一種水下光電連接組件的設計

朱家遠　洪進　周曉楠

摘 要：文章介紹了光電連接組件的各項性能指標及其設計過程并對其可行性及可靠性進行了分析，通過試驗驗證了該連接組件各項性能均滿足指標要求，具有結構簡單、緊湊、性能穩定、工藝成熟及可靠性高等特點。

關鍵詞：水下光電 連接組件 性能設計

中圖分類號：TN818 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（a）-0099-04

水下連接組件是水下系統的重要組成部分，一方面為系統的水下部分提供動力電源，同時也承擔水上與水下信息的高速傳輸，是重要的“連接紐帶”，因此應對該產品進行性能分析及可靠性計算。根據該產品的應用環境及背景，影響其性能的因素主要包括：光電單元數量、載荷作用、水壓密封、密度（重量）、外形尺寸、海水腐蝕以及滿足收放通道要求和運輸存放條件等，因而需要對該組件進行承力、水密、耐腐蝕等特殊性能的設計分析以及嚴格的尺寸、重量控制。

1 整體方案設計

連接組件主要由光電復合纜和承力連接單元兩部分組成，如圖1所示。承力連接單元面臨動態載荷作用下的承力密封，考慮到尺寸空間受限，復合纜增強層的連接采用膠粘結構，密封結構采用組合密封方式，通過多種、多層密封結構，實現具有一定承載能力的密封結構。

1.1 承載設計

1.1.1 承載單元接結構設計

承載單元采用粘接結構實現復合纜與組件剛性連接，在此結構中，增強層受到的應力可表示為：·，式中，和分別為纖維和粘膠基體中的應力，并分別等于·和（ε為復合材料的應變），其受力變形如圖2所示。

組件采用粘接結構實現復合纜與組件的剛性連接，方案中采用專用粘接膠抗剪切性能優良，剪切強度超過20 MPa以上；專用承力部件的抗拉強度通過計算完全滿足2 t拉力要求，具有結構簡單、緊湊等特點；通過預緊拉伸粘接工藝實現芳綸均勻受力，保證組件的承載性能。

1.1.2 外殼體承載設計

連接組件的材料為鈦合金，工作拉力設計為200 kg，破斷拉力為2 000 kg，所以外殼體的承載設計主要針對破斷拉力情況下而進行的強度計算。在此條件下，外殼體的危險斷面受力如圖3所示。

在2 000 kg的拉力作用下，外殼體上產生的應力可以表示為：

≤[σ]

式中：F為斷裂強度；

Ko為預緊系數；

Kc為剛性系數；

n為安全系數；

[σ]為材料的許用應力；

D為殼體外徑；

d為殼體外徑。

根據計算，承載元件危險斷面所受拉應力為143 MPa，遠小于材料的許用應力。

1.2 水密設計

水密性能是承力連接單元的重要性能指標，確保組件在5 MPa的水域可以進行正常供電或光電信號的傳輸。主要采用耐水壓密封膠、O型圈密封及填料函密封，每種密封結構在設計上均能滿足5 MPa水壓密封要求并對密封結構進行強度校核，保證密封件能正常工作。

1.2.1 O型圈密封

O圈密封屬于擠壓彈性體密封，是靠密封環預先被擠壓由彈性變形產生預緊力，同時工作介質壓力也擠壓密封環，使之產生自緊力。設計中，必須保證密封圈要有足夠的預壓縮率，同時避免預壓縮率過大，以免影響密封圈的工作壽命，如圖4所示。

