液壓油缸的幾種密封技術(shù)
2022-04-07
當(dāng)液壓油缸出現(xiàn)泄漏時(shí)，會(huì)導(dǎo)致油缸腔體容積變小、效率降低，甚至出現(xiàn)液壓系統(tǒng)無法工作的情況。因此，要盡量避免液壓油缸發(fā)生泄漏，需要采取必要的密封措施。
01液壓油缸的密封方式
液壓油缸的泄漏有內(nèi)泄漏和外泄漏，外泄漏主要發(fā)生在活塞桿與缸頭以及導(dǎo)向套之間，內(nèi)泄漏主要是活塞外壁與缸筒內(nèi)壁之間的泄漏。
液壓油缸的頻率響應(yīng)與密封形式密切相關(guān)。目前液壓油缸成熟的密封方式有：
1.密封件密封
在活塞的外表面安裝密封件來防止內(nèi)泄漏。在這種密封方式下，密封件與缸筒內(nèi)壁緊密接觸，能夠起到很好的密封效果。當(dāng)油液的壓力增大時(shí)，密封面上的接觸壓力也會(huì)隨之增大，使密封效果得到進(jìn)一步提升。
密封件密封是目前應(yīng)用最廣泛的一種密封方式，容積率高、內(nèi)泄漏小。
2.組合型密封
采用橡膠密封組件來實(shí)現(xiàn)液壓油缸的密封作用，主要有格萊圈、蕾形密封圈、斯特封等，具有組合的兩種密封件的特點(diǎn)，在工作中共同發(fā)揮起到密封的作用。如由橡膠O形圈和聚四氟乙烯的格萊圈組合而成的格萊圈，具有O形圈的良好的彈性和自潤性，具有更長的使用壽命。
3.間隙密封
這是依靠活塞外壁與缸筒內(nèi)壁兩個(gè)運(yùn)動(dòng)件配合面之間保持很小的間隙，由流動(dòng)阻力、油與配合面之間的張力、分子力等使之產(chǎn)生液體摩擦阻力來防止泄漏的密封方法。
間隙密封的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、摩擦力小，活塞的運(yùn)行速度高。缺點(diǎn)是內(nèi)泄漏量較大，尤其是用于大直徑液壓油缸時(shí)，內(nèi)泄漏量會(huì)急劇增加，影響液壓油缸的容積率。所以，間隙密封只適用于直徑較小、壓力較低的液壓油缸。
02變間隙密封
目前的各種密封方式有其優(yōu)勢，也都存在難以解決的問題，近年來科研工作者們一直致力于液壓油缸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化等研究，以期研發(fā)出泄漏量低、摩擦阻力小、運(yùn)行速度高的液壓油缸。
現(xiàn)在使用的間隙密封是恒間隙密封，為解決恒間隙密封泄漏量大、無法使用于高壓力油缸的難題，有人提出了變間隙密封的密封方法。
變間隙密封的核心是在活塞的兩端增加環(huán)形的可變形唇邊結(jié)構(gòu)，其工作原理是：當(dāng)油液通向油缸的高壓腔時(shí)，活塞唇邊與缸體內(nèi)壁形成節(jié)流間隙。由于壓差流動(dòng)，以及活塞與缸筒內(nèi)壁剪切流動(dòng)的作用，高壓油通過唇邊與缸體內(nèi)壁的間隙，從高壓腔流向低壓腔。
此時(shí)，唇邊上表面的壓力呈遞減狀分布，下表面受高壓，唇邊上下表面的壓力差使得唇邊向缸筒內(nèi)壁擴(kuò)展，最后在彈性力、壓力的相互作用下達(dá)到平衡。此時(shí)密封間隙減小、泄漏量減少，由于間隙未完全消除，從而使得活塞與缸筒內(nèi)壁間的摩擦副可以得到油液的潤滑，液壓油缸的摩擦性能和頻響特性得以改善和提高。
