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摘 要：文章介绍了光电连接组件的各项性能指标及其设计过程并对其可行性及可靠性进行了分析，通过试验验证了该连接组件各项性能均满足指标要求，具有结构简单、紧凑、性能稳定、工艺成熟及可靠性高等特点。
关键词：水下光电 连接组件 性能设计
中图分类号：TN818 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）06（a）-0099-04
水下连接组件是水下系统的重要组成部分，一方面为系统的水下部分提供动力电源，同时也承担水上与水下信息的高速传输，是重要的“连接纽带”，因此应对该产品进行性能分析及可靠性计算。根据该产品的应用环境及背景，影响其性能的因素主要包括：光电单元数量、载荷作用、水压密封、密度（重量）、外形尺寸、海水腐蚀以及满足收放通道要求和运输存放条件等，因而需要对该组件进行承力、水密、耐腐蚀等特殊性能的设计分析以及严格的尺寸、重量控制。
1 整体方案设计
连接组件主要由光电复合缆和承力连接单元两部分组成，如图1所示。承力连接单元面临动态载荷作用下的承力密封，考虑到尺寸空间受限，复合缆增强层的连接采用胶粘结构，密封结构采用组合密封方式，通过多种、多层密封结构，实现具有一定承载能力的密封结构。
1.1 承载设计
1.1.1 承载单元接结构设计
承载单元采用粘接结构实现复合缆与组件刚性连接，在此结构中，增强层受到的应力可表示为：·，式中，和分别为纤维和粘胶基体中的应力，并分别等于·和（ε为复合材料的应变），其受力变形如图2所示。
组件采用粘接结构实现复合缆与组件的刚性连接，方案中采用专用粘接胶抗剪切性能优良，剪切强度超过20 MPa以上；专用承力部件的抗拉强度通过计算完全满足2 t拉力要求，具有结构简单、紧凑等特点；通过预紧拉伸粘接工艺实现芳纶均匀受力，保证组件的承载性能。
1.1.2 外壳体承载设计
连接组件的材料为钛合金，工作拉力设计为200 kg，破断拉力为2 000 kg，所以外壳体的承载设计主要针对破断拉力情况下而进行的强度计算。在此条件下，外壳体的危险断面受力如图3所示。
在2 000 kg的拉力作用下，外壳体上产生的应力可以表示为：
≤[σ]
式中：F为断裂强度；
Ko为预紧系数；
Kc为刚性系数；
n为安全系数；
[σ]为材料的许用应力；
D为壳体外径；
d为壳体外径。
根据计算，承载元件危险断面所受拉应力为143 MPa，远小于材料的许用应力。
1.2 水密设计
水密性能是承力连接单元的重要性能指标，确保组件在5 MPa的水域可以进行正常供电或光电信号的传输。主要采用耐水压密封胶、O型圈密封及填料函密封，每种密封结构在设计上均能满足5 MPa水压密封要求并对密封结构进行强度校核，保证密封件能正常工作。
1.2.1 O型圈密封
O圈密封属于挤压弹性体密封，是靠密封环预先被挤压由弹性变形产生预紧力，同时工作介质压力也挤压密封环，使之产生自紧力。设计中，必须保证密封圈要有足够的预压缩率，同时避免预压缩率过大，以免影响密封圈的工作寿命，如图4所示。
密封圈被套在密封圈槽上之后，会有一定的拉伸量，其断面直径d0变小，假定变为d1，根据体积不变原理，即：
式中：D0为密封圈外径；
d0为密封圈断面直径；
D为孔直径；
δ為密封圈压缩量；
d1为拉伸后的密封圈断面直径。
对于平面轴向静密封，密封圈压缩量δ=15%～30%，对于圆柱面径向静密封，密封圈压缩量δ=10%～15%为宜[1]。
1.2.2 填料函密封
填料函密封的机理类似于O型圈，填料函压紧后的，其压力分布图如图5所示。
密封垫沿表面长度上的接触应力变化：
P=K·≤
式中：K为横向应力比，常数；
μ1、μ2分别为垫圈与缆、金属外壳之间的摩擦系数；
t为密封垫的径向厚度。
得到密封垫的压力分布图后，即可控制密封垫的最大应力在允许应力值范围内，从而确定密封垫在工作中压缩量，保证其可靠性及稳定性[2]。
1.2.3 密封结构抗压强度
工作中，承力连接单元会受到水压作用，如图6所示，外壳的壁厚应保证工作深度等要求，为保险起见，增加材料安全系数nb。
