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東莞米奇彈簧有限公司氮氣彈簧密封可靠性設計要點及結(jié)構(gòu)

為了保證氮氣缸彈簧的使用壽命，對氮氣缸設計的關鍵技術問題進行了闡述，提出了高壓氮氣缸的密封可靠性設計要點及適用于氮氣彈簧的動態(tài)密封結(jié)構(gòu)形式。具體分為氮氣彈簧密封可靠性設計要點及結(jié)構(gòu),動態(tài)密封可靠性設計要點,氮氣彈簧密封元件及結(jié)構(gòu)形式三大要點。

1 引言

模具技術不斷發(fā)展，對模具上大量使用的彈性元件提出了越來越高的要求。在汽車制造領域，覆蓋件模具要求彈性元件在較小的空間里能產(chǎn)生較大的初始彈壓力，而不需要預緊，且要求彈壓力在整個工作行程中基本保持恒定。常規(guī)彈簧的彈壓力特性曲線不能滿足要求，氮氣缸彈簧作為新型彈性功能部件便應運而生，它所具有的彈壓力特性曲線彌補了常規(guī)彈性元件的不足。氮氣缸彈簧的使用壓力在15MPa以下，在正常使用情況下，它的壽命指標應達到工作行程80kmlOOkm。為此，首先應保證氮氣缸高壓氮氣的密封壽命。氮氣彈簧的密封分為動密封和靜密封，靜密封技術相對于動密封技術更成熟和可靠，而往復軸的高壓氣體動密封在技術上還存在一些難題值得研究。因此，高壓氮氣的動密封可靠性是氮氣彈簧成敗的關鍵問題。

2 動態(tài)密封可靠性設計要點

動密封是在運動副之間充填彈性材料堵塞間隙，以達到密封目的。氮氣缸有柱塞式和活塞式兩種結(jié)構(gòu)型式，對柱塞式氮氣彈簧，動密封槽一般設計在密封套上；而活塞式氮氣彈簧則設計在活塞上。其結(jié)構(gòu)設計要求：一是動密封結(jié)構(gòu)必須設計在氮氣彈簧小巧獨立的氣室內(nèi)；二是動密封結(jié)構(gòu)要保證在高壓氣體狀態(tài)下長期工作可靠。影響動密封可靠性的因素很多，在設計中有以下幾點值得重視：

(1)正確選擇密封元件。適合于氮氣彈簧的動密封的形式有。形、Y 形、滑環(huán)組合密封、Y形組合密封、多層密封等，在設計中應結(jié)合缸的結(jié)構(gòu)型式與大小、受力狀況、潤滑、行程大小等選擇。密封元件的材質(zhì)選擇及形狀設計很重要，要求密封元件耐磨性好、承壓能力強、摩擦阻力小、運動平穩(wěn)，并能隨壓力的升高增強自緊密封效果。

(2)重視運動部件的潤滑。氮氣彈簧的氣室是一個獨立的工作腔，運動時具有一定的頻率響應，運動副在工作中產(chǎn)生摩擦，如潤滑效果不好或無潤滑，運動副的機械能將轉(zhuǎn)換為熱能，使氮氣彈簧升溫而破壞氮氣的絕熱壓縮和膨脹過程，同時，加劇了運動副的摩擦磨損，氣體易泄漏，從而縮短了動密封的壽命。因此，氮氣彈簧必須潤滑，且只能在氣室內(nèi)部進行。要求潤滑系統(tǒng)在工作時能使?jié)櫥瑒┬纬杉氺F狀對柱塞或活塞進行潤滑，對柱塞式也可在導向套中加一個潤滑環(huán)或采用含油材料制造自潤性導套進行潤滑。

(3)導向結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。氮氣彈簧的彈壓力是通過柱塞桿或活塞桿對高壓氮氣反復壓縮與膨脹來傳遞的，如果柱塞桿或活塞桿導向精度不高或?qū)蜷L度太短，都會引起偏載，使運動不平穩(wěn)，造成運動副磨損，使密封失效。導向結(jié)構(gòu)設計應保證運動的穩(wěn)定性和抗偏載能力。

