浅谈气动密封的设计.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． 2 ． 2 0 1 2 浅谈气动密封的设计 初晓旭 陈文军 1 ． 辽宁冶金职业技术学 院， 辽宁本溪l 1 7 0 2 2 ； 2 ． 本钢冷轧薄板厂 ， 辽宁本溪1 1 7 0 2 1 摘要 从气 动密封与液压 密封 的区别 和气动 密封 的使用条件人手 ， 详细地 阐述 了气动密封的设计要点 ， 为其他相关气压 系统 的工程 技术人员提供 了良好的参考素材。 关键词 气动 密封 ； 气 动缸 中图分类号 T B 4 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 2 一 O 0 1 1 - 0 2 An El e me n t a r y I nt r o d u c t i o n t o De s i g ni n g t h e Pne u ma t i c S e a l i ng C HU X i a o - x u C H E N We n - j u n 1 ． L i a o n i n g Me t a l l u r g i c a l V o c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l C o l l e g e ， B e n x i 1 1 7 0 2 2 ， C h i n a ； 2 ． B e n x i I r o n a n d S t e e l c o l d - r o l l e d s h e e t p l a n t ， B e n x i 1 1 7 0 2 1 ， C h i n a Ab s t r a c t F o c u s i n g o n t h e d i ff e r e n c e b e t we e n t h e p n e u ma t i c s e a l i n g a n d h y d r a u l i c p r e s s u r e s e a l i n g a n d t h e c o n d i t i o n o f t h e p n e u ma t i c s e a l i n g i s u s e d t h e ma i n p o i n t s o f d e s i g n i n g t h e p n e u ma t i c s e a l i n g i s d e t a i l e d e l a b o r a t e d ， t h i s a r t i c l e a l s o p r o v i d e s f a v o r a b l e r e f e r e n c e ma t e r i a l f o r t h e e n g i n e e rin g t e c h n i c i a n s wh o wo r k s o n o t h e r r e l a t i v e a t mo s p h e ri c p e r s s u r e s y s t e m． Ke y W o r d s p n e u ma t i c ； s e a l i n g； p n e u ma t i c c y l i n d e r O 引言 气压传动与液压传动基本原理相同，但由于空气 与工作液体 的密度 、 黏度 、 压缩性 、 润滑性及使用压力 等方面均不相 同，所 以气压传动与液压传动的工作特 性和使用条件也不尽相同。合理的设计气动密封装置 ， 是气压系统正常工作的先决条件之一 ，对气压系统有 着不可忽视的作用。 1 问题引入 由于气动密封 的使用环境与液压密封的使用环境 有很大的不 同，故不能简单地按照液压密封的设计思 路去设计气动密封。 2 液压密封与气动密封使用条件的不同 液压用密封的使用压力高达 3 5 MP a ，气动用密封 的使用压力一般是 1 MP a以下 ， 如果考虑经济性 、 管路 强度 、 脉动等 因素 ， 实 际使用压力多在 0 ． 5 ～ 0 ． 6 MP a ， 近 年来还有实际工作压力在 0 ． 3 MP a以下的气压系统。 对空气 的密封 比对液体的密封更为困难 ，因为密 封结合面的极小间隙对气动密封也会造成泄漏。除 了 间隙泄漏之外 ， 有时还要考虑材料 的透气性 ， 特别是在 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 6 1 3 作者简介 初晓旭 1 9 7 3 一 ， 女 ， 硕士研究生 ， 毕业于东北大学辽宁分 校设 备检测与故障诊断专业， 现从事机械学科的教学和科 学研究工作 。 温度升高时更应注意。因为在正常的环境温度下， 大多 橡胶 的透气性 比较低 ， 而且都差不多。而温度升高后透 气性普遍大为升高。 气动元件输出力一般很小 ， 在这种情况下 ． 摩擦力 对元件输出效率 、响应性等多项工作性能都有较大的 影响。降低密封摩擦力是气动密封涉及的重要 内容。 液压油被看成几乎不可压缩的 ，相反气压传动的 工作介质压缩空气却可以因压力改变而被大 比例地压 缩。