SMC气缸以正确的密封设计来确保SMC气缸的最佳操作
虽然在许多应用中气动气缸通常是线性驱动的选项，但SMC气缸设计的所有部分必须平衡并协同工作，以实现高效可靠的功能。依赖于良好设计的更关键的组件之一是密封系统。为了实现必要的密封系统有效性，多个工程学科需要共同努力，为每个应用达到正确的平衡。一个好的开始是仔细研究线性执行器的输出。
良好的线性执行器设计包括许多性能指标。过去的做法是明确定义的，用于识别诸如负载能力、行程长度、位置精度和气缸寿命等变量。今天的技术驱动选择范围更广，随后在设计过程中需要管理的变量也更多。应用参数现在通常包括以下特性：
• 加速和减速要求
• 线性执行器负载的振动 • 线性执行器
周围环境变量的影响，例如热效应、污染、噪声和硬件增长或变形
• 线性执行器维修和再利用
• 报废处置要求
• 初始和维持系统成本
为了实现高效可靠的功能，SMC气缸依赖于精心设计的密封系统。为了实现必要的密封系统有效性，多个工程学科必须共同努力以达到应用的正确平衡。
所有这些因素都需要检查所有组件，以确保最大系统运行所需的平衡。要了解如何实现这种平衡，让我们看看密封系统在气缸功能中的作用。
密封系统
密封系统是SMC气缸设计的关键要素。其所有性能测量可归为以下四个方面之一：
1. 内部流体过度泄漏或外部流体泄漏
2. 摩擦水平超出所需规格
3. 总系统成本超过最大水平
4. 密封系统的工作寿命太短，这可能是由于上述任何一个或多个因素在不到所需的时间范围内超出可接受的范围。
这些领域相互依赖，通常需要仔细检查和平衡。良好的系统设计需要权衡，其中一个领域的改进通常意味着牺牲其他三个领域中的一个或多个。
密封系统的故障通常会掩盖或隐藏更大的系统问题，因为密封往往是气缸中最常发生故障的区域之一。密封功能涉及一些基本的关键要素——密封材料、密封面以及内部和外部流体。
密封件的基本原理是：
• 利用密封材料的位置与配合面形成必要的间隙，以减少内部流体向外流动和外部流体向内流动。
• 将间隙保持在足够低的水平，以适当地保持流体分离并产生所需的压差。
在许多情况下，密封设计包括通过弹性材料、弹簧和其他加载元件的干涉和压缩而施加在密封材料上的初始应力。
将密封材料定位为紧密间隙可控制泄漏，同时使用使用可用能源（如系统流体压力、热效应和运动）的设计有助于加载密封材料。
环境因素如何影响有效性
对于有效密封所需的间隙，重要的是要考虑许多影响基本密封功能的环境变量。其中一些环境因素包括：
• 流体流量和压力分布
• 热变化
• 介质变化
• 硬件运动
• 装配过程
• 时间
所有上述因素最终都会影响所需的气缸性能所需的间隙，尤其是在内部和外部流体之间存在显着压差的情况下。
密封系统性能的衡量主要有四个方面：泄漏、摩擦、寿命和系统成本。在与其他工程学科合作以优化密封系统时，还需要调整三个主要方面：材料、几何形状和工艺。
为了更好地了解在设计过程中如何选择材料、几何形状和工艺，概述所涉及的环境因素的影响是有帮助的。请注意，这些因素不是独立的，每个因素之间都有许多不同的依赖关系。
流体流量和压力分布
密封中涉及的流体影响最终系统设计。在使用不同的内部流体来控制外部流体的进入来设计不同压力的气缸时，可能会出现几种现象：
• 密封材料会发生化学降解（膨胀、硬化、开裂等）。
• 异物或流体会渗入密封件
• 泄漏可能通过配合表面的微观结构发生
其他行为与所涉及气体的压力速率和路径有关。一些例子包括：
• 爆炸性减压，这是由于压力的快速释放和随后渗透气体从密封材料逸出时撕裂而引起的材料开裂和起泡
• 高压或压力尖峰加速密封材料的挤压
• 流体喷射对材料的侵蚀
• 定向密封性能取决于密封系统是从一侧加压还是从两侧加压
热变化
因为密封件是控制间隙以实现良好流体流动控制的接触元件，所以它们会受到与
