背负式电子设备的密封设计＊

张万俊

（扬州万方电子技术有限责任公司 扬州 225006）

1 引言

现代电子设备常常要求体积小、重量轻、功能强、结构紧凑等。为了满足各种场合的使用要求，对于背负式电子设备来讲，结构形式要比手持式大、重，尤其是军用、空用等背负式电子设备，它们主要是用于经常携带在野外使用，受环境影响（如潮湿、霉菌、盐雾等）比较大。对军用电子设备更是常常提出防水要求，而解决以“防潮、防霉、防盐雾”（简称三防）为主要内容的三防问题以及防水问题最有效的途径之一就是密封。整机采用密封机箱可以相对降低对内部的三防要求，而且密封机箱对设备的维修性没有影响。但是背负式电子设备的强度、刚度比其它中、大型机箱要低，为了结构紧凑和减轻重量，用于为密封加压的机构、螺钉等也常常是不是很大的，而且螺钉跨度尽可能的是两端，留更大更完整的空间给电路设计，这样就不可能提供很大的密封力。另外，为了进一步方便维修、降低成本，密封结构的设计不允许太复杂，所有这些都给背负式电子设备机箱的密封设计带来一些特殊问题。这就要求设计人员在不对设备结构本身提出过分苛刻要求的前提下，力求用最简设计、最低成本、最易维修的措施来满足设备的密封要求。

目前，电子产品的密封形式从结构上分主要可以分为两种：可拆式和不可拆式。对于这两种方式，在背负式电子设备中，主要还是选用的可拆式，便于维修。

2 密封材料

设备的密封质量与所选的密封材料有很大关系。密封材料质量的好坏将直接影响到设备的密封能力和可靠性，选好密封材料是进行密封设计的第一步。随着科学技术的不断进步，材料科学研究的不断深入，出现了许多新型固体高分子密封材料。如橡胶型固体密封材料、塑料型固体密封材料等，而且在合作方法和密封性能上都有很大改进，为解决现代技术中的各种密封问题提供了有力保障。在小型电子设备中。最常用的密封材料是橡胶，具有弹性高、不透水、不透气、电绝缘性好、比重低等优良性能，经过适当处理后，它还具有耐热、寒、油、酸、碱、压、磨、能导电等宝贵特点，所以它已成为密封结构中用得最多甚至是非用不可的密封材料。

考察橡胶质量的好坏，主要看以下几个主要指标：1）拉断强度；2）伸长率；3）扯断伸长率；4）扯断永久变形；5）拉伸应力；6）老化系数；7）邵氏硬度；8）脆性温度。从密封的角度考虑，橡胶的硬度和脆性温度不能太高，作为密封橡胶.实践证明：其邵氏硬度应小于55°，脆性温度应低于－50℃。常用的几种密封橡胶性能参见表1，由表1可看出，橡胶的环境适应性有很大差异，在进行密封设计时，应根据设备的具体使用环境条件综合考虑（包括性能、价格等因素），选择相应橡胶材料。

表1 几种常用密封橡胶的性能

3 密封结构的设计计算

对于可拆式的防水密封结构，常采用的是橡胶垫、橡胶圈（条）、橡胶套等结构形式来达到不同防水能力。图1给出了几种常用的密封结构形式。

图2是橡胶圈（条）在机壳密封槽里通过螺钉拧紧与盖联接压紧的密封方式，使橡胶产生变形而达到不同程度的密封。

当螺钉拧紧产生外力F后橡胶圈（条）由L1压缩为L2其相对变形量为

实践证明：当ε＝10%时，水分子仍然可以渗透，当F继续加大到一定值时，相对变形量ε＝30%左右时，橡胶圈（条）的压缩变形使接触面牌密封状态达到了防水作用。

图1 常见的几种密封结构

图2 橡胶圈（条）变形示意图

橡胶圈（条）的相对变形量不能取得太大或太小，太小起不到防水效果，太大使橡胶产生疲劳加速老化甚至破裂。以至于影响密封效果，固此，在密封设计中，橡胶的相对变形量一般取ε＝20%～30%为宜。设计中应当注意的是，橡胶的变形不仅与所加的压力有关，与温度、变形程度、受压时间以及材料本身的邵氏硬度等多因素有关。