密封圈被套在密封圈槽上之后，會有一定的拉伸量，其斷面直徑d0變小，假定變為d1，根據體積不變原理，即：

式中：D0為密封圈外徑；

d0為密封圈斷面直徑；

D為孔直徑；

δ為密封圈壓縮量；

d1為拉伸后的密封圈斷面直徑。

對于平面軸向靜密封，密封圈壓縮量δ=15%～30%，對于圓柱面徑向靜密封，密封圈壓縮量δ=10%～15%為宜[1]。

1.2.2 填料函密封

填料函密封的機理類似于O型圈，填料函壓緊后的，其壓力分布圖如圖5所示。

密封墊沿表面長度上的接觸應力變化：

P=K·≤

式中：K為橫向應力比，常數；

μ1、μ2分別為墊圈與纜、金屬外殼之間的摩擦系數；

t為密封墊的徑向厚度。

得到密封墊的壓力分布圖后，即可控制密封墊的最大應力在允許應力值范圍內，從而確定密封墊在工作中壓縮量，保證其可靠性及穩定性[2]。

1.2.3 密封結構抗壓強度

工作中，承力連接單元會受到水壓作用，如圖6所示，外殼的壁厚應保證工作深度等要求，為保險起見，增加材料安全系數nb。

抗水壓：≤[σ]

≤[σ]

式中：σr為水壓徑向載荷 ；

σθ為水壓軸向載荷；

p為工作水深壓力；

[σ]為材料的許用應力；

σb為材料的強度極限；

nb為材料安全系數；

D為殼體外徑；

d為殼體內徑。

通過校核，對密封結構的危險截面進行仿真計算，最大應力為11.3 MPa，遠小于材料許用應力值，完全可以保證密封結構的可靠性及穩定性。

1.3 外形尺寸及重量控制設計

組件的外形及重量越小對系統越有利，因此在結構設計中需嚴格控制外形和重量。通過分析，組件的長度要求較為嚴格，在直徑上相對較為寬松，因此采用光電單元獨立連接方式以滿足設計要求，如圖7、圖8所示。采用該結構，一方面可以采用較小的4個獨立連接器實現光電單元連接，避免光電整體插拔產生的大體積固定面板，利于減小重量；另一方面，該結構可以省略導向機構，進而實現長度方向上的尺寸縮短。在材料選擇上，外殼體設計選用鈦合金，內部芯體采用輕質金屬或者工程塑料材料制成，盡量減少鋼、銅等高密度金屬材料的使用。

1.4 光電復合纜

光電復合纜結構內層采用層絞式集成，中間層采用高強度、高模量纖維增強，最外層采用柔軟、耐磨型護套材料，具備耐彎曲、強度高、結構緊湊等特點。

1.4.1 工作及斷裂拉伸負荷

復合纜工作中受到水下分機及自身重量的影響，需承受20 000 N的載荷，鑒于光纜工作拉伸負荷可靠性設計，整體應變量最大控制在7‰，在該應變條件下光纜內部的光單元和電線才不會受到影響。復合纜內部采用新型高強度高模量纖維，經過計算增強纖維量達到78 720 dtex，纖維整體強度將達到29 126 N，考慮到后期的承力連接器連接效率，在光纜內部填充4根增強單元，保證光電復合纜的整體強度完全滿足設計要求。

1.4.2 線間耐電壓強度

線間耐壓要求大于等于5 000 kV，該指標主要通過電線外護層的耐壓性能設計來實現。外護層材料采用交聯ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚物），耐壓值計算公式：

