• 发布日期：2014-06-30
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   一、氮气弹簧及其研究难点

氮气弹簧可称为氮气缸或氮气缸弹压装置。它是利用氮气的可压缩性来行使弹簧功能的不见，它由柱塞（活塞）、缸体、静动密封部分、导向部分、充气结构组件、润滑系统等九大部分组成。氮气是一种惰性气体，工作性能稳定、五毒、无腐蚀、不燃烧，工作安全可靠。它具有如下特点：在较小的空间中可以产生较大的初始弹压力而不需预紧；弹压力在整个工作行程中，可以基本保持恒定；安装灵活、调节容易；使用寿命长；工作不需外加动力源。

在工业发达国家，氮气弹簧已成为模具的主要配件而取代常规弹性元件。目前，我国进口大量模具重都采用氮气弹簧技术，我国应对引进模具的氮气弹簧技术进行消化吸收，并根据我国实际情况进行创新设计、制造和使用氮气弹簧。在研究和开发氮气弹簧的工作中，高压气体的密封可靠性是氮气弹簧成败的关键，同时也是研究的难点问题。如果氮气弹簧一次充气寿命低于80-100km，氮气弹簧就失去了实用意义。要提高氮气弹簧寿命指标的关键也就是解决高压气体的动、静密封问题。

二、氮气弹簧的密封特点

氮气弹簧的密封分为动密封和静密封。静密封的实质是依靠密封材料的弹性变形，将密封面上的微小不平处填满，从而达到密封目的。动密封则是在运动副之间充填弹性材料，以堵住间隙，达到密封目的。

如图1、如图2所示是氮气弹簧常规的动密封结构形式，密封材料通常安放在密封槽内。如柱塞式氮气弹簧，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。不论采用单层密封或多层密封，其结构设计都应该考虑所设计结构形式便于加工、装配和控制尺寸精度。如果把常见低压密封的O形、Y形和矩形密封结构运用在氮气弹簧的高压气体密封中，就必须提高这些密封件的技术要求。如密封材料的选择、密封件及相关构件制造精度和表面粗糙度等方面都相应地提高技术质量要求，以适应气体密封。并且所设计密封结构应由几层密封复合而成，以增加密封的可靠性。

如图3所示精密封，它是指与缸体连接，组成气腔的结合面处的密封，它是对氮气弹簧工作时不产生相对运动的部位进行密封。但对于氮气弹簧来讲，因为缸内是高压气体，即使氮气弹簧不工作时也应对运动的部位进行密封。但对于氮气弹簧来讲，因为缸内是高压气体，即使氮气弹簧不工作时也应对运动副进行静密封，即在其端部设计静密封装置，以防止气体的泄露。静密封技术相对于动密封技术比较成熟可靠，可以采用三角形密封形式和端面加压密封形式来解决。

三、一种新的动密封方法

笔者探讨今年来发展的一门新型的密封技术，磁性流体与密封，由于磁性流体与密封介质问题等，使得磁性流体密封最适合于将气体介质密封。目前，美国、日本、俄罗斯、英国等发达国家，磁性流体密封已经在许多领域得到广泛应用，它具有传统密封方式所不能比拟的有点：基本不泄露；无磨损、寿命长；在高低转速下都具有密封能力；对特殊环境没有特殊要求；磁性流体具有润滑作用，可以将密封于润滑结合为一体（这正是氮气弹簧所需要的）。磁性流体密封适用范围广，可靠性高，具有广阔的发展前景。

由图4可知磁流体密封原理：永磁体产生磁场，经过永磁体两侧在磁极形成的磁场作用于磁流体，使磁流体“O”型环，磁流体把间隙堵住，以达到密封目的。磁流体在外磁场的作用下成为塑性流体保持不动，只有当作用在流体上的剪切力超过屈服力时，它达到最大承压能力。永磁体在设计时有两条基本要求：一是要保证密封工作间隙中磁场强度适中，达到密封效果；二是磁铁尺寸设计要和磁感应强度工作时达到材料的最大磁能积，以便最有效地利用磁铁内部的磁能，针对氮气他拿货密封压差较大、工作温度不高的条件，可选用磁性强的钕铁硼稀土永磁材料。磁流体密封的寿命取决于磁流体的蒸发速度。蒸发速度除与基液种类有关外，还主要与温度有关，而工作温度又与活塞（柱塞）往复运动速度的高低对磁流体的形状、膜，接触点的多少以及泄精率有很大的影响，随速度增加，液体的变形逐渐增加，膜与活塞的接触范围变大，泄漏率增加。而用于模具的氨气弹簧其工作速度相对较低，磁流体工作温度不高，基本卜不会因温度升高而带来泄漏同题．另外，由于磁流体密封环是液体的，它不会造成活塞(柱塞)的磨损，相反还可以利用液体特性对活塞(柱塞)进行润滑。通过分析，笔者认为磁流体密封可以用于氮气弹簧的密封，只是结构相对于传统密封复杂一些，但可靠性高，寿命长。因此，可以在弹簧尺寸较大的结构中采用。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须采用多极一多级密封方式。其密封原理如图5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(两齿以上称为多级)，相邻磁极间存在一定空问为磁流体的充注提供空问保证。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。多极一多级密封所承受的密封压差为各级所承受的密封压羞之和。而多极一多级封密能力高的重要原因是，外加压差沿各磁极自动分配．自然形成梯级密封压差。

如图6所示，总压差与各级密封压差之和相平衡，

形成梯度密封压差的过程为：当外加压差超过第一级的极限密封压差时．第一级下的磁性流体被吹破，气体穿过第一级的密封间隙，第二二级的压强开始增加，第一级的外加压差△P，=P，一p：减小，第二级的外加压差△p：增加，当第一级的外加压差减小至其恢复密封压差时，第一级恢复密封状态，第一级的外加压差△p、重新增加，这一过程重复进行。第一级前的压强P，波动上升，第二级前的压强P．阶跃上升，“此类推其它各级的情况，通过这一过程就形成了梯度密封压多极一多级密封结构．不但能提高总的密封能勾，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。扶理论上说．实现气体高压密封是行得通的。但是，对于回转轴的磁流体密封技术相对用得较多，而对往复轴的密封是一个全新的动密封技术，实现起来还有一些相关问题需要解决，有一定难度。因此．实现氮气弹簧的高压密封最好的方式是传统的密封方式和磁性流津密封方式相结合，这样就可以实现我国自行设计、制造氨气弹簧。