抗水压：≤[σ]
≤[σ]
式中：σr为水压径向载荷 ；
σθ为水压轴向载荷；
p为工作水深压力；
[σ]为材料的许用应力；
σb为材料的强度极限；
nb为材料安全系数；
D为壳体外径；
d为壳体内径。
通过校核，对密封结构的危险截面进行仿真计算，最大应力为11.3 MPa，远小于材料许用应力值，完全可以保证密封结构的可靠性及稳定性。
1.3 外形尺寸及重量控制设计
组件的外形及重量越小对系统越有利，因此在结构设计中需严格控制外形和重量。通过分析，组件的长度要求较为严格，在直径上相对较为宽松，因此采用光电单元独立连接方式以满足设计要求，如图7、图8所示。采用该结构，一方面可以采用较小的4个独立连接器实现光电单元连接，避免光电整体插拔产生的大体积固定面板，利于减小重量；另一方面，该结构可以省略导向机构，进而实现长度方向上的尺寸缩短。在材料选择上，外壳体设计选用钛合金，内部芯体采用轻质金属或者工程塑料材料制成，尽量减少钢、铜等高密度金属材料的使用。 1.4 光电复合缆
光电复合缆结构内层采用层绞式集成，中间层采用高强度、高模量纤维增强，最外层采用柔软、耐磨型护套材料，具备耐弯曲、强度高、结构紧凑等特点。
1.4.1 工作及断裂拉伸负荷
复合缆工作中受到水下分机及自身重量的影响，需承受20 000 N的载荷，鉴于光缆工作拉伸负荷可靠性设计，整体应变量最大控制在7‰，在该应变条件下光缆内部的光单元和电线才不会受到影响。复合缆内部采用新型高强度高模量纤维，经过计算增强纤维量达到78 720 dtex，纤维整体强度将达到29 126 N，考虑到后期的承力连接器连接效率，在光缆内部填充4根增强单元，保证光电复合缆的整体强度完全满足设计要求。
1.4.2 线间耐电压强度
线间耐压要求大于等于5 000 kV，该指标主要通过电线外护层的耐压性能设计来实现。外护层材料采用交联ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚物），耐压值计算公式：
式中：U为耐电压；
K1为劣化系数，1.1；
K2为温度系数，1.1；
K3为安全裕度，1.1；
E为ETFE最小击穿场强，90 000 V/mm；
T为绝缘厚度，0.3 mm。
经计算，U值为11 712 V，完全满足设计要求。
1.4.3 导体电阻
为满足直流电阻小于等于15 Ω/km的要求，电线导体采用导电性能良好的镀银铜线。电线导体计算公式：
式中：A为电力导线截面积，电力导线用绞合镀银铜线，A因为绞合软铜线截面积之和（电线采用0.28×19镀银绞线）；
ρ为电力导线在温度20℃时的电阻率（镀银铜线电阻率为0.017 241×10-6Ω.m）；
α为导体电阻材料温度系数（0.003 85 ℃-1）；
k1为单根导线加工过程引起金属电阻率的增加引入的系数1.07；
k2为用多根导线绞合而成的线芯，使单根导线长度增加引入的系数1.02；
k3为紧压线芯引入的系数1.01；
k4为成缆绞合线芯长度引入的系数1.01；
k5为考虑导线允许公差引入的系数1.01。
代入公式计算电线导体直流电阻为12.9 Ω/km，满足设计要求。
1.4.4 单位长度重量
经过计算将构成光缆的各项元器件叠加重量达到75 g/m。
1.4.5 具有防海水腐蚀、防盐雾功能
光缆外层采用聚氨酯材料，是一种耐海水腐蚀、阻燃材料完全满足系统的工作环境[3]。
2 可靠性及可行性分析
2.1 密封设计
金属零部件间的密封采用螺纹密封胶与O型圈组合密封或双O型圈组合密封（轴向+径向）；缆与壳体之间采用填料密封及硫化密封。所采用的密封技术均有成熟的操作工艺，每种密封均具有优良的耐环境性能且每种密封结构在设计上均能满足5 MPa水压要求。
2.2 抗拉承载
2.2.1 复合缆
复合缆内部的高强度高模量纤维设计强度将达到29 126 N，考虑到纤维的整体出力效应80%，光缆的断裂拉伸负荷为23 301 N。而后期的承力连接器出力效应要达到20 000 N的状态，在光缆内部填充4根增强单元，每根单元可以达到2 000 N，4根总量达到8 000 N，光缆的整体强度就达到31 000 N，满足设计要求。
