斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)活塞桿密封裝置設(shè)計(jì)

□ 楊東亞 □ 解 歡 □ 龔 俊

蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 蘭州 730050

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)屬于外熱活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，以氫氣或氦氣為工質(zhì)，按照閉式回?zé)嵫h(huán)形式工作［1］，這就要求其具有優(yōu)良的密封性能。隨著斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)工質(zhì)壓力的升高，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的密封難度也不斷增加，由此密封性能成為影響斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)向大功率發(fā)展的關(guān)鍵因素［2］。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)密封主要包括活塞密封與活塞桿密封兩種，而活塞桿密封是目前斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)亟待解決的主要問題之一。

1 幾種典型的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)活塞桿密封裝置

1.1 絕對(duì)密封裝置

絕對(duì)密封又稱襪套式密封，該密封裝置（見圖1）主要包括：滑環(huán)密封，橡膠密封（襪套），泵環(huán)，調(diào)節(jié)閥［2-3］。安裝時(shí)，襪套橡膠卷筒的一端固定于活塞桿上，另一端則固定于機(jī)體上，或者是固定在動(dòng)力活塞桿內(nèi)壁。工作過程中，襪套可以將充有工質(zhì)的氣腔與油腔分隔開來。在整個(gè)工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)中，工質(zhì)產(chǎn)生的壓力經(jīng)過滑環(huán)密封之后，轉(zhuǎn)換成平均循環(huán)壓力作用于襪套上。為了保證襪套不會(huì)因?yàn)槠渖戏降母邏簹怏w作用而破裂，需要在襪套下方設(shè)置一個(gè)油墊，油液壓力稍低于上方氣體壓力，壓差在0.5MPa左右。這樣可以將對(duì)高壓氣體的密封轉(zhuǎn)化成為對(duì)油墊腔的密封，降低了密封的難度。

圖1 絕對(duì)密封裝置

1.2 滑動(dòng)式密封裝置

圖 2是瑞典聯(lián)合斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)公司研制的滑動(dòng)密封裝置，主要由滑動(dòng)O形密封環(huán)、刮油環(huán)、主密封環(huán)、預(yù)緊彈簧、單向閥和油氣分離器等部件構(gòu)成。在工作過程中：活塞下方的冷腔中所充的工質(zhì)壓力按照Pmin→Pmax→Pmin的規(guī)律變化。在經(jīng)過滑動(dòng)O形密封環(huán)的節(jié)流處理后，密封殼體中的壓力變?yōu)槠骄h(huán)壓力，而其中的油氣則流向單向閥1，在進(jìn)入油氣分離器后，分離出的氣體經(jīng)過單向閥2進(jìn)入冷腔（只有當(dāng)冷腔工質(zhì)壓處于Pmin循環(huán)狀態(tài)時(shí)才能進(jìn)入）。這時(shí)，從冷腔泄漏進(jìn)入密封殼體的工質(zhì)在循環(huán)壓力最低的時(shí)候再次返回冷腔，經(jīng)分離器分離出的潤滑油則進(jìn)入曲軸箱。這樣，就將活塞桿的密封問題轉(zhuǎn)化成密封殼體中工質(zhì)的密封問題。由于閥門與管道存在流阻損失，所以密封殼體的工質(zhì)壓力通常低于平均循環(huán)壓力，高于Pmin，遠(yuǎn)低于Pmax，而且相對(duì)穩(wěn)定，密封處理的難度相對(duì)較低。

圖2 滑動(dòng)密封裝置

工作過程中，為了對(duì)活塞桿進(jìn)行冷卻，需要利用主密封下方的潤滑油噴孔進(jìn)行噴油冷卻。同時(shí)也可以增加主密封的潤滑作用，降低其摩擦磨損，但是會(huì)使活塞桿上沾滿潤滑油。為了防止沾有潤滑油的活塞桿進(jìn)入冷腔，設(shè)計(jì)時(shí)一般要求密封腔體的長度適當(dāng)大于活塞行程。在實(shí)際使用中，當(dāng)系統(tǒng)的工質(zhì)壓力為15.3 MPa時(shí)，工質(zhì)的泄漏率為0.1 L/h。

