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   一、氮氣彈簧及其研究難點

氮氣彈簧可稱為氮氣缸或氮氣缸彈壓裝置。它是利用氮氣的可壓縮性來行使彈簧功能的不見，它由柱塞（活塞）、缸體、靜動密封部分、導(dǎo)向部分、充氣結(jié)構(gòu)組件、潤滑系統(tǒng)等九大部分組成。氮氣是一種惰性氣體，工作性能穩(wěn)定、五毒、無腐蝕、不燃燒，工作安全可靠。它具有如下特點：在較小的空間中可以產(chǎn)生較大的初始彈壓力而不需預(yù)緊；彈壓力在整個工作行程中，可以基本保持恒定；安裝靈活、調(diào)節(jié)容易；使用壽命長；工作不需外加動力源。

在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，氮氣彈簧已成為模具的主要配件而取代常規(guī)彈性元件。目前，我國進(jìn)口大量模具重都采用氮氣彈簧技術(shù)，我國應(yīng)對引進(jìn)模具的氮氣彈簧技術(shù)進(jìn)行消化吸收，并根據(jù)我國實際情況進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計、制造和使用氮氣彈簧。在研究和開發(fā)氮氣彈簧的工作中，高壓氣體的密封可靠性是氮氣彈簧成敗的關(guān)鍵，同時也是研究的難點問題。如果氮氣彈簧一次充氣壽命低于80-100km，氮氣彈簧就失去了實用意義。要提高氮氣彈簧壽命指標(biāo)的關(guān)鍵也就是解決高壓氣體的動、靜密封問題。

二、氮氣彈簧的密封特點

氮氣彈簧的密封分為動密封和靜密封。靜密封的實質(zhì)是依靠密封材料的彈性變形，將密封面上的微小不平處填滿，從而達(dá)到密封目的。動密封則是在運動副之間充填彈性材料，以堵住間隙，達(dá)到密封目的。

如圖1、如圖2所示是氮氣彈簧常規(guī)的動密封結(jié)構(gòu)形式，密封材料通常安放在密封槽內(nèi)。如柱塞式氮氣彈簧，密封槽一般設(shè)計在密封套上；而活塞式氮氣彈簧則設(shè)計在活塞上。不論采用單層密封或多層密封，其結(jié)構(gòu)設(shè)計都應(yīng)該考慮所設(shè)計結(jié)構(gòu)形式便于加工、裝配和控制尺寸精度。如果把常見低壓密封的O形、Y形和矩形密封結(jié)構(gòu)運用在氮氣彈簧的高壓氣體密封中，就必須提高這些密封件的技術(shù)要求。如密封材料的選擇、密封件及相關(guān)構(gòu)件制造精度和表面粗糙度等方面都相應(yīng)地提高技術(shù)質(zhì)量要求，以適應(yīng)氣體密封。并且所設(shè)計密封結(jié)構(gòu)應(yīng)由幾層密封復(fù)合而成，以增加密封的可靠性。

如圖3所示精密封，它是指與缸體連接，組成氣腔的結(jié)合面處的密封，它是對氮氣彈簧工作時不產(chǎn)生相對運動的部位進(jìn)行密封。但對于氮氣彈簧來講，因為缸內(nèi)是高壓氣體，即使氮氣彈簧不工作時也應(yīng)對運動的部位進(jìn)行密封。但對于氮氣彈簧來講，因為缸內(nèi)是高壓氣體，即使氮氣彈簧不工作時也應(yīng)對運動副進(jìn)行靜密封，即在其端部設(shè)計靜密封裝置，以防止氣體的泄露。靜密封技術(shù)相對于動密封技術(shù)比較成熟可靠，可以采用三角形密封形式和端面加壓密封形式來解決。

三、一種新的動密封方法

筆者探討今年來發(fā)展的一門新型的密封技術(shù)，磁性流體與密封，由于磁性流體與密封介質(zhì)問題等，使得磁性流體密封最適合于將氣體介質(zhì)密封。目前，美國、日本、俄羅斯、英國等發(fā)達(dá)國家，磁性流體密封已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，它具有傳統(tǒng)密封方式所不能比擬的有點：基本不泄露；無磨損、壽命長；在高低轉(zhuǎn)速下都具有密封能力；對特殊環(huán)境沒有特殊要求；磁性流體具有潤滑作用，可以將密封于潤滑結(jié)合為一體（這正是氮氣彈簧所需要的）。磁性流體密封適用范圍廣，可靠性高，具有廣闊的發(fā)展前景。

