斯特林機活塞桿帽式密封結(jié)構(gòu)改進研究*

楊東亞 孫榮拓 李佳駿 薛 薇

(蘭州理工大學(xué)機電工程學(xué)院 甘肅蘭州 730050)

斯特林機是一種外部供熱的活塞式發(fā)動機，以氣體(氫氣或氦氣)為介質(zhì)，按閉式回?zé)嵫h(huán)方式工作。活塞桿處介質(zhì)泄漏是斯特林發(fā)動機常見的故障現(xiàn)象，也是最難解決的問題之一[1]。

針對活塞桿密封問題，很多研究人員通過有限元分析法對O形圈進行優(yōu)化分析，發(fā)現(xiàn)了通過合理設(shè)計O形圈截面形狀可改變內(nèi)部應(yīng)力及接觸應(yīng)力的大小及分布，以達到提升密封性能的效果。周立臣[2]分析了幾種改進O形圈的力學(xué)特性，證明改進截面為“D”形可以提升密封性能。韓傳軍和張杰[3]對X形密封圈進行了優(yōu)化設(shè)計并分析驗證了優(yōu)化結(jié)果。劉先斌和廖蘭[4]針對氣體密封，將O形圈截面改進為錐形，并驗證了改進后可提高密封性能。蔡智媛等[5]利用ANSYS軟件分析了液壓格萊圈密封軸向推進和徑向壓縮兩種預(yù)壓縮的靜密封性能，并得確定了不同介質(zhì)壓力和壓縮率應(yīng)選擇的預(yù)壓縮方式。針對斯特林機活塞桿密封問題，TANAKA[6]研究發(fā)現(xiàn)帶有“潤滑環(huán)”的組合密封裝置具有良好的密封性能。蘭州理工大學(xué)研究人員對斯特林機密封結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵零部件做了較為深入的研究和設(shè)計。其中楊東亞等[7]和CHANG[8]確定了帽式密封基本結(jié)構(gòu)，并分析驗證了該結(jié)構(gòu)可滿足斯特林機活塞桿的密封需求；曹文翰[9]通過分析和實驗建立材料摩擦磨損模型，提出了多場耦合下密封數(shù)值模擬方法，設(shè)計了CL蓋封密封件，并驗證了其優(yōu)化效果；張?zhí)鸬热薣10]分析了過盈量和壓縮量對帽式密封性能和壽命的影響規(guī)律；李東軒等[11]利用ABAQUS軟件進行了帽式密封穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)分析并探析了不同介質(zhì)壓力下的有效密封區(qū)域，同時還研究了摩擦熱對于密封性能的影響。但迄今為止，鮮見對帽式密封結(jié)構(gòu)的改進研究。

斯特林機中高壓介質(zhì)會使密封圈變形而與活塞桿非理想接觸，另外工作時密封裝置上下交變壓差會致使密封圈與活塞桿貼緊力不穩(wěn)定。針對以上問題，本文作者對帽式密封結(jié)構(gòu)進行改進設(shè)計，并進一步探究關(guān)鍵工況參數(shù)對改進密封結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，為帽式密封的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)和指導(dǎo)。

1 結(jié)構(gòu)建模

1.1 密封機制

原有帽式密封結(jié)構(gòu)如圖1所示，由活塞桿、墊板、密封圈、O形圈和擋圈組成。其密封效果通過密封圈與活塞桿過盈配合安裝和O形圈的壓縮預(yù)緊提供。在活塞桿往復(fù)運動的過程中密封圈會產(chǎn)生磨損，但在O形圈所提供的徑向力作用下，磨損的密封圈會被不斷補償以維持密封效果并延長帽式密封結(jié)構(gòu)的壽命。帽式密封的安裝如圖2所示。

圖1 帽式密封結(jié)構(gòu)1/4剖視圖Fig.1 Cap-type combination seal construction 1/4 section view

