸件組件裝入安裝板孔內(nèi)，結(jié)構(gòu)見圖10所示。

圖10 接觸件組件在安裝板孔內(nèi)受壓狀態(tài)

3)接觸件組件裝入安裝板后，形成安裝板組件，再整體裝入殼體內(nèi)(殼體環(huán)形槽內(nèi)預(yù)先安裝兩道O形密封圈)。后安裝板外圓擠壓密封圈，實(shí)現(xiàn)與外殼之間的密封。后安裝板外圓端面倒角，便于安裝裝入，也避免了劃傷密封圈，結(jié)構(gòu)見圖11。

圖11 安裝板與外殼之間的擠壓密封結(jié)構(gòu)

4.2 內(nèi)部灌膠區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

同時(shí)在接觸件和外殼內(nèi)腔進(jìn)行密封加強(qiáng)設(shè)計(jì)。外殼內(nèi)腔以及接觸件設(shè)計(jì)階梯狀的灌膠防滑槽結(jié)構(gòu)，增大灌封膠的接觸面積，加長空氣泄露路徑，保證氣密封設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)第二層密封保證。結(jié)構(gòu)見圖12，圖13。

圖12 接觸件防滑槽灌膠密封結(jié)構(gòu)

圖13 外殼防滑槽灌膠密封結(jié)構(gòu)

5 預(yù)防O形圈密封失效的思考[2]

按照失效機(jī)理不同，常見的密封圈失效的形式有安裝損傷、密封件卷曲、過度壓縮、擠出、磨損、永久壓縮變形、化學(xué)腐蝕、氣體析出材料損失和熱腐蝕等九種?，F(xiàn)將密封圈失效機(jī)理及其解決辦法詳述如下。

(1)安裝損傷

安裝損傷表現(xiàn)為密封圈全部或部份呈現(xiàn)整齊傷口。其造成原因有:使用時(shí)密封圈裝配未到位、密封圈尺寸不合適、密封圈硬度或彈性過低、密封圈表面有污物、潤滑不足、溝槽鋒利等造成邊角劃傷密封圈。

解決辦法：清除鋒利邊角，溝槽設(shè)計(jì)更加合理，選擇尺寸合適的密封件，選擇彈性更大硬度更高的密封件。同時(shí)安裝密封圈時(shí)應(yīng)涂高真空潤滑油脂，特別是傳動(dòng)軸進(jìn)入內(nèi)孔前(接觸件進(jìn)入安裝板孔穴)，在接觸件溝槽處、密封圈、安裝板孔內(nèi)表面要均勻涂上油脂，便于安裝。

(2)密封件卷曲

密封圈卷曲表現(xiàn)為其表面明顯呈卷曲并伴有扭轉(zhuǎn)紋路。其造成原因有:使用安裝材料太硬或彈性太小的密封圈、0形圈表面處理不均勻、溝槽表面粗糙、潤滑不足等造成等。

解決辦法：在接觸件溝槽處、密封圈、安裝板孔內(nèi)表面要均勻涂上油脂，便于安裝。使用輔助工具保證正確定位，保證O形圈不扭曲。

(3)過度壓縮

過度壓縮表現(xiàn)為密封圈接觸表面呈現(xiàn)平面變形,并可能伴隨裂紋。造成此類問題的主要原因有設(shè)計(jì)不合理，沒有考慮到材料由于熱量及化學(xué)介質(zhì)引起的變形，或由于壓力過大引起。

解決辦法：溝槽的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到材料由于溫度及化學(xué)介質(zhì)引起的變形。

(4)擠出

擠出可使密封圈邊緣粗糙破爛，一般通常在壓力低的一側(cè)。造成此類問題的主要原因有間隙過大、壓力過大、材料硬度或彈性過低、溝槽空間太小,間隙尺寸不規(guī)則、溝槽邊角過于鋒利以及密封圈尺寸不合適等。

解決辦法：調(diào)整溝槽與密封圈壓縮量，棱邊倒圓角處理，材料選擇應(yīng)合理。

(5)磨損

磨損使密封圈全部或部分密封區(qū)域產(chǎn)生細(xì)紋，可在密封表面找到材料磨損顆粒。其造成原因?yàn)?密封表面光潔度不夠,密封環(huán)境滲入磨損性強(qiáng)的污物,密封圈產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，密封圈表面處理不徹底等。

