背負式電子設備的密封設計＊

張萬俊

（揚州萬方電子技術有限責任公司 揚州 225006）

1 引言

現代電子設備常常要求體積小、重量輕、功能強、結構緊湊等。為了滿足各種場合的使用要求，對于背負式電子設備來講，結構形式要比手持式大、重，尤其是軍用、空用等背負式電子設備，它們主要是用于經常攜帶在野外使用，受環境影響（如潮濕、霉菌、鹽霧等）比較大。對軍用電子設備更是常常提出防水要求，而解決以“防潮、防霉、防鹽霧”（簡稱三防）為主要內容的三防問題以及防水問題最有效的途徑之一就是密封。整機采用密封機箱可以相對降低對內部的三防要求，而且密封機箱對設備的維修性沒有影響。但是背負式電子設備的強度、剛度比其它中、大型機箱要低，為了結構緊湊和減輕重量，用于為密封加壓的機構、螺釘等也常常是不是很大的，而且螺釘跨度盡可能的是兩端，留更大更完整的空間給電路設計，這樣就不可能提供很大的密封力。另外，為了進一步方便維修、降低成本，密封結構的設計不允許太復雜，所有這些都給背負式電子設備機箱的密封設計帶來一些特殊問題。這就要求設計人員在不對設備結構本身提出過分苛刻要求的前提下，力求用最簡設計、最低成本、最易維修的措施來滿足設備的密封要求。

目前，電子產品的密封形式從結構上分主要可以分為兩種：可拆式和不可拆式。對于這兩種方式，在背負式電子設備中，主要還是選用的可拆式，便于維修。

2 密封材料

設備的密封質量與所選的密封材料有很大關系。密封材料質量的好壞將直接影響到設備的密封能力和可靠性，選好密封材料是進行密封設計的第一步。隨著科學技術的不斷進步，材料科學研究的不斷深入，出現了許多新型固體高分子密封材料。如橡膠型固體密封材料、塑料型固體密封材料等，而且在合作方法和密封性能上都有很大改進，為解決現代技術中的各種密封問題提供了有力保障。在小型電子設備中。最常用的密封材料是橡膠，具有彈性高、不透水、不透氣、電絕緣性好、比重低等優良性能，經過適當處理后，它還具有耐熱、寒、油、酸、堿、壓、磨、能導電等寶貴特點，所以它已成為密封結構中用得最多甚至是非用不可的密封材料。

考察橡膠質量的好壞，主要看以下幾個主要指標：1）拉斷強度；2）伸長率；3）扯斷伸長率；4）扯斷永久變形；5）拉伸應力；6）老化系數；7）邵氏硬度；8）脆性溫度。從密封的角度考慮，橡膠的硬度和脆性溫度不能太高，作為密封橡膠.實踐證明：其邵氏硬度應小于55°，脆性溫度應低于－50℃。常用的幾種密封橡膠性能參見表1，由表1可看出，橡膠的環境適應性有很大差異，在進行密封設計時，應根據設備的具體使用環境條件綜合考慮（包括性能、價格等因素），選擇相應橡膠材料。

表1 幾種常用密封橡膠的性能

3 密封結構的設計計算

對于可拆式的防水密封結構，常采用的是橡膠墊、橡膠圈（條）、橡膠套等結構形式來達到不同防水能力。圖1給出了幾種常用的密封結構形式。

圖2是橡膠圈（條）在機殼密封槽里通過螺釘擰緊與蓋聯接壓緊的密封方式，使橡膠產生變形而達到不同程度的密封。

當螺釘擰緊產生外力F后橡膠圈（條）由L1壓縮為L2其相對變形量為

實踐證明：當ε＝10%時，水分子仍然可以滲透，當F繼續加大到一定值時，相對變形量ε＝30%左右時，橡膠圈（條）的壓縮變形使接觸面牌密封狀態達到了防水作用。

圖1 常見的幾種密封結構

圖2 橡膠圈（條）變形示意圖

橡膠圈（條）的相對變形量不能取得太大或太小，太小起不到防水效果，太大使橡膠產生疲勞加速老化甚至破裂。以至于影響密封效果，固此，在密封設計中，橡膠的相對變形量一般取ε＝20%～30%為宜。設計中應當注意的是，橡膠的變形不僅與所加的壓力有關，與溫度、變形程度、受壓時間以及材料本身的邵氏硬度等多因素有關。

圖3 橡膠圈（條）在設備槽里截面尺寸圖 單位：mm

筆者曾研發的一個背負式電子設備的結構設計，通過反復計算和試驗，使設備完全能達到密封性能要求。下面就以該產品為例介紹一下密封設計的計算和試驗過程。

某設備的密封面結構尺寸如圖3所示，圓形截面橡膠圈選用硅橡膠料紅色6141一次壓制成形，截面尺寸為?2±0.2。

密封槽尺寸由下式可知：

由已知條件得：

解得：

所以選槽深1.5±0.05。

為了計算密封槽寬度b，假定橡膠圈（條）變形后將矩形槽填滿，那么橡膠圈（條）變形前后的面積近似相等。即：

把公差等其它綜合因素加起來取寬度為：2±0.05。

下面確定螺釘的數量：由于本設備的特殊性，為了節約內部空間給電路設計，本設備最好在四個角上放上螺釘，又因為長度方向上跨度長，為了更放心的，不要重復設計和加工，下面通過公式先計算一下：

