基于橡胶挤压密封技术的真空密封连接器浅析

2022-10-25杨光东羊衍富

机电元件 2022年5期

胡豪，杨光东，羊衍富

(1.四川华丰科技股份有限公司，四川绵阳，621000；2.四川互连创新科技有限公司，四川绵阳，621000)

1 前言

真空密封连接器主要用于气密座舱及其他电气、无线电设备，需要保持气密性能的电信号传输连接的场合。随着我国航空、航天、船舶、勘探等工业、农业、军事工业的突飞猛进，各种高温、高压、腐蚀、辐射等工作环境、工作设备的增多，耐环境密封连接器的需求与日俱增。

国内外连接器行业内通常采用的是玻璃-金属、陶瓷—金属烧结技术：即可伐合金接触件和可伐合金壳体之间采用热膨胀系数相近的玻璃体或陶瓷进行高温烧结，进而达到气密封合格的产品。采用玻璃或陶瓷烧结出来的真空密封产品，密封性能优异，指标高，可达到对干燥氦气的最大气体泄漏率不大于1×10-12Pa·m3/s。但是国内的玻璃(陶瓷)烧结技术不够成熟，烧结成品率低，投入大、产出少。并且玻璃(陶瓷)绝缘子比较脆，当连接器受到强振动或冲击的机械环境时，玻璃子(陶瓷)容易开裂，从而导致密封失效。急需一种新的结构技术实现真空密封性能，以解决玻璃(陶瓷)烧结存在的问题，同时解决制造周期长、成本高的问题。本文所要介绍的基于橡胶挤压密封技术的真空密封连接器结构，可在低成本及快速制造方面做出突破。

2 橡胶挤压密封原理

橡胶密封圈可以被想象成为不可压缩的、具有很高表面张力的“高粘度流体”。不论是受周围机械结构的机械压力作用、还是受流体传递的压力作用，这种“高粘度流体”在沟槽中“流动”，形成“零间隙”，或者说阻止了被其他密封的流体(如空气、水介质、油介质、粉尘)的流动。橡胶的弹性补偿了制造和配合公差，其材料内部的弹性记忆是维持密封的重要条件。

下图1a～d分别展示了O形密封圈在沟槽内部的四种形态。

a.装入沟槽 b.受到系统压力 c.O形圈挤出 d.O形圈失效

图1a中，O形圈安装后，未施加系统压力。此时O形圈受沟槽的机械压力，其截面已不是圆形，它关闭了流体的通道。

图1b中，在系统压力作用下，O形圈被迫挤向(但未挤进)配合面之间的狭窄间隙，从而获得了更大的接触面积和密封应力。

图1c中，O形圈所受压力达到了它的压力极限，有一小部分密封材料被挤进了沟槽间隙。

图1d中，进一步加大系统压力，密封件的表面张力已不足以阻止“流动”，材料挤出到开放的通道或间隙中，导致O形圈挤出失效。

3 关键技术介绍

用户都希望密封系统能无泄漏地长时间工作。对不同的应用，要获得完美的密封效果，材料的性能和密封的设计都是非常重要的。

常见泄漏形式

◆穿漏

通过密封面间隙的泄漏。在压力差的作用下，通过宏观和微观的缝隙的泄漏，此为单向泄漏。这主要与橡胶密封的预压力和密封沟槽的加工精度有关。

◆渗漏

在压力差的作用下，介质通过密封件材料的毛细管泄漏。泄漏也是单向分子泄漏流动。

◆扩散

在浓度差的作用下，介质通过密封间隙或密封材料毛细管产生的物质传递，叫扩散。扩散过程是双向的。

3.1 橡胶圈静密封技术——橡胶密封圈材料的选择

对于低真空和高真空，静密封一般采用橡胶作为密封材料，主要是由于它具有高弹性、较高的耐磨性和适宜的机械强度。橡胶的体积是很不容易被压缩的，在某一方向上受压就在另一方向上伸长，总体积几乎不变。因此，橡胶不仅可以用作压紧密封，而且还可以用作胀紧密封。O形圈可以广泛应用于各种环境。[1]

泄漏形式中的“渗漏”、“扩散”主要与橡胶圈材料及环境的温度、橡胶的渗漏性能、介质压力、介质种类、辐照、介质酸碱度等因素有关，所以产品的密封设计第一步应考虑各种条件因素，合理选择密封圈材料。

