氮?dú)鈴椈擅芊饪煽啃栽O(shè)計(jì)要點(diǎn)及結(jié)構(gòu)

　　為了保證氮?dú)飧讖椈傻氖褂脡勖瑢?duì)氮?dú)飧自O(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了闡述，提出了高壓氮?dú)飧椎拿芊饪煽啃栽O(shè)計(jì)要點(diǎn)及適用于氮?dú)鈴椈傻膭?dòng)態(tài)密封結(jié)構(gòu)形式。具體分為氮?dú)鈴椈擅芊饪煽啃栽O(shè)計(jì)要點(diǎn)及結(jié)構(gòu),動(dòng)態(tài)密封可靠性設(shè)計(jì)要點(diǎn),氮?dú)鈴椈擅芊庠敖Y(jié)構(gòu)形式三大要點(diǎn)。

　　1 引言

　　模具技術(shù)不斷發(fā)展，對(duì)模具上大量使用的彈性元件提出了越來(lái)越高的要求。在汽車制造領(lǐng)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(yù)緊，且要求彈壓力在整個(gè)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?dú)飧讖椈勺鳛樾滦蛷椥怨δ懿考銘?yīng)運(yùn)而生， 它所具有的彈壓力特性曲線彌補(bǔ)了常規(guī)彈性元件的不足。氮?dú)飧讖椈傻氖褂脡毫υ?5MPa以下，在正常使用情況下， 它的壽命指標(biāo)應(yīng)達(dá)到工作行程80kmlOOkm。為此，首先應(yīng)保證氮?dú)飧赘邏旱獨(dú)獾拿芊鈮勖?。氮?dú)鈴椈傻拿芊夥譃閯?dòng)密封和靜密封，靜密封技術(shù)相對(duì)于動(dòng)密封技術(shù)更成熟和可靠， 而往復(fù)軸的高壓氣體動(dòng)密封在技術(shù)上還存在一些難題值得研究。因此， 高壓氮?dú)獾膭?dòng)密封可靠性是氮?dú)鈴椈沙蓴〉年P(guān)鍵問題。

　　2 動(dòng)態(tài)密封可靠性設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　動(dòng)密封是在運(yùn)動(dòng)副之間充填彈性材料堵塞間隙，以達(dá)到密封目的。氮?dú)飧子兄胶突钊絻煞N結(jié)構(gòu)型式，對(duì)柱塞式氮?dú)鈴椈?，?dòng)密封槽一般設(shè)計(jì)在密封套上;而活塞式氮?dú)鈴椈蓜t設(shè)計(jì)在活塞上。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求： 一是動(dòng)密封結(jié)構(gòu)必須設(shè)計(jì)在氮?dú)鈴椈尚∏瑟?dú)立的氣室內(nèi);二是動(dòng)密封結(jié)構(gòu)要保證在高壓氣體狀態(tài)下長(zhǎng)期工作可靠。影響動(dòng)密封可靠性的因素很多，在設(shè)計(jì)中有以下幾點(diǎn)值得重視：

　　(1)正確選擇密封元件。適合于氮?dú)鈴椈傻膭?dòng)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(shè)計(jì)中應(yīng)結(jié)合缸的結(jié)構(gòu)型式與大小、受力狀況、潤(rùn)滑、行程大小等選擇。密封元件的材質(zhì)選擇及形狀設(shè)計(jì)很重要，要求密封元件耐磨性好、承壓能力強(qiáng)、摩擦阻力小、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，并能隨壓力的升高增強(qiáng)自緊密封效果。

　　(2)重視運(yùn)動(dòng)部件的潤(rùn)滑。氮?dú)鈴椈傻臍馐沂且粋€(gè)獨(dú)立的工作腔，運(yùn)動(dòng)時(shí)具有一定的頻率響應(yīng)，運(yùn)動(dòng)副在工作中產(chǎn)生摩擦，如潤(rùn)滑效果不好或無(wú)潤(rùn)滑，運(yùn)動(dòng)副的機(jī)械能將轉(zhuǎn)換為熱能， 使氮?dú)鈴椈缮郎囟茐牡獨(dú)獾慕^熱壓縮和膨脹過程，同時(shí)，加劇了運(yùn)動(dòng)副的摩擦磨損， 氣體易泄漏，從而縮短了動(dòng)密封的壽命。因此，氮?dú)鈴椈杀仨殱?rùn)滑，且只能在氣室內(nèi)部進(jìn)行。要求潤(rùn)滑系統(tǒng)在工作時(shí)能使?jié)櫥瑒┬纬杉?xì)霧狀對(duì)柱塞或活塞進(jìn)行潤(rùn)滑， 對(duì)柱塞式也可在導(dǎo)向套中加一個(gè)潤(rùn)滑環(huán)或采用含油材料制造自潤(rùn)性導(dǎo)套進(jìn)行潤(rùn)滑。

　　(3)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。氮?dú)鈴椈傻膹棄毫κ峭ㄟ^柱塞桿或活塞桿對(duì)高壓氮?dú)夥磸?fù)壓縮與膨脹來(lái)傳遞的， 如果柱塞桿或活塞桿導(dǎo)向精度不高或?qū)蜷L(zhǎng)度太短，都會(huì)引起偏載，使運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，造成運(yùn)動(dòng)副磨損，使密封失效。導(dǎo)向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)保證運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和抗偏載能力。