橡膠的彈性模量E＝0.00784GPa＝7840000Pa 橡膠與金屬的摩擦系數f＝0.45～0.6，這里取f＝0.6［在參考文獻［5］中可查］。

橡膠圈的彈性模量Ep＝［1＋d1×（d－h）×f］×E≈127.9kg／cm2

橡膠圈的壓縮應力為：σ＝ε×Ep＝0.3×127.9＝38.4kg／cm2

橡膠圈（條）與蓋板的接觸面積近似為

達到密封時橡膠圈（條）所有需的壓緊力為

按照設計思路只要4只螺釘設想計算，故每個螺釘的擰緊力為

螺釘采用不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）的內六角螺釘：

查得其屈服強度σs≥206N／mm2＝21.02kg／mm2取最小值σs＝21.02kg／mm2，即：

按計算結果選用4只M5的不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）內六角螺釘可以滿足面板與圍框的密封防水要求。

雖然上面的計算和試驗都已滿足防水要求，但還有幾點值得設計人員注意的：

1）對于背負式設備，還要考慮的重要一點就是，由于該設備可能用于高低溫、水下等惡劣環境下使用，內部壓力與外部壓力肯定有一定的壓差，可能會使設備外殼變形，故最好在不影響設備功能或外觀的地方加一個防水透氣閥，以平衡內外壓差。

2）對于螺釘跨度達到220mm以上的情況下，還要考慮到面板壓下去的強度，否則可能會出現中間部分凸起。增加它的強度不僅在厚度上，還要在結合面上（見圖3）的加強筋，這樣就不會因其它因素（如試驗時對內部充氮氣，防水透氣閥這時肯定無需安裝，直接裝充氣頭等）使內外壓差變形而使密封失效。

3）要注意的是面板與圍框的接合面在加工時盡量保證表面粗糙度在1.6以上，密封圈（條）在槽內的松緊要得當，不要出現扭曲等現象。

圖4 接合面在蓋板上增加加強筋

綜合以上幾點一并在設計中應用，實踐證明，該設備通過無數次的水下1m（GJB要求）試驗，均未有發現有滲漏現象，到目前為止已生產5～6個批次的產品，浸水100%合格。說明其密封效果與理論設計基本是相吻合。

4 結語

通過以上對背負式設備密封的設計，這只是很多種密封形式中的一種，但計算方法和步驟在這類背負式電子設備和中小型設備中大致相同。隨著加工技術的不斷進步，加工工藝的不斷完善，加工設備的不斷改進，在進行設備機箱的密封設計時，力爭做到既簡單、經濟又可靠、實用。目前，許多這類設備采用工程塑料直接壓塑成形，可以加工成各種復雜的形狀，以滿足電路設計要求，減低成本，也可以在塑料表面電鍍銅等防電磁兼容的材料，同樣也達到電磁兼容等要求。但這類產品很難控制密封槽尺寸的一致性和收縮比，還有提供的壓緊力（密封力）也不如金屬材料大等，這就給密封設計帶來了一定困難，因此結構設計人員還應加強對塑料機箱的密封設計研究，以提高其密封能力，以降低設計和產品的成本。

［1］龔維蒸，張裕容，戎磊.電子設備結構設計基礎［M］.南京：東南大學出版社，1994：85－95.

［2］魏廣升，褚祥治.工程材料學［M］.北京：中國勞動出版社，1996：197－223.

［3］王健石，胡克全，吳傳志.電子設備結構設計手冊［M］.北京：電子工業出版社，1993，51－53.

［4］龔維蒸.無線電設備結構設計與工藝［M］.天津：天津科學技術出版社，1983：250－261.

［5］季德俊，范太炳.膠接與密封材料［M］.北京：機械工業出版社，1990：30－45.

［6］趙琳娜，王朝安.某野戰20線程控電話交接機機箱設計［Z］.中國電子學會通信分會第九屆結構與工藝學術會議，1999：46－49.

［7］南京工學院.電子設備結構設計原理［M］.南京：江蘇科學技術出版社，1981：411－444.

［8］方昆.工程材料手冊－非金屬材料卷［M］.北京：北京出版社，2001：118－147.

［9］鄧召義，姚振甫.實用電子機械設計技術手冊（機械部分）［M］.北京：電子工業出版社，1996：645.

［10］王健石.電子設備結構設計標準手冊［M］.北京：中國標準出版社，2001：349－380.