從滑動(dòng)密封的工作原理來看，具有的優(yōu)點(diǎn)是：1）密封結(jié)構(gòu)較為簡單，沒有襪套式密封所需要的泵環(huán)、調(diào)節(jié)閥等，具有較高的可靠性；2）使用壽命較長，對(duì)周圍工作環(huán)境的敏感程度低。缺點(diǎn)是：1）不能對(duì)工質(zhì)與潤滑油形成絕對(duì)密封，隨著密封件磨損量的加大，工質(zhì)泄漏率隨之增加，且潤滑油可能進(jìn)入循環(huán)冷腔，容易污染甚至堵塞換熱器；2）摩擦功耗相應(yīng)較大，消耗整機(jī)功率，密封壽命較短。

2 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)活塞桿密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)前，大部分的無油潤滑活塞桿多數(shù)采用組合式密封方式來防止油、氣的泄漏，其中最常使用的組合形式為擋油圈與填料函組合［5，6］。利用填料函對(duì)氣缸座與活塞桿之間的間隙進(jìn)行密封，防止氣體從氣缸內(nèi)沿著活塞桿向外部泄漏；擋油圈則有效阻擋曲軸箱內(nèi)的潤滑油經(jīng)活塞桿進(jìn)入密封填料函，最終滲入氣缸。部分密封裝置為了增加阻油的效果，還設(shè)置有刮油器。這種組合式密封結(jié)構(gòu)雖然密封效果較好，但是依然存在著較多的不足：1）密封填料函的摩擦阻力較大，導(dǎo)致摩擦功率損耗大，且發(fā)熱量較多，冷卻效果差，如若加強(qiáng)冷卻，則又會(huì)導(dǎo)致密封結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜、成本增加等問題；2）填料磨損功率的增加使其容易漏氣，因此需要頻繁地調(diào)整、更換，維修保養(yǎng)工作繁重；3）當(dāng)設(shè)置有刮油器時(shí)，其內(nèi)密封環(huán)在磨損之后不能得到很好的補(bǔ)償，刮油效果下降；4）擋油圈采用橡膠擋油唇口和軸頸的卡緊程度缺乏對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償能力，密封性能較低［7，8］。

因此，有必要設(shè)計(jì)一種針對(duì)斯特林機(jī)高溫、無油潤滑特殊工況的活塞桿密封裝置，有效解決當(dāng)前密封裝置存在的阻力大、功耗高以及密封組件自主補(bǔ)償磨損能力差的問題。本文所設(shè)計(jì)的組合式密封裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 改進(jìn)型組合式密封結(jié)構(gòu)

該密封裝置主要由：具有自緊能力的帽式密封件與滑動(dòng)密封件構(gòu)成，兩者分別穿置于活塞桿之上。帽式密封件中的密封環(huán)是采用填充聚四氟乙烯制成，分別裝置在墊板的3個(gè)座孔之中，其內(nèi)圓與活塞桿進(jìn)行良好接觸，而外圓則裝有O形圈。由于O形圈的內(nèi)徑尺寸比帽式密封環(huán)的外徑稍小，因此在裝配過程中，O形圈對(duì)密封環(huán)在徑向方向產(chǎn)生一定的預(yù)緊力，使帽式密封環(huán)的內(nèi)孔圓周面可以緊貼于活塞桿的外緣上，形成具有自緊能力的帽式密封件，達(dá)到有效防止缸體內(nèi)氣體外泄的作用。

滑動(dòng)密封件主要包括滑動(dòng)密封套、套管、撐環(huán)、承壓座以及O形圈Ⅳ，其中，滑動(dòng)密封套亦采用具有抗油、耐磨損能力的聚四氟乙烯材料制成，它在與承壓座接觸的一端通過設(shè)置錐形凸環(huán)的形式提高密封套的氣密能力，而套管也被加工成與密封套相同錐形的錐面。在裝配過程中，通過這個(gè)錐面施加對(duì)滑動(dòng)密封套端面的壓力，使其向內(nèi)收縮，造成滑動(dòng)密封套的下端面內(nèi)圓周壁始終與活塞桿緊密貼合，最終形成具有自緊能力的桿密封結(jié)構(gòu)，這樣可以將活塞桿上粘附的潤滑油清除干凈。

