斯特林发动机杆密封装置性能与密封件摩擦学研究
|
摘要
斯特林发动机是一种外部供热或燃烧的活塞式发动机，它以氢气或氦气为工质，采用接触式密封装置，按闭式回热循环的方式进行工作。理想的斯特林发动机动密封应该实现良好的密封、低功耗及长寿命，因此提高密封装置的密封性能并降低密封件的磨损率则成了斯特林发动机能否向大功率发展的关键。
本文简要介绍了斯特林发动机基本原理和发展现状，阐述了斯特林发动机活塞杆的密封机理、摩擦副磨损机制及典型密封结构。在此基础上设计出符合斯特林发动机的活塞杆密封结构，即帽式密封加滑动密封的组合式密封结构。
本文首先以接触式密封机理为基础，研究影响帽式密封和滑动密封的因素，分别建立压力、温度及装配过盈量条件下的接触压力数学模型；其次，以磨损机制为基础，研究影响密封件摩擦磨损的因素，建立有油润滑状态下的油膜参数与摩擦系数、粗糙度与体积磨损量的数学模型；再次，搭建了斯特林活塞杆密封试验台，用试验方法定量测量、分析以验证该数学模型的正确性和可应用性，并找出各工况参数对密封件的密封性能及其磨损率的影响规律；最后，结合试验分析的结果，从理论上提出了提高斯特林发动机活塞杆密封件的密封性能和减缓其摩擦磨损的方法，并对未来斯特林发动机密封装置的发展提出了展望。
Stirling engine is a external-heating or burning piston engines which usesHydrogen or Helium as medium, working by closed feedback thermal cycling withcontact seal equipment. The ideal Stirling engine should achieve excellent sealing，lowconsume and the lifetime demand of friction pair. Therefore, improving the workingperformance of sealing effect and reducing the wear extent of sealing elements is thekey point of the high-power sealing of Stirling engine.
In this paper, the brief introduction of the basic theories and development outlineof Stirling engine is accomplished. On the basis of the explanation of piston rod sealmechanism, friction pair wear mechanism, the typical seal structure and the commonsealing element structures, the fitting piston rod seal structure is designed, that isassociate structure: cap sealing plus sliding sealing.
In this paper, the research of cap sealing and sliding sealing and the contact forcemathematical model on the condition of pressure, temperature and assemblinginterference is firstly accomplished. Then, on the basis of wear mechanism, theinfluential elements of seal wear are researched, and the mathematical model of oilslick parameters according to friction ratio, harshness and volume wear extent isfounded. Flowingly, the Stirling piston rod sealing testing bed is established, whichprovides experimental methods to prove the validity and availability of oil slick model,and the effective rules of working parameters to sealing element function and wearingeffects. Finally, with the experiment results, the theoretical method that improves theworking performance and reduces the wear extent of Stirling engine piston rod sealingelements is proposed. And look forward to the future development of sealing device ofStirling engine.
本文简要介绍了斯特林发动机基本原理和发展现状，阐述了斯特林发动机活塞杆的密封机理、摩擦副磨损机制及典型密封结构。在此基础上设计出符合斯特林发动机的活塞杆密封结构，即帽式密封加滑动密封的组合式密封结构。
本文首先以接触式密封机理为基础，研究影响帽式密封和滑动密封的因素，分别建立压力、温度及装配过盈量条件下的接触压力数学模型；其次，以磨损机制为基础，研究影响密封件摩擦磨损的因素，建立有油润滑状态下的油膜参数与摩擦系数、粗糙度与体积磨损量的数学模型；再次，搭建了斯特林活塞杆密封试验台，用试验方法定量测量、分析以验证该数学模型的正确性和可应用性，并找出各工况参数对密封件的密封性能及其磨损率的影响规律；最后，结合试验分析的结果，从理论上提出了提高斯特林发动机活塞杆密封件的密封性能和减缓其摩擦磨损的方法，并对未来斯特林发动机密封装置的发展提出了展望。
Stirling engine is a external-heating or burning piston engines which usesHydrogen or Helium as medium, working by closed feedback thermal cycling withcontact seal equipment. The ideal Stirling engine should achieve excellent sealing，lowconsume and the lifetime demand of friction pair. Therefore, improving the workingperformance of sealing effect and reducing the wear extent of sealing elements is thekey point of the high-power sealing of Stirling engine.
