斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)活塞桿密封結(jié)構(gòu)與材料分析

張 甜

（天水師范學(xué)院，甘肅天水 741000）

密封技術(shù)是決定斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能的關(guān)鍵技術(shù)，為確保發(fā)動(dòng)機(jī)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，需根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況改善活塞桿密封結(jié)構(gòu)，研究工況對(duì)密封結(jié)構(gòu)材料的影響。結(jié)合斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況來(lái)看，溫度、載荷、速度均可能影響活塞桿密封材料的摩擦磨損性能，為進(jìn)一步詳細(xì)確定工況與密封材料效果之間的關(guān)系，可通過(guò)設(shè)計(jì)試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)活塞桿密封結(jié)構(gòu)

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間應(yīng)根據(jù)工況情況調(diào)整優(yōu)化密封結(jié)構(gòu)。發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部活塞桿不斷進(jìn)行高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并對(duì)外做功，冷腔工質(zhì)壓力將會(huì)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行輸出而發(fā)生變化。當(dāng)工質(zhì)氣體發(fā)生膨脹時(shí)，活塞桿逐漸移向曲軸，不僅可完成對(duì)外做功，還存在熱能到機(jī)械能的變化。若密封結(jié)構(gòu)效果不佳，則會(huì)出現(xiàn)工質(zhì)氣體泄漏問(wèn)題，并使曲軸箱內(nèi)潤(rùn)滑油逐漸流入冷腔，繼而影響斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。為防止上述問(wèn)題的發(fā)生，對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的密封結(jié)構(gòu)，用于組織物質(zhì)交換，但仍有少量潤(rùn)滑油可隨意流動(dòng)，因此，在密封結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了混合腔室，以此進(jìn)一步提升了密封效果。隨著斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，技術(shù)人員根據(jù)活塞桿滑動(dòng)機(jī)理不斷改善了工質(zhì)氣體腔室，擴(kuò)大孔口，同時(shí)在活塞桿滑動(dòng)的區(qū)域增設(shè)支撐環(huán)，用于防止工質(zhì)氣體與潤(rùn)滑油發(fā)生交換。如圖1所示為斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)活塞桿密封結(jié)構(gòu)，圖中編號(hào)1～13分別為帽式密封、壓緊彈簧、密封筒、撐環(huán)、主密封環(huán)、壓環(huán)、承壓座、油槽、活塞桿、O 型圈1、O 型圈2、O 型圈3（帶擋圈）、O 型圈4。

圖1 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)活塞桿密封結(jié)構(gòu)

2 活塞桿密封結(jié)構(gòu)流體力學(xué)分析

2.1 受力分析

在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間，活塞桿與密封結(jié)構(gòu)之間存在相互配合，需注意分析活塞桿的運(yùn)動(dòng)變化情況。潤(rùn)滑油具有一定黏性，活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)將會(huì)在外界壓力影響下而出現(xiàn)凹型油膜，同時(shí)在活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)作用下，可進(jìn)一步引發(fā)抽吸效應(yīng)。在后續(xù)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，應(yīng)根據(jù)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)情況及抽吸效應(yīng)合理改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)，盡可能降低活塞桿運(yùn)動(dòng)期間所造成的彈性形變，并穩(wěn)定密封區(qū)域的循環(huán)應(yīng)力。

2.2 密封模型

將密封圈與活塞桿之間的接觸面作為研究對(duì)象，此時(shí)可在穩(wěn)定工況條件下借助油膜流體進(jìn)行模擬試驗(yàn)。從本質(zhì)上來(lái)看，發(fā)動(dòng)機(jī)所形成的運(yùn)行傳動(dòng)屬于機(jī)械運(yùn)動(dòng)，以曲柄連桿為傳動(dòng)主體結(jié)構(gòu)，受到缸套定位作用，活塞桿不斷進(jìn)行往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，而曲軸轉(zhuǎn)速相對(duì)均勻，活塞連桿組將隨之完成正弦運(yùn)動(dòng)，在此期間將會(huì)出現(xiàn)速度變化。相關(guān)參數(shù)關(guān)系：

運(yùn)動(dòng)速度：

式（1）～（3）中，w為曲軸角轉(zhuǎn)速，r/min；t為轉(zhuǎn)動(dòng)速度，r/min；g為曲柄長(zhǎng)度比；r為曲柄半徑，m；l為連桿長(zhǎng)度，m；φ 為曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)角度，rad。按照彈性流體潤(rùn)滑理論研究斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)密封條件下的油膜厚度最低值，并運(yùn)用雷諾方程探究流體潤(rùn)滑問(wèn)題，在不考慮其他干擾性因素情況下確定方程關(guān)系式：

式（4）～（6）中，f為活塞桿速度參數(shù)平均值，m/s；h為油液黏度；p為潤(rùn)滑油使用壓強(qiáng)，Pa。為進(jìn)一步提高斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞桿密封效果，需注意控制油液黏度及油液運(yùn)動(dòng)速度。