连接器行业通常使用硅橡胶、丁腈橡胶，氟橡胶等做连接器的密封件使用，本文主要对这三种材料的差异及区别作介绍，根据本产品使用环境条件，结合自身的材料属性做成选择。

(1)温度对橡胶的影响

在真空设备中，橡胶作为密封材料应用最为普遍，主要是由于它具有高弹性，较高的耐磨性和适宜的机械强度，因而具有在常温下密封可靠，可反复拆卸安装，易于加工，价格低廉的优点。缺点是不能承受高温和低温的环境条件。温度对橡胶的性能影响很大，高温容易使橡胶产生残余变形，加速橡胶的老化；低温容易使橡胶发生结晶硬化，丧失弹性。因此，橡胶都有一定的使用温度范围。常规橡胶的使用温度见表1，可知温度使用范围:丁腈橡胶<氟橡胶<硅橡胶。

(2)介质对橡胶的影响

常见的介质主要有水、油、气体、尘土等。各橡胶材料的耐介质性能介绍如下表1所示。[3]

表1 常用橡胶材料特点

从上表分析耐介质性能：硅橡胶<丁腈橡胶<氟橡胶。

(3)橡胶的渗漏性能

没有绝对的密封，橡胶圈自身也会发生泄漏。

气体能够通过橡胶等密封材料向真空一侧渗漏。不同橡胶在不同温度下对空气的透气性不尽相同，丁腈橡胶含有甲基基团，透气率较低，并且随丙烯腈的含量增高而降低；氟橡胶十分致密，对各种气体有较小的扩散速度和较大的溶解度,透气性很小，与丁基橡胶相当，在高温、真空中出气率很低(在2.6×10-7Pa的失重为2.3%),可用于10-5Pa～10-7Pa的真空密封;采用双“O”圈密封结构，烘烤到200℃，并加上冷却措施，可达到10-8Pa的超高真空。缺点是价格昂贵，通常只限于需要烘烤的高真空及超高真空系统中。硅橡胶是一种温度范围宽广的耐热橡胶，缺点是气体渗透率较普通橡胶大数十至数百倍，线膨胀系数比其他橡胶大。[1]

气体经橡胶的渗漏速度，开始时很快，然后逐渐降低，经过一定时间后，达到一稳定的渗透值。在室温条件下，空气对部分橡胶的透气性见表2。[1]

表2 部分橡胶对空气的渗透系数 (单位：cm3(STP)cm/cm2·s)

通过上表可知，渗透系数：丁腈橡胶<氟橡胶<硅橡胶。

综合比较，同时结合客户使用环境温度5℃～50℃、高放射性(γ射线)、耐酸碱，以及密封性能达1×10-8Pa·m3/s的要求，选用可靠性更高的耐辐照氟橡胶密封圈进行设计制造。

3.2 橡胶圈静密封技术——密封沟槽设计

3.2.1 沟槽密封型式

O形橡胶密封圈的沟槽尺寸和公差，一般参照GB/T3452.3-2005执行。根据O形圈压缩方向，O形圈沟槽型式分为径向密封和轴向密封两种，见下图2、图3，图4。[4]具体详见GB/T3452.3-2005叙述，此处不再深入。总之沟槽的设计对其密封能力是非常重要的，设计沟槽的截面面积要求稍微大于橡胶密封圈的截面面积，橡胶压缩后的充填因数φ>1，橡胶的压缩量通常为15%～30%。沟槽尺寸主要包括沟槽宽度和沟槽深度，以及棱边圆角及粗糙度要求。

图2 径向密封的活塞密封沟槽型式

图3 径向密封的活塞杆密封沟槽型式

图4 轴向密封的沟槽型式

3.2.2 沟槽深度

设计橡胶密封槽，要充分考虑橡胶密封圈的特点，橡胶圈受力形变后形状改变而保持体积不变，即不可压缩的弹性压缩能力，超过这种能力就会发生塑性变形，严重时造成表皮破损，因此，确保橡胶密封圈最适宜的压缩量是密封槽设计中重要的参数之一。过小不能形成长期稳定的可靠密封，过大会影响橡胶圈的使用寿命。

3.2.3 沟槽宽度

沟槽宽度是密封槽设计中另一重要参数。由于安装在密封槽里的橡胶圈受压前后，形状发生变化而体积不变(橡胶本身不可压缩)，因此，密封槽要有容纳密封圈变形的空间。在受压密封状态下，密封圈不可能将密封槽完全允满，在不同介质和温度下，橡胶圈会出现一定的膨胀，密封槽容积应有相对的余量。

静密封沟槽深度和沟槽宽度推荐参数见下表3所示。

表3 沟槽深度和宽度 (单位：mm)

