為了保證氮?dú)飧讖椈?/a>的使用壽命，對氮?dú)飧自O(shè)計的關(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)計要點(diǎn)及適用于氮?dú)鈴椈傻膭討B(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)計要點(diǎn)及結(jié)構(gòu),動態(tài)密封可靠性設(shè)計要點(diǎn),氮?dú)鈴椈擅芊庠敖Y(jié)構(gòu)形式三大要點(diǎn)。
模具技術(shù)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(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)鈴椈傻拿芊夥譃閯用芊夂挽o密封，靜密封技術(shù)相對于動密封技術(shù)更成熟和可靠， 而往復(fù)軸的高壓氣體動密封在技術(shù)上還存在一些難題值得研究。因此， 高壓氮?dú)獾膭用芊饪煽啃允堑獨(dú)鈴椈沙蓴〉年P(guān)鍵問題。
2 動態(tài)密封可靠性設(shè)計要點(diǎn)
動密封是在運(yùn)動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，對柱塞式氮?dú)鈴椈?，動密封槽一般設(shè)計在密封套上；而活塞式氮?dú)鈴椈蓜t設(shè)計在活塞上。其結(jié)構(gòu)設(shè)計要求： 一是動密封結(jié)構(gòu)必須設(shè)計在氮?dú)鈴椈尚∏瑟?dú)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(shè)計中有以下幾點(diǎn)值得重視：
(1)正確選擇密封元件。適合于氮?dú)鈴椈傻膭用芊獾男问接?。形、Y 形、滑環(huán)組合密封、Y形組合密封、多層密封等，在設(shè)計中應(yīng)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(shè)計很重要，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)動部件的潤滑。氮?dú)鈴椈傻臍馐沂且粋€獨(dú)立的工作腔，運(yùn)動時具有一定的頻率響應(yīng)，運(yùn)動副在工作中產(chǎn)生摩擦，如潤滑效果不好或無潤滑，運(yùn)動副的機(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，加劇了運(yùn)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?dú)鈴椈杀仨殱櫥?，且只能在氣室?nèi)部進(jìn)行。要求潤滑系統(tǒng)在工作時能使?jié)櫥瑒┬纬杉?xì)霧狀對柱塞或活塞進(jìn)行潤滑， 對柱塞式也可在導(dǎo)向套中加一個潤滑環(huán)或采用含油材料制造自潤性導(dǎo)套進(jìn)行潤滑。
(3)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。氮?dú)鈴椈傻膹棄毫κ峭ㄟ^柱塞桿或活塞桿對高壓氮?dú)夥磸?fù)壓縮與膨脹來傳遞的， 如果柱塞桿或活塞桿導(dǎo)向精度不高或?qū)蜷L度太短，都會引起偏載，使運(yùn)動不平穩(wěn)，造成運(yùn)動副磨損，使密封失效。導(dǎo)向結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)保證運(yùn)動的穩(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(guān)，設(shè)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(qiáng)、承壓能力強(qiáng)、摩擦阻力小、運(yùn)動平穩(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(yùn)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(yùn)動摩擦阻力比唇形密封小，而啟動摩擦阻力較大(為運(yùn)動摩擦阻力的3-4倍)，當(dāng)。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(dāng)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(yùn)動時產(chǎn)生擰扭現(xiàn)象，設(shè)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(dú)作為主密封件使用。
(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?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(fù)運(yùn)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(shè)計時還應(yīng)增加斷面的壁厚。
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(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)是所有固體中最低的，具有自潤滑作用，這一點(diǎn)正符合氮?dú)鈴椈稍O(shè)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(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：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(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)鈴椈傻臐櫥瑔栴}，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(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(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，要實現(xiàn)氮?dú)鈴椈傻母邏好芊獗夭捎枚嗉壝芊夥绞健D8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(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(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(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(jìn)行潤滑，將氮?dú)鈴椈梢蟮拿芊馀c潤滑結(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)相對于傳統(tǒng)密封復(fù)雜一些，要達(dá)到設(shè)計技術(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) 通過實驗和實踐證明下列幾種動密封形式(圖9～12)適用于氮?dú)鈴椈伞樵黾用芊獾目煽啃?，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。
4 結(jié)束語 、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)鈴椈桑詽M足工業(yè)領(lǐng)域?qū)椥栽絹碓礁叩男枨蟆?br />