In this paper, the brief introduction of the basic theories and development outlineof Stirling engine is accomplished. On the basis of the explanation of piston rod sealmechanism, friction pair wear mechanism, the typical seal structure and the commonsealing element structures, the fitting piston rod seal structure is designed, that isassociate structure: cap sealing plus sliding sealing.
In this paper, the research of cap sealing and sliding sealing and the contact forcemathematical model on the condition of pressure, temperature and assemblinginterference is firstly accomplished. Then, on the basis of wear mechanism, theinfluential elements of seal wear are researched, and the mathematical model of oilslick parameters according to friction ratio, harshness and volume wear extent isfounded. Flowingly, the Stirling piston rod sealing testing bed is established, whichprovides experimental methods to prove the validity and availability of oil slick model,and the effective rules of working parameters to sealing element function and wearingeffects. Finally, with the experiment results, the theoretical method that improves theworking performance and reduces the wear extent of Stirling engine piston rod sealingelements is proposed. And look forward to the future development of sealing device ofStirling engine.
引文
[1]金东寒.斯特林发动机技术[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2009.
[2]冯全科.往复式压缩机气缸滑动密封系统的摩擦学特性研究[D].西安：西安交通大学，1998:41-49.
[3] Walker W. Striling Engines[M]. Clarendon Press,Oxford，1980.
[4] Chin HsiuLi. Thermal deformation in a mechanical seal devices[J]. Transactionsof the ASME，1976,19(2):146-152.
[5] Parmar，Bruce. Thermal Distortion Control in the Mechanical Seals[C].12thintermational conference on Fluid Sealing，1989,Paper,B3:109-126.
[6] Parviz M.，Nokiaki P. Experimental and computational investigation of flow andthermal behavior of a striling mechanical seal[J]. Tribology Transactions，1999,42(4):31-38.
[7] NOK CoMPany. The Seal hydraulic sealing system[M]. Japan,Tokyo:TokyoPublisher，1998.
[8] M.W. Eusepi， J.A. Walowit. EHD analysis of and Experiments on PumingLeningrader Seals[J]. DOE/NASA/0343-1，1987,222(46):37-93.
[9] JohnR.Ward. Self-Lubricated Seals Development for the Hign-pressure、 theOil-Free Compressors[R]. The U.S.NAVY of Maring Engineering Laboratory，MEL R&D Report399/65,1966.
[10]邹隆清，刘洪硕，邓十洲.斯特林发动机[M].长沙：湖南大学出版社，1986：94-104.
[11] Bancha, Thomhare. Experimental and analytical the tools for evaluation of theStirling Engine in the Rod Seal devices’s Behavior[J]. NASA CR-159543，1979,152(58):10-75.
[12]刘晓玲,李传敏.活塞杆密封的流体润滑分析[J].煤矿机械，2011,32(8):99-101.
[13]苏尚勤，李传敏.活塞杆用密封结构与密封圈[J].机械工程师，1999,(1):30-31.
[14]李尚义，吴盛林.聚四氟乙烯组合式密封件的工作机理与结构分析[J].机械工程师，1988,(3):5-8.
[15]张康雷.液压往复运动活塞杆密封性能的研究[D].北京:北京科技大学，2006:2-9.
[16]李德才.压缩机活塞杆磁性液体密封设计的与试验研究[J].机械工程学报，2011,47(10):133-138.
[17]张康雷，周志鸿等.压缩机液压缸活塞杆密封的泄漏量计算[J].润滑与密封，2005,(108):102-105.
[18]杨学宾，晋欣桥，杜志敏.往复式无油润滑压缩机填料密封的摩擦力研究[J].上海交通大学学报，2009,43(4):669-673.