　　(4)保證密封件及相關(guān)構(gòu)件的制造精度和表面粗糙度。動(dòng)密封的壽命與相對(duì)滑動(dòng)表面的材質(zhì)、加工精度、加工方法、潤(rùn)滑情況及環(huán)境污染等因素有關(guān)，設(shè)計(jì)要求密封件的形狀規(guī)則、表面光滑;為使動(dòng)密封與滑動(dòng)金屬表面耐磨性好、抗粘合能力強(qiáng)、承壓能力強(qiáng)、摩擦阻力小、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，缸體或柱塞桿要進(jìn)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?dú)鈴椈擅芊庠敖Y(jié)構(gòu)形式

　　(1)o 形圈密封是簡(jiǎn)單的、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(yùn)動(dòng)速度較高時(shí)，氣體會(huì)有泄漏。o 形圈一般用合成橡膠

　　制造，它的運(yùn)動(dòng)摩擦阻力比唇形密封小，而啟動(dòng)摩擦阻力較大(為運(yùn)動(dòng)摩擦阻力的3-4倍)，當(dāng)。形圈的硬度越大，滑動(dòng)表面粗糙度越大，啟動(dòng)摩擦力就越大;當(dāng)靜置時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，啟動(dòng)摩擦力也會(huì)增加。o形圈用于氣密封時(shí)必須采取潤(rùn)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(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生擰扭現(xiàn)象，設(shè)計(jì)時(shí)在低壓的一側(cè)加一個(gè)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(dú)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早的結(jié)構(gòu)形式之一。氮?dú)鈴椈捎貌坏雀叽結(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(dāng)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(shí)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(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，耐壓性和密封性能較好，單圈可以實(shí)現(xiàn)密封，主要用于要求低摩擦往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封場(chǎng)合。但是，Y形圈密封在高壓下會(huì)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(gè)內(nèi)裝背撐環(huán)組成一個(gè)組合Y 形密封圈來(lái)解決 (圖 3)。為提高抗形變的能力，設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)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(gè)聚四氟乙烯主密封環(huán)和一個(gè)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(shí)， 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(yīng)力增加，擠壓應(yīng)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)是所有固體中低的，具有自潤(rùn)滑作用，這一點(diǎn)正符合氮?dú)鈴椈稍O(shè)計(jì)需要?；h(huán)組合密封與。形密封相比，不難從圖5和圖6的實(shí)驗(yàn)曲線看出它的優(yōu)勢(shì)。組合密封既利用了聚四氟乙烯與金屬表面接觸作滑動(dòng)摩擦面，又充分利用了彈性O(shè) 形密封圈自緊式密封的優(yōu)點(diǎn)，用作往復(fù)軸密封具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，軸向尺寸小;摩擦系數(shù)小，靜摩擦與動(dòng)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(duì)磨時(shí)，磨下的微粒粘附于金屬微粗糙的表面，后形成塑料與塑料之間的摩擦，保護(hù)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?dú)鈴椈傻臐?rùn)滑問題，所以它是一種較好的高壓氣動(dòng)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(qiáng)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(shí)避免了單一Y 形密封圈工作時(shí)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(lǐng)域得到廣泛應(yīng)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(yīng)用較成功，而往復(fù)軸的密封上用的較少。磁性流體單極密封能力較低，要實(shí)現(xiàn)氮?dú)鈴椈傻母邏好芊獗夭捎枚嗉?jí)密封方式。圖8所示，將若干個(gè)兩極密封組合起來(lái)，構(gòu)成多段密封，沿活塞軸向分布多個(gè)磁極， 每個(gè)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(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(shí)能得到及時(shí)補(bǔ)充，而不致于恢復(fù)密封狀態(tài)后，密封壓差減小， 這就是多級(jí)密封能實(shí)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(dòng)分配，自然形成梯級(jí)密封壓差， 總壓差與各級(jí)密封壓差之和相平衡。多級(jí)密封結(jié)構(gòu)不但能提高總的密封能力，同時(shí)，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。磁性流體密封具有傳統(tǒng)密封方式所不能比擬的優(yōu)點(diǎn)：基本不泄漏;無(wú)磨損、壽命長(zhǎng);對(duì)環(huán)境無(wú)特殊要求;磁性流體具有潤(rùn)滑作用，利用液體特性對(duì)活塞(柱塞)進(jìn)行潤(rùn)滑，將氮?dú)鈴椈梢蟮拿芊馀c潤(rùn)滑結(jié)合為一體。磁流體密封用于氮?dú)鈴椈蓮睦碚撋现v是行得通的，其結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)密封復(fù)雜一些，要達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)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(shí)驗(yàn)和實(shí)踐證明下列幾種動(dòng)密封形式(圖9～12)適用于氮?dú)鈴椈?。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(jìn)行多層密封設(shè)計(jì)。

　　4 結(jié)束語(yǔ) 、隨著氮?dú)鈴椈杉夹g(shù)和新的密封技術(shù)的不斷發(fā)展，新材料、新工藝和新結(jié)構(gòu)，將不斷用于氮?dú)鈴椈?，以滿足工業(yè)領(lǐng)域?qū)椥栽絹?lái)越高的需求。