解決辦法：提高溝槽表面粗糙，密封圈應(yīng)清潔并充分潤滑。

(6)永久壓縮變形

永久壓縮變形使密封圈表面呈現(xiàn)平面永久變形。其造成原因?yàn)?壓力過大,溫度過高,材料沒有完成硫化處理,材料本身永久變形率高,材料在化學(xué)介質(zhì)中過度膨脹。

解決辦法：選擇低變形率的材料；合適的溝槽設(shè)計(jì)；確認(rèn)材料與介質(zhì)相容。

(7)化學(xué)腐蝕

化學(xué)腐蝕可引起密封圈的各種缺陷,如發(fā)泡，破裂,小洞,或褪色等,有時(shí)化學(xué)腐蝕僅可通過儀器測量其物理性能而得知。其造成原因?yàn)?材料與介質(zhì)不符或溫度過高。

解決辦法：充分考慮環(huán)境介質(zhì)因素，選擇更加耐化學(xué)介質(zhì)或耐高溫的材料。

(8)氣體析出材料損失

氣體析出材料損失通常較難檢測，密封圈通常表現(xiàn)為截面尺寸減小。其造成原因有:材料硫化處理不當(dāng),高真空或高壓密封使用環(huán)境,材料硬度過低,或使用了帶有增塑劑的材料。

解決辦法：避免使用帶有增塑劑的材料，確認(rèn)密封件經(jīng)過正確的硫化處理以減低泄漏。

(9)熱腐蝕

熱腐蝕后密封圈的高溫接觸表面呈現(xiàn)徑向裂紋。另外，有的材料可能會(huì)變囫或因溫度過高而使材料變得有光澤。其造成原因主要有:材料不能承受高溫，或高溫超出預(yù)計(jì)溫度，或溫度變化過快，過于頻繁。

6 驗(yàn)證情況

對(duì)采用以上結(jié)構(gòu)的真空密封連接器按照GB/T15823-2009《氦泄漏檢驗(yàn)》中“護(hù)罩法”(或真空室法)試驗(yàn)，在環(huán)境溫度25℃±10℃條件下，連接器一側(cè)充氦氣100kPa(表壓)，另一側(cè)抽真空，在200kPa壓差下，保壓時(shí)間不少于10分鐘，實(shí)際測量發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品泄漏率分布在1×10-11Pa·m3/s～1×10-8Pa·m3/s區(qū)域，甚至個(gè)別達(dá)到1×10-12Pa·m3/s。試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求的泄漏率不大于1×10-8Pa·m3/s。

6.1 輻照老化長壽命驗(yàn)證

使用該密封結(jié)構(gòu)的40芯真空密封連接器插座，經(jīng)過γ射線累計(jì)劑量200kGy的輻照老化試驗(yàn)(γ吸收劑量率為1kGy/h～12 kGy/h)，約30天再次按GB/T15823-2009《氦泄漏檢驗(yàn)》中“護(hù)罩法”(或真空室法)試驗(yàn)，連接器一側(cè)充氦氣100kPa(表壓)，另一側(cè)抽真空，在200kPa壓差下，保壓時(shí)間不少于10分鐘，對(duì)干燥氦氣的最大氣體泄漏率為3.4×10-10Pa·m3/s。

6.2 加速熱老化長壽命驗(yàn)證

經(jīng)過輻照老化的試驗(yàn)樣品，按GB/T2423.2(試驗(yàn)Bb)進(jìn)行160℃，7天；125℃，17天高溫?zé)崂匣囼?yàn)，試驗(yàn)后測試氦檢泄漏率為2.8×10-7Pa·m3/s(護(hù)罩法)。滿足老化試驗(yàn)后要求的泄漏率不大于1×10-6Pa·m3/s。

7 結(jié)論

在真空密封連接器設(shè)計(jì)過程中，利用三維繪圖軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，對(duì)密封圈安裝部位的粗糙度、O形圈導(dǎo)入過程中接觸零件的倒角進(jìn)行嚴(yán)格要求，并進(jìn)行詳細(xì)的尺寸鏈設(shè)計(jì)，尤其是根據(jù)工作壓力對(duì)O形圈的擠出極限及間隙、密封圈的壓縮率計(jì)算。目前，采用該密封結(jié)構(gòu)的連接器已通過相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鑒定試驗(yàn)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到要求。

實(shí)踐證明，基于橡膠擠壓密封技術(shù)，合理選擇密封件材料及溝槽尺寸，進(jìn)行產(chǎn)品密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可快速制造出低成本的高密封長壽命連接器。