3.2.4 安装倒角设计

正确的沟槽设计可以已开始就消除可能的损伤和密封失效。由于O形圈安装时受挤压，所以设计O形圈导入过程中接触的零件时，必须遵守规定的倒角和倒圆。

密封槽和转轴的端角处应有15°～30°的倒角，避免尖锐的棱角在装配时划伤密封圈，密封圈一旦被划伤，划伤处不仅仅存在漏气隐患，更主要的是密封圈的损伤在受力后会在蔓延扩大，导致密封失效。[1]运动部件各端部倒角形式见图5、图6，倒角最小长度Z，作为与O形圈截面直径相关的函数，列于下表4中：

图5 孔的导入倒角

图6 轴的导入倒角

表4 密封槽沟端部倒角尺寸 (单位：mm)

3.2.5 沟槽棱边圆角及粗糙度要求

密封圈受到内部或外部空气、液体等介质压力时，密封圈受压将会有一小部分密封材料被挤进了沟槽间隙，如图1c。所以沟槽的棱边尖锐部位将进行倒圆角处理，见图7。推荐圆角尺寸见下表5。

图7 沟槽棱边倒圆角

在压力的作用下，弹性体将贴紧不规则的密封表面。对气体或液体密封的紧配合静密封，密封表面应满足一些基本的要求。密封表面上不得有开槽、划痕、凹坑、同心或螺旋状的加工痕迹。对对沟槽各个表面的粗糙度要求推荐见下表5。

表5 沟槽圆角尺寸 (单位：mm)

4 橡胶挤压密封技术的真空密封连接器结构介绍

一般灌胶密封连接器密封性能指标要求：

例证1，Y11系列连接器，GJB101A中3.6.11条要求为灌胶密封插座在100kpa的压差下，泄漏率为60pa.cm3/s，也就是6×10-5pa.m3/s；

例证2，XC系列连接器，GJB2889，要求为50kpa气压下，泄漏率为46pa.cm3/s，也就是4.6×10-5pa.m3/s。由此可见，一般灌胶密封插座，密封性能指标不高，能满足一般的气密封要求，但在更高领域，无法满足，有局限性，但制造成本低，适合大批量生产。

本文所介绍的橡胶挤压技术真空密封连接器插座，采用橡胶挤压密封+阶梯状的防滑槽分层灌胶密封结构(见图8)，来满足：在200kPa压差下，保压时间不少于10分钟，对干燥氦气的最大气体泄漏率不大于1×10-8Pa·m3/s。由此可见，本文所介绍的连接器真空密封性能指标略低于常规的玻璃烧结指标要求1×10-12Pa·m3/s，但是又高于一般灌胶密封连接器要求的1×10-5Pa·m3/s；适用于真空密封性能略低于玻璃烧结连接器，而又高于一般灌胶密封连接器，且更加可靠的一种低成本，快速批量制造的新型真空密封连接器领域。新型真空密封连接器结构剖视见图8。

图8 橡胶挤压密封技术真空密封连接器结构

4.1 内部橡胶挤压密封结构设计

在接触件与安装板、安装板与外壳之间进行密封设计。接触件与安装板，安装板与外壳之间均装入双重O形圈，通过对O形圈一定的挤压量，实现可靠密封。

装配顺序：

1)在插针、插孔接触件上，将O形密封圈装入，形成接触件组件，结构见图9；

图9 接触件装配O形密封圈状态

2)将接触件组件装入安装板孔内，结构见图10所示。

图10 接触件组件在安装板孔内受压状态

3)接触件组件装入安装板后，形成安装板组件，再整体装入壳体内(壳体环形槽内预先安装两道O形密封圈)。后安装板外圆挤压密封圈，实现与外壳之间的密封。后安装板外圆端面倒角，便于安装装入，也避免了划伤密封圈，结构见图11。

图11 安装板与外壳之间的挤压密封结构

4.2 内部灌胶区域结构设计

同时在接触件和外壳内腔进行密封加强设计。外壳内腔以及接触件设计阶梯状的灌胶防滑槽结构，增大灌封胶的接触面积，加长空气泄露路径，保证气密封设计，实现第二层密封保证。结构见图12，图13。

图12 接触件防滑槽灌胶密封结构

图13 外壳防滑槽灌胶密封结构

5 预防O形圈密封失效的思考[2]

按照失效机理不同，常见的密封圈失效的形式有安装损伤、密封件卷曲、过度压缩、挤出、磨损、永久压缩变形、化学腐蚀、气体析出材料损失和热腐蚀等九种。现将密封圈失效机理及其解决办法详述如下。