[19]吴家声，潘汉泽，傅玉华.复合型填充聚四氟乙烯导向环活塞环:中国，95103105.8[P].1995.
[20]张延良，周军，邓建新.偶件表面粗糙度对PTFE密封材料摩擦磨损性能的影响[J].润滑与密封，2011,36(6):69-72.
[21]邹建华，吴榕.分析液压活塞杆密封失效原因及防止措施[J].液压气动与密封，2007,(5):46-48.
[22]王志刚.机械密封摩擦环粗糙表面的计算机模拟[J].机械与电子，2008(10):45-47
[23]朱学明.高压机械密封动态温度场分析研究[J].船海工程，2005(2):52-55.
[24]邱晓来.阀杆填料密封力的理论分析[J].通用机械研究所:《阀门设计与计算》，1974,12:23-27.
[25]刘琨，谢友柏.缸套—活塞环系统摩擦、润滑特性的研究及摩损模型的建立.西安：西安交通大学硕士论文，1995:50-57.
[26]孔凌嘉.内燃机缸套—活塞环摩擦学过程研究[D].昆明:昆明理工大学，2002:35-40.
[27]谢友柏.摩擦学系统的系统工程[J].润滑与密封，1988(6):1-10.
[28]谢友柏.摩擦学的三个公理[J].摩擦学报，2001,5:161-165.
[29]戴旭东，袁小阳，谢友柏.内燃机缸套—活塞系统摩擦学与运动学行为耦合分析[J].西安交通大学学报，2003,37(7):683-687.
[30] Walker G，Reader G T，Banwens L, et al. The Prospects for the Stirling CycleMachines in the21St Century[C].7th ISEC，November,1995.
[31] U.H.Kurzweg，Enhance Heat Conduction in Oscillating Viscous Flows with theParallel-Plate Channels[J]. Journal of Fluid Mechanics，2005,(156):30-35.
[32] Tao Li，Chen Junhua. The Analysis of the leakage of the clearance sealing in theregenerator of the Stirling Refrigerator[J]. Cryogenics，2010,38(7):26-28.
[33] ChiK-Tsao. The temperature distribution and power loss of a Gas-Cooled supportfor Cryogenic container[J]. Cryogenics，1974,(5):271-275.
[34]张文祥，李延斌.无油润滑活塞环的设计计算[J].压缩机技术，2000,(4):3-4.
[35]王树青，吴国栋，郭金宝，等.活塞环动力学数值模拟计算及试验研究[J].内燃机与动力装置，2008,(2):2-6.
[36]曾榆.提高无油润滑往复活塞压缩机活塞环支承环使用寿命的方法[J].压缩机技术，2010,5(8):4-5.
[37]徐大伟.压缩机活塞环产生的摩擦阻力的计算[J].压缩机技术，1998,5（2）:2-4.
[38]桂长林，刘焜.内燃机活塞环—缸套摩擦功耗的设计计算方法之研究[J].摩擦学学报，1994,14(4):10-13.
[39]王平,谢友柏.内燃机活塞环—缸套摩擦系统的磨损研究[D].上海:上海交通大学，2008:12-28.
[40]朱玉峰，彭宝成.无油润滑压缩机活塞环的研究进展[J].润滑与密封，2003:6-15.
[41]吴家声，傅玉华，刘钢等. L型空压机无油润滑技改新材料及结构研究[J].石油化工设备技术，1997,18(1):54-57.
[42]杜存臣.无油润滑技术在4M型压缩机中的应用[J].化工装备技术，2001,22(5):3-7.
[43]车云连.无油润滑压缩机设计(三)[J].压缩机技术，1979,(3):16-24.
[44]车云连.无油润滑压缩机设计(四)[J].压缩机技术，1979,(4):9-33.
[45]谢永康.无油润滑压缩机整体无背压活塞环的设计[J].压缩机技术，1982,(4):7-9.
[46]黄嘉生.背压活塞环的设计[J].压缩机技术，1987,(3):43-45.
[47]刘景林,邢益民.无油润滑活塞环的弹力设计[J].压缩机技术，1979,(1):20-21.