(4)保證密封件及相關構(gòu)件的制造精度和表面粗糙度。動密封的壽命與相對滑動表面的材質(zhì)、加工精度、加工方法、潤滑情況及環(huán)境污染等因素有關，設計要求密封件的形狀規(guī)則、表面光滑；為使動密封與滑動金屬表面耐磨性好、抗粘合能力強、承壓能力強、摩擦阻力小、運動平穩(wěn)，缸體或柱塞桿要進行耐磨表面處理。經(jīng)珩磨或鏡面磨削，保證尺寸精度和表面粗糙度Ra<0．2／xm一0．4／xm，硬度HRC>50較為合理。

3 氮氣彈簧密封元件及結(jié)構(gòu)形式

(1)o 形圈密封是最簡單的、最通用的一種密封類型。它靠密封接觸表面的壓力堵塞氣體泄漏，氣壓越高密封效果越好，但柱塞或活塞運動速度較高時，氣體會有泄漏。o 形圈一般用合成橡膠

制造，它的運動摩擦阻力比唇形密封小，而啟動摩擦阻力較大(為運動摩擦阻力的3-4倍)，當。形圈的硬度越大，滑動表面粗糙度越大，啟動摩擦力就越大；當靜置時間較長時，啟動摩擦力也會增加。o形圈用于氣密封時必須采取潤滑措施，減小密封圈的磨損。為防止高壓下的。形圈被擠入密封間隙和運動時產(chǎn)生擰扭現(xiàn)象，設計時在低壓的一側(cè)加一個擋圈，也可用雙擋圈以防回程被擠入卡住(圖1)。0 形密封圈經(jīng)常被作為輔助密封元件，也可單獨作為主密封件使用。圖1 擋圈安裝形式

(2)Y 形圈密封是自緊唇密封中最早的結(jié)構(gòu)形式之一。氮氣彈簧用不等高唇Y(jié)形圈(圖2)密封效果更好。在一般情況下，Y 形圈可不用支承環(huán)，而直接裝入安裝槽內(nèi)，當工作氣壓作用后，Y 形圈底部受到軸向壓縮，唇部受到周向壓縮，使唇與缸壁接觸面變寬，接觸壓力同時增大，起自緊密封作用，接觸壓力越高，密封性能更好。Y形密封摩擦阻力小，運動平穩(wěn)，耐壓性和密封性能較好，單圈可以實現(xiàn)密封，主要用于要求低摩擦往復運動密封場合。但是，Y形圈密封在高壓下會產(chǎn)生較大的摩擦，磨損也大，而且這種密封元件斷面的踵部易產(chǎn)生磨料磨損和咬傷，也易于擠入間隙中去被破壞，措施上可采用一個內(nèi)裝背撐環(huán)組成一個組合Y 形密封圈來解決 (圖 3)。為提高抗形變的能力，設計時還應增加斷面的壁厚。圖2 Y圈

圖3 組合Y形密封圈

(3)滑環(huán)組合密封通常由一個聚四氟乙烯主密封環(huán)和一個輔助彈性密封元件組成(圖4)，主密封環(huán)和彈性密封環(huán)徑向組合安裝在同一溝糟中。外裝結(jié)構(gòu)用于活塞密封，內(nèi)裝結(jié)構(gòu)用于活塞桿密封。組合密封屬接觸型自緊式密封，安裝時，先給彈性體密封環(huán)缸徑方向一定量的壓縮量阻止氣體可能通過0形環(huán)和主密封環(huán)之間以及。形環(huán)和溝槽之間流過，起到初始密封作用。在高壓氣體作用下，o形圈發(fā)生形變，并擠壓主密封環(huán)，使主密封環(huán)與金屬表面的接觸應力增加，擠壓應力增大，起到自緊式密封作用。聚四氟乙烯主密封環(huán)與金屬的摩擦系數(shù)是所有固體中最低的，具有自潤滑作用，這一點正符合氮氣彈簧設計需要?；h(huán)組合密封與。形密封相比，不難從圖5和圖6的實驗曲線看出它的優(yōu)勢。組合密封既利用了聚四氟乙烯與金屬表面接觸作滑動摩擦面，又充分利用了彈性O 形密封圈自緊式密封的優(yōu)點，用作往復軸密封具有許多獨特的優(yōu)勢：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，軸向尺寸??；摩擦系數(shù)小，靜摩擦與動摩擦

