斯特林发动机活塞杆密封结构与材料分析

张 甜

（天水师范学院，甘肃天水 741000）

密封技术是决定斯特林发动机整体性能的关键技术，为确保发动机能够长期稳定运行，需根据发动机工况改善活塞杆密封结构，研究工况对密封结构材料的影响。结合斯特林发动机运行工况来看，温度、载荷、速度均可能影响活塞杆密封材料的摩擦磨损性能，为进一步详细确定工况与密封材料效果之间的关系，可通过设计试验来进行验证。

1 斯特林发动机活塞杆密封结构

斯特林发动机运行期间应根据工况情况调整优化密封结构。发动机在运行时，内部活塞杆不断进行高速往复运动，并对外做功，冷腔工质压力将会随着发动机的运行输出而发生变化。当工质气体发生膨胀时，活塞杆逐渐移向曲轴，不仅可完成对外做功，还存在热能到机械能的变化。若密封结构效果不佳，则会出现工质气体泄漏问题，并使曲轴箱内润滑油逐渐流入冷腔，继而影响斯特林发动机的正常运行。为防止上述问题的发生，对斯特林发动机设计了相应的密封结构，用于组织物质交换，但仍有少量润滑油可随意流动，因此，在密封结构基础上设计了混合腔室，以此进一步提升了密封效果。随着斯特林发动机的发展，技术人员根据活塞杆滑动机理不断改善了工质气体腔室，扩大孔口，同时在活塞杆滑动的区域增设支撑环，用于防止工质气体与润滑油发生交换。如图1所示为斯特林发动机活塞杆密封结构，图中编号1～13分别为帽式密封、压紧弹簧、密封筒、撑环、主密封环、压环、承压座、油槽、活塞杆、O 型圈1、O 型圈2、O 型圈3（带挡圈）、O 型圈4。

图1 斯特林发动机活塞杆密封结构

2 活塞杆密封结构流体力学分析

2.1 受力分析

在斯特林发动机运行期间，活塞杆与密封结构之间存在相互配合，需注意分析活塞杆的运动变化情况。润滑油具有一定黏性，活塞运动时将会在外界压力影响下而出现凹型油膜，同时在活塞杆往复运动作用下，可进一步引发抽吸效应。在后续斯特林发动机密封结构优化时，应根据活塞往复运动情况及抽吸效应合理改进密封结构，尽可能降低活塞杆运动期间所造成的弹性形变，并稳定密封区域的循环应力。

2.2 密封模型

将密封圈与活塞杆之间的接触面作为研究对象，此时可在稳定工况条件下借助油膜流体进行模拟试验。从本质上来看，发动机所形成的运行传动属于机械运动，以曲柄连杆为传动主体结构，受到缸套定位作用，活塞杆不断进行往复直线运动，而曲轴转速相对均匀，活塞连杆组将随之完成正弦运动，在此期间将会出现速度变化。相关参数关系：

运动速度：

式（1）～（3）中，w为曲轴角转速，r/min；t为转动速度，r/min；g为曲柄长度比；r为曲柄半径，m；l为连杆长度，m；φ 为曲柄转动角度，rad。按照弹性流体润滑理论研究斯特林发动机密封条件下的油膜厚度最低值，并运用雷诺方程探究流体润滑问题，在不考虑其他干扰性因素情况下确定方程关系式：

式（4）～（6）中，f为活塞杆速度参数平均值，m/s；h为油液黏度；p为润滑油使用压强，Pa。为进一步提高斯特林发动机的活塞杆密封效果，需注意控制油液黏度及油液运动速度。

3 斯特林发动机活塞杆密封结构材料讨论

3.1 材料基本要求

适宜的材料是保证斯特林发动机活塞杆密封效果及使用寿命的重要基础，而优异的密封材料需具备低热阻、耐磨损、低摩擦、低热膨胀等特征。为进一步了解密封材料的基本性能要求，以下逐一展开分析。

（1）摩擦磨损性。该指标是决定密封材料性能的关键指标。摩擦系数高，则意味着活塞杆密封件在往复运动过程中所受到的摩擦力越大，此时可能加剧形变，一旦形变超出材料可承受的界限，则会出现密封失效现象，且可加速密封材料的磨损，缩短设备使用寿命。

（2）导热性。若密封材料导热系数相对较高，可在较短时间内将活塞杆往复运动所产生的摩擦热量传出，防止密封接触面温度过高而出现材料变形问题，减少磨损现象。在斯特林发动机整体结构中，所应用到的金属材料零部件的热膨胀系数低于聚合物材料，此时可优先选用低热膨胀系数的材料，以此降低热变形所引发的材料变形问题。

（3）力学性能。斯特林发动机活塞杆密封结构较为关键的力学性能主要为抗变形及抗剪切能力。主要为避免密封材料在活塞杆往复运动过程中遭受破坏，且可防止对磨表面所造成的磨损效果。

3.2 试验分析

3.2.1 准备原料及样块

在本次密封材料试验中，以聚苯酯、聚四氟乙烯为主要试验材料，按照15 ∶85的比例取聚苯酯、聚四氟乙烯，将其置于高速混合机内搅拌，经筛选、烘干、冷却三大步骤后，将混合材料置于30～50 MPa 载荷条件下模压成型，进一步保压3～5min 后脱模，将材料转移到高温试验箱内冷压烧结，以此获得摩擦试样。