[48]尹广恒.4L—20/8型空压机改为迷宫式无油润滑的技术分析[J].压缩机技术，1997,(1):44-48.
[49]马全香，王琦，胡忆洛，等. WW-2.5/10-Q型全无油润滑压缩机的研制[J].流体机械，1995,23(8):3-8.
[50]游河清.整体无背压活塞环的工作间隙[J].压缩机技术，1986,(4):16-18.
[51]韦玉堂，朱玉峰，张钧，等.全无油润滑压缩机活塞环的磨损及其对策[J].润滑与密封，2010,35(5):1-4.
[52]唐希尧[译].无润滑活塞密封装置摩擦力的计算[J].译自日《冷冻》，1981,(2):99-104.
[53]李彦林.无润滑活塞环密封参数及最小开口间隙的计算与实践[J].新疆石油科技，1992,1(3):2-7.
[54]何淦延.卡氏定理在活塞环计算中的应用[J].流体传动，2004,12:1-3.
[55]王殿龙，康德纯，刘宇宁.活塞环自由状态曲线的有限元分析[J].大连理工学报，2005,40(3):1-5.
[56]朱玉峰.无油润滑压缩机设计中的p v值及其应用研究[J].河北工业科技，2010,27(1):2-3.
[57]王新国.填充聚四氟乙烯活塞环的开口形式试验与应用[J].设备管理与维修，1991,4(78):4-6.
[58]陈志林，顾根香，金永星，等.一种活塞式气体压缩机活塞杆高压密封组件:中国，200520042633.5[P].2005-06-20.
[59]金永熙,朱玉峰等.活塞环的初弹比压的确定[J].压缩机技术，1997,4(144):19-20
[60]李尚义,吴盛林.聚四氟乙烯组合式密封件的工作机理与结构分析[J].机械工程师，1988,3:5-7.
[61]张延良,周军,邓建新,等.偶件表面粗糙度对PTFE密封材料摩擦磨损性能的影响[J].润滑与密封，2011,36(6):70-72.
[62] Jeng，Yeau-Ren. The Friction and lubrication analysis of a piston ring[J]. EngineTribology，1992,(919)：101-111.
[63] Yoshida，Herbert S.Cheng. Experimental and Analytical Tools for Evaluation ofStirling Engine Rod Seal Behavior[R]. NASA CR-159543，2003.
[64] Eusepi，Walowit. EHD Analysis of and Experiments on Puming the LeningraderSeals[J]. DOE/NASA/0343-1,NASACR-179570，1987,222(46)：37-93.
[65]韦玉堂，朱玉峰.全无油压缩机活塞环的磨损极其对策[J].润滑与密封，2010,35(5):99-102.
[2]冯全科.往复式压缩机气缸滑动密封系统的摩擦学特性研究[D].西安：西安交通大学，1998:41-49.
[3] Walker W. Striling Engines[M]. Clarendon Press,Oxford，1980.
[4] Chin HsiuLi. Thermal deformation in a mechanical seal devices[J]. Transactionsof the ASME，1976,19(2):146-152.
[5] Parmar，Bruce. Thermal Distortion Control in the Mechanical Seals[C].12thintermational conference on Fluid Sealing，1989,Paper,B3:109-126.
[6] Parviz M.，Nokiaki P. Experimental and computational investigation of flow andthermal behavior of a striling mechanical seal[J]. Tribology Transactions，1999,42(4):31-38.
[7] NOK CoMPany. The Seal hydraulic sealing system[M]. Japan,Tokyo:TokyoPublisher，1998.
[8] M.W. Eusepi， J.A. Walowit. EHD analysis of and Experiments on PumingLeningrader Seals[J]. DOE/NASA/0343-1，1987,222(46):37-93.
[9] JohnR.Ward. Self-Lubricated Seals Development for the Hign-pressure、 theOil-Free Compressors[R]. The U.S.NAVY of Maring Engineering Laboratory，MEL R&D Report399/65,1966.
