斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)密封套的技術(shù)研究分析

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摘 要：斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)與內(nèi)燃機(jī)不同，是一種外燃機(jī)，通過加熱工質(zhì)氣體，氣體膨脹之后推動(dòng)活塞做功。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的使用，其密封套設(shè)計(jì)工作十分重要，直接關(guān)系到斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。本文主要介紹了斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的基本工況，并且對(duì)現(xiàn)階段發(fā)動(dòng)機(jī)的密封套結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，通過流體力學(xué)的分析結(jié)果，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)密封套的技術(shù)進(jìn)行了研究，以供相關(guān)工作人員借鑒分析。

關(guān)鍵詞：斯特林發(fā)動(dòng)機(jī) 密封套結(jié)構(gòu) 受力分析 活塞桿

Technical Research and Analysis of Stirling Engine Seal

Zhang Tian

Abstract：The Stirling engine is different from the internal combustion engine. It is an external combustion engine that heats the working fluid gas and then pushes the piston to do work after the gas expands. For the use of Stirling engine， the design of the seal sleeve is very important， and is directly related to the performance of the Stirling engine. This article mainly introduces the basic working conditions of the Stirling engine， and analyzes the seal sleeve structure of the engine at this stage. Through the analysis results of fluid mechanics， the technology of the engine seal sleeve is studied for reference to the relevant staff.

Key words：Stirling engine， seal sleeve structure， force analysis， piston rod

密封套技術(shù)是研制斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，需要研究人員在日常工作中，重視對(duì)密封套的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，從而改善當(dāng)前設(shè)備質(zhì)量。隨著現(xiàn)階段工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)提出了新的要求。需要技術(shù)人員重視斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)工作，朝著高速、高效的方向發(fā)展，從而解決當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中遇到的功率不夠的問題。

1 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)基本工況

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)至今，經(jīng)過了不同研究人員的分析與改進(jìn)，現(xiàn)階段工作人員對(duì)于該發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力、溫度、粘度、速度等性能有了初步了解。當(dāng)前工作人員重視理論與實(shí)際相互結(jié)合的研究方法，對(duì)于如何提升斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)性能作出了改進(jìn)。尤其是在密封套技術(shù)處理過程中，需要技術(shù)人員提高重視，從而改善當(dāng)前工作質(zhì)量[1]。

現(xiàn)階段斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)工作的介質(zhì)一般選擇為氦氣，在正常工作狀態(tài)下，需要保持內(nèi)腔壓力小于10MPa，發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度應(yīng)該小于150℃。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，需要工作人員提高重視，有效防止工質(zhì)氣體進(jìn)入曲軸箱，并且還應(yīng)該避免曲軸箱中的潤(rùn)滑油進(jìn)入工質(zhì)氣體區(qū)域，做好密封工作尤為重要。在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)工作中，需要技術(shù)人員在選擇合適的材料，做好發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)的密閉工作。在打洞機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中，由于接觸面積較大，工質(zhì)氣體受到外部加熱，自身膨脹，推動(dòng)活塞，通過曲軸設(shè)備完成對(duì)外部的做功。

同時(shí)，為了提高斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)性能，延長(zhǎng)該設(shè)備的使用壽命，需要技術(shù)人員重視對(duì)高壓泵油冷卻與潤(rùn)滑，從而提升當(dāng)前工作性能。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)密封套結(jié)構(gòu)

在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)日常工作中，研究人員根據(jù)設(shè)備的不同運(yùn)行狀態(tài)，需要做好密封套設(shè)計(jì)工作，從而改善當(dāng)前工作質(zhì)量。一般情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)在工作階段，內(nèi)部活塞會(huì)做高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)外做功。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的不斷輸出，冷腔的工質(zhì)壓力會(huì)發(fā)生變化。在工質(zhì)氣體膨脹過程中，活塞桿會(huì)朝著曲軸方向移動(dòng)。通過活塞推動(dòng)曲軸，從而完成對(duì)外做功，將工質(zhì)氣體的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。在這過程中，密封套的存在，能夠避免工質(zhì)氣體發(fā)生泄漏現(xiàn)象，同時(shí)杜絕曲軸部分的潤(rùn)滑油進(jìn)入冷腔。雖然在設(shè)計(jì)階段，密封套的存在能夠杜絕兩者兩側(cè)的物質(zhì)交互，但是依舊有部分潤(rùn)滑油進(jìn)入活塞桿行程自由區(qū)[2]。

