活塞環(huán)、活塞桿的密封試驗臺設(shè)計【說明書+CAD+UG】
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任務(wù)書
院（系） 專業(yè) 班級 姓名：
學(xué)號
1. 設(shè)計題目： 活塞環(huán)、活塞桿密封試驗臺設(shè)計
2.題目背景和意義：能源可分為可再生能源和不可再生能源，不可再生能源有石油、煤、天然氣，是目前人類用量最大的能源，由于其不可再生。面臨資源枯竭。太陽能對于人類是一種取之不盡的能源，各國都投入巨資進(jìn)行開發(fā)和利用。斯特林太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，就是將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的一套系統(tǒng)，可減少不可再生能源的消耗，確保經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。
該項目是西安航空發(fā)動機(jī)有限公司承擔(dān)國家重點攻關(guān)科研項目《斯特林太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)》，該系統(tǒng)的重要設(shè)備斯特林發(fā)動機(jī)，斯特林發(fā)動機(jī)的主要部分是活塞環(huán)、活塞桿的密封，密封的性能決定了該系統(tǒng)的運(yùn)行成本和工作效率。西安航空發(fā)動機(jī)有限公司委托西安工業(yè)大學(xué)研制活塞環(huán)、活塞桿的密封試驗臺，完成對活塞環(huán)、活塞桿的密封性能測試，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，發(fā)動機(jī)設(shè)計與制造達(dá)到最佳水平。該試驗臺包含了機(jī)械動力系統(tǒng)設(shè)計、高壓氣體系統(tǒng)設(shè)計、液壓潤滑系統(tǒng)設(shè)計、冷卻系統(tǒng)設(shè)計、電器系統(tǒng)設(shè)計、變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計、轉(zhuǎn)矩測量與控制系統(tǒng)設(shè)計、轉(zhuǎn)速測量與控制系統(tǒng)設(shè)計、溫度測量系統(tǒng)設(shè)計、壓力測量系統(tǒng)設(shè)計，所有的設(shè)計必須符合國家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該題目可對學(xué)生進(jìn)行全面的培養(yǎng)和提高，技術(shù)理念先進(jìn)難度一般。該設(shè)計代表了當(dāng)前工業(yè)控制的先進(jìn)水平。
2、設(shè)計(論文)的主要內(nèi)容及技術(shù)指標(biāo)：
1.完成總體方案的設(shè)計，進(jìn)行各種方案比較，電動機(jī)的選擇、連軸器、力矩傳感器、曲軸箱、曲軸、飛輪、連桿、導(dǎo)向系統(tǒng)、汽缸支架、汽缸、油氣分離器、汽缸蓋等設(shè)計。進(jìn)行各種氣路的設(shè)計，曲軸箱的結(jié)采用箱體支承了曲軸，曲軸潤滑系統(tǒng)的設(shè)計，圖紙符合工程圖標(biāo)準(zhǔn)。
2.對動力傳遞系統(tǒng)進(jìn)行力學(xué)分析，計算系統(tǒng)慣量，計算分析最大轉(zhuǎn)矩的位置和最大功率的位置，根據(jù)轉(zhuǎn)矩和慣量設(shè)計飛輪，完成曲軸動平衡質(zhì)量的計算，對系統(tǒng)的摩擦功率進(jìn)行分析和計算，計算汽缸的壓力與容積，確定冷卻系統(tǒng)水的流量。
3.對各個動力零件進(jìn)行強(qiáng)度校核，高壓氣體零件進(jìn)行強(qiáng)度校核和剛度校核。
4.介質(zhì)氣體壓力：20MPa～9MPa，介質(zhì)氣體溫度50-100℃汽缸直徑：55mm，活塞行程：40mm，工作頻率：1821n/min，工作時間：連續(xù)。
4.設(shè)計的基本要求及進(jìn)度安排（含起始時間、設(shè)計地點）：
2014年 2 月 日起至 2014年 6 月 日止
西安工業(yè)大學(xué)內(nèi)
1. 1-----2周 收集資料。
2. 3-----4周 確定方案，英文資料翻譯。
3. 5-----14周 設(shè)計，計算，繪圖。
4. 15-----18周 完成論文。
5.畢業(yè)設(shè)計（論文）的工作量要求 15000字
① 實驗（時數(shù)）*或?qū)嵙?xí)（天數(shù)）：三天
② 圖紙（幅面和張數(shù)）*： 產(chǎn)品全部圖紙
③ 其他要求： 外文翻譯字?jǐn)?shù): 3000字符
參考文獻(xiàn)篇數(shù)： 18篇 （其中英文資料3篇）
論文字?jǐn)?shù)： 15000字
指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日
學(xué)生簽名： 年 月 日
系（教研室）主任審批： 年 月 日
說明：1本表一式二份，一份由學(xué)生裝訂入附件冊，一份教師自留。
2 帶*項可根據(jù)學(xué)科特點選填。
摘 要
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源是作為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活所必需的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，對社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和提高人民物質(zhì)文化生活水平極為重要。節(jié)能，環(huán)境友好成為時代的主題。本文主要是對斯特林發(fā)動機(jī)活塞環(huán)、活塞桿的密封試驗臺進(jìn)行了設(shè)計。本文概述了斯特林發(fā)動機(jī)的工作原理、活塞桿密封裝置結(jié)構(gòu)。對試驗臺的傳動機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行了設(shè)計。傳動機(jī)構(gòu)主要包括發(fā)動機(jī)的選擇，主軸、飛輪的設(shè)計、聯(lián)軸器及軸承的選擇以及系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量、轉(zhuǎn)矩、功率、氣缸容積及壓力的計算等。結(jié)構(gòu)部件主要包括曲軸箱、冷卻裝置、底座的設(shè)計等。本次設(shè)計，基本上達(dá)到了設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)，完成了設(shè)計任務(wù)。
關(guān)鍵字：斯特林發(fā)動機(jī) 活塞桿 密封試驗臺
Abstract
With the development of economic, energy is becoming an important material basis for national economic development and people's living standards are necessary for social and economic development and improving people's material and cultural life is extremely important. Energy-saving, environment-friendly become the subject of the times. This article is a Stirling engine piston rings, piston rod seal test rig designed. This article outlines the Stirling engine works, the piston rod sealing device structure. Transmission mechanism and structural components of the test bed has been designed. The transmission mechanism includes selection, spindle, the engine flywheel design, selection and coupling of the bearing system and rotational inertia, torque, power, and pressure, the cylinder volume calculation. The main structural member comprises a crankcase, a cooling device, the design of the chassis. The design, basically meet the design specifications, completed the design task.
