張萬(wàn)俊

（揚(yáng)州萬(wàn)方電子技術(shù)有限責(zé)任公司 揚(yáng)州 225006）

1 引言

現(xiàn)代電子設(shè)備常常要求體積小、重量輕、功能強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊等。為了滿足各種場(chǎng)合的使用要求，對(duì)于背負(fù)式電子設(shè)備來(lái)講，結(jié)構(gòu)形式要比手持式大、重，尤其是軍用、空用等背負(fù)式電子設(shè)備，它們主要是用于經(jīng)常攜帶在野外使用，受環(huán)境影響（如潮濕、霉菌、鹽霧等）比較大。對(duì)軍用電子設(shè)備更是常常提出防水要求，而解決以“防潮、防霉、防鹽霧”（簡(jiǎn)稱三防）為主要內(nèi)容的三防問(wèn)題以及防水問(wèn)題最有效的途徑之一就是密封。整機(jī)采用密封機(jī)箱可以相對(duì)降低對(duì)內(nèi)部的三防要求，而且密封機(jī)箱對(duì)設(shè)備的維修性沒(méi)有影響。但是背負(fù)式電子設(shè)備的強(qiáng)度、剛度比其它中、大型機(jī)箱要低，為了結(jié)構(gòu)緊湊和減輕重量，用于為密封加壓的機(jī)構(gòu)、螺釘?shù)纫渤３Ｊ遣皇呛艽蟮模衣葆斂缍缺M可能的是兩端，留更大更完整的空間給電路設(shè)計(jì)，這樣就不可能提供很大的密封力。另外，為了進(jìn)一步方便維修、降低成本，密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不允許太復(fù)雜，所有這些都給背負(fù)式電子設(shè)備機(jī)箱的密封設(shè)計(jì)帶來(lái)一些特殊問(wèn)題。這就要求設(shè)計(jì)人員在不對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)本身提出過(guò)分苛刻要求的前提下，力求用最簡(jiǎn)設(shè)計(jì)、最低成本、最易維修的措施來(lái)滿足設(shè)備的密封要求。

目前，電子產(chǎn)品的密封形式從結(jié)構(gòu)上分主要可以分為兩種：可拆式和不可拆式。對(duì)于這兩種方式，在背負(fù)式電子設(shè)備中，主要還是選用的可拆式，便于維修。

2 密封材料

設(shè)備的密封質(zhì)量與所選的密封材料有很大關(guān)系。密封材料質(zhì)量的好壞將直接影響到設(shè)備的密封能力和可靠性，選好密封材料是進(jìn)行密封設(shè)計(jì)的第一步。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，材料科學(xué)研究的不斷深入，出現(xiàn)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(jìn)，為解決現(xiàn)代技術(shù)中的各種密封問(wèn)題提供了有力保障。在小型電子設(shè)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(yōu)良性能，經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理后，它還具有耐熱、寒、油、酸、堿、壓、磨、能導(dǎo)電等寶貴特點(diǎn)，所以它已成為密封結(jié)構(gòu)中用得最多甚至是非用不可的密封材料。

考察橡膠質(zhì)量的好壞，主要看以下幾個(gè)主要指標(biāo)：1）拉斷強(qiáng)度；2）伸長(zhǎng)率；3）扯斷伸長(zhǎng)率；4）扯斷永久變形；5）拉伸應(yīng)力；6）老化系數(shù)；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(shí)踐證明：其邵氏硬度應(yīng)小于55°，脆性溫度應(yīng)低于－50℃。常用的幾種密封橡膠性能參見(jiàn)表1，由表1可看出，橡膠的環(huán)境適應(yīng)性有很大差異，在進(jìn)行密封設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的具體使用環(huán)境條件綜合考慮（包括性能、價(jià)格等因素），選擇相應(yīng)橡膠材料。

表1 幾種常用密封橡膠的性能

3 密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算

對(duì)于可拆式的防水密封結(jié)構(gòu)，常采用的是橡膠墊、橡膠圈（條）、橡膠套等結(jié)構(gòu)形式來(lái)達(dá)到不同防水能力。圖1給出了幾種常用的密封結(jié)構(gòu)形式。

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

當(dāng)螺釘擰緊產(chǎn)生外力F后橡膠圈（條）由L1壓縮為L(zhǎng)2其相對(duì)變形量為

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

圖1 常見(jiàn)的幾種密封結(jié)構(gòu)