图3 橡胶圈（条）在设备槽里截面尺寸图 单位：mm

笔者曾研发的一个背负式电子设备的结构设计，通过反复计算和试验，使设备完全能达到密封性能要求。下面就以该产品为例介绍一下密封设计的计算和试验过程。

某设备的密封面结构尺寸如图3所示，圆形截面橡胶圈选用硅橡胶料红色6141一次压制成形，截面尺寸为Ø2±0.2。

密封槽尺寸由下式可知：

由已知条件得：

解得：

所以选槽深1.5±0.05。

为了计算密封槽宽度b，假定橡胶圈（条）变形后将矩形槽填满，那么橡胶圈（条）变形前后的面积近似相等。即：

把公差等其它综合因素加起来取宽度为：2±0.05。

下面确定螺钉的数量：由于本设备的特殊性，为了节约内部空间给电路设计，本设备最好在四个角上放上螺钉，又因为长度方向上跨度长，为了更放心的，不要重复设计和加工，下面通过公式先计算一下：

橡胶的弹性模量E＝0.00784GPa＝7840000Pa 橡胶与金属的摩擦系数f＝0.45～0.6，这里取f＝0.6［在参考文献［5］中可查］。

橡胶圈的弹性模量Ep＝［1＋d1×（d－h）×f］×E≈127.9kg／cm2

橡胶圈的压缩应力为：σ＝ε×Ep＝0.3×127.9＝38.4kg／cm2

橡胶圈（条）与盖板的接触面积近似为

达到密封时橡胶圈（条）所有需的压紧力为

按照设计思路只要4只螺钉设想计算，故每个螺钉的拧紧力为

螺钉采用不锈钢（1Cr18Ni9Ti）的内六角螺钉：

查得其屈服强度σs≥206N／mm2＝21.02kg／mm2取最小值σs＝21.02kg／mm2，即：

按计算结果选用4只M5的不锈钢（1Cr18Ni9Ti）内六角螺钉可以满足面板与围框的密封防水要求。

虽然上面的计算和试验都已满足防水要求，但还有几点值得设计人员注意的：

1）对于背负式设备，还要考虑的重要一点就是，由于该设备可能用于高低温、水下等恶劣环境下使用，内部压力与外部压力肯定有一定的压差，可能会使设备外壳变形，故最好在不影响设备功能或外观的地方加一个防水透气阀，以平衡内外压差。

2）对于螺钉跨度达到220mm以上的情况下，还要考虑到面板压下去的强度，否则可能会出现中间部分凸起。增加它的强度不仅在厚度上，还要在结合面上（见图3）的加强筋，这样就不会因其它因素（如试验时对内部充氮气，防水透气阀这时肯定无需安装，直接装充气头等）使内外压差变形而使密封失效。

3）要注意的是面板与围框的接合面在加工时尽量保证表面粗糙度在1.6以上，密封圈（条）在槽内的松紧要得当，不要出现扭曲等现象。

图4 接合面在盖板上增加加强筋

综合以上几点一并在设计中应用，实践证明，该设备通过无数次的水下1m（GJB要求）试验，均未有发现有渗漏现象，到目前为止已生产5～6个批次的产品，浸水100%合格。说明其密封效果与理论设计基本是相吻合。

4 结语

通过以上对背负式设备密封的设计，这只是很多种密封形式中的一种，但计算方法和步骤在这类背负式电子设备和中小型设备中大致相同。随着加工技术的不断进步，加工工艺的不断完善，加工设备的不断改进，在进行设备机箱的密封设计时，力争做到既简单、经济又可靠、实用。目前，许多这类设备采用工程塑料直接压塑成形，可以加工成各种复杂的形状，以满足电路设计要求，减低成本，也可以在塑料表面电镀铜等防电磁兼容的材料，同样也达到电磁兼容等要求。但这类产品很难控制密封槽尺寸的一致性和收缩比，还有提供的压紧力（密封力）也不如金属材料大等，这就给密封设计带来了一定困难，因此结构设计人员还应加强对塑料机箱的密封设计研究，以提高其密封能力，以降低设计和产品的成本。

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