圖2 帽式密封Fig.2 Cap-type seal

1.2 模型建立

利用ANSYS建立尺寸如圖3所示簡化帽式密封的2D軸對稱模型，并將改進結(jié)構(gòu)使用同樣基礎(chǔ)尺寸和建模方法建立相應(yīng)模型。

圖3 模型尺寸Fig.3 The model size

使用軸對稱模型可在保證計算準確度的前提下簡化計算，縮短計算時間。其結(jié)構(gòu)、約束和邊界條件均為軸對稱分布，符合密封結(jié)構(gòu)的特性，因此將模型簡化為二維軸對稱問題。

圖4所示為研究的4種結(jié)構(gòu)的有限元模型，結(jié)構(gòu)1為現(xiàn)有帽式密封結(jié)構(gòu)簡化模型，其余3種結(jié)構(gòu)為文中提出的改進結(jié)構(gòu)。其中結(jié)構(gòu)2兩個密封圈截面內(nèi)側(cè)均為弧線；結(jié)構(gòu)3兩個密封圈截面內(nèi)側(cè)均為直線；結(jié)構(gòu)4兩個密封圈截面內(nèi)側(cè)均為直線，O形圈截面形狀改為鼓形。

圖4 各結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.4 Finite element model of each structure: (a)structure No.1;(b)structure No.2; (c)structure No.3;(d)structure No.4

密封圈、擋圈均采用聚四氟乙烯基復(fù)合材料，具體參數(shù)見表1。

表1 密封圈材料參數(shù)Table 1 Sealing ring material parameters

O形圈均采用耐油氟橡膠，為超彈材料且具有高度非線性。為了準確模擬其性能，文中采用Mooney-Rivlin模型描述其力學(xué)特性，其表達式為

(1)

式中：W為應(yīng)變能；cij為材料的Mooney-Rivlin系數(shù)，具體參數(shù)見表2。

表2 O形圈材料參數(shù)Table 2 O-ring material parameters

其余部分為默認材料Structural Steel。

為得到高質(zhì)量網(wǎng)格和較準確的分析結(jié)果，將O形圈進行三角形網(wǎng)格劃分。為利于整個模型收斂，將除O形圈之外的所有結(jié)構(gòu)使用自動劃分，并且將密封圈的網(wǎng)格大小調(diào)整，將密封圈和O形圈的所有接觸區(qū)域進行網(wǎng)格密化。

1.3 基本假設(shè)

為簡化模型，提高運算效率，文中假設(shè)一切限定環(huán)境與參數(shù)在分析中不發(fā)生變化，且除分析中控制的環(huán)境和條件外，忽略其他影響因素。

1.4 約束與載荷

模型中所有接觸均為摩擦接觸，法向剛度設(shè)定為因數(shù)，數(shù)值為1，更新剛度為每次更新，時步自動平分。固定擋圈，將載荷施加分為三步，第一步通過控制遠程位移使各個模型勻速完成預(yù)壓縮，第二步在模型上側(cè)勻速施加介質(zhì)壓力，第三步給活塞桿添加往復(fù)運動，以模擬實際工況。載荷與邊界條件見表3。

表3 載荷與邊界條件Table.3 Load and boundary conditions

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 密封性能分析

圖5所示是4種模型O形圈的von Mises等效應(yīng)力云圖。O形圈的應(yīng)力表現(xiàn)對帽式密封的自補償功能有極大的影響，尤其是徑向應(yīng)力分布是否均勻是衡量結(jié)構(gòu)質(zhì)量的關(guān)鍵。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，結(jié)構(gòu)1的應(yīng)力分布由于介質(zhì)壓力的影響非常不均勻，應(yīng)力主要集中在與密封圈下端接觸位置；結(jié)構(gòu)3、4、5中，由于減小了O形圈受介質(zhì)壓力的影響，應(yīng)力表現(xiàn)相對于結(jié)構(gòu)1更分散并且分布更均勻，最大等效應(yīng)力也更小。其中結(jié)構(gòu)2、3的最大等效應(yīng)力值只有結(jié)構(gòu)1的57.5%和47.6%。另外，結(jié)構(gòu)3中的徑向應(yīng)力集中最為明顯，結(jié)構(gòu)2、4中O形圈徑向應(yīng)力相對于結(jié)構(gòu)3有明顯的分散，尤其是結(jié)構(gòu)4，幾乎消除了該區(qū)域的應(yīng)力集中并將其分散至與密封圈頂端接觸的兩點附近。