3.2.2 高温试验

该试验主要用于明确工况温度对于密封材料的影响，本次主要运用高温栓-盘检验进行试验。为避免试样表面在试验期间遭受损伤，故将摩擦对偶选为球栓，两者以球面为接触面。

试验所用对偶球栓为ϕ3 mm 规格的轴承钢球，试块规格为ϕ25×8 mm，将载荷、回转半径、试验线速度、摩擦时间分别设置为8 N、6 mm、0.57 m/s、30 min，而温度为变量，将温度设置为三挡，即200 ℃、100 ℃与室温。运用砂纸打磨试样，采用超声清洗方式进行处理，运用计算机得出密封材料摩擦系数，计算公式如下：

式（7）中，μ为摩擦系数；f、N分别为摩擦力平均值、试验载荷，N。运用分析天平得出试样磨损质量。按照以下公式计算材料磨损体积：

式（8）中，ΔV、Δm、ρ分别为材料磨损体积、材料磨损质量、材料密度。通过公式计算可得材料磨损体积，继而了解温度条件对于密封材料的影响。

3.2.3 往复试验

该试验主要用于检验密封材料受载荷的影响程度，借助RFT-Ⅲ往复试验机检验密封材料性能。在该试验中，选择0.2～0.4 μm 粗糙度、70 mm×14 mm×10 mm 尺寸的钢块作为对偶试样，而试验试样规格为ϕ4×10 mm。此外，往复运动行程为5cm，线速度为150 r/min，将摩擦时间定为1h，其中载荷为变量条件，分别设定3个等级，即350 N、200 N、90 N。运用砂纸打磨并超声清洗试样。按照以下公式计算试样摩擦副表面压强：

式（9）中，P、N、d分别为摩擦副表面压强、垂直载荷、试样直径，分别计算试样在不同载荷条件下的摩擦副表面压强变化，以此了解载荷对密封材料的影响。

3.2.4 环块试验

该试验主要用于探究速度对密封材料的影响，依靠MRH-3高速环块试验机开展试验。以0.2～0.4 μm粗糙度、ϕ49×14 mm 尺寸的钢环为对偶试样，试样规格为19 mm×12.3 mm×12.3 mm。固定试验条件分别为载荷、摩擦时间，分别为200 N、120 min，温度为室温。试验速度为变量，设置3 个等级，即400 r/min、800 r/min、1600 r/min。运用砂纸打磨并超声清洗试样。按照式（8）进行参数计算，以此验证试样在不同转速条件下的摩擦磨损性能。

4 结果讨论

4.1 温度的影响

按照上述步骤验证高温条件对斯特林发动机活塞杆密封材料性能的影响，发现密封材料在0.56 m/s、8N 载荷条件下，环境温度与密封材料摩擦系数之间存在正相关关系。当温度提升时，摩擦系数随之提高，出现该现象的原因在于密封材料在高温条件下分子链变得疏松，承载能力逐渐下降，此时摩擦接触面增大，继而提升了摩擦系数。此外，在运动期间将会产生摩擦热，同样可影响聚四氟乙烯等密封材料的结构，引发软化变形问题。由此可见，温度可极大影响密封材料的摩擦磨损性。

4.2 载荷的影响

通过控制载荷变量了解密封材料性能的变化规律，发现其他条件固定不变时，密封材料的摩擦系数随载荷的增大而不断降低。在此过程中，密封材料摩擦接触面逐渐增加，所形成的摩擦力随之提高，但载荷线性增加程度远高于摩擦力增大程度，整体而言，密封材料的摩擦系数呈下降趋势。同时，在载荷增大过程中，密封材料所遭受的滑动剪切应力提升，以此形成了较大的摩擦，继而增大了密封材料的磨损量。

4.3 速度的影响

通过控制速度变量了解密封材料性能的变化规律，发现在400 r/min、800 r/min 速度下，密封材料的磨损体积、摩擦系数变化不大，由此可证明，低速条件基本不会影响密封材料性能，其可表现出优异的摩擦稳定性。但当试验速度提升至1600 r/min 后，密封材料的磨损体积、摩擦系数出现较大变化，摩擦热提升迅速，致使密封材料内热量无法良好传递出去，继而出现了受热变形问题。因此，在选择密封材料时，应将导热性作为关键指标之一。

以上分析了温度、载荷、速度对密封材料性能的影响，结论如下。

（1）温度与密封材料摩擦系数为正比关系，当试验温度增加时，密封材料摩擦系数变大，磨损体积随之提升，而耐磨损性能则会出现不稳定现象。

（2）试验载荷与密封材料摩擦系数呈反比关系，即试验载荷降低时，摩擦系数提升，磨损体积减少。

（3）试验速度与密封材料摩擦系数为正比关系，当该对应关系在低速状态下并不显著，而在高速条件下较为明显。根据试验结果可见，选择斯特林发动机活塞杆密封材料时，应注意考虑摩擦系数，通过控制摩擦系数调整优化密封材料承载力及耐磨性，以此即可减少密封材料磨损程度，延长其使用寿命。

5 结束语

综上所述，密封结构及其材料效果能够直接影响斯特林发动机运行性能，但运行工况期间存在高温、载荷变化、速度变化现象，可影响密封材料摩擦磨损性能的发挥。经试验验证后发现，在发动机工况条件下，温度与密封材料磨损体积之间呈正相关关系，即温度越高，密封材料所受到的摩擦磨损体积越大，而载荷与密封材料磨损体积之间为负相关关系，此外，高速工况同样可造成磨损体积的增大。