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1、气动肌肉的压缩空气的密封第1页气动肌肉的压缩空气的密封专业：工程力学学生姓名：张雍淋指导教师：尹维龙完成时间： 2014 年 3 月 26 日气动肌肉的压缩空气的密封第2页气动肌肉的压缩空气的密封摘要： 介绍了气动肌肉的基本性质，着重处理气动肌肉中橡胶管的密封问题，通过查阅文献， 获得相关参数，以及密封的相关资料，分析气动肌肉的工况，选择O型密封圈作为最适合气动肌肉的密封装置。同时提出更深的思考，用3D打印技术能更好得解决密封问题。一、 前言人工肌肉是一种新型的气动橡胶驱动器, 具有重量轻、输出力大、柔顺性好等特点。由于其工作特性类似于动物肌肉, 工作介质为压缩空气, 其名由此而得。气动人工肌
2、肉不仅可以实现轴向驱动, 也可以实现旋转驱动 , 广泛用于机器人、自动生产线、轻工机械以及人体康复机械等领域。如图1 所示，是常见的 Mckibben 型气动肌肉的结构。图 1 Mckibben 型气动肌肉的结构本文章着重探讨的气动肌肉的压缩空气的密封问题是气动肌肉端头可靠性分析的一个部分。 气动肌肉的接头主要完成固定橡胶管和编织网、密封内部容腔以及和外负载相连等作用。由于橡胶管和编织网不能采用传统的像对金属材料利用螺纹或焊接等手段进行固定, 接头的固定需要采用其他方式。 最常用的是靠压紧力将接头和橡胶管与气动肌肉的压缩空气的密封第3页编织网的两端固定。当充气压力或负载力太大, 编织网及橡胶管
3、从接头端松动甚至松脱 ,造成气动肌肉的压缩空气泄露甚至气动肌肉的失效，本文章仅考虑前者。二、气动肌肉的结构参数和工作原理以最为常见的 Mckibben 型气动肌肉为例，气动肌肉的结构示意图如图 1 所示。气动肌肉主体结构包括橡胶管及其外面套着的编织网, 橡胶管和编织网在两端通过接头固定在一起。接头主要起密封固定作用 , 另外接头也是外负载和气动肌肉进行连接的地方。此外气动肌肉进气管安装的地方也通常放置在接头处。气动肌肉的基本工作原理就是当气动肌肉压力升高后,橡胶管膨胀, 带动编织网线运动 , 在编织网的编织角变大的同时, 气动肌肉在轴向方向收缩 , 从而带动负载工作。因此, 气动肌肉只能产生拉
4、力。气动肌肉由于主体部分主要是橡胶和编织网等高分子材料, 质量很轻，而出力很大。以下对气动肌肉结构参数之间的关系与模型进行简单介绍。气动肌肉结构参数之间的几何关系示意图如图 2 所示。图 2 气动肌肉结构参数之间的几何关系气动肌肉的压缩空气的密封第4页图中各参数的含义如下 : b: 单根编织网线的长度 ; : 编织网线的编织角 ; n: 单根编织网线在气动肌肉表面的缠绕圈数; L: 气动肌肉可变形部分的长度；基于如下模型假设：(1) 人工肌肉为无限长 ; (2) 纤维无伸长 ; (3) 忽略橡胶管自身的弹性 ; (4) 忽略纤维编织网与橡胶管之间以及纤维自身之间的摩擦作用。可得，气动肌肉的理论
5、模型可表示为：pnbLF22243（1）如果将气动肌肉的长度用编织网的编织角来表示，气动肌肉的理论模型也可以表示为：pnbF2224)1cos3(（2）上述气动肌肉的模型描述了气动肌肉在正常工作状态下, 气动肌肉产生的拉力 F与充气压力 p 和气动肌肉长度 L( 或者编织角)之间的关系。但是通过该关系并不能直观地得到气动肌肉编织网线的受力大小, 而气动肌肉编织网的强度决定了气动肌肉能否正常工作。此外, 从气动肌肉的结构特点可以看出,影响气动肌肉强度的因素还有橡胶气动肌肉的压缩空气的密封第5页管和接头。如图 3 所示，是气动肌肉理论与实际驱动特征的比较曲线。由于模型推导时所作的条件假设，理论值与
6、实际值有一定误差。图 3 气动肌肉理论与实际驱动特征比较（a）F-P 关系； （b）F-关系同时，通过查阅文献以及相关资料可以得到，气动肌肉的工作气压为 0.3Mpa-0.6Mpa, 在这个工作气压区间，气动肌肉的工作效率达到最大。三、气动肌肉的密封1. 密封的分类密封可分为静密封和动密封两大类。静密封主要有垫密封、 密封胶密封和直接接触密封3 大类。根据工作压力静密封又可分为中、低压静密封和高压静密封。中、低压静密封通常采用材质较软、接触较宽的垫密封， 高压静密封则采用材质较硬、接触宽度很窄的金属垫片或复合垫片。动密封按运动形式可分为旋转密封和往复密封两种基本气动肌肉的压缩空气的密封第6页类