(1)安装损伤

安装损伤表现为密封圈全部或部份呈现整齐伤口。其造成原因有:使用时密封圈装配未到位、密封圈尺寸不合适、密封圈硬度或弹性过低、密封圈表面有污物、润滑不足、沟槽锋利等造成边角划伤密封圈。

解决办法：清除锋利边角，沟槽设计更加合理，选择尺寸合适的密封件，选择弹性更大硬度更高的密封件。同时安装密封圈时应涂高真空润滑油脂，特别是传动轴进入内孔前(接触件进入安装板孔穴)，在接触件沟槽处、密封圈、安装板孔内表面要均匀涂上油脂，便于安装。

(2)密封件卷曲

密封圈卷曲表现为其表面明显呈卷曲并伴有扭转纹路。其造成原因有:使用安装材料太硬或弹性太小的密封圈、0形圈表面处理不均匀、沟槽表面粗糙、润滑不足等造成等。

解决办法：在接触件沟槽处、密封圈、安装板孔内表面要均匀涂上油脂，便于安装。使用辅助工具保证正确定位，保证O形圈不扭曲。

(3)过度压缩

过度压缩表现为密封圈接触表面呈现平面变形,并可能伴随裂纹。造成此类问题的主要原因有设计不合理，没有考虑到材料由于热量及化学介质引起的变形，或由于压力过大引起。

解决办法：沟槽的设计应考虑到材料由于温度及化学介质引起的变形。

(4)挤出

挤出可使密封圈边缘粗糙破烂，一般通常在压力低的一侧。造成此类问题的主要原因有间隙过大、压力过大、材料硬度或弹性过低、沟槽空间太小,间隙尺寸不规则、沟槽边角过于锋利以及密封圈尺寸不合适等。

解决办法：调整沟槽与密封圈压缩量，棱边倒圆角处理，材料选择应合理。

(5)磨损

磨损使密封圈全部或部分密封区域产生细纹，可在密封表面找到材料磨损颗粒。其造成原因为:密封表面光洁度不够,密封环境渗入磨损性强的污物,密封圈产生相对运动，密封圈表面处理不彻底等。

解决办法：提高沟槽表面粗糙，密封圈应清洁并充分润滑。

(6)永久压缩变形

永久压缩变形使密封圈表面呈现平面永久变形。其造成原因为:压力过大,温度过高,材料没有完成硫化处理,材料本身永久变形率高,材料在化学介质中过度膨胀。

解决办法：选择低变形率的材料；合适的沟槽设计；确认材料与介质相容。

(7)化学腐蚀

化学腐蚀可引起密封圈的各种缺陷,如发泡，破裂,小洞,或褪色等,有时化学腐蚀仅可通过仪器测量其物理性能而得知。其造成原因为:材料与介质不符或温度过高。

解决办法：充分考虑环境介质因素，选择更加耐化学介质或耐高温的材料。

(8)气体析出材料损失

气体析出材料损失通常较难检测，密封圈通常表现为截面尺寸减小。其造成原因有:材料硫化处理不当,高真空或高压密封使用环境,材料硬度过低,或使用了带有增塑剂的材料。

解决办法：避免使用带有增塑剂的材料，确认密封件经过正确的硫化处理以减低泄漏。

(9)热腐蚀

热腐蚀后密封圈的高温接触表面呈现径向裂纹。另外，有的材料可能会变囫或因温度过高而使材料变得有光泽。其造成原因主要有:材料不能承受高温，或高温超出预计温度，或温度变化过快，过于频繁。

6 验证情况

对采用以上结构的真空密封连接器按照GB/T15823-2009《氦泄漏检验》中“护罩法”(或真空室法)试验，在环境温度25℃±10℃条件下，连接器一侧充氦气100kPa(表压)，另一侧抽真空，在200kPa压差下，保压时间不少于10分钟，实际测量发现产品泄漏率分布在1×10-11Pa·m3/s～1×10-8Pa·m3/s区域，甚至个别达到1×10-12Pa·m3/s。试验结果满足设计要求的泄漏率不大于1×10-8Pa·m3/s。

6.1 辐照老化长寿命验证

使用该密封结构的40芯真空密封连接器插座，经过γ射线累计剂量200kGy的辐照老化试验(γ吸收剂量率为1kGy/h～12 kGy/h)，约30天再次按GB/T15823-2009《氦泄漏检验》中“护罩法”(或真空室法)试验，连接器一侧充氦气100kPa(表压)，另一侧抽真空，在200kPa压差下，保压时间不少于10分钟，对干燥氦气的最大气体泄漏率为3.4×10-10Pa·m3/s。