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氮气弹簧密封可靠性设计要点及结构
2013-6-5 17:18:35

       为了保证氮气缸弹簧的使用寿命,对氮气缸设计的关键技术问题进行了阐述,提出了高压氮气缸的密封可靠性设计要点及适用于氮气弹簧的动态密封结构形式。具体分为氮气弹簧密封可靠性设计要点及结构,动态密封可靠性设计要点,氮气弹簧密封元件及结构形式三大要点。

1 引言

模具技术不断发展,对模具上大量使用的弹性元件提出了越来越高的要求。在汽车制造领域,覆盖件模具要求弹性元件在较小的空间里能产生较大的初始弹压力,而不需要预紧,且要求弹压力在整个工作行程中基本保持恒定。常规弹簧的弹压力特性曲线不能满足要求,氮气缸弹簧作为新型弹性功能部件便应运而生, 它所具有的弹压力特性曲线弥补了常规弹性元件的不足。氮气缸弹簧的使用压力在15MPa以下,在正常使用情况下, 它的寿命指标应达到工作行程80kmlOOkm。为此,首先应保证氮气缸高压氮气的密封寿命。氮气弹簧的密封分为动密封和静密封,静密封技术相对于动密封技术更成熟和可靠, 而往复轴的高压气体动密封在技术上还存在一些难题值得研究。因此, 高压氮气的动密封可靠性是氮气弹簧成败的关键问题。
2 动态密封可靠性设计要点
动密封是在运动副之间充填弹性材料堵塞间隙,以达到密封目的。氮气缸有柱塞式和活塞式两种结构型式,对柱塞式氮气弹簧,动密封槽一般设计在密封套上;而活塞式氮气弹簧则设计在活塞上。其结构设计要求: 一是动密封结构必须设计在氮气弹簧小巧独立的气室内;二是动密封结构要保证在高压气体状态下长期工作可靠。影响动密封可靠性的因素很多,在设计中有以下几点值得重视:
(1)正确选择密封元件。适合于氮气弹簧的动密封的形式有。形、Y 形、滑环组合密封、Y形组合密封、多层密封等,在设计中应结合缸的结构型式与大小、受力状况、润滑、行程大小等选择。密封元件的材质选择及形状设计很重要,要求密封元件耐磨性好、承压能力强、摩擦阻力小、运动平稳,并能随压力的升高增强自紧密封效果。
(2)重视运动部件的润滑。氮气弹簧的气室是一个独立的工作腔,运动时具有一定的频率响应,运动副在工作中产生摩擦,如润滑效果不好或无润滑,运动副的机械能将转换为热能, 使氮气弹簧升温而破坏氮气的绝热压缩和膨胀过程,同时,加剧了运动副的摩擦磨损, 气体易泄漏,从而缩短了动密封的寿命。因此,氮气弹簧必须润滑,且只能在气室内部进行。要求润滑系统在工作时能使润滑剂形成细雾状对柱塞或活塞进行润滑, 对柱塞式也可在导向套中加一个润滑环或采用含油材料制造自润性导套进行润滑。
(3)导向结构稳定可靠。氮气弹簧的弹压力是通过柱塞杆或活塞杆对高压氮气反复压缩与膨胀来传递的, 如果柱塞杆或活塞杆导向精度不高或导向长度太短,都会引起偏载,使运动不平稳,造成运动副磨损,使密封失效。导向结构设计应保证运动的稳定性和抗偏载能力。
(4)保证密封件及相关构件的制造精度和表面粗糙度。动密封的寿命与相对滑动表面的材质、加工精度、加工方法、润滑情况及环境污染等因素有关,设计要求密封件的形状规则、表面光滑;为使动密封与滑动金属表面耐磨性好、抗粘合能力强、承压能力强、摩擦阻力小、运动平稳,缸体或柱塞杆要进行耐磨表面处理。经珩磨或镜面磨削,保证尺寸精度和表面粗糙度Ra<0.2/xm一0.4/xm,硬度HRC>50较为合理。
3 氮气弹簧密封元件及结构形式
(1)o 形圈密封是最简单的、最通用的一种密封类型。它靠密封接触表面的压力堵塞气体泄漏,气压越高密封效果越好,但柱塞或活塞运动速度较高时,气体会有泄漏。o 形圈一般用合成橡胶制造,它的运动摩擦阻力比唇形密封小,而启动摩擦阻力较大(为运动摩擦阻力的3-4倍),当。形圈的硬度越大,滑动表面粗糙度越大,启动摩擦力就越大;当静置时间较长时,启动摩擦力也会增加。o形圈用于气密封时必须采取润滑措施,减小密封圈的磨损。为防止高压下的。形圈被挤入密封间隙和运动时产生拧扭现象,设计时在低压的一侧加一个挡圈,也可用双挡圈以防回程被挤入卡住(图1)。0 形密封圈经常被作为辅助密封元件,也可单独作为主密封件使用。                                                                                                                                               图1 挡圈安装形式                       

