一種快速進行操作孔密封裝置的設計

方勇， 熊傳志

（中國船舶重工集團公司 第710研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

水下耐壓殼體廣泛使用操作孔對其內部所裝設備進行操作,而水下機器人的耐壓殼體不僅用來裝載電子功能設備和傳感器,以保護電子功能設備和傳感器不受到海水的侵蝕而損壞,還要提供水下機器人航行時所需的浮力。因此，孔座與孔蓋要有可靠的密封以保證水下機器人的正常工作。同時，在水下機器人的研制過程中，由于經常要開孔蓋進行設備操作和數據上傳下載等工作，因此孔蓋還要方便拆卸。

為保證水下機器人正常工作，操作孔蓋除滿足一般密封要求外，還要能承受一定的海水壓力。目前其結構一般采用螺釘連接密封（圖1）或螺塞連接密封（圖2）。螺釘連接雖然可靠，但由于螺釘連接的殼體外表面存在孔和間隙，易造成殼體外的流體阻力增加和產生孔穴噪聲。同時螺釘連接拆卸和裝配困難，對稱緊固若干螺釘耗時較多，在結構上要求占用的空間也較大。螺塞連接密封對孔座上加工的螺紋和與孔蓋配合的密封孔同軸度要求很高，即使螺紋與孔一次裝夾加工制成，但由于孔座大多焊接在殼體上,也容易產生變形，而且采用熱處理消除殘余應力也難以穩定其尺寸結構。同時在鋁合金材質上安裝鋼絲螺套的過程中，也不可避免會產生同軸度偏差。這樣不僅使得孔蓋很難裝配，而且影響密封效果，并且螺塞連接密封拆裝需要專用的工具。為此，針對以上兩種密封的不足,設計了一種新型的操作孔密封結構，該結構密封可靠，而且無需專用工具即可快速對水下機器人操作孔進行密封。

圖1 螺釘連接密封

圖2 螺塞連接密封

1 結構組成及工作原理

可快速對水下機器人操作孔實行密封的裝置由孔座、鎖緊板、整流蓋、O型橡膠圈、螺釘組成，如圖3所示。為保證密封的可靠，采用了軸向密封與徑向密封兩種形式。為提高耐海水腐蝕的能力，該水下機器人操作孔座和孔蓋均選用5A06防銹鋁制造，表面粗糙度值為Ra3.2，加工完后進行陽極氧化、鉻酸鹽封閉處理?？鬃霞庸び协h形槽用來放置鎖緊板，并且孔座上加工有2個對稱的半圓形開槽用來放置整流蓋背面的圓形凸臺，以防止整流蓋旋轉。整流蓋正面與水下機器人殼體外表面共形，以減小水流阻力和孔穴噪聲。O型橡膠圈放置在孔蓋上加工的圓錐臺和溝槽內。安裝時將螺釘預先旋在孔蓋上，并將徑向密封用的O型橡膠圈裝在孔蓋上的環形溝槽內，同時將角向密封用的O型橡膠圈安裝在孔座中;然后將鎖緊板兩側的半圓形部分順著孔座上的圓弧開槽放入孔座的環形槽，再將鎖緊板在環形槽中旋轉使鎖緊板兩側的半圓形部分和孔座內的開槽錯開；用改錐將螺釘向上旋轉從而將孔蓋向下壓緊和鎖緊板向上壓緊；最后安裝整流蓋以保證外形整流。

在微壓或無壓的情況下，其密封靠O型橡膠圈預壓縮后所產生的回彈力壓附到孔壁上實現防水密封。當外界壓力增大時，O型橡膠圈被壓到溝槽的另一側，使其變形增大，接觸面加寬，堵塞了水流通道，達到其密封目的。

圖3 快速實行操作孔密封裝置的結構組成示意圖

2 設計計算

本密封裝置設計計算主要是孔蓋與孔座徑向密封的配合尺寸計算。當二者之間的配合部分間隙過大時,在外壓作用下O型橡膠圈易從間隙擠出使密封遭到破壞產生泄漏,一般來說,間隙越小,它的耐壓力越高。但間隙過小，在孔蓋拆卸時可能會出現“卡住”現象，因此間隙要稍大一些，以滿足裝拆要求，這樣就降低了它的水密性。雖然安裝O型橡膠圈的溝槽尺寸及配合公差已制定了國家標準GB/T3452.3-2005《液壓氣動O形橡膠密封圈 溝槽尺寸》。但標準上所指定的配合公差H8/f7或H8/f8太小,并不完全適合水下有環境壓力的工作條件。因此合理確定密封間隙是非常必要的。

孔座與孔蓋均采用5A06防銹鋁材料制造，由于二者材料相同,這樣就易造成密封面粘接、劃傷。導致密封面粘接主要是孔座在海水壓力作用下產生塑性變形,導致其內徑減小而與孔蓋粘接。同時孔蓋與孔座在裝配時,同軸度公差也容易使二者因短接而相互劃傷。因此,密封間隙數值主要由孔座的徑向位移和密封短接的同軸度公差兩部分組成［1］。

2.1 徑向位移的計算

根據《材料力學》給出的圓筒徑向變形的分析計算,并考慮到水下機器人的工作狀態，孔座半徑的徑向位移為式中：u為徑向位移；E為彈性模量；p為工作壓力；a為孔座內徑；b為孔座外徑。

2.2 同軸度公差的確定

密封短接同軸度公差的大小應根據零件的設計要求和加工設備精度情況具體確定,根據經驗建議用IT8級。

2.3 密封間隙的計算

密封間隙δ的大小，由孔座徑向位移u和密封短接同軸度公差v兩項構成，公式為

3 結語

針對目前水下機器人操作孔采用多個螺釘連接密封和螺紋壓環密封方式的不足之處，設計了一種新型的操作孔密封方式。該結構操作時裝卸快速,只需用改錐將預先旋入孔蓋的螺釘向上旋轉即可將孔蓋向下壓緊和鎖緊板向上頂緊。同時由于該結構采用O型橡膠圈軸向密封與徑向密封相組合的形式,經水下機器人大深度長航程海上試驗驗證,密封更安全可靠。

［1］ 劉法憲,祝桂波.確定井下儀器密封間隙的方法［J］.油氣田地面工程,2003，22（1）：47-48.