圖5 各結(jié)構(gòu)O形圈von Mises應(yīng)力云圖(MPa)Fig.5 O-ring von Mises stress pattern of each structure(MPa): (a)structure No.1;(b)structure No.2; (c)structure No.3;(d)structure No.4

圖6所示是同條件下4種模型密封圈的von Mises等效應(yīng)力云圖?？梢钥闯?，結(jié)構(gòu)1的最大等效應(yīng)力集中在密封圈的內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)角處，改進前后應(yīng)力最大值基本一致，但應(yīng)力分布和形變有所不同。改進后其應(yīng)力主要集中在內(nèi)側(cè)密封圈中間處，外側(cè)密封圈應(yīng)力值較大。改進后有效減少了密封圈的形變，可保持與活塞桿摩擦副的穩(wěn)定接觸，有利于轉(zhuǎn)移膜的形成，可有效提高密封結(jié)構(gòu)的摩擦密封性能。同時還可看出，結(jié)構(gòu)3的最大應(yīng)力值較大，結(jié)構(gòu)2的內(nèi)側(cè)密封圈應(yīng)力分布更均勻并且最大應(yīng)力值更小。

圖6 各結(jié)構(gòu)密封圈von Mises應(yīng)力云圖(MPa)Fig.6 von-Mises stress pattern of seals of various structures (MPa):(a)structure No.1;(b)structure No.2; (c)structure No.3;(d)structure No.4

圖7所示為4種密封結(jié)構(gòu)在相同條件下密封圈各節(jié)點的等效接觸應(yīng)力分布。當(dāng)接觸應(yīng)力大于介質(zhì)壓力時即可實現(xiàn)有效密封。結(jié)構(gòu)1由于密封圈受介質(zhì)壓力作用變形，導(dǎo)致在0.6～1.3 mm處無法與活塞桿保持接觸，無接觸應(yīng)力數(shù)據(jù)，其最大接觸應(yīng)力值為7.9 MPa。結(jié)構(gòu)2、3、4能夠保證密封圈在介質(zhì)壓力作用下的變形量很小，可以保證密封圈與活塞桿接觸一側(cè)始終貼合。結(jié)構(gòu)2最大接觸應(yīng)力值為29.99 MPa，結(jié)構(gòu)3為22.84 MPa，結(jié)構(gòu)4為29.01 MPa。3種改進結(jié)構(gòu)均能保證密封效果，且相對于結(jié)構(gòu)1有效密封面積分別增加了40%、37%、14%。

圖7 4種結(jié)構(gòu)各節(jié)點接觸應(yīng)力值Fig.7 Contact stress values of each node of the four structures

3種改進結(jié)構(gòu)中對扣密封圈外圈各節(jié)點的接觸應(yīng)力如圖8所示，可見3種結(jié)構(gòu)的接觸應(yīng)力均大于介質(zhì)壓力，可以實現(xiàn)有效靜密封。其中結(jié)構(gòu)2的接觸應(yīng)力數(shù)值較大且分布最均勻。

圖8 改進結(jié)構(gòu)密封圈外圈各節(jié)點接觸應(yīng)力值Fig.8 The contact stress values of each node of sealing ring outer ring of improved structures

