1.概述
防爆電氣設(shè)備的電纜引入裝置指的是允許將一根或多根電纜或光纜引入電氣設(shè)備內(nèi)部并能保證其防爆型式的裝置。防爆電纜引入裝置是防爆電氣設(shè)備一個(gè)重要的組成部分；而隔爆型電纜引入裝置是所有防爆電纜引入裝置中要求最嚴(yán)苛、應(yīng)用最廣泛。密封圈是隔爆型電纜引入裝置中最關(guān)鍵的部件，其性能直接決定隔爆功能的實(shí)現(xiàn)；而由密封圈引起的失效占隔爆電纜引入裝置總失效90%以上。本文主要對(duì)隔爆型電纜引入裝置的密封圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，橡膠材料選擇，橡膠硬度等方面進(jìn)行探討。
2.隔爆型電纜引入裝置介紹
根據(jù)GB3836.2-2010標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電纜引入裝置的防爆類型可分為隔爆型、增安型等類別，而隔爆型又可分為密封圈式和填料式兩類；根據(jù)螺紋型式可分為公制、NPT制。典型的密封圈式隔爆電纜引入裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。
3.隔爆型電纜引入裝置密封圈的技術(shù)和試驗(yàn)要求
隔爆型電纜引入裝置是采用壓緊件壓緊密封圈，使橡膠密封圈變形抱緊電纜；防止電纜受到拉力或扭力被隨意拉動(dòng)，并能阻止電氣設(shè)備內(nèi)部爆炸從電纜引入口傳播到外面危險(xiǎn)環(huán)境中。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB3836.1-2010和GB3836.2-2010規(guī)定，隔爆型電纜引入裝置的密封圈應(yīng)滿足以下要求：
3.1密封圈耐熱耐寒老化試驗(yàn)
該試驗(yàn)應(yīng)在加緊電纜狀態(tài)下進(jìn)行，耐熱性能應(yīng)采用與防爆型式完整性有關(guān)的電纜引入裝置非金屬部件來確定(即密封圈)。耐熱試驗(yàn)按照其最高工作溫度是否超過75°C分為兩種情況：如果最高工作溫度不超過75°C時(shí)，應(yīng)存放在相對(duì)濕度為90+/-5%、溫度高于最高工作溫度20+/-2°C，至少為80°C的環(huán)境中28天。如最高工作溫度高于75°C，以上規(guī)定的四周時(shí)間應(yīng)由在溫度95+/-2°C、相對(duì)濕度為90+/-5%的環(huán)境中保持14天和接著在環(huán)境溫度高于最高工作溫度20+/-2K的空氣箱中再保持14天代替。經(jīng)過耐熱試驗(yàn)的樣品，在室溫下靜置24h后再進(jìn)行耐寒測試，耐寒性能應(yīng)能在最低工作溫度降低5~10°C的環(huán)境條件下保持24h。
3.2密封圈密封性能試驗(yàn)
隔爆型電纜引入裝置應(yīng)能通過密封性能試驗(yàn)，密封性能試驗(yàn)方法：首先采用清潔、拋光、干燥的低碳鋼圓形芯棒，芯棒直徑等于制造廠規(guī)定的密封圈允許的最小電纜直徑。然后把密封圈安裝在電纜引入裝置內(nèi)，并在壓緊螺母上施加制造廠規(guī)定扭力，以保證I類2MPa液壓II類3MPa液壓下保證密封。裝配后，安裝在液壓裝置內(nèi)，從上液體后液壓逐漸上升，對(duì)于I類在2MPa壓力下保持10s,II類在3MPa壓力下保持10s。試驗(yàn)時(shí)，可使用顏色水作為液體，如果吸水紙上沒有任何泄漏痕跡則認(rèn)為滿足密封要求。最后進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)方法是：在壓緊元件上施加密封試驗(yàn)中所需扭力的2倍力矩，但施加的力矩值至少為圓形電纜所允許的最大電纜直徑的3倍或非圓形電纜最大允許的電纜周長，試驗(yàn)后拆掉引入裝置并檢查其零件情況；若未發(fā)現(xiàn)任何元件損壞則認(rèn)為試驗(yàn)合格。需要注意：密封圈的任何損壞可以忽略不計(jì)，因該試驗(yàn)的目的是為了說明電纜引入裝置的機(jī)械強(qiáng)度滿足其使用條件。
3.3密封圈電纜夾緊試驗(yàn)