彈簧則安裝在墊板與套管之間，給兩者的自緊行為提供自緊力。為了增加滑動(dòng)密封套向內(nèi)收縮的能力，在設(shè)計(jì)滑動(dòng)密封套的錐形凸環(huán)時(shí)，可以設(shè)計(jì)采用雙錐面結(jié)構(gòu)，而且在承壓座之上同樣設(shè)置可以和滑動(dòng)密封套下端面錐形凸環(huán)匹配的錐面。降低滑動(dòng)密封套與活塞桿之間的摩擦功耗，還可以在滑動(dòng)密封套的另一端內(nèi)孔中設(shè)置一個(gè)撐環(huán)，通過該撐環(huán)的內(nèi)張力將滑動(dòng)密封套的上半段內(nèi)孔撐開，進(jìn)而形成一個(gè)和活塞桿相分離的錐形間隙，有效降低兩者之間的摩擦。同時(shí)，形成的錐形間隙在封閉的活塞筒內(nèi)，在氣體壓力的作用下形成一個(gè)楔形的泵壓區(qū)，便于將少量粘附在活塞桿之上的潤滑油泵送回去。設(shè)置活塞筒，可以將帽式密封件與滑動(dòng)密封件分別固定于氣缸內(nèi)壁。為了保證滑動(dòng)密封套相接觸，或者是運(yùn)動(dòng)在滑動(dòng)密封件范圍之內(nèi)的活塞桿桿身部分不致運(yùn)動(dòng)至帽密封環(huán)處，應(yīng)該保證滑動(dòng)密封套與帽式密封件之間的距離應(yīng)該適當(dāng)大于活塞桿的行程，這樣才能保證其達(dá)到理想的防油效果。

通過上述對(duì)工作原理的分析，可以得知該型活塞桿密封結(jié)構(gòu)具有的特點(diǎn)：1）帽式密封件的滑動(dòng)密封套與活塞桿之間的摩擦因數(shù)較小，使得其工作阻力較小、發(fā)熱量低以及功耗小；2）在彈簧力以及O型密封圈的彈力作用下，帽式密封件與滑動(dòng)密封套具有向內(nèi)收縮的自緊力，有效地抵消活塞工作過程中對(duì)密封件的磨損，提高了工作可靠性，延長了使用壽命；3）該型密封結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的氣密性能，尤其是在高壓作用下具有泄漏量小、防油能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，提高了壓縮氣體的潔凈程度；4）減少了密封裝置的組件數(shù)目，降低了維護(hù)與保養(yǎng)的復(fù)雜程度，同時(shí)也降低了斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行費(fèi)用。

3 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)活塞桿密封裝置實(shí)驗(yàn)

將改進(jìn)型組合式密封結(jié)構(gòu)搭建成斯特林機(jī)試驗(yàn)臺(tái)，模擬斯特林機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況，并在其上進(jìn)行密封性能試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如下：

（1） 工 作 介質(zhì)為氫氣，介質(zhì)溫度為120℃，介質(zhì)壓 力 為 9～20 MPa，工作壓差為0～9 MPa；

（2） 潤 滑 油為20號(hào)機(jī)械油，潤滑油壓力為0.03～0.15 MPa（表壓），潤滑油溫度為0～110℃；

（3）主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為活塞桿直徑12 mm，活塞行程40 mm，工作頻率1 421往復(fù)次/min，安裝尺寸φ55 mm×φ47 mm×67.5 mm。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 斯特林機(jī)活塞桿密封壓力隨時(shí)間變化曲線

由圖4看出，斯特林機(jī)活塞桿密封壓力雖在120 min內(nèi)泄漏速度較快，但在120 min之后壓力保持衡定，一直維持在8.37 MPa，總泄漏量僅為0.05 MPa。試驗(yàn)結(jié)果表明，該新型斯特林機(jī)活塞桿密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，其密封效果顯著。

4 結(jié)論

針對(duì)斯特林機(jī)高溫高壓、無油潤滑等特殊運(yùn)行工況，參考幾種典型的活塞桿密封裝置，最終設(shè)計(jì)出了一種新型斯特林機(jī)活塞桿密封試驗(yàn)裝置。將該裝置加工成密封試驗(yàn)臺(tái)，模擬斯特林機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行密封性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，新型斯特林機(jī)活塞桿密封裝置密封性能良好，密封效果顯著。

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