綜合以上分析可知，改進結(jié)構(gòu)在介質(zhì)壓力5 MPa、壓縮比15%、活塞桿往復(fù)速度10 m/s的條件下能夠?qū)崿F(xiàn)有效密封，并且相較現(xiàn)有結(jié)構(gòu)動密封區(qū)域接觸應(yīng)力更加平穩(wěn)和均勻，由于在滑動摩擦中，聚合物與金屬表面的黏附是形成堅韌轉(zhuǎn)移膜的基礎(chǔ)[12]，所以改進結(jié)構(gòu)動密封摩擦副的摩擦磨損性能更優(yōu)。改進后O形圈內(nèi)部的等效應(yīng)力也更小、更加均勻，可有效增加裝置壽命。由此可得，改進結(jié)構(gòu)密封性能更好，其中結(jié)構(gòu)2綜合表現(xiàn)最佳。

2.2 關(guān)鍵工況參數(shù)下密封性能比較

以密封環(huán)與活塞桿間的接觸應(yīng)力為評價指標，通過改變介質(zhì)壓力、摩擦因數(shù)和活塞桿運行速度，比較不同關(guān)鍵工況參數(shù)下改進密封結(jié)構(gòu)的密封性能，并研究各關(guān)鍵工況參數(shù)對改進結(jié)構(gòu)密封性能的影響規(guī)律。

2.2.1 介質(zhì)壓力的影響

在預(yù)壓縮比15%、活塞速度10 m/s、摩擦因數(shù)0.2條件下，對改進密封結(jié)構(gòu)施加0～9 MPa的介質(zhì)壓力，得到不同介質(zhì)壓力下密封圈對活塞一側(cè)的接觸應(yīng)力值，并利用B-樣條法進行曲線擬合，得到如圖9所示的接觸應(yīng)力變化曲線。

圖9 接觸應(yīng)力隨介質(zhì)壓力的變化Fig.9 Variation of contact stress with medium pressure

由圖9可以看出，結(jié)構(gòu)2的最大接觸應(yīng)力值較大，結(jié)構(gòu)3較?。?種結(jié)構(gòu)接觸應(yīng)力都大于所受介質(zhì)壓力，均能達到較好的密封效果。在介質(zhì)壓力達到1.5 MPa之前，3種結(jié)構(gòu)的接觸應(yīng)力均呈穩(wěn)定上升趨勢，其中結(jié)構(gòu)2、4上升更為明顯。當(dāng)介質(zhì)壓力超過1.5 MPa后，結(jié)構(gòu)2進入平穩(wěn)小幅升高階段，并在4.5 MPa時有微小波動；而結(jié)構(gòu)3、4在介質(zhì)壓力為5～7 MPa時最大接觸應(yīng)力出現(xiàn)了較大的波動。

綜上，結(jié)構(gòu)2在不同介質(zhì)壓力下的接觸應(yīng)力值最大，接觸應(yīng)力曲線較為平穩(wěn)，即密封性能最好且最穩(wěn)定。

2.2.2 摩擦因數(shù)的影響

在介質(zhì)壓力5 MPa、壓縮比15%、活塞速度10 m/s條件下，設(shè)置密封圈與密封環(huán)之間的摩擦因數(shù)為0.02～0.5，模擬得到不同摩擦因數(shù)下密封圈與活塞接觸一側(cè)的最大接觸應(yīng)力，并通過B-樣條法擬合曲線，結(jié)果如圖10所示。

圖10 接觸應(yīng)力隨摩擦因數(shù)的變化Fig.10 Variation of contact stress with friction coefficient

由圖10可知，3種結(jié)構(gòu)的最大接觸應(yīng)力均隨摩擦因數(shù)的增大而增大，接觸應(yīng)力都大于結(jié)構(gòu)所受的介質(zhì)壓力，均能達到較好的密封效果。然而，在相同摩擦因數(shù)下結(jié)構(gòu)2的最大接觸應(yīng)力明顯高于其他結(jié)構(gòu)。在最大接觸應(yīng)力變化趨勢上三者較為相似，均為單調(diào)遞增。通過對不同摩擦因數(shù)下接觸應(yīng)力的對比，可知結(jié)構(gòu)2的密封性能最佳。

