張 甜

（天水師范學院，甘肅天水 741000）

密封技術是決定斯特林發(fā)動機整體性能的關鍵技術，為確保發(fā)動機能夠長期穩(wěn)定運行，需根據(jù)發(fā)動機工況改善活塞桿密封結構，研究工況對密封結構材料的影響。結合斯特林發(fā)動機運行工況來看，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，為進一步詳細確定工況與密封材料效果之間的關系，可通過設計試驗來進行驗證。

1 斯特林發(fā)動機活塞桿密封結構

斯特林發(fā)動機運行期間應根據(jù)工況情況調整優(yōu)化密封結構。發(fā)動機在運行時，內部活塞桿不斷進行高速往復運動，并對外做功，冷腔工質壓力將會隨著發(fā)動機的運行輸出而發(fā)生變化。當工質氣體發(fā)生膨脹時，活塞桿逐漸移向曲軸，不僅可完成對外做功，還存在熱能到機械能的變化。若密封結構效果不佳，則會出現(xiàn)工質氣體泄漏問題，并使曲軸箱內潤滑油逐漸流入冷腔，繼而影響斯特林發(fā)動機的正常運行。為防止上述問題的發(fā)生，對斯特林發(fā)動機設計了相應的密封結構，用于組織物質交換，但仍有少量潤滑油可隨意流動，因此，在密封結構基礎上設計了混合腔室，以此進一步提升了密封效果。隨著斯特林發(fā)動機的發(fā)展，技術人員根據(jù)活塞桿滑動機理不斷改善了工質氣體腔室，擴大孔口，同時在活塞桿滑動的區(qū)域增設支撐環(huán)，用于防止工質氣體與潤滑油發(fā)生交換。如圖1所示為斯特林發(fā)動機活塞桿密封結構，圖中編號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)動機活塞桿密封結構

2 活塞桿密封結構流體力學分析

2.1 受力分析

在斯特林發(fā)動機運行期間，活塞桿與密封結構之間存在相互配合，需注意分析活塞桿的運動變化情況。潤滑油具有一定黏性，活塞運動時將會在外界壓力影響下而出現(xiàn)凹型油膜，同時在活塞桿往復運動作用下，可進一步引發(fā)抽吸效應。在后續(xù)斯特林發(fā)動機密封結構優(yōu)化時，應根據(jù)活塞往復運動情況及抽吸效應合理改進密封結構，盡可能降低活塞桿運動期間所造成的彈性形變，并穩(wěn)定密封區(qū)域的循環(huán)應力。

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象，此時可在穩(wěn)定工況條件下借助油膜流體進行模擬試驗。從本質上來看，發(fā)動機所形成的運行傳動屬于機械運動，以曲柄連桿為傳動主體結構，受到缸套定位作用，活塞桿不斷進行往復直線運動，而曲軸轉速相對均勻，活塞連桿組將隨之完成正弦運動，在此期間將會出現(xiàn)速度變化。相關參數(shù)關系：

運動速度：

式（1）～（3）中，w為曲軸角轉速，r/min；t為轉動速度，r/min；g為曲柄長度比；r為曲柄半徑，m；l為連桿長度，m；φ 為曲柄轉動角度，rad。按照彈性流體潤滑理論研究斯特林發(fā)動機密封條件下的油膜厚度最低值，并運用雷諾方程探究流體潤滑問題，在不考慮其他干擾性因素情況下確定方程關系式：

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為潤滑油使用壓強，Pa。為進一步提高斯特林發(fā)動機的活塞桿密封效果，需注意控制油液黏度及油液運動速度。

3 斯特林發(fā)動機活塞桿密封結構材料討論

3.1 材料基本要求

適宜的材料是保證斯特林發(fā)動機活塞桿密封效果及使用壽命的重要基礎，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。為進一步了解密封材料的基本性能要求，以下逐一展開分析。

（1）摩擦磨損性。該指標是決定密封材料性能的關鍵指標。摩擦系數(shù)高，則意味著活塞桿密封件在往復運動過程中所受到的摩擦力越大，此時可能加劇形變，一旦形變超出材料可承受的界限，則會出現(xiàn)密封失效現(xiàn)象，且可加速密封材料的磨損，縮短設備使用壽命。

