水下傳感器承壓密封結構設計

李 波， 馮 凱， 傅曉晗， 馮 飛， 趙 亮， 盛美萍

(西北工業大學 航海學院，陜西 西安 710072)

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水下傳感器承壓密封結構設計

李 波， 馮 凱， 傅曉晗， 馮 飛， 趙 亮， 盛美萍

(西北工業大學 航海學院，陜西 西安 710072)

設計了一種水下傳感器承壓密封結構，包括傳感器外殼承壓與整個機械結構的密封設計。承壓外殼采用圓柱形設計，經耐壓殼體理論計算能夠承受最大10 MPa水壓。通過O型圈與橡膠突起結構實現了靜水壓密封。與現有水下傳感器硫化密封結構進行比較，所設計密封結構在保證測試需求的前提下具有可拆卸、易更換的優點。

水下傳感器； 承壓殼； O型密封圈； 靜水壓密封

0 引 言

水下傳感器主要用于水下環境的探測與勘察。隨著海洋事業的發展，水下傳感器在現實應用與科學實驗中的需求量不斷增大。由于水下環境復雜多變，水下傳感器需有良好的承壓、密封性能。目前，國內尚無專門針對大深度的水密傳感器產品，無法滿足大深度、長時間承壓下的測試需要。本文通過與現有傳感器密封結構進行對比，指出現有傳感器結構上存在的弊端。主要從密封、承壓兩個方面對水下傳感器結構進行了設計，并結合理論計算與仿真論述可行性。

1 水密傳感器密封現狀

可靠的密封技術是水密傳感器正常工作的前提。尤其是深海勘察，對水密傳感器的密封性能要求較高。目前，常用密封方法之一是膠封[1]。密封膠類型很多，不同種類的密封膠與密封工藝會對傳感器密封性能產生影響。膜片焊接密封在傳感器制作過程中也得到廣泛應用。焊接密封提高傳感器的可靠性與耐腐蝕性，在理論上較為可靠，但焊接加工過程復雜，材料選擇、加工工藝與焊接方式都會對密封性能產生影響。相關文獻指出，焊接時的高溫可能會損壞傳感器[2]。此外，硫化密封的方式在目前傳感器密封時以上密封方式基本能夠滿足大深度的水下實驗，但在使用中發現，由于操作不當等原因易導致密封結構損壞。例如：當勘測點位于深水位置，需要較長的電纜與傳感器連接。安放傳感器過程中異物阻擋將導致硫化橡膠層被迫剝離或者電纜斷裂，損壞整套傳感器裝置。

2 密封結構設計

如圖1所示，承壓殼與殼子之間的水密，通過安裝在密封槽內O形圈實現。O形圈在水下受壓時形成合理的彈性變形，填充承壓殼體和頂蓋之間的縫隙，起到水密作用。插拔處的水密借助橡膠凸起實現，密封機理仍為彈性變形填充插拔結構處縫隙。

承壓殼內徑d=13 mm，密封蓋溝槽寬度b=2.40 mm，深度1.38 mm;O形圈內徑d1=18 mm，O形圈截面直徑d2=1.8 mm[3,4]。

圖1 密封結構設計

3 承壓結構設計

3.1 承壓結構

承壓外殼采用金屬外殼，殼體結構為薄壁圓筒力學模型。金屬材料可選擇鈦合金或鋁合金，根據薄壁容器模型對殼體承壓10 MPa設計要求，計算可得到承壓外殼的基本尺寸，傳感器與承壓殼通過螺紋固定。承壓外殼具有安裝螺紋。圖2為承壓結構示意圖，承壓殼為薄壁圓柱殼。

圖2 傳感器承壓殼結構示意圖

3.2 承壓性能理論計算

外壓容器的失效形式有強度失效和失穩。當強度不足時，外壓容器的失效形式為強度失效；當剛度或慣性矩不足時，外壓容器發生失穩。所以，外壓容器的設計應包括強度與穩定性設計或校核。工程設計中，外壓容器一般選取D0/δe大于20的薄壁外壓容器，其主要的失效形式是因剛度不足而發生失穩變形[5]。

3.2.1 穩定性計算

外壓容器失穩的臨界壓力以R.V.Mises公式為基礎，分為長圓筒和短圓筒兩類。

長圓筒臨界壓力計算采用布雷斯—布賴恩公式[6]

pcr=2.2E(δe/D0)3

(1)

短圓筒臨界壓力計算采用美國海軍試驗水槽公式[7]

由于0.45(δe/D0)0.5量很小，忽略不計，故，短圓筒的臨界壓力為

(2)

令式(1)與式(2)相等，取

D0/δe=20

針對式(1)、式(2)，引入安全系數n=3后，長、短圓筒的許用外壓力分別為

(3)

(4)