2.3 活塞運動速度的影響

在介質(zhì)壓力4 MPa、壓縮比15%、密封圈與活塞桿間摩擦因數(shù)0.2條件下，設(shè)置活塞桿速度為1～20 m/s，模擬得到了不同速度下密封圈與活塞桿接觸一側(cè)在內(nèi)行程和外行程中的最大接觸應(yīng)力，并通過B-樣條法擬合曲線，結(jié)果如圖11所示。

圖11 接觸應(yīng)力隨活塞速度的變化Fig.11 Variation of contact stress with piston velocity

由圖11可知，在不考慮流體環(huán)境的情況下，活塞運行速度對密封性的影響很小，幾乎可以忽略。但速度較快必然會在同等的時間內(nèi)產(chǎn)生更多的摩擦熱，高速高溫下，黏附層的形成和脫落會加快，進而加劇復(fù)合材料的磨損；并且轉(zhuǎn)移膜的剝蝕現(xiàn)象也會加重，其穩(wěn)定性和均勻性都會變差，最后導(dǎo)致材料的潤滑性、接觸面的密封性都下降[11]。所以實際中的活塞速度不宜過高[13]。從圖11中還可以看到，對于每一種結(jié)構(gòu)都有內(nèi)行程最大接觸應(yīng)力略小于外行程的情況，這與現(xiàn)有的帽式密封結(jié)構(gòu)表現(xiàn)相似。另外，在相同活塞速度下結(jié)構(gòu)2的接觸應(yīng)力均大于結(jié)構(gòu)3和結(jié)構(gòu)4，表現(xiàn)出更好的密封性能。

綜上，通過對3種改進結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)分析可知，結(jié)構(gòu)2接觸應(yīng)力在不同的關(guān)鍵工況參數(shù)下都較大并且平穩(wěn)，密封效果最好。對比各關(guān)鍵工況參數(shù)的影響可知，介質(zhì)壓力對密封結(jié)構(gòu)的密封性能影響很大，所以在實際應(yīng)用設(shè)計中，應(yīng)合理控制介質(zhì)壓力以保證密封性。摩擦因數(shù)對密封性的影響在一定范圍內(nèi)可視為正相關(guān)，但在摩擦因數(shù)提高到某一值時均出現(xiàn)接觸應(yīng)力增長速率加快的趨勢。桿表面越粗糙，摩擦力和凈泄漏將會越大，在頻繁啟動和關(guān)閉的情況下，密封更容易發(fā)生疲勞故障[14]。后期應(yīng)針對粗糙度、摩擦因數(shù)、正壓力和接觸應(yīng)力做更深入的研究來探究其規(guī)律?；钊麠U運動速度在不考慮流體環(huán)境的情況下對密封性影響很小，但其速度會過大會導(dǎo)致更高的溫度，對材料的潤滑性、接觸面的密封性和密封圈的壽命都有較大影響。內(nèi)行程的密封性要略差于外行程，在設(shè)計中應(yīng)重點關(guān)注內(nèi)行程的密封性。

4 結(jié)論

(1)3種斯特林機帽式密封改進方案都不同程度地改善了原有結(jié)構(gòu)的密封性能。其中在研究的各關(guān)鍵工況參數(shù)下結(jié)構(gòu)2相對最佳。

(2)3種關(guān)鍵工況參數(shù)中介質(zhì)壓力對改進密封結(jié)構(gòu)的密封性能影響最大，并且會造成接觸應(yīng)力的突變。對于結(jié)構(gòu)2，介質(zhì)壓力在6～8.5 MPa時密封性能最佳。

(3)改進結(jié)構(gòu)的接觸應(yīng)力隨摩擦因數(shù)的增大呈非線性單調(diào)上升，但由于摩擦因數(shù)過大會導(dǎo)致更多的熱量產(chǎn)生，所以并不是摩擦因數(shù)越大越好。

(4)相同活塞速度下內(nèi)行程時密封結(jié)構(gòu)的接觸應(yīng)力略小于外行程，因此在設(shè)計中應(yīng)重點考慮內(nèi)行程的最大接觸應(yīng)力。