3 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)活塞桿密封結(jié)構(gòu)材料討論

3.1 材料基本要求

適宜的材料是保證斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)活塞桿密封效果及使用壽命的重要基礎(chǔ)，而優(yōu)異的密封材料需具備低熱阻、耐磨損、低摩擦、低熱膨脹等特征。為進(jìn)一步了解密封材料的基本性能要求，以下逐一展開(kāi)分析。

（1）摩擦磨損性。該指標(biāo)是決定密封材料性能的關(guān)鍵指標(biāo)。摩擦系數(shù)高，則意味著活塞桿密封件在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受到的摩擦力越大，此時(shí)可能加劇形變，一旦形變超出材料可承受的界限，則會(huì)出現(xiàn)密封失效現(xiàn)象，且可加速密封材料的磨損，縮短設(shè)備使用壽命。

（2）導(dǎo)熱性。若密封材料導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較高，可在較短時(shí)間內(nèi)將活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦熱量傳出，防止密封接觸面溫度過(guò)高而出現(xiàn)材料變形問(wèn)題，減少磨損現(xiàn)象。在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)中，所應(yīng)用到的金屬材料零部件的熱膨脹系數(shù)低于聚合物材料，此時(shí)可優(yōu)先選用低熱膨脹系數(shù)的材料，以此降低熱變形所引發(fā)的材料變形問(wèn)題。

（3）力學(xué)性能。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)活塞桿密封結(jié)構(gòu)較為關(guān)鍵的力學(xué)性能主要為抗變形及抗剪切能力。主要為避免密封材料在活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中遭受破壞，且可防止對(duì)磨表面所造成的磨損效果。

3.2 試驗(yàn)分析

3.2.1 準(zhǔn)備原料及樣塊

在本次密封材料試驗(yàn)中，以聚苯酯、聚四氟乙烯為主要試驗(yàn)材料，按照15 ∶85的比例取聚苯酯、聚四氟乙烯，將其置于高速混合機(jī)內(nèi)攪拌，經(jīng)篩選、烘干、冷卻三大步驟后，將混合材料置于30～50 MPa 載荷條件下模壓成型，進(jìn)一步保壓3～5min 后脫模，將材料轉(zhuǎn)移到高溫試驗(yàn)箱內(nèi)冷壓燒結(jié)，以此獲得摩擦試樣。

3.2.2 高溫試驗(yàn)

該試驗(yàn)主要用于明確工況溫度對(duì)于密封材料的影響，本次主要運(yùn)用高溫栓-盤檢驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)。為避免試樣表面在試驗(yàn)期間遭受損傷，故將摩擦對(duì)偶選為球栓，兩者以球面為接觸面。

試驗(yàn)所用對(duì)偶球栓為?3 mm 規(guī)格的軸承鋼球，試塊規(guī)格為?25×8 mm，將載荷、回轉(zhuǎn)半徑、試驗(yàn)線速度、摩擦?xí)r間分別設(shè)置為8 N、6 mm、0.57 m/s、30 min，而溫度為變量，將溫度設(shè)置為三擋，即200 ℃、100 ℃與室溫。運(yùn)用砂紙打磨試樣，采用超聲清洗方式進(jìn)行處理，運(yùn)用計(jì)算機(jī)得出密封材料摩擦系數(shù)，計(jì)算公式如下：

式（7）中，μ為摩擦系數(shù)；f、N分別為摩擦力平均值、試驗(yàn)載荷，N。運(yùn)用分析天平得出試樣磨損質(zhì)量。按照以下公式計(jì)算材料磨損體積：

式（8）中，ΔV、Δm、ρ分別為材料磨損體積、材料磨損質(zhì)量、材料密度。通過(guò)公式計(jì)算可得材料磨損體積，繼而了解溫度條件對(duì)于密封材料的影響。

3.2.3 往復(fù)試驗(yàn)

該試驗(yàn)主要用于檢驗(yàn)密封材料受載荷的影響程度，借助RFT-Ⅲ往復(fù)試驗(yàn)機(jī)檢驗(yàn)密封材料性能。在該試驗(yàn)中，選擇0.2～0.4 μm 粗糙度、70 mm×14 mm×10 mm 尺寸的鋼塊作為對(duì)偶試樣，而試驗(yàn)試樣規(guī)格為?4×10 mm。此外，往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程為5cm，線速度為150 r/min，將摩擦?xí)r間定為1h，其中載荷為變量條件，分別設(shè)定3個(gè)等級(jí)，即350 N、200 N、90 N。運(yùn)用砂紙打磨并超聲清洗試樣。按照以下公式計(jì)算試樣摩擦副表面壓強(qiáng)：

式（9）中，P、N、d分別為摩擦副表面壓強(qiáng)、垂直載荷、試樣直徑，分別計(jì)算試樣在不同載荷條件下的摩擦副表面壓強(qiáng)變化，以此了解載荷對(duì)密封材料的影響。