因此，在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)工作中，需要活塞的行程周邊設(shè)置混合腔室，提高密封套的性能。在這種情況下，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)活塞桿的運(yùn)動(dòng)特性，從而改善當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，適應(yīng)現(xiàn)階段工業(yè)生產(chǎn)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的需求。在活塞桿行程中，需要技術(shù)人員根據(jù)高速滑動(dòng)密封的原理，對(duì)工質(zhì)氣體腔室進(jìn)行改進(jìn)，從而提高產(chǎn)品性能。在設(shè)計(jì)中，工作人員將孔口進(jìn)行擴(kuò)大處理，在活塞滑動(dòng)的自由區(qū)添加支撐環(huán)，最大程度上做好密封工作，避免潤(rùn)滑油與工質(zhì)氣體之間的交互，提高整體設(shè)備性能。

目前，研究人員通過互動(dòng)自由區(qū)的改造，最大限度控制了潤(rùn)滑油的微量泄漏，并且在活塞兩邊設(shè)置了密封環(huán)，在曲軸壓力的作用下，能夠保證氣體做功之后，活塞會(huì)在慣性的作用下回歸原來的位置，始終保持密封狀態(tài)[3]。

在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)工作中，主要是添加了一組精細(xì)設(shè)計(jì)的密封組件，從而提高整體設(shè)備性能，能夠在日常工作中提高自身工作效率，降低斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)成本。在該設(shè)備運(yùn)行工程中，密封套的作用十分重要，在現(xiàn)階段設(shè)備生產(chǎn)中，主要是碳纖維填充的聚四氟乙烯，這種材料的使用，具有較好的熱力學(xué)性能，能夠適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的各種外界作用，同時(shí)具有較強(qiáng)的抗壓性能。在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用過程中，這種密封套結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)做功的需求，同時(shí)在運(yùn)動(dòng)過程中，能夠?qū)⒐べ|(zhì)氣體有效密封在腔室中，并且杜絕了曲軸箱中的潤(rùn)滑油進(jìn)入腔室。在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中，會(huì)出現(xiàn)一定的設(shè)備磨損現(xiàn)象。設(shè)計(jì)人員需要充分考慮該問題，有效補(bǔ)償磨損量，延長(zhǎng)設(shè)備的使用時(shí)間。

3 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)密封套流體力學(xué)分析

3.1 受力分析

在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中，為了提高設(shè)計(jì)工作質(zhì)量，需要技術(shù)人員對(duì)整體設(shè)備進(jìn)行力學(xué)分析，從理論的角度上，對(duì)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備使用過程中存在的安全隱患與不合理設(shè)計(jì)因素。為了提高斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)密封套性能，需要技術(shù)人員對(duì)活塞與曲軸運(yùn)動(dòng)過程的受力進(jìn)行科學(xué)分析。

在密封套工作中，由于密封套與活塞桿之間相互配合，需要技術(shù)人員提高重視，有效應(yīng)對(duì)靜密封與活塞運(yùn)行階段發(fā)生的變化。由于潤(rùn)滑油自身存在一定的黏度，在活塞運(yùn)動(dòng)過程中，會(huì)在外界壓力的作用下，造成入口端油膜出現(xiàn)凹型。在活塞運(yùn)行階段，由于活塞桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，會(huì)造成潤(rùn)滑油發(fā)生抽吸效應(yīng)。研究人員根據(jù)該效應(yīng)，對(duì)活塞的運(yùn)動(dòng)狀況進(jìn)行科學(xué)分析，對(duì)密封套進(jìn)行合理改進(jìn)，從而降低了活塞軸運(yùn)轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)的彈性形變，穩(wěn)定了密封區(qū)域存在的循環(huán)應(yīng)力?，F(xiàn)階段斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)工作中，由于潤(rùn)滑油的抽吸效應(yīng)，會(huì)在活塞自由區(qū)表面形成一層油膜，既起到了潤(rùn)滑的作用，還能夠避免活塞在運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的摩擦，減少了活塞在運(yùn)動(dòng)階段出現(xiàn)的損耗，提高了斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備內(nèi)部設(shè)計(jì)中，需要技術(shù)人員控制接觸區(qū)域的循環(huán)應(yīng)力。