圖2 橡膠圈（條）變形示意圖

橡膠圈（條）的相對(duì)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(chǎn)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(shè)計(jì)中，橡膠的相對(duì)變形量一般取ε＝20%～30%為宜。設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)注意的是，橡膠的變形不僅與所加的壓力有關(guān)，與溫度、變形程度、受壓時(shí)間以及材料本身的邵氏硬度等多因素有關(guān)。

圖3 橡膠圈（條）在設(shè)備槽里截面尺寸圖 單位：mm

筆者曾研發(fā)的一個(gè)背負(fù)式電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)反復(fù)計(jì)算和試驗(yàn)，使設(shè)備完全能達(dá)到密封性能要求。下面就以該產(chǎn)品為例介紹一下密封設(shè)計(jì)的計(jì)算和試驗(yàn)過(guò)程。

某設(shè)備的密封面結(jié)構(gòu)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(jì)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(lái)取寬度為：2±0.05。

下面確定螺釘?shù)臄?shù)量：由于本設(shè)備的特殊性，為了節(jié)約內(nèi)部空間給電路設(shè)計(jì)，本設(shè)備最好在四個(gè)角上放上螺釘，又因?yàn)殚L(zhǎng)度方向上跨度長(zhǎng)，為了更放心的，不要重復(fù)設(shè)計(jì)和加工，下面通過(guò)公式先計(jì)算一下：

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

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

橡膠圈的壓縮應(yīng)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(dá)到密封時(shí)橡膠圈（條）所有需的壓緊力為

按照設(shè)計(jì)思路只要4只螺釘設(shè)想計(jì)算，故每個(gè)螺釘?shù)臄Q緊力為

螺釘采用不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）的內(nèi)六角螺釘：

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

按計(jì)算結(jié)果選用4只M5的不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）內(nèi)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(jì)算和試驗(yàn)都已滿足防水要求，但還有幾點(diǎn)值得設(shè)計(jì)人員注意的：

1）對(duì)于背負(fù)式設(shè)備，還要考慮的重要一點(diǎn)就是，由于該設(shè)備可能用于高低溫、水下等惡劣環(huán)境下使用，內(nèi)部壓力與外部壓力肯定有一定的壓差，可能會(huì)使設(shè)備外殼變形，故最好在不影響設(shè)備功能或外觀的地方加一個(gè)防水透氣閥，以平衡內(nèi)外壓差。

2）對(duì)于螺釘跨度達(dá)到220mm以上的情況下，還要考慮到面板壓下去的強(qiáng)度，否則可能會(huì)出現(xiàn)中間部分凸起。增加它的強(qiáng)度不僅在厚度上，還要在結(jié)合面上（見(jiàn)圖3）的加強(qiáng)筋，這樣就不會(huì)因其它因素（如試驗(yàn)時(shí)對(duì)內(nèi)部充氮?dú)?，防水透氣閥這時(shí)肯定無(wú)需安裝，直接裝充氣頭等）使內(nèi)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(shí)盡量保證表面粗糙度在1.6以上，密封圈（條）在槽內(nèi)的松緊要得當(dāng)，不要出現(xiàn)扭曲等現(xiàn)象。

圖4 接合面在蓋板上增加加強(qiáng)筋

綜合以上幾點(diǎn)一并在設(shè)計(jì)中應(yīng)用，實(shí)踐證明，該設(shè)備通過(guò)無(wú)數(shù)次的水下1m（GJB要求）試驗(yàn)，均未有發(fā)現(xiàn)有滲漏現(xiàn)象，到目前為止已生產(chǎn)5～6個(gè)批次的產(chǎn)品，浸水100%合格。說(shuō)明其密封效果與理論設(shè)計(jì)基本是相吻合。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上對(duì)背負(fù)式設(shè)備密封的設(shè)計(jì)，這只是很多種密封形式中的一種，但計(jì)算方法和步驟在這類背負(fù)式電子設(shè)備和中小型設(shè)備中大致相同。隨著加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，加工工藝的不斷完善，加工設(shè)備的不斷改進(jìn)，在進(jìn)行設(shè)備機(jī)箱的密封設(shè)計(jì)時(shí)，力爭(zhēng)做到既簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)又可靠、實(shí)用。目前，許多這類設(shè)備采用工程塑料直接壓塑成形，可以加工成各種復(fù)雜的形狀，以滿足電路設(shè)計(jì)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(dá)到電磁兼容等要求。但這類產(chǎn)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(shè)計(jì)帶來(lái)了一定困難，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)塑料機(jī)箱的密封設(shè)計(jì)研究，以提高其密封能力，以降低設(shè)計(jì)和產(chǎn)品的成本。

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