3.2.4 環(huán)塊試驗(yàn)

該試驗(yàn)主要用于探究速度對(duì)密封材料的影響，依靠MRH-3高速環(huán)塊試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展試驗(yàn)。以0.2～0.4 μm粗糙度、?49×14 mm 尺寸的鋼環(huán)為對(duì)偶試樣，試樣規(guī)格為19 mm×12.3 mm×12.3 mm。固定試驗(yàn)條件分別為載荷、摩擦?xí)r間，分別為200 N、120 min，溫度為室溫。試驗(yàn)速度為變量，設(shè)置3 個(gè)等級(jí)，即400 r/min、800 r/min、1600 r/min。運(yùn)用砂紙打磨并超聲清洗試樣。按照式（8）進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，以此驗(yàn)證試樣在不同轉(zhuǎn)速條件下的摩擦磨損性能。

4 結(jié)果討論

4.1 溫度的影響

按照上述步驟驗(yàn)證高溫條件對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)活塞桿密封材料性能的影響，發(fā)現(xiàn)密封材料在0.56 m/s、8N 載荷條件下，環(huán)境溫度與密封材料摩擦系數(shù)之間存在正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)溫度提升時(shí)，摩擦系數(shù)隨之提高，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因在于密封材料在高溫條件下分子鏈變得疏松，承載能力逐漸下降，此時(shí)摩擦接觸面增大，繼而提升了摩擦系數(shù)。此外，在運(yùn)動(dòng)期間將會(huì)產(chǎn)生摩擦熱，同樣可影響聚四氟乙烯等密封材料的結(jié)構(gòu)，引發(fā)軟化變形問(wèn)題。由此可見(jiàn)，溫度可極大影響密封材料的摩擦磨損性。

4.2 載荷的影響

通過(guò)控制載荷變量了解密封材料性能的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)其他條件固定不變時(shí)，密封材料的摩擦系數(shù)隨載荷的增大而不斷降低。在此過(guò)程中，密封材料摩擦接觸面逐漸增加，所形成的摩擦力隨之提高，但載荷線性增加程度遠(yuǎn)高于摩擦力增大程度，整體而言，密封材料的摩擦系數(shù)呈下降趨勢(shì)。同時(shí)，在載荷增大過(guò)程中，密封材料所遭受的滑動(dòng)剪切應(yīng)力提升，以此形成了較大的摩擦，繼而增大了密封材料的磨損量。

4.3 速度的影響

通過(guò)控制速度變量了解密封材料性能的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在400 r/min、800 r/min 速度下，密封材料的磨損體積、摩擦系數(shù)變化不大，由此可證明，低速條件基本不會(huì)影響密封材料性能，其可表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦穩(wěn)定性。但當(dāng)試驗(yàn)速度提升至1600 r/min 后，密封材料的磨損體積、摩擦系數(shù)出現(xiàn)較大變化，摩擦熱提升迅速，致使密封材料內(nèi)熱量無(wú)法良好傳遞出去，繼而出現(xiàn)了受熱變形問(wèn)題。因此，在選擇密封材料時(shí)，應(yīng)將導(dǎo)熱性作為關(guān)鍵指標(biāo)之一。

以上分析了溫度、載荷、速度對(duì)密封材料性能的影響，結(jié)論如下。

（1）溫度與密封材料摩擦系數(shù)為正比關(guān)系，當(dāng)試驗(yàn)溫度增加時(shí)，密封材料摩擦系數(shù)變大，磨損體積隨之提升，而耐磨損性能則會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。

（2）試驗(yàn)載荷與密封材料摩擦系數(shù)呈反比關(guān)系，即試驗(yàn)載荷降低時(shí)，摩擦系數(shù)提升，磨損體積減少。

（3）試驗(yàn)速度與密封材料摩擦系數(shù)為正比關(guān)系，當(dāng)該對(duì)應(yīng)關(guān)系在低速狀態(tài)下并不顯著，而在高速條件下較為明顯。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，選擇斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)活塞桿密封材料時(shí)，應(yīng)注意考慮摩擦系數(shù)，通過(guò)控制摩擦系數(shù)調(diào)整優(yōu)化密封材料承載力及耐磨性，以此即可減少密封材料磨損程度，延長(zhǎng)其使用壽命。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，密封結(jié)構(gòu)及其材料效果能夠直接影響斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能，但運(yùn)行工況期間存在高溫、載荷變化、速度變化現(xiàn)象，可影響密封材料摩擦磨損性能的發(fā)揮。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)工況條件下，溫度與密封材料磨損體積之間呈正相關(guān)關(guān)系，即溫度越高，密封材料所受到的摩擦磨損體積越大，而載荷與密封材料磨損體積之間為負(fù)相關(guān)關(guān)系，此外，高速工況同樣可造成磨損體積的增大。