气动缸等执行元件中， 空气反复地绝热压缩 、 膨胀 ， 会产生大量热量 ， 加上元件运动的摩擦热 ， 有可能使密 封件承受高温。 液压系统的一个重要特点是液压密封的密封对象 是工作压力较高的液体 ，耐压性和如何使油膜厚度降 低较为重要 ， 但不需要额外使用润滑装置 ， 就可以 自行 润滑了。但气压系统的密封对象是工作压力低 、 黏性很 低的压缩空气 ，所 以对于气动系统来说保持润滑较为 重要 。干摩擦会使摩擦力增加 ；同时，大多数橡胶对 “ 干” 热的耐受能力 明显低于对 “ 湿” 热 的耐受能力 。 干 摩擦将从多方面加速材料劣化 。另外， 干摩擦时橡胶密 封的表观永久变形 比液体密封时大得多 ，也就是说干 摩擦设计需要施以一个更大的过盈量 。液体处于润滑 状态时 ， 材料可能吸收一部分润滑剂而膨胀 。如果气动 密封交替地在干与湿两种状态下工作 ，对密封的许多 性能都是不利 的。 1 1 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 2年 第 2期 3 气动密封的设计要点 3． 1 压力 由于气动密封使用压力很低 ， 对密封材料的强度 、 硬度没有太高要求 ， 但空气的密度 、 黏度均大大低于液 压油 ， 仅为 l 0 数量级 ， 密封结合面 的极小的间隙也会 产生泄漏 ． 所 以气动用密封必须使用质地软 、 密着性好 的密封材料 ； 但材料太软 ， 又会降低 刚性 ， 使密封 圈变 形太大 ． 导致破损 ， 所 以设计时应注意综合平衡效果 ， 一 般使用绍尔硬度在 7 0 。 以下的材料为宜。 3 ． 2摩擦性能 为使摩擦特性 良好 ，密封接触面间应保持油膜润 滑 ， 而且应保持 良好 的摩擦表面状态 包括表面粗糙度 及粗糙形状 。对材料而言硬度越高摩擦阻力越小 ， 这 与密封性的要求相抵触 。对形状而言 ， 无压力时 ， 唇形 密封摩擦阻力低于预压型密封 ；断面形状减小可提高 密封摩擦性。合成橡胶制密封 ， 静密封摩擦力比动摩擦 大很多 ． 且放置时间越长， 气动摩擦力越大 。对 于气动 特性要求较高的情况 ，应根据放置时间选择始动压力 增幅较小 、 最低工作压力低的密封。 3 ． 3温 度 由于气动元件运动的摩擦热问题 ，设计气动密封 时要充分考虑到选择使用能够承受相应高温的密封件 材料。 3 ． 4润滑 油 剂 气动用密封必须施加润滑油 剂 。选择润滑剂时， 首先要考虑与密封材料的相容性 ，以免密封件受使用 的润滑油或油脂的浸润引起膨胀或收缩。过度的膨胀 会增加摩擦 ， 而导致运动不 良， 收缩则会导致密封性能 下降。 如果密封材料是 N B R 丁腈橡胶 ， 以一般矿物油 作为润滑油都不会有过度膨胀 ，但一般矿物油不易保 持油膜 ， 造成摩擦副表面直接接触。锂系润滑脂耐水 、 耐热， 是气动用密封常用的润滑剂。 N B R材料在锂系润 滑脂中的体积变化率一般不大于- 4 ． 5 ％， 运动用密封的 体积变化应控制在一 5 ％～ 1 0 ％范围内。 如果采用 N B R材料作气动元件 的密封 ， 对一般润 滑油推荐使用 I S O V G 3 2 ； 润滑脂则推荐使用耐水性 、 耐 热性 良好的锂系润滑脂 。 气动用密封 目前的发展方 向是无给油气动密封 ， 它是在安装时涂上一层润滑油 ，此后 的使用 中采用一 种不供给润滑剂的润滑措施 。 这样一来 ， 气动系统中就 不必设置加油装置。设备维护变得更经济， 也减少了因 排气造成的环境污染。但 同时在材料选用 、 形状设计等 方面需要相应提高密封件的耐磨性 。 1 2 空气 中含有 的水分 ， 压缩后凝结成水 ， 粘在管路 和 元件上。冷凝水会将润滑油 剂 带出， 使密封的润滑状 态恶化 ． 加速磨损 ， 这也是元件腐蚀 的原因。因此必须 充分排除空气中的水分。 3 ． 5偏心 在气动缸 中， 轴承间隙大 。 以及密封对瞬时偏心不 能及时补偿 ， 会 造成泄漏 ， 引起工作不 良状态 的产生 。 所 以， 轴承间隙应尽量小 ， 一般轴承取 H9 ／ f 8的配合间 隙较为合适 ， 如果受条件限制不得不增加轴承间隙 ， 则 应选用弹性 良好的橡胶材料作密封圈，同时应特别注 意保证有足够的过盈量。 3 ． 6速 度 低速情况下 ， 由于气体比液体有更大的压缩性 ， 压 力变化更明显 ， 摩擦对运动质量的影响更显著 ， 因此更 易发生爬行。 一 般来说 ， 气动缸等元件 中速度越高 ， 密封结合面 间润滑油膜越容易形成 ，因此设计运动速度可达 l m ／ s 以上。但是速度高， 容易引起发热 、 变形 ， 而导致寿命降 低 ， 因此 ， 这种情况下应选用硬度高 、 耐热性好 的密封 材料。 3 - 7 往 复 运动频 率 特殊 的气动元件 ，往返运动频率可 以在每年一次 至每分钟 3 0 0次以上的范围变化。长时间放置 ， 密封面 间的润滑油 剂 会被挤压出来 ， 密封材料 会与结合 面 产生粘着 ， 造成始动压力增加。 影响始动摩擦力与放置时间关系的因素是 ，合成 橡胶越软。 接触面应力越小 ． 放置时间对始动摩擦力的 影响越小。唇形密封 比挤压型密封的接触应力小 ， 因此 放置时间对始动摩擦力的影响小 ； 同是唇形密封 ， 端部 有圆角的形状与端部为锐边 的形状相 比，由于接触应 力被分散 ， 所以所受影响更小。 