03變間隙密封的優(yōu)點(diǎn)及發(fā)展趨勢
利用液壓油缸工作時(shí)唇邊內(nèi)外壁壓差構(gòu)成壓力補(bǔ)償自適應(yīng)變間隙密封結(jié)構(gòu)，能夠有效減小恒間隙密封結(jié)構(gòu)內(nèi)泄漏量隨壓差增大而增大的缺陷，尤其是在高壓差下，變間隙密封結(jié)構(gòu)對泄漏量的抑制作用十分明顯，可以顯著提高液壓缸的工作效率，減小能量損失。此種密封結(jié)構(gòu)簡單，便于加工制造且工作穩(wěn)定可靠。
變間隙密封也存在不足之處，即：當(dāng)壓差小時(shí)，泄漏量大。如果壓差過大，活塞唇又會(huì)向外張開過多，導(dǎo)致活塞與氣缸內(nèi)表面接觸，導(dǎo)致唇形變形失效。
近年來，越來越多的人致力于利用新型功能材料來提高液壓元件的響應(yīng)速度。在液壓油缸的密封性能方面，有人創(chuàng)新性地提出利用磁性形狀記憶合金（MSMA）使液壓油缸與活塞之間產(chǎn)生微變形來控制液壓油缸的密封間隙。其方法是：在活塞兩端設(shè)計(jì)多個(gè)環(huán)形槽，槽內(nèi)設(shè)置若干MSMA輔助支撐塊，構(gòu)成若干間隙密封環(huán)。MSMA有較大的可恢復(fù)應(yīng)變（微變形）、快速的響應(yīng)速度和高周疲勞等特性，利用其電磁驅(qū)動(dòng)膨脹效應(yīng)，通過控制磁場和溫度，實(shí)現(xiàn)減少內(nèi)泄漏的目的。
變間隙密封大大提高了液壓油缸的壽命和頻率響應(yīng)，應(yīng)用空間進(jìn)一步得到拓展。不過變間隙密封技術(shù)尚不成熟，還處于前期研究階段，相信在不久的將來，隨著這些新技術(shù)的應(yīng)用，液壓油缸的泄漏現(xiàn)象可得到改善。
01液壓油缸的密封方式
液壓油缸的泄漏有內(nèi)泄漏和外泄漏，外泄漏主要發(fā)生在活塞桿與缸頭以及導(dǎo)向套之間，內(nèi)泄漏主要是活塞外壁與缸筒內(nèi)壁之間的泄漏。
液壓油缸的頻率響應(yīng)與密封形式密切相關(guān)。目前液壓油缸成熟的密封方式有：
1.密封件密封
在活塞的外表面安裝密封件來防止內(nèi)泄漏。在這種密封方式下，密封件與缸筒內(nèi)壁緊密接觸，能夠起到很好的密封效果。當(dāng)油液的壓力增大時(shí)，密封面上的接觸壓力也會(huì)隨之增大，使密封效果得到進(jìn)一步提升。
密封件密封是目前應(yīng)用最廣泛的一種密封方式，容積率高、內(nèi)泄漏小。
2.組合型密封
采用橡膠密封組件來實(shí)現(xiàn)液壓油缸的密封作用，主要有格萊圈、蕾形密封圈、斯特封等，具有組合的兩種密封件的特點(diǎn)，在工作中共同發(fā)揮起到密封的作用。如由橡膠O形圈和聚四氟乙烯的格萊圈組合而成的格萊圈，具有O形圈的良好的彈性和自潤性，具有更長的使用壽命。
3.間隙密封
這是依靠活塞外壁與缸筒內(nèi)壁兩個(gè)運(yùn)動(dòng)件配合面之間保持很小的間隙，由流動(dòng)阻力、油與配合面之間的張力、分子力等使之產(chǎn)生液體摩擦阻力來防止泄漏的密封方法。