式中：U為耐電壓；

K1為劣化系數，1.1；

K2為溫度系數，1.1；

K3為安全裕度，1.1；

E為ETFE最小擊穿場強，90 000 V/mm；

T為絕緣厚度，0.3 mm。

經計算，U值為11 712 V，完全滿足設計要求。

1.4.3 導體電阻

為滿足直流電阻小于等于15 Ω/km的要求，電線導體采用導電性能良好的鍍銀銅線。電線導體計算公式：

式中：A為電力導線截面積，電力導線用絞合鍍銀銅線，A因為絞合軟銅線截面積之和（電線采用0.28×19鍍銀絞線）；

ρ為電力導線在溫度20℃時的電阻率（鍍銀銅線電阻率為0.017 241×10-6Ω.m）；

α為導體電阻材料溫度系數（0.003 85 ℃-1）；

k1為單根導線加工過程引起金屬電阻率的增加引入的系數1.07；

k2為用多根導線絞合而成的線芯，使單根導線長度增加引入的系數1.02；

k3為緊壓線芯引入的系數1.01；

k4為成纜絞合線芯長度引入的系數1.01；

k5為考慮導線允許公差引入的系數1.01。

代入公式計算電線導體直流電阻為12.9 Ω/km，滿足設計要求。

1.4.4 單位長度重量

經過計算將構成光纜的各項元器件疊加重量達到75 g/m。

1.4.5 具有防海水腐蝕、防鹽霧功能

光纜外層采用聚氨酯材料，是一種耐海水腐蝕、阻燃材料完全滿足系統的工作環境[3]。

2 可靠性及可行性分析

2.1 密封設計

金屬零部件間的密封采用螺紋密封膠與O型圈組合密封或雙O型圈組合密封（軸向+徑向）；纜與殼體之間采用填料密封及硫化密封。所采用的密封技術均有成熟的操作工藝，每種密封均具有優良的耐環境性能且每種密封結構在設計上均能滿足5 MPa水壓要求。

2.2 抗拉承載

2.2.1 復合纜

復合纜內部的高強度高模量纖維設計強度將達到29 126 N，考慮到纖維的整體出力效應80%，光纜的斷裂拉伸負荷為23 301 N。而后期的承力連接器出力效應要達到20 000 N的狀態，在光纜內部填充4根增強單元，每根單元可以達到2 000 N，4根總量達到8 000 N，光纜的整體強度就達到31 000 N，滿足設計要求。

2.2.2 承力連接單元

組件采用錐形粘接結構實現復合纜與組件剛性連接，具有結構簡單、緊湊等特點，實施操作工藝成熟，該結構及工藝在多個浮空平臺、拖曳探測系統中得到檢驗及驗證。抗拉鎖纜部件采用帶鎖纜結構的抗拉粘接部件，利用特種粘膠將纜內的承力單元與抗拉部件剛性連接，同時抗拉部件采用抱緊結構對外護套實現抱緊鎖死，可有效地預防外護套在受力狀態下相對內部的承力單元產生相對位移，保護密封結構不受破壞。

2.3 耐環境載荷

組件在實際工作環境中可能會受到海流作用產生過度扭轉，造成復合纜的扭傷。如圖9示，在水下分機入水后，水下分機可能會自傳及圍繞直升機轉動。作業高度為25 m，可以緩沖扭轉狀況，實現一定的退扭功能。因此，組件在設計過程中，要使復合纜具備一定扭轉狀態下的正常工作性能；在承力連接單元與復合纜的連接部位采用柔性過渡方式，通過延長硫化長度減緩該部位的應力集中，保護該點免受破壞；條件允許時通過安裝光電滑環降低扭矩載荷的積累，也可以有效降低該現象造成傷害的概率。

2.4 耐反復收放

復合纜要滿足200次使用要求，強度上有足夠的設計安全余量，在200次使用后仍然滿足設計要求。該復合纜已經在某型浮力拖曳纜得到驗證，該型號光纜內部2路光纖，動態彎曲200次，4.5 MPa工作水深，破斷拉力30 kN，密度（1.025±0.05）g/cm3，產品與該項目非常相似，同時該纜也具有強度高、外徑小、零浮力、耐收放等特點，所以水下探測用光電復合纜已經在同類型產品得到驗證。

3 結語

文章詳細介紹了光電連接組件的各項性能及其設計過程，且均能滿足指標要求。通過對連接組件進行可行性及可靠性分析并通過試驗驗證了該連接組件具有性能穩定、工藝成熟、可靠性高及可擴展性強的特點。

參考文獻

[1] 龔步才.O型圈在靜密封場合的選用[J].流體傳動與控制，2005（4）：52-56.

[2] 許廷強，張平華，王建軍.填料函密封壓緊方式對使用效果的影響與改進[J].科技傳播，2011（10）：189-190.

[3] 竇方芹，趙京鳳，汪波.一種輕型水下光電復合纜的設計[J].現代傳輸，2016（5）：55-57.