3.2 密封模型分析

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)密封裝置搭建力學(xué)分析模型，如圖1所示。圖1中a部分作為發(fā)動(dòng)機(jī)安裝完成時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖，虛線用以表示未變形密封套的內(nèi)徑位置，通常情況下，過盈量取值范圍為[0.1，0.15]毫米，孔口為喇叭形。喇叭孔口間隙取值范圍為[0.35，0.45]毫米。如圖1中b部分所示，是密封套在完成支撐環(huán)安裝時(shí)，添加潤(rùn)滑油后產(chǎn)生內(nèi)徑形態(tài)變化的具體情況，此時(shí)密封套與活塞桿處于隔離狀態(tài)，隔離介質(zhì)為油膜。圖2中c部分表示的是無油膜的油壓分布情況。圖2中d部分表示的是有油膜的油壓分布情況。

在發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行的情況下，其活塞桿密封性的影響因素包括：接觸點(diǎn)位置屬性，屬性具體表現(xiàn)為：運(yùn)動(dòng)參數(shù)、幾何位置。設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)為穩(wěn)定工況，針對(duì)流體動(dòng)壓潤(rùn)滑開展計(jì)算程序。將活塞桿與密封套兩者之間產(chǎn)生的接觸面設(shè)為研究對(duì)象，在實(shí)際工況中，使用油膜流體，開展?jié)櫥M試驗(yàn)。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行傳動(dòng)以機(jī)械運(yùn)作為主，傳動(dòng)主體為曲柄連桿結(jié)構(gòu)，活塞桿在缸套定位作用下，采取往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，曲軸轉(zhuǎn)速具有均勻性，活塞連桿組在運(yùn)動(dòng)期間，完成了正弦運(yùn)動(dòng)的重復(fù)程序，重復(fù)運(yùn)動(dòng)期間存在速度變化，各項(xiàng)參數(shù)關(guān)系如下：

曲軸角轉(zhuǎn)速：w=

曲柄長(zhǎng)度比：g=，g<

運(yùn)動(dòng)速度：u=rw（sinφ+gsin2φ）

關(guān)系式中：t表示的是曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度，單位為r/min;r表示的是曲柄半徑值，單位為米;l表示的是連桿實(shí)際長(zhǎng)度，單位為米;φ表示的是曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)角度，單位為rad。

發(fā)動(dòng)機(jī)的密封狀態(tài)，以油膜厚度最小值作為第二個(gè)重要的研究項(xiàng)目。以彈性流體潤(rùn)滑理論為依據(jù)，搭建潤(rùn)滑方程，假設(shè)不存在其他影響因素，方程組具體表現(xiàn)為：

雷諾方程關(guān)系式：（）=f，a=ph3;

黏度壓力形成的關(guān)系式：h=hoeαp;

關(guān)系式中，f表示的是活塞桿運(yùn)動(dòng)速度均值，單位為m/s;p表示的是潤(rùn)滑油使用時(shí)產(chǎn)生的壓力作用，單位為Pa;h表示的是一般壓力狀態(tài)下的油液黏度。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)：油膜厚度最小值的干擾條件為油液運(yùn)動(dòng)的速度均值f、油液黏度h，荷載p對(duì)其產(chǎn)生的影響并不明顯;為此，應(yīng)加強(qiáng)油液運(yùn)動(dòng)均速控制、油液黏度保持。

4 結(jié)語

總而言之，在現(xiàn)階段研究工作中，結(jié)合國(guó)內(nèi)外一些較為實(shí)用的參考文獻(xiàn)，對(duì)于密封套的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)研究，從而改善當(dāng)前斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，研究人員在確保發(fā)動(dòng)機(jī)安全性的前提下，重視對(duì)設(shè)備內(nèi)部改造，調(diào)整了密封套與活塞桿之間的過盈量，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)自身性能。

項(xiàng)目名稱：斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)活塞桿密封材料研究。項(xiàng)目編號(hào)：0110-101100110106。

參考文獻(xiàn)：

[1]秦哲，楊廣武，張艷峰等.利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率[J].低溫工程，2020（02）：34-38.

[2]譚德寧，張燕紅，魏紅梅等.一種斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)[J].新技術(shù)新工藝，2019（09）：50-52.

[3]冶文蓮，王小軍，劉迎文等.自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的響應(yīng)面法設(shè)計(jì)[J].真空與低溫，2019，25（04）：270-279.