外壓容器設計時，考慮到容器材料的不均勻性以及制造的圓度誤差影響，設計外壓應滿足p≤[p]，由于外徑D0未知，故采用容器內徑D1進行近似計算。由式(3)、式(4)計算得:

長圓筒δ=1.11D1(p/E)0.333；

所設計的外殼內徑D1為13mm，長度L為27.65mm，使用短圓筒公式進行計算

選擇外界壓力為10 MPa，安全系數為3，楊氏模量為160 GPa，計算可得厚度為0.825 mm。

3.2.2 強度計算

對于強度計算，臨界壓力的計算式為

(5)

(6)

選擇外界壓力為10 MPa，安全系數為3，屈服強度為180 MPa，計算可得厚度為1.08 mm。綜上，厚度至少要大于1.08 mm。

3.3 承壓性能仿真分析

由于傳感器只有承壓殼和連接頭裸露，其余部分均處于承壓殼體內，密封脂具有流動性，可以不予考慮，因此,模型簡化為承壓殼和連接頭兩部分假設成立[8]。

三維模型通過SOLIDWORKS軟件建立，將建立的模型轉出為IGS格式，然后導入到ANSYS Workbench中進行處理。以結構鋼為例，模擬傳感器水下承壓10 MPa條件下的靜力學分析。

將模型均定義為結構鋼，彈性模量為200 GPa，泊松比0.3，屈服強度為250 MPa，定義面載荷為10 MPa，假設流體靜止，則壓強垂直于作用面指向殼體內部。模型主體兩部分，定義接觸為Bounded(綁定)。本文根據模型的實際情況，由于承壓殼和連接頭用螺絲連接。網格劃分采用自由劃分方法。根據前處理的各參量定義，得到模型的變形，應力以及應變的分布情況[9]。

圖3的總變形量仿真理論根據為第四強度理論，最大變形量為4.3 μm ，分布在承壓殼大部分。圖4為應力仿真結果。可以看出最大應力出現在承壓殼連接螺紋的退刀槽處，應力集中現象明顯，可通過改善結構，增加圓角，緩解應力集中現象。最大應力為146.57 MPa，低于屈服強度，結構強度合理。

圖3 總變形量

圖4 應力

圖5為具體的應變的分布情況。

圖5 應變

4 結束語

對水下傳感器的承壓密封結構進行了設計，并按照設計委托專業廠家生產了傳感器樣品，經過耐壓檢測，達到承壓密封要求。改變傳統的密封方式，在承壓外殼與密封蓋、橡膠套等結構間設置O型圈，實現密封。承壓殼設計為圓柱金屬外殼，經過理論計算及仿真分析，可以承受10 MPa水壓。該承壓密封結構性能可靠，為了方便拆卸，在密封結構中增加插拔結構，相比傳統水下加速度傳感器具有可拆卸、易更換的優點。

[1] 王曉英,胡玲玲.論如何提高傳感器的防護與密封效果[J].稱重知識，2011，40(6)：40-42.

[2] 潘鐘元.傳感器密封材料的比較與選[J].衡器，2007，36(4)：48-49.

[3] 盧新波,張中明.O形圈材料選擇與密封結構設計[J].液壓氣動與密封,2012(2):26-28.

[4] 葉惠軍.O形密封圈結構設計及相關問題探討[J].液壓氣動與密封,2013(6):63-64.

[5] 單輝祖．材料力學[M]．3版.北京：高等教育出版社，1999：318-319．

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[8] 胡曉樂，吳 曉，羅 薇，等．基于ADAMS和ANSYS的液壓舉升機構優化與結構分析[J]．機械設計與制造，2012(4)：192-194．

[9] 李 真，許文良．Ansys Workbench結構分析在塑殼斷路器中的應用[J]．低壓電器，2013(3)：17-21．

Design of pressure-bearing seal structure of underwater sensor

LI Bo， FENG Kai， FU Xiao-han， FENG Fei， ZHAO Liang， SHENG Mei-ping

(School of Marine Science and Technology，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China)

A pressure-bearing seal structure of the underwater sensor is designed,involving pressure-bearing capacity of shell of sensor as well as the design of the whole mechanical seal structure.A cylindrical pressure shell which is established based on theoretical pressure calculation,can withstand the pressure up to 10 MPa and is realized by the hydrostatic pressure seal with the O-type seal rubber ring.Under the premise of guaranteeing the test requirements,this structure has advantages of both being removable and easy to be replaced compared with the existing vulcanized seal ones.

underwater sensor； pressure shell； O-type seal ring； hydrostatic pressure seal

10.13873/J.1000—9787(2017)08—0072—03

2016—09—06

TB 42

A

1000—9787(2017)08—0072—03

李 波(1993-)，男，本科，專業方向為熱能工程。