間隙密封的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、摩擦力小，活塞的運(yùn)行速度高。缺點(diǎn)是內(nèi)泄漏量較大，尤其是用于大直徑液壓油缸時(shí)，內(nèi)泄漏量會(huì)急劇增加，影響液壓油缸的容積率。所以，間隙密封只適用于直徑較小、壓力較低的液壓油缸。
02變間隙密封目前的各種密封方式有其優(yōu)勢，也都存在難以解決的問題，近年來科研工作者們一直致力于液壓油缸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化等研究，以期研發(fā)出泄漏量低、摩擦阻力小、運(yùn)行速度高的液壓油缸。
現(xiàn)在使用的間隙密封是恒間隙密封，為解決恒間隙密封泄漏量大、無法使用于高壓力油缸的難題，有人提出了變間隙密封的密封方法。
變間隙密封的核心是在活塞的兩端增加環(huán)形的可變形唇邊結(jié)構(gòu)，其工作原理是：當(dāng)油液通向油缸的高壓腔時(shí)，活塞唇邊與缸體內(nèi)壁形成節(jié)流間隙。由于壓差流動(dòng)，以及活塞與缸筒內(nèi)壁剪切流動(dòng)的作用，高壓油通過唇邊與缸體內(nèi)壁的間隙，從高壓腔流向低壓腔。
此時(shí)，唇邊上表面的壓力呈遞減狀分布，下表面受高壓，唇邊上下表面的壓力差使得唇邊向缸筒內(nèi)壁擴(kuò)展，最后在彈性力、壓力的相互作用下達(dá)到平衡。此時(shí)密封間隙減小、泄漏量減少，由于間隙未完全消除，從而使得活塞與缸筒內(nèi)壁間的摩擦副可以得到油液的潤滑，液壓油缸的摩擦性能和頻響特性得以改善和提高。
03變間隙密封的優(yōu)點(diǎn)及發(fā)展趨勢
利用液壓油缸工作時(shí)唇邊內(nèi)外壁壓差構(gòu)成壓力補(bǔ)償自適應(yīng)變間隙密封結(jié)構(gòu)，能夠有效減小恒間隙密封結(jié)構(gòu)內(nèi)泄漏量隨壓差增大而增大的缺陷，尤其是在高壓差下，變間隙密封結(jié)構(gòu)對泄漏量的抑制作用十分明顯，可以顯著提高液壓缸的工作效率，減小能量損失。此種密封結(jié)構(gòu)簡單，便于加工制造且工作穩(wěn)定可靠。
變間隙密封也存在不足之處，即：當(dāng)壓差小時(shí)，泄漏量大。如果壓差過大，活塞唇又會(huì)向外張開過多，導(dǎo)致活塞與氣缸內(nèi)表面接觸，導(dǎo)致唇形變形失效。
近年來，越來越多的人致力于利用新型功能材料來提高液壓元件的響應(yīng)速度。在液壓油缸的密封性能方面，有人創(chuàng)新性地提出利用磁性形狀記憶合金（MSMA）使液壓油缸與活塞之間產(chǎn)生微變形來控制液壓油缸的密封間隙。其方法是：在活塞兩端設(shè)計(jì)多個(gè)環(huán)形槽，槽內(nèi)設(shè)置若干MSMA輔助支撐塊，構(gòu)成若干間隙密封環(huán)。MSMA有較大的可恢復(fù)應(yīng)變（微變形）、快速的響應(yīng)速度和高周疲勞等特性，利用其電磁驅(qū)動(dòng)膨脹效應(yīng)，通過控制磁場和溫度，實(shí)現(xiàn)減少內(nèi)泄漏的目的。
變間隙密封大大提高了液壓油缸的壽命和頻率響應(yīng)，應(yīng)用空間進(jìn)一步得到拓展。不過變間隙密封技術(shù)尚不成熟，還處于前期研究階段，相信在不久的將來，隨著這些新技術(shù)的應(yīng)用，液壓油缸的泄漏現(xiàn)象可得到改善。