[10]邹隆清，刘洪硕，邓十洲.斯特林发动机[M].长沙：湖南大学出版社，1986：94-104.
[11] Bancha, Thomhare. Experimental and analytical the tools for evaluation of theStirling Engine in the Rod Seal devices’s Behavior[J]. NASA CR-159543，1979,152(58):10-75.
[12]刘晓玲,李传敏.活塞杆密封的流体润滑分析[J].煤矿机械，2011,32(8):99-101.
[13]苏尚勤，李传敏.活塞杆用密封结构与密封圈[J].机械工程师，1999,(1):30-31.
[14]李尚义，吴盛林.聚四氟乙烯组合式密封件的工作机理与结构分析[J].机械工程师，1988,(3):5-8.
[15]张康雷.液压往复运动活塞杆密封性能的研究[D].北京:北京科技大学，2006:2-9.
[16]李德才.压缩机活塞杆磁性液体密封设计的与试验研究[J].机械工程学报，2011,47(10):133-138.
[17]张康雷，周志鸿等.压缩机液压缸活塞杆密封的泄漏量计算[J].润滑与密封，2005,(108):102-105.
[18]杨学宾，晋欣桥，杜志敏.往复式无油润滑压缩机填料密封的摩擦力研究[J].上海交通大学学报，2009,43(4):669-673.
[19]吴家声，潘汉泽，傅玉华.复合型填充聚四氟乙烯导向环活塞环:中国，95103105.8[P].1995.
[20]张延良，周军，邓建新.偶件表面粗糙度对PTFE密封材料摩擦磨损性能的影响[J].润滑与密封，2011,36(6):69-72.
[21]邹建华，吴榕.分析液压活塞杆密封失效原因及防止措施[J].液压气动与密封，2007,(5):46-48.
[22]王志刚.机械密封摩擦环粗糙表面的计算机模拟[J].机械与电子，2008(10):45-47
[23]朱学明.高压机械密封动态温度场分析研究[J].船海工程，2005(2):52-55.
[24]邱晓来.阀杆填料密封力的理论分析[J].通用机械研究所:《阀门设计与计算》，1974,12:23-27.
[25]刘琨，谢友柏.缸套—活塞环系统摩擦、润滑特性的研究及摩损模型的建立.西安：西安交通大学硕士论文，1995:50-57.
[26]孔凌嘉.内燃机缸套—活塞环摩擦学过程研究[D].昆明:昆明理工大学，2002:35-40.
[27]谢友柏.摩擦学系统的系统工程[J].润滑与密封，1988(6):1-10.
[28]谢友柏.摩擦学的三个公理[J].摩擦学报，2001,5:161-165.
[29]戴旭东，袁小阳，谢友柏.内燃机缸套—活塞系统摩擦学与运动学行为耦合分析[J].西安交通大学学报，2003,37(7):683-687.
[30] Walker G，Reader G T，Banwens L, et al. The Prospects for the Stirling CycleMachines in the21St Century[C].7th ISEC，November,1995.
[31] U.H.Kurzweg，Enhance Heat Conduction in Oscillating Viscous Flows with theParallel-Plate Channels[J]. Journal of Fluid Mechanics，2005,(156):30-35.
[32] Tao Li，Chen Junhua. The Analysis of the leakage of the clearance sealing in theregenerator of the Stirling Refrigerator[J]. Cryogenics，2010,38(7):26-28.
[33] ChiK-Tsao. The temperature distribution and power loss of a Gas-Cooled supportfor Cryogenic container[J]. Cryogenics，1974,(5):271-275.
[34]张文祥，李延斌.无油润滑活塞环的设计计算[J].压缩机技术，2000,(4):3-4.
[35]王树青，吴国栋，郭金宝，等.活塞环动力学数值模拟计算及试验研究[J].内燃机与动力装置，2008,(2):2-6.
[36]曾榆.提高无油润滑往复活塞压缩机活塞环支承环使用寿命的方法[J].压缩机技术，2010,5(8):4-5.
[37]徐大伟.压缩机活塞环产生的摩擦阻力的计算[J].压缩机技术，1998,5（2）:2-4.