隔爆型電纜引入裝置密封圈應(yīng)能通過電纜夾緊試驗(yàn)。試驗(yàn)方法：首先將密封圈安裝在制造廠規(guī)定的最小直徑電纜上，或者將密封圈裝在一個(gè)清潔、拋光、干燥的低碳鋼圓形芯棒，芯棒直徑等于制造廠規(guī)定的密封圈允許的最小電纜直徑，芯棒最高表面粗糙度Ra為1.6μm；然后對(duì)壓緊元件施加制造廠規(guī)定的力矩來壓緊密封圈，以防止電纜或芯棒滑動(dòng)，最好把準(zhǔn)備好的試驗(yàn)樣品安裝在拉力試驗(yàn)機(jī)上，對(duì)電纜或芯棒施加20倍電纜或芯棒直徑的拉力，在環(huán)境溫度20+/-5℃條件下保持6h,如果電纜或芯棒的位移量不超過6mm,則認(rèn)為密封圈電纜夾緊試驗(yàn)合格。
4.隔爆型電纜引入裝置密封圈的設(shè)計(jì)分析
4.1隔爆型電纜引入裝置密封圈設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析
電纜裝置的夾緊力來自壓緊元件對(duì)密封圈的擠壓，使密封圈變形從而對(duì)電纜抱緊；所以為了確保隔爆電纜引入裝置的密封性能，必須使密封圈對(duì)電纜產(chǎn)生足夠的抱緊力，同時(shí)還需滿足嚴(yán)苛的耐熱耐寒測試。我們知道，通常情況下彈性密封圈是硫化橡膠制作而成；而硫化橡膠會(huì)受溫度、濕度的影響加速老化，從而逐漸失去彈性，進(jìn)而影響電纜的密封性能。所以橡膠的工作溫度范圍、抗老化、抗撕裂等特性都是我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)需要著重考慮的。
另，密封圈的變形是通過施加在壓緊元件的力矩來實(shí)現(xiàn)的；所以扭力也是我們關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)。通常情況下，我們需要通過試驗(yàn)確定一個(gè)合理的最小擰緊力矩，以保證電纜引入裝置被正確可靠的安裝和使用。
4.2隔爆型電纜引入裝置密封圈夾緊力分析
當(dāng)我們按照給定的力矩?cái)Q緊壓緊元件時(shí)，壓緊元件推動(dòng)墊片給密封圈一個(gè)壓力F；按照力學(xué)作用力與反作用力定律，密封圈也給墊圈一個(gè)大小相等、方向相反地反作用力F’。因密封圈具有彈性，根據(jù)壓力與壓強(qiáng)公式：F=PS(因接觸面積S跟電纜直徑成正比，電纜越粗接觸面積越大；而壓強(qiáng)P一定)；所以電纜越粗，密封圈對(duì)電纜的抱緊力越大。
所以，我們只需考慮最小允許的電纜是否滿足密封測試；如最小密封電纜滿足密封性能試驗(yàn)，那最大的電纜由于電纜直徑大，所以密封圈對(duì)電纜的抱緊力更大。
4.3隔爆型電纜引入裝置密封圈結(jié)構(gòu)分析
目前，在隔爆型電纜引入裝置常見有兩種密封圈結(jié)構(gòu)：1)正壓式密封圈；2)位移式密封圈。
正壓式密封圈：一般外圈有一個(gè)類似的V型槽；當(dāng)密封圈受到擠壓時(shí)，由于V型槽處強(qiáng)度弱，V型槽變形夾緊電纜。這類密封圈通常：1.電纜密封圈范圍較小，2當(dāng)密封最大電纜時(shí)，密封圈對(duì)電纜的抱緊力往往過大；從而影響電纜的使用壽命。
位移式密封圈：一般前端有一段錐度，內(nèi)孔也可以同樣帶錐度；這樣當(dāng)不同直徑的電纜密封時(shí)，密封圈與電纜之間的接觸點(diǎn)不同；這樣可以避免電纜受到過大的抱緊力，從而影響電纜的絕緣性能，提供電纜的使用壽命。由于內(nèi)孔一般也帶有錐度，這樣密封圈的電纜密封范圍通常大于正壓式密封圈。
5.結(jié)束語
密封圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及橡膠材料的選擇是隔爆型電纜引入裝置的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。現(xiàn)在為了滿足客戶在高溫及極寒條件下的使用及寬范圍的電纜密封范圍；一般都采用耐高溫、抗撕裂的硅橡膠，位移式的密封結(jié)構(gòu)。
作者：魏德米勒亞太區(qū)行業(yè)自動(dòng)化和解決方案事業(yè)部總監(jiān) 閆方波