由圖4可知磁流體密封原理：永磁體產(chǎn)生磁場，經(jīng)過永磁體兩側(cè)在磁極形成的磁場作用于磁流體，使磁流體“O”型環(huán)，磁流體把間隙堵住，以達(dá)到密封目的。磁流體在外磁場的作用下成為塑性流體保持不動，只有當(dāng)作用在流體上的剪切力超過屈服力時，它達(dá)到最大承壓能力。永磁體在設(shè)計時有兩條基本要求：一是要保證密封工作間隙中磁場強(qiáng)度適中，達(dá)到密封效果；二是磁鐵尺寸設(shè)計要和磁感應(yīng)強(qiáng)度工作時達(dá)到材料的最大磁能積，以便最有效地利用磁鐵內(nèi)部的磁能，針對氮氣他拿貨密封壓差較大、工作溫度不高的條件，可選用磁性強(qiáng)的釹鐵硼稀土永磁材料。磁流體密封的壽命取決于磁流體的蒸發(fā)速度。蒸發(fā)速度除與基液種類有關(guān)外，還主要與溫度有關(guān)，而工作溫度又與活塞（柱塞）往復(fù)運動速度的高低對磁流體的形狀、膜，接觸點的多少以及泄精率有很大的影響，隨速度增加，液體的變形逐漸增加，膜與活塞的接觸范圍變大，泄漏率增加。而用于模具的氨氣彈簧其工作速度相對較低，磁流體工作溫度不高，基本卜不會因溫度升高而帶來泄漏同題．另外，由于磁流體密封環(huán)是液體的，它不會造成活塞(柱塞)的磨損，相反還可以利用液體特性對活塞(柱塞)進(jìn)行潤滑。通過分析，筆者認(rèn)為磁流體密封可以用于氮氣彈簧的密封，只是結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)密封復(fù)雜一些，但可靠性高，壽命長。因此，可以在彈簧尺寸較大的結(jié)構(gòu)中采用。磁性流體單極密封能力較低，要實現(xiàn)氮氣彈簧的高壓密封必須采用多極一多級密封方式。其密封原理如圖5所示，將若干個兩極密封組合起來，構(gòu)成多段密封。沿活塞軸向分布多個磁極，每個極都呈齒槽結(jié)構(gòu)(兩齒以上稱為多級)，相鄰磁極間存在一定空問為磁流體的充注提供空問保證。磁性流體充入后，一部分進(jìn)入各齒下，多余部分則保留在極間的空間內(nèi)，當(dāng)磁性流體被氣壓吹破時能得到及時補充，而不致于恢復(fù)密封狀態(tài)后密封壓差減小。多極一多級密封所承受的密封壓差為各級所承受的密封壓羞之和。而多極一多級封密能力高的重要原因是，外加壓差沿各磁極自動分配．自然形成梯級密封壓差。

如圖6所示，總壓差與各級密封壓差之和相平衡，

形成梯度密封壓差的過程為：當(dāng)外加壓差超過第一級的極限密封壓差時．第一級下的磁性流體被吹破，氣體穿過第一級的密封間隙，第二二級的壓強(qiáng)開始增加，第一級的外加壓差△P，=P，一p：減小，第二級的外加壓差△p：增加，當(dāng)?shù)谝患壍耐饧訅翰顪p小至其恢復(fù)密封壓差時，第一級恢復(fù)密封狀態(tài)，第一級的外加壓差△p、重新增加，這一過程重復(fù)進(jìn)行。第一級前的壓強(qiáng)P，波動上升，第二級前的壓強(qiáng)P．階躍上升，“此類推其它各級的情況，通過這一過程就形成了梯度密封壓多極一多級密封結(jié)構(gòu)．不但能提高總的密封能勾，同時，還能解決因溫度升高而造成的磁流體蒸發(fā)，相應(yīng)提高了密封的壽命和可靠性。扶理論上說．實現(xiàn)氣體高壓密封是行得通的。但是，對于回轉(zhuǎn)軸的磁流體密封技術(shù)相對用得較多，而對往復(fù)軸的密封是一個全新的動密封技術(shù)，實現(xiàn)起來還有一些相關(guān)問題需要解決，有一定難度。因此．實現(xiàn)氮氣彈簧的高壓密封最好的方式是傳統(tǒng)的密封方式和磁性流津密封方式相結(jié)合，這樣就可以實現(xiàn)我國自行設(shè)計、制造氨氣彈簧。