高频运动 的情况下 ， 行程越短 ， 润滑剂越容易被压 破。 密封件容易受磨损和永久变形影响， 此时宜选用耐 磨和耐热性好的材料。 3 ． 8 往 复 动密封 元件 气动缸经常用于低载 ，活塞和活塞杆尺寸可 以很 小 ． 所以密封件的小型化成为密封设计的特点。 3 ． 9形状 液压用密封为了刮取油膜 ， 保证密封性 ， 密封圈尖 端形 状最好为锐边 ； 气动密封为保持油膜 ， 保证润滑 ， 密封圈尖端形状为带圆角的 R形。 4结论 实践证明 ， 气动密封设计的好 ， 会使气压系统 的泄 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． 2 ． 2 01 2 某供弹动力系统设计仿真研究 续彦芳 苏铁熊 1 ． 中北大学机电工程学院 ， 山西太原0 3 0 0 5 1 ； 顾亮先 崔俊杰 2 。 中国兵器集团第 2 0 2所 ， 陕西咸阳7 1 2 0 9 9 摘要 某高炮无链供弹动力系统是 自行研制产品 。 采 用单泵多执行 机构 液压动力 源 ， 需要根据 自动机射速协调 工作 ． 频繁快速启 、 制 动和堵转 ， 其并联执行元件动作相互交叠 ， 动态响应不易预测。为了解 系统 的动态特性 ， 利用 A ME S i m仿真软件 平台， 依据无链供弹系 统的特点 ， 建立 了供弹动力系统液压 回路模型 ， 研 究了系统参数对动力机构动态响应的影响， 在此基础上进行了系统参数优化 匹配和 蓄能器 的选择及测试试 验。试验验证了仿真结果 ， 表明动力系统供弹及时可靠 。 节能效果显著 ， 为高炮 供弹动力系统 的设计 、 改进及调 试提供 了理论依据。 关键词 液压 ； 参数匹配； 动态仿真； 供弹动力系统 中图分类号 T H1 3 7 ． 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 - - 0 8 1 3 2 0 1 2 0 2 0 o 1 3 0 4 S i mu l a t i o n De s i g n Re s e a r c h o f Ammu n i t i o n F e e d i n g Dy n a mi c S y s t e m XU r a n - f a n f S U T i e - x i o n g a G U L i a n g - x i a n C U I J u n - j i e 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t ri c a l E n g i n e e ri n g ，N o r t h U n i v e r s i t y o f C h i n a ，T a i y u a n 0 3 0 0 5 1 ，C h i n a ； 2 ． N O． 2 0 2 ．I n s t i t u t e o f C h i n a O r d n a n c e I n d u s t r y ， X i a n y a n g 7 1 2 0 9 9 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e c h a i n l e s s a mmu n i t i o n f e e d i n g p o we r s y s t e m o f a r a p i d - fi rin g g u n i s a d e v e l o p me n t p r o d u c t s ， wh i c h i s a h y d r a u l i c p o w e r u n i t u s i n g a s i n g l e p u mp t o e a ／ T y o u t t h e o r g a n i z a t i o n h y d r a u l i c mu l t i p l e e x e c u t e e l e me n t s ．T h e s y s t e m mu s t h a v e t h e c a p a b i l i t y o f s t o p p i n g a n d s t a r t i n g q u i c k l y a n d f r e q u e n t l y a n d b r e a k d o wn t o r q u e s p e e d t o a d a p t t o h i g h - s p e e d a mmu n i t i o n f e e d i n g d u ri n g t h e o p e r a t i o n p r o c e s s o f a u t o ma t me c h a n i s m． Du e t o o v e r l a p p i n g wo r k o f t h e P a r a l l e l i n g e x e c u t e c o mp o n e n t ， i t s d y n a mi c r e s p o n s e i s n’ t e a s y e v a l u a t e d ． T o