7、型。按密封件与和其作相对运动的零部件是否接触, 动密封可分为接触式密封和非接触式密封;按密封件和被密封物体接触位置可分为圆周密封和端面密封 (又称为机械密封 )。 动密封中的离心密封和螺旋封是借助机器运转时给介质以动力获得密封效果的，故有时称为动力密封。气动肌肉端口为了防止气体泄漏的密封属于动密封中的往复接触端面密封。2. 典型密封产品介绍2.1 橡胶 O型圈橡胶 O形圈有良好的密封性 ,它是一种压缩性密封圈同时又具有自封能力。所以使用范围很宽。 密封压力可从Mpa400Pa1033.15-到的高压(动密封可达 35Mpa ） 。如果材料选择适当适用温度范围为-60-200 。O形圈结构简单、
8、成本低廉、使用方便、密封性不受运动方向的影响 ,因此得到了广泛应用。橡胶O形圈的材料及使用范围见表 1。气动肌肉的压缩空气的密封第7页2.2 聚四氟乙烯 ( PTFE) 复合材料密封圈PTFE 复合材料是由两种或两种以上不同性质的物质通过共混、共聚或混合在一起而构成的性能比单一材料优异的一类新型复合材料通过材料复合 ,既发挥了 PTFE 的优异特性 ,又克服了 PTFE 的易蠕变和不耐磨等缺点使PTFE 复合材料具有减摩、耐磨、自润滑、耐蚀、耐热、耐老化、耐压缩抗蠕变、尺寸稳定和线膨胀系数低等优点,并提高了材料的导热性和硬度， 降低了成本。 国内外已用这种新型复合材料制成特殊工况 (如高压、高
9、温、高速、高真空、易燃易爆、有毒、强腐蚀性介质等 )用的密封件。这些密封件广泛用于石油化工、化肥、农药、航空、航天及核工业,常用作往复轴向运动的密封,如活塞和活塞杆的密封。既可用于干摩擦、无油润滑的场合,又可在条件允许的情况下实行油润滑。2.3 金属密封圈金属空心 O 形圈是用薄壁铜管、不锈钢管、镍合金管或蒙乃尔合金管焊成的高精度环形圈。根据不同要求,O 形圈表面可以镀金、银、铂、铜、镍等或涂氟塑料等。空心的目的在于通过调节管内的压力来改善密封性能。 金属空心 O 形圈的密封特点是： a.使用温度范围(-270-1000。C)广；b.使用压力范围广 :从Mpa3001033.116-的超真空到
10、以上的高压（甚至可达2000Mpa） ；c.可在橡胶 O 形圈不能使用的气体和液体(例如有机溶剂 )中使用。2.4 垫密封气动肌肉的压缩空气的密封第8页垫密封广泛用于管道、 压力容器以及各种壳体的接合面的静密封。密封垫有非金属密封垫、 非金属与金属复合密封垫、 金属密封垫三大类。常用的材料有无石棉混合材料、橡胶、皮革、纸制品、石棉、软木、聚四氟乙烯、铁、钢、铝、铜和不锈钢等。2.5 胶密封按密封胶基料分类可分为橡胶型、树脂型和油基型。按密封胶硫化方法分类可分为湿空气硫化型密封胶、化学硫化型密封胶、热转变型密封胶、 氧化硬化型密封胶和溶剂挥发凝固型密封胶。按密封胶形态分类可分为膏状密封胶、液态弹
11、性体密封胶、热熔密封胶和液体密封胶。按密封胶加工后的性能分类可分为固化型密封胶和非固化型密封胶。2.6 机械密封机械密封是靠一对或数对垂直于轴且作相对滑动的端面,在流体压力和补偿机构的弹力 (或磁力 )作用下保持贴合并配以辅助密封而达到阻漏的轴封装置。3.气动肌肉的密封气动肌肉的工作工作介质是压缩空气，不具有腐蚀性，无毒，工作气压在 0.3Mpa-0.6Mpa,属于高压，工作状况是低速的往复运动，所以要求密封产品具有一定的抗蠕变性，同时考虑到成本等问题， 最后选择橡胶 O 型圈作为密封装置。气动肌肉的压缩空气的密封第9页选择橡胶 O 型圈作为密封装置，优点是价格低廉，便于得到，普适性强，较为合
12、适气动肌肉的工况，缺点是抗蠕变性不是最佳，需要更换。四、结论与思考根据气动肌肉的工况以及工作参数，考虑到价格等因素，橡胶O型圈是最适合作为气动肌肉的密封装置。进一步的思考可以联想到3D 打印技术，作为新兴的快速成型技术，通过连续的物理层叠加， 可以实现将气动肌肉的橡胶管与端头实现一体化，这样可以彻底解决气体泄漏问题。五、参考文献1.何国昆，刘吉轩，张振营.气动人工肌肉的动态驱动特性研究.西安.西安交通大学机械工程学院.2008（5）2.卫玉芬，李小宁 .Mckibben 型气动人工肌肉 . 机床与液压.2003 （3）3.臧克江，郭艳玲，马岩，高明.编织型气动人工肌肉几何特性研究.机床与液压 .2010(1) 4.金冰.密封技术的发展过程及其应用.中国航天科技集团公司第十一研究所 . 5.王雪莹 .3D 打印技术与产业的发展及前景分析.中国高新技术企业.2012(26)