密封材料与配合表面的任何动态接触产生的摩擦热相关的温度自然升高的影响。这种摩擦加热与其他环境变化（如外部温度、流体温度和配合表面热流）相结合，共同影响保持有效密封所需的必要间隙水平。以下是一些与热变化相关的常见行为：
• 密封材料和配合表面材料的软化或硬化，这会影响密封材料渗入配合表面的深度，并最终影响摩擦、磨损和泄漏控制
• 影响密封位置的密封件附近轴承材料的软化或硬化
• 加速化学降解
• 由于热收缩或膨胀而导致部件生长或收缩
材料变化
如前所述，流体成分和由此产生的密封材料的化学降解改变了基本密封过程中的所有四个关键要素。汽缸运行过程中引入的其他因素涉及这些材料中的一种或多种，包括：
• 密封材料或配合表面的磨损或腐蚀
• 内部或外部流体受到污染 • 内部或外部流体
的润滑质量下降
硬件运动
移动受压部件的动态总是会影响密封间隙。一些影响密封功能的硬件运动包括：
• 偏移、侧向加载、角度错位或翘起
• 过度的公差叠加
• 膨胀，这是硬件在压力下的增长
• 振动或抖动，这是短行程的高频循环
组装过程
正确组装可确保密封系统在最佳状态下开始使用。一些涉及组装的常见问题包括：
• 适当的硬件设计（半径、倒角、去除毛刺等）以实现良好的安装
• 使用集成的活塞/磨损环组件、杆盒和其他易于组装的设计
• 使用心轴、装载锥体和其他便于手动或自动组装的工具
时间
所有系统都会随着时间而变化，因此基于时间的活动会影响密封系统性能也就不足为奇了。与时间相关的因素的一些示例包括：
• 材料的蠕变、应力松弛、压缩变形、分解或化学降解
• 磨损引起的硬件动态变化增加
• 疲劳、应力软化和其他与占空比相关的现象
• 各种特殊事件，例如存储或长期保持和定位操作
这些因素往往被忽视，因此所有各方了解工作周期的各个步骤和所涉及的时间是一个很好的做法。
解决环境因素的技巧
因为密封件的基本功能受一系列环境因素的影响，所以设计团队必须进行沟通以确保可测量值的适当平衡。以下过程将实现该目标：
• 确定参与SMC气缸组件设计的所有相关方
• 解决泄漏、摩擦、系统成本和寿命问题，并确保所有相关方都知道如何计算这些措施
• 确定各种设计选项并确定设计、测试和验证领域的最佳选择。一些示例包括：3D 装配、过程映射、有限元分析 (FEA)、表面光洁度分析、材料测试、产品验证、故障模式影响分析 (FMEA)
这种方法允许稳健、快速的设计过程。有效的SMC气缸功能需要适当的密封系统功能，这需要仔细检查基本密封功能，以便结合其他气缸工程功能检查所有环境因素。
仔细研究设计一系列新的气动密封系统
特瑞堡密封系统一直在与客户合作开发新的气动密封系统系列。市场需求表明需要更坚固、更长寿命和更具成本效益的气动气缸密封系统。收集市场数据后，结果证明气缸性能的最佳价值是在以下环境中运行良好的密封系统：
• 在启动时润滑最少的无油压缩空气中
• 100 psi 的压缩空气条件，230 psi最大压力
• 100 fpm 的工作速度范围，最大短期偏移可达 400 fpm
• 低摩擦，在操作过程中无粘滑
• 4000 英里的使用寿命
为实现这种平衡，设计团队解决了
同时进行材料、设计和工艺改进。结果集中在三个领域：
• 开发合适的 Zurcon® 聚氨酯材料，提供优异的耐磨性和适当的强度、化学相容性和摩擦特性，以实现长寿命、出色的密封、低摩擦和适当的总系统成本。
• 开发适当的几何形状，在密封唇处具有圆形接触区域以保持润滑脂膜、较小的唇部厚度以降低径向力和摩擦力、允许适当的压力激活的空气通道以及通过使用低硬度 Zurcon 材料提供的其他功能。FEA 和产品测试验证并确认了这些功能的性能。
• 开发和验证注塑成型工艺的使用，以限制成本并提供所需的材料特性。
进行了测试以确保在泄漏、摩擦、系统成本和可测量的寿命之间达到适当的平衡。右图显示
了为确定过程中活塞杆密封件泄漏而进行的耐久性测试，以查看与 29 psi 和 145 psi 下的泄漏相关的趋势。其他验证测试包括破裂摩擦、低温性能、高压测试和爆破压力测试。