2.2.2 承力连接单元
组件采用锥形粘接结构实现复合缆与组件刚性连接，具有结构简单、紧凑等特点，实施操作工艺成熟，该结构及工艺在多个浮空平台、拖曳探测系统中得到检验及验证。抗拉锁缆部件采用带锁缆结构的抗拉粘接部件，利用特种粘胶将缆内的承力单元与抗拉部件刚性连接，同时抗拉部件采用抱紧结构对外护套实现抱紧锁死，可有效地预防外护套在受力状态下相对内部的承力单元产生相对位移，保护密封结构不受破坏。
2.3 耐环境载荷
组件在实际工作环境中可能会受到海流作用产生过度扭转，造成复合缆的扭伤。如图9示，在水下分机入水后，水下分机可能会自传及围绕直升机转动。作业高度为25 m，可以缓冲扭转状况，实现一定的退扭功能。因此，组件在设计过程中，要使复合缆具备一定扭转状态下的正常工作性能；在承力连接单元与复合缆的连接部位采用柔性过渡方式，通过延长硫化长度减缓该部位的应力集中，保护该点免受破坏；条件允许时通过安装光电滑环降低扭矩载荷的积累，也可以有效降低该现象造成伤害的概率。
2.4 耐反复收放
复合缆要满足200次使用要求，强度上有足够的设计安全余量，在200次使用后仍然满足设计要求。该复合缆已经在某型浮力拖曳缆得到验证，该型号光缆内部2路光纤，动态弯曲200次，4.5 MPa工作水深，破断拉力30 kN，密度（1.025±0.05）g/cm3，产品与该项目非常相似，同时该缆也具有强度高、外径小、零浮力、耐收放等特点，所以水下探测用光电复合缆已经在同类型产品得到验证。
3 结语
文章详细介绍了光电连接组件的各项性能及其设计过程，且均能满足指标要求。通过对连接组件进行可行性及可靠性分析并通过试验验证了该连接组件具有性能稳定、工艺成熟、可靠性高及可扩展性强的特点。
参考文献
[1] 龚步才.O型圈在静密封场合的选用[J].流体传动与控制，2005（4）：52-56.
[2] 许廷强，张平华，王建军.填料函密封压紧方式对使用效果的影响与改进[J].科技传播，2011（10）：189-190.
[3] 竇方芹，赵京凤，汪波.一种轻型水下光电复合缆的设计[J].现代传输，2016（5）：55-57.
关键词：水下光电 连接组件 性能设计
中图分类号：TN818 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）06（a）-0099-04
水下连接组件是水下系统的重要组成部分，一方面为系统的水下部分提供动力电源，同时也承担水上与水下信息的高速传输，是重要的“连接纽带”，因此应对该产品进行性能分析及可靠性计算。根据该产品的应用环境及背景，影响其性能的因素主要包括：光电单元数量、载荷作用、水压密封、密度（重量）、外形尺寸、海水腐蚀以及满足收放通道要求和运输存放条件等，因而需要对该组件进行承力、水密、耐腐蚀等特殊性能的设计分析以及严格的尺寸、重量控制。
1 整体方案设计
连接组件主要由光电复合缆和承力连接单元两部分组成，如图1所示。承力连接单元面临动态载荷作用下的承力密封，考虑到尺寸空间受限，复合缆增强层的连接采用胶粘结构，密封结构采用组合密封方式，通过多种、多层密封结构，实现具有一定承载能力的密封结构。
1.1 承载设计
1.1.1 承载单元接结构设计
承载单元采用粘接结构实现复合缆与组件刚性连接，在此结构中，增强层受到的应力可表示为：·，式中，和分别为纤维和粘胶基体中的应力，并分别等于·和（ε为复合材料的应变），其受力变形如图2所示。
组件采用粘接结构实现复合缆与组件的刚性连接，方案中采用专用粘接胶抗剪切性能优良，剪切强度超过20 MPa以上；专用承力部件的抗拉强度通过计算完全满足2 t拉力要求，具有结构简单、紧凑等特点；通过预紧拉伸粘接工艺实现芳纶均匀受力，保证组件的承载性能。
1.1.2 外壳体承载设计
连接组件的材料为钛合金，工作拉力设计为200 kg，破断拉力为2 000 kg，所以外壳体的承载设计主要针对破断拉力情况下而进行的强度计算。在此条件下，外壳体的危险断面受力如图3所示。