f o r e c a s t a d y n a mi c c h ara c t e r i s t i c o f t h e s y s t e m， b a s e d o n t h e c h a r a c t e ri s t i c s o f t h e c h a i n l e s s f e e d i n g s y s t e m， a s i mu l a t i o n mo d e l o f f e e d i n g h y d r a u l i c p o w e r s y s t e m h a s b e e n b u i l t u p b y u s i n g AMES i m． T h e s t u d y a n a l y s e s t h e s y s t e m p a r a me t e r h o w t o i n fl u e n c e t h e d y n a mi c res p o n d o f t h e e x e c u t e c o mp o n e n t ，t h e n c a r r i e s o n ma t c h i n g p ara me t e r ， c h o o s i n g a n a c c u mu l a t o r a n d t e s t i n g e x p e ri me n t ．Te s t r e s u l t p r o v e s a p p l i c a b i l i t y o f t h e s i mu l a t i o n t e c h n i q u e a n d s h o w s t h e s y s t e m c a n f e e d q u i c k l y a n d r e l i a b l y a n d s a v e e n e r g y o b s e r v a b l y ， T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s c a n p r o v i d e t h e o ri e s b a s i s f o r t h e d e s i g n ，i m p r o v e me n t a n d a d j u s t e d o f p o w e r s y s t e m for r a p i d fi ri n g g u n ． Ke y W o r d s h y d r a u ma t i c ； p a r a me t e r ma t c h； d y n a mi c s i mu l a t i o n； f e e d i n g p o w e r s y s t e m O 前言 经过我们多年 的开发研制 的转鼓式无链 供弹 系 统 ， 是一套大容量 、 能够快速更换弹种 、 且结构紧凑 ， 便 于火炮总体布置的系统平 台。它的高发射率可 以解决 收稿 日期 2 0 1 1 一 o 6 0 l 作者简介 续彦芳 1 9 6 8 一 ， 女 ， 副教授 ， 研究领域 自动武器系统分析与总 体设计。 供弹速率制约 自动机的现状，进行多弹种 的快速更换， 可提高对付不 同目标的有效性 ．具有很高的实际应用 价值 。供弹系统采用结构简单紧凑 ， 加装蓄能器 的单泵 多执行机构液压动力源 ，以解决高速供弹瞬间大功率 输 出要求与系统分配的小功率电源之间的矛盾 ，实现 总体的合理布局。在供弹时 。 为适应 自动机射速高射频 射击 ， 并联执行元件频繁快速启 、 制动和堵转 ， 且动作 相互交叠， 其动态响应不易预测。为了解系统的动态特 漏量明显减少 ， 故障率大大降低 ， 如果在设计气动密封 的过程 中，充分考虑到上述因素，必将大大提高生产 率 。 带来 巨大的经济效益和社会效益。 参 考文 献 川 1 姜继海， 宋锦春， 高常识． 液压与气压传动【 M】 ． 北京 高等教育 出版社 ． 2 0 0 8 ． -● 一- 一 - - - 4 -- 一- - 一- ’ 一- } 一 - - 卜一 卜 - 一- 一 [ 2 】 左健 民． 液压 传动 与气 动技 术[ M 】 ． 北京 ． 机 械工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 3 】 黄迷梅． 液压气动密封与泄漏防治【 M ] ． 北京． 机械工业出版 社 ． 2 0 0 3 ． [ 4 】 袁子荣． 液气压传动与控制【 M 】 ． 重庆 重庆大学出版社， 2 0 0 2 ． 【 5 】 王积伟 ， 等． 液压传动[ MI ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 6 】 马振福． 液气压传动与控制[ M 】 ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 5 ． [ 7 】 白柳， 于军． 液压与气压传动【 M 】 ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 5 ． 1 3