幾乎完全相等；因耐磨性較低，聚四氟乙烯主密封環(huán)必須填充青銅粉、玻纖、石墨、二硫化鉬等材料，以提高它的耐磨性和使用壽命；聚四氟乙烯環(huán)與金屬對磨時，磨下的微粒粘附于金屬微粗糙的表面，最后形成塑料與塑料之間的摩擦，保護了金屬表面；滑環(huán)式組合密封能在干摩擦條件-V使用，解決了氮氣彈簧的潤滑問題，所以它是一種較好的高壓氣動密封。

(4)Y形組合密封是由Y 形密封圈和唇內(nèi)的。形圈組合而成的一種單向密封(圖7)，其密封原理與一般的Y 形密封圈相同。o 形圈由形變能力強的合成橡膠制造，而Y 形密封件則采用剛性較好的夾織物橡膠制造，在壓力作用下同樣能徑向膨脹。起自密封作用。這種結(jié)構(gòu)既保持了優(yōu)良的密封性能，又使摩擦磨損較小，還同時避免了單一Y 形密封圈工作時被擠入間隙而破壞的可能。

(5)磁性流體密封已經(jīng)在許多領域得到廣泛應用，由于磁性流體與密封介質(zhì)的親合問題等使得磁性流體密封適合于氣體介質(zhì)密封，在旋轉(zhuǎn)軸的密封上應用較成功，而往復軸的密封上用的較少。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采用多級密封方式。圖8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)，相鄰磁極間存在一定空間，磁性流體充入后，一部分進入各齒下，多余部分則保留在極間的空間內(nèi)，當磁性流體被氣壓吹破時能得到及時補充，而不致于恢復密封狀態(tài)后，密封壓差減小，這就是多級密封能實現(xiàn)高密封能力的重要原因之一；原因之二是外加壓差沿各磁極自動分配，自然形成梯級密封壓差，總壓差與各級密封壓差之和相平衡。多級密封結(jié)構(gòu)不但能提高總的密封能力，同時，還能解決因溫度升高而造成的磁流體蒸發(fā)，相應提高了密封的壽命和可靠性。磁性流體密封具有傳統(tǒng)密封方式所不能比擬的優(yōu)點：基本不泄漏；無磨損、壽命長；對環(huán)境無特殊要求；磁性流體具有潤滑作用，利用液體特性對活塞（柱塞)進行潤滑，將氮氣彈簧要求的密封與潤滑結(jié)合為一體。磁流體密封用于氮氣彈簧從理論上講是行得通的，其結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)密封復雜一些，要達到設計技術要求有一定難度，因此，建議在彈簧尺寸較大的結(jié)構(gòu)中采用，并和其他密封元件組合使用。

(6) 通過實驗和實踐證明下列幾種動密封形式(圖9～12)適用于氮氣彈簧。為增加密封的可靠性，其密封結(jié)構(gòu)可采用同一類型或不同類型密封元件進行多層密封設計。

4 結(jié)束語、隨著氮氣彈簧技術和新的密封技術的不斷發(fā)展，新材料、新工藝和新結(jié)構(gòu)，將不斷用于氮氣彈簧，以滿足工業(yè)領域?qū)椥栽絹碓礁叩男枨蟆?/FONT>

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