[38]桂长林，刘焜.内燃机活塞环—缸套摩擦功耗的设计计算方法之研究[J].摩擦学学报，1994,14(4):10-13.
[39]王平,谢友柏.内燃机活塞环—缸套摩擦系统的磨损研究[D].上海:上海交通大学，2008:12-28.
[40]朱玉峰，彭宝成.无油润滑压缩机活塞环的研究进展[J].润滑与密封，2003:6-15.
[41]吴家声，傅玉华，刘钢等. L型空压机无油润滑技改新材料及结构研究[J].石油化工设备技术，1997,18(1):54-57.
[42]杜存臣.无油润滑技术在4M型压缩机中的应用[J].化工装备技术，2001,22(5):3-7.
[43]车云连.无油润滑压缩机设计(三)[J].压缩机技术，1979,(3):16-24.
[44]车云连.无油润滑压缩机设计(四)[J].压缩机技术，1979,(4):9-33.
[45]谢永康.无油润滑压缩机整体无背压活塞环的设计[J].压缩机技术，1982,(4):7-9.
[46]黄嘉生.背压活塞环的设计[J].压缩机技术，1987,(3):43-45.
[47]刘景林,邢益民.无油润滑活塞环的弹力设计[J].压缩机技术，1979,(1):20-21.
[48]尹广恒.4L—20/8型空压机改为迷宫式无油润滑的技术分析[J].压缩机技术，1997,(1):44-48.
[49]马全香，王琦，胡忆洛，等. WW-2.5/10-Q型全无油润滑压缩机的研制[J].流体机械，1995,23(8):3-8.
[50]游河清.整体无背压活塞环的工作间隙[J].压缩机技术，1986,(4):16-18.
[51]韦玉堂，朱玉峰，张钧，等.全无油润滑压缩机活塞环的磨损及其对策[J].润滑与密封，2010,35(5):1-4.
[52]唐希尧[译].无润滑活塞密封装置摩擦力的计算[J].译自日《冷冻》，1981,(2):99-104.
[53]李彦林.无润滑活塞环密封参数及最小开口间隙的计算与实践[J].新疆石油科技，1992,1(3):2-7.
[54]何淦延.卡氏定理在活塞环计算中的应用[J].流体传动，2004,12:1-3.
[55]王殿龙，康德纯，刘宇宁.活塞环自由状态曲线的有限元分析[J].大连理工学报，2005,40(3):1-5.
[56]朱玉峰.无油润滑压缩机设计中的p v值及其应用研究[J].河北工业科技，2010,27(1):2-3.
[57]王新国.填充聚四氟乙烯活塞环的开口形式试验与应用[J].设备管理与维修，1991,4(78):4-6.
[58]陈志林，顾根香，金永星，等.一种活塞式气体压缩机活塞杆高压密封组件:中国，200520042633.5[P].2005-06-20.
[59]金永熙,朱玉峰等.活塞环的初弹比压的确定[J].压缩机技术，1997,4(144):19-20
[60]李尚义,吴盛林.聚四氟乙烯组合式密封件的工作机理与结构分析[J].机械工程师，1988,3:5-7.
[61]张延良,周军,邓建新,等.偶件表面粗糙度对PTFE密封材料摩擦磨损性能的影响[J].润滑与密封，2011,36(6):70-72.
[62] Jeng，Yeau-Ren. The Friction and lubrication analysis of a piston ring[J]. EngineTribology，1992,(919)：101-111.
[63] Yoshida，Herbert S.Cheng. Experimental and Analytical Tools for Evaluation ofStirling Engine Rod Seal Behavior[R]. NASA CR-159543，2003.
[64] Eusepi，Walowit. EHD Analysis of and Experiments on Puming the LeningraderSeals[J]. DOE/NASA/0343-1,NASACR-179570，1987,222(46)：37-93.
[65]韦玉堂，朱玉峰.全无油压缩机活塞环的磨损极其对策[J].润滑与密封，2010,35(5):99-102.