(2)Y 形圈密封是自紧唇密封中最早的结构形式之一。氮气弹簧用不等高唇Y形圈(图2)密封效果更好。在一般情况下,Y 形圈可不用支承环,而直接装入安装槽内, 当工作气压作用后,Y 形圈底部受到轴向压缩,唇部受到周向压缩,使唇与缸壁接触面变宽,接触压力同时增大,起自紧密封作用,接触压力越高,密封性能更好。Y形密封摩擦阻力小,运动平稳,耐压性和密封性能较好,单圈可以实现密封,主要用于要求低摩擦往复运动密封场合。但是,Y形圈密封在高压下会产生较大的摩擦,磨损也大,而且这种密封元件断面的踵部易产生磨料磨损和咬伤,也易于挤入间隙中去被破坏,措施上可采用一个内装背撑环组成一个组合Y 形密封圈来解决      (图 3)。为提高抗形变的能力,设计时还应增加断面的壁厚。                                                              图2 Y圈 

  图3 组合Y形密封圈                                                                                                                                       

 (3)滑环组合密封通常由一个聚四氟乙烯主密封环和一个辅助弹性密封元件组成(图4),主密封环和弹性密封环径向组合安装在同一沟糟中。外装结构用于活塞密封,内装结构用于活塞杆密封。组合密封属接触型自紧式密封,安装时, 先给弹性体密封环缸径方向一定量的压缩量阻止气体可能通过0形环和主密封环之间以及。形环和沟槽之间流过,起到初始密封作用。在高压气体作用下,o形圈发生形变,并挤压主密封环,使主密封环与金属表面的接触应力增加,挤压应力增大,起到自紧式密封作用。聚四氟乙烯主密封环与金属的摩擦系数是所有固体中最低的,具有自润滑作用,这一点正符合氮气弹簧设计需要。滑环组合密封与。形密封相比,不难从图5和图6的实验曲线看出它的优势。组合密封既利用了聚四氟乙烯与金属表面接触作滑动摩擦面,又充分利用了弹性O 形密封圈自紧式密封的优点,用作往复轴密封具有许多独特的优势:结构简单、紧凑,轴向尺寸小;摩擦系数小,静摩擦与动摩擦

几乎完全相等;因耐磨性较低,聚四氟乙烯主密封环必须填充青铜粉、玻纤、石墨、二硫化钼等材料,以提高它的耐磨性和使用寿命;聚四氟乙烯环与金属对磨时,磨下的微粒粘附于金属微粗糙的表面,最后形成塑料与塑料之间的摩擦,保护了金属表面;滑环式组合密封能在干摩擦条件-V使用,解决了氮气弹簧的润滑问题,所以它是一种较好的高压气动密封。
(4)Y形组合密封是由Y 形密封圈和唇内的。形圈组合而成的一种单向密封(图7),其密封原理与一般的Y 形密封圈相同。o 形圈由形变能力强的合成橡胶制造,而Y 形密封件则采用刚性较好的夹织物橡胶制造,在压力作用下同样能径向膨胀。起自密封作用。这种结构既保持了优良的密封性能,又使摩擦磨损较小,还同时避免了单一Y 形密封圈工作时被挤入间隙而破坏的可能。
(5)磁性流体密封已经在许多领域得到广泛应用, 由于磁性流体与密封介质的亲合问题等使得磁性流体密封适合于气体介质密封,在旋转轴的密封上应用较成功,而往复轴的密封上用的较少。磁性流体单极密封能力较低,要实现氮气弹簧的高压密封必采用多级密封方式。图8所示,将若干个两极密封组合起来,构成多段密封,沿活塞轴向分布多个磁极, 每个极都呈齿槽结构,相邻磁极间存在一定空间,磁性流体充入后,一部分进入各齿下,多余部分则保留在极间的空间内, 当磁性流体被气压吹破时能得到及时补充,而不致于恢复密封状态后,密封压差减小, 这就是多级密封能实现高密封能力的重要原因之一;原因之二是外加压差沿各磁极自动分配,自然形成梯级密封压差, 总压差与各级密封压差之和相平衡。多级密封结构不但能提高总的密封能力,同时,还能解决因温度升高而造成的磁流体蒸发,相应提高了密封的寿命和可靠性。磁性流体密封具有传统密封方式所不能比拟的优点:基本不泄漏;无磨损、寿命长;对环境无特殊要求;磁性流体具有润滑作用,利用液体特性对活塞(柱塞)进行润滑,将氮气弹簧要求的密封与润滑结合为一体。磁流体密封用于氮气弹簧从理论上讲是行得通的,其结构相对于传统密封复杂一些,要达到设计技术要求有一定难度,因此,建议在弹簧尺寸较大的结构中采用,并和其他密封元件组合使用。
(6) 通过实验和实践证明下列几种动密封形式(图9~12)适用于氮气弹簧。为增加密封的可靠性,其密封结构可采用同一类型或不同类型密封元件进行多层密封设计。
4 结束语 、随着氮气弹簧技术和新的密封技术的不断发展,新材料、新工艺和新结构,将不断用于氮气弹簧,以满足工业领域对弹性元件越来越高的需求。
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