在2 000 kg的拉力作用下，外壳体上产生的应力可以表示为：
≤[σ]
式中：F为断裂强度；
Ko为预紧系数；
Kc为刚性系数；
n为安全系数；
[σ]为材料的许用应力；
D为壳体外径；
d为壳体外径。
根据计算，承载元件危险断面所受拉应力为143 MPa，远小于材料的许用应力。
1.2 水密设计
水密性能是承力连接单元的重要性能指标，确保组件在5 MPa的水域可以进行正常供电或光电信号的传输。主要采用耐水压密封胶、O型圈密封及填料函密封，每种密封结构在设计上均能满足5 MPa水压密封要求并对密封结构进行强度校核，保证密封件能正常工作。
1.2.1 O型圈密封
O圈密封属于挤压弹性体密封，是靠密封环预先被挤压由弹性变形产生预紧力，同时工作介质压力也挤压密封环，使之产生自紧力。设计中，必须保证密封圈要有足够的预压缩率，同时避免预压缩率过大，以免影响密封圈的工作寿命，如图4所示。
密封圈被套在密封圈槽上之后，会有一定的拉伸量，其断面直径d0变小，假定变为d1，根据体积不变原理，即：
式中：D0为密封圈外径；
d0为密封圈断面直径；
D为孔直径；
δ為密封圈压缩量；
d1为拉伸后的密封圈断面直径。
对于平面轴向静密封，密封圈压缩量δ=15%～30%，对于圆柱面径向静密封，密封圈压缩量δ=10%～15%为宜[1]。
1.2.2 填料函密封
填料函密封的机理类似于O型圈，填料函压紧后的，其压力分布图如图5所示。
密封垫沿表面长度上的接触应力变化：
P=K·≤
式中：K为横向应力比，常数；
μ1、μ2分别为垫圈与缆、金属外壳之间的摩擦系数；
t为密封垫的径向厚度。
得到密封垫的压力分布图后，即可控制密封垫的最大应力在允许应力值范围内，从而确定密封垫在工作中压缩量，保证其可靠性及稳定性[2]。
1.2.3 密封结构抗压强度
工作中，承力连接单元会受到水压作用，如图6所示，外壳的壁厚应保证工作深度等要求，为保险起见，增加材料安全系数nb。
抗水压：≤[σ]
≤[σ]
式中：σr为水压径向载荷 ；
σθ为水压轴向载荷；
p为工作水深压力；
[σ]为材料的许用应力；
σb为材料的强度极限；
nb为材料安全系数；
D为壳体外径；
d为壳体内径。
通过校核，对密封结构的危险截面进行仿真计算，最大应力为11.3 MPa，远小于材料许用应力值，完全可以保证密封结构的可靠性及稳定性。
1.3 外形尺寸及重量控制设计
组件的外形及重量越小对系统越有利，因此在结构设计中需严格控制外形和重量。通过分析，组件的长度要求较为严格，在直径上相对较为宽松，因此采用光电单元独立连接方式以满足设计要求，如图7、图8所示。采用该结构，一方面可以采用较小的4个独立连接器实现光电单元连接，避免光电整体插拔产生的大体积固定面板，利于减小重量；另一方面，该结构可以省略导向机构，进而实现长度方向上的尺寸缩短。在材料选择上，外壳体设计选用钛合金，内部芯体采用轻质金属或者工程塑料材料制成，尽量减少钢、铜等高密度金属材料的使用。 1.4 光电复合缆
光电复合缆结构内层采用层绞式集成，中间层采用高强度、高模量纤维增强，最外层采用柔软、耐磨型护套材料，具备耐弯曲、强度高、结构紧凑等特点。
1.4.1 工作及断裂拉伸负荷
复合缆工作中受到水下分机及自身重量的影响，需承受20 000 N的载荷，鉴于光缆工作拉伸负荷可靠性设计，整体应变量最大控制在7‰，在该应变条件下光缆内部的光单元和电线才不会受到影响。复合缆内部采用新型高强度高模量纤维，经过计算增强纤维量达到78 720 dtex，纤维整体强度将达到29 126 N，考虑到后期的承力连接器连接效率，在光缆内部填充4根增强单元，保证光电复合缆的整体强度完全满足设计要求。
1.4.2 线间耐电压强度
线间耐压要求大于等于5 000 kV，该指标主要通过电线外护层的耐压性能设计来实现。外护层材料采用交联ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚物），耐压值计算公式：
式中：U为耐电压；
K1为劣化系数，1.1；
K2为温度系数，1.1；
K3为安全裕度，1.1；