（2）導熱性。若密封材料導熱系數(shù)相對較高，可在較短時間內將活塞桿往復運動所產生的摩擦熱量傳出，防止密封接觸面溫度過高而出現(xiàn)材料變形問題，減少磨損現(xiàn)象。在斯特林發(fā)動機整體結構中，所應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)的材料變形問題。

（3）力學性能。斯特林發(fā)動機活塞桿密封結構較為關鍵的力學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運動過程中遭受破壞，且可防止對磨表面所造成的磨損效果。

3.2 試驗分析

3.2.1 準備原料及樣塊

在本次密封材料試驗中，以聚苯酯、聚四氟乙烯為主要試驗材料，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內攪拌，經篩選、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，進一步保壓3～5min 后脫模，將材料轉移到高溫試驗箱內冷壓燒結，以此獲得摩擦試樣。

3.2.2 高溫試驗

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

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

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

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

3.2.3 往復試驗

該試驗主要用于檢驗密封材料受載荷的影響程度，借助RFT-Ⅲ往復試驗機檢驗密封材料性能。在該試驗中，選擇0.2～0.4 μm 粗糙度、70 mm×14 mm×10 mm 尺寸的鋼塊作為對偶試樣，而試驗試樣規(guī)格為?4×10 mm。此外，往復運動行程為5cm，線速度為150 r/min，將摩擦時間定為1h，其中載荷為變量條件，分別設定3個等級，即350 N、200 N、90 N。運用砂紙打磨并超聲清洗試樣。按照以下公式計算試樣摩擦副表面壓強：

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

3.2.4 環(huán)塊試驗

該試驗主要用于探究速度對密封材料的影響，依靠MRH-3高速環(huán)塊試驗機開展試驗。以0.2～0.4 μm粗糙度、?49×14 mm 尺寸的鋼環(huán)為對偶試樣，試樣規(guī)格為19 mm×12.3 mm×12.3 mm。固定試驗條件分別為載荷、摩擦時間，分別為200 N、120 min，溫度為室溫。試驗速度為變量，設置3 個等級，即400 r/min、800 r/min、1600 r/min。運用砂紙打磨并超聲清洗試樣。按照式（8）進行參數(shù)計算，以此驗證試樣在不同轉速條件下的摩擦磨損性能。

4 結果討論

4.1 溫度的影響

按照上述步驟驗證高溫條件對斯特林發(fā)動機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)之間存在正相關關系。當溫度提升時，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，此時摩擦接觸面增大，繼而提升了摩擦系數(shù)。此外，在運動期間將會產生摩擦熱，同樣可影響聚四氟乙烯等密封材料的結構，引發(fā)軟化變形問題。由此可見，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，密封材料的摩擦系數(shù)隨載荷的增大而不斷降低。在此過程中，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。同時，在載荷增大過程中，密封材料所遭受的滑動剪切應力提升，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。但當試驗速度提升至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，致使密封材料內熱量無法良好傳遞出去，繼而出現(xiàn)了受熱變形問題。因此，在選擇密封材料時，應將導熱性作為關鍵指標之一。

以上分析了溫度、載荷、速度對密封材料性能的影響，結論如下。

（1）溫度與密封材料摩擦系數(shù)為正比關系，當試驗溫度增加時，密封材料摩擦系數(shù)變大，磨損體積隨之提升，而耐磨損性能則會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。

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

（3）試驗速度與密封材料摩擦系數(shù)為正比關系，當該對應關系在低速狀態(tài)下并不顯著，而在高速條件下較為明顯。根據(jù)試驗結果可見，選擇斯特林發(fā)動機活塞桿密封材料時，應注意考慮摩擦系數(shù)，通過控制摩擦系數(shù)調整優(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，延長其使用壽命。

5 結束語

綜上所述，密封結構及其材料效果能夠直接影響斯特林發(fā)動機運行性能，但運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。經試驗驗證后發(fā)現(xiàn)，在發(fā)動機工況條件下，溫度與密封材料磨損體積之間呈正相關關系，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相關關系，此外，高速工況同樣可造成磨損體積的增大。