E为ETFE最小击穿场强，90 000 V/mm；
T为绝缘厚度，0.3 mm。
经计算，U值为11 712 V，完全满足设计要求。
1.4.3 导体电阻
为满足直流电阻小于等于15 Ω/km的要求，电线导体采用导电性能良好的镀银铜线。电线导体计算公式：
式中：A为电力导线截面积，电力导线用绞合镀银铜线，A因为绞合软铜线截面积之和（电线采用0.28×19镀银绞线）；
ρ为电力导线在温度20℃时的电阻率（镀银铜线电阻率为0.017 241×10-6Ω.m）；
α为导体电阻材料温度系数（0.003 85 ℃-1）；
k1为单根导线加工过程引起金属电阻率的增加引入的系数1.07；
k2为用多根导线绞合而成的线芯，使单根导线长度增加引入的系数1.02；
k3为紧压线芯引入的系数1.01；
k4为成缆绞合线芯长度引入的系数1.01；
k5为考虑导线允许公差引入的系数1.01。
代入公式计算电线导体直流电阻为12.9 Ω/km，满足设计要求。
1.4.4 单位长度重量
经过计算将构成光缆的各项元器件叠加重量达到75 g/m。
1.4.5 具有防海水腐蚀、防盐雾功能
光缆外层采用聚氨酯材料，是一种耐海水腐蚀、阻燃材料完全满足系统的工作环境[3]。
2 可靠性及可行性分析
2.1 密封设计
金属零部件间的密封采用螺纹密封胶与O型圈组合密封或双O型圈组合密封（轴向+径向）；缆与壳体之间采用填料密封及硫化密封。所采用的密封技术均有成熟的操作工艺，每种密封均具有优良的耐环境性能且每种密封结构在设计上均能满足5 MPa水压要求。
2.2 抗拉承载
2.2.1 复合缆
复合缆内部的高强度高模量纤维设计强度将达到29 126 N，考虑到纤维的整体出力效应80%，光缆的断裂拉伸负荷为23 301 N。而后期的承力连接器出力效应要达到20 000 N的状态，在光缆内部填充4根增强单元，每根单元可以达到2 000 N，4根总量达到8 000 N，光缆的整体强度就达到31 000 N，满足设计要求。
2.2.2 承力连接单元
组件采用锥形粘接结构实现复合缆与组件刚性连接，具有结构简单、紧凑等特点，实施操作工艺成熟，该结构及工艺在多个浮空平台、拖曳探测系统中得到检验及验证。抗拉锁缆部件采用带锁缆结构的抗拉粘接部件，利用特种粘胶将缆内的承力单元与抗拉部件刚性连接，同时抗拉部件采用抱紧结构对外护套实现抱紧锁死，可有效地预防外护套在受力状态下相对内部的承力单元产生相对位移，保护密封结构不受破坏。
2.3 耐环境载荷
组件在实际工作环境中可能会受到海流作用产生过度扭转，造成复合缆的扭伤。如图9示，在水下分机入水后，水下分机可能会自传及围绕直升机转动。作业高度为25 m，可以缓冲扭转状况，实现一定的退扭功能。因此，组件在设计过程中，要使复合缆具备一定扭转状态下的正常工作性能；在承力连接单元与复合缆的连接部位采用柔性过渡方式，通过延长硫化长度减缓该部位的应力集中，保护该点免受破坏；条件允许时通过安装光电滑环降低扭矩载荷的积累，也可以有效降低该现象造成伤害的概率。
2.4 耐反复收放
复合缆要满足200次使用要求，强度上有足够的设计安全余量，在200次使用后仍然满足设计要求。该复合缆已经在某型浮力拖曳缆得到验证，该型号光缆内部2路光纤，动态弯曲200次，4.5 MPa工作水深，破断拉力30 kN，密度（1.025±0.05）g/cm3，产品与该项目非常相似，同时该缆也具有强度高、外径小、零浮力、耐收放等特点，所以水下探测用光电复合缆已经在同类型产品得到验证。
3 结语
文章详细介绍了光电连接组件的各项性能及其设计过程，且均能满足指标要求。通过对连接组件进行可行性及可靠性分析并通过试验验证了该连接组件具有性能稳定、工艺成熟、可靠性高及可扩展性强的特点。
参考文献
[1] 龚步才.O型圈在静密封场合的选用[J].流体传动与控制，2005（4）：52-56.
[2] 许廷强，张平华，王建军.填料函密封压紧方式对使用效果的影响与改进[J].科技传播，2011（10）：189-190.
[3] 竇方芹，赵京凤，汪波.一种轻型水下光电复合缆的设计[J].现代传输，2016（5）：55-57.