Keywords: Stirling engine piston seal test rig
目錄
第一章 緒論 2
1.1課題研究背景及意義 2
1.2斯特林發(fā)動機(jī)及其活塞桿密封概括 4
1.3 國內(nèi)外密封試驗臺的研究現(xiàn)狀 5
1.4課題來源及主要研究內(nèi)容 8
第二章 斯特林發(fā)動機(jī)的工作原理及其活塞密封結(jié)構(gòu) 10
2.1斯特林發(fā)動機(jī)的工作原理簡介 10
2.2 典型的密封裝置結(jié)構(gòu) 12
2.3 密封測試的性能參數(shù) 17
第三章 密封試驗臺的總體方案設(shè)計 19
3.1 設(shè)計要求 19
3.2 總體方案設(shè)計 19
`第四章 試驗臺傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計 23
4.1 傳動方案的設(shè)計 23
4.2 電機(jī)的選擇 23
4.3 主軸的設(shè)計 24
4.4傳動系統(tǒng)慣量、轉(zhuǎn)矩、功率的計算 26
4.5 飛輪的設(shè)計 27
4.6 聯(lián)軸器的選擇 28
4.7軸承的選擇 30
4.8損耗功率的分析和計算 30
4.9氣缸的壓力與容積 30
第五章 試驗臺結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計 32
5.1 曲軸箱的設(shè)計 32
5.2冷卻裝置的設(shè)計 33
5.3底座的設(shè)計 34
5.4 總裝圖 35
參考文獻(xiàn) 37
結(jié) 論 39
致 謝 40
第一章 緒論
1.1課題研究背景及意義
能源是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活所必需的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，對社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和提高人民物質(zhì)文化生活水平極為重要?，F(xiàn)代社會的生產(chǎn)和生活，依賴于能源的大量消耗。
21世紀(jì)，人類需要實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)，而面對這些挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)-能源，已經(jīng)成為人們共同關(guān)注的熱點問題?，F(xiàn)有能源問題有幾下幾個方面比較突出：①能源短缺。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，已探明的煤和石油等常規(guī)能源已經(jīng)不能滿足發(fā)展的需要。從現(xiàn)有儲量來看，全球已探明的石油儲量只能用到2020年，天然氣也只能延續(xù)到2040年左右，即使儲量豐富的煤炭資源也只能維持二三百年。②環(huán)境污染。由于大量使用燃燒煤、石油等化石燃料，每年有數(shù)十萬噸的有害物質(zhì)排向天空，使大氣環(huán)境遭到嚴(yán)重污染，直接影響了人們的身體健康和生活質(zhì)量；局部地區(qū)形成酸雨，嚴(yán)重污染水土，破壞植物生長。③溫室效應(yīng)?；茉吹睦卯a(chǎn)生大量C02等溫室氣體，從而導(dǎo)致溫室效應(yīng)，引起全球氣溫變暖。因此，為了解決上述能源問題，實現(xiàn)社會和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，只能依靠科技進(jìn)步，大規(guī)模地開發(fā)利用可再生潔凈能源。
太陽能作為一種可再生的新能源，具有清潔、環(huán)保、持續(xù)、長久的優(yōu)勢，已經(jīng)成為人們應(yīng)對能源短缺、氣候變化與節(jié)能減排的重要選擇之一，越來越受到世人的強(qiáng)烈關(guān)注。太陽能具有以下優(yōu)勢：①儲量的“無限性"。太陽每秒鐘放射的能量大約是116×1023kW，一年內(nèi)到達(dá)地球表面的太陽能總量折合標(biāo)準(zhǔn)煤共11892×1013千億t，是目前世界主要能源探明儲量的一萬倍。相對于常規(guī)能源的有限性，太陽能具有儲量的“無限性”，取之不盡，用之不竭。②存在的普遍性。相對于其他能源來說，太陽能對于地球上絕大多數(shù)地區(qū)具有存在的普遍性，可就地取用。這就為常規(guī)能源缺乏的國家和地區(qū)解決能源問題提供美好前景。③利用的清潔性。太陽能像風(fēng)能、潮汐能等潔凈能源一樣，其開發(fā)利用時幾乎不產(chǎn)生任何污染。④利用的經(jīng)濟(jì)性?？梢詮膬蓚€方面看太陽能利用的經(jīng)濟(jì)性。一是太陽能取之不盡，用之不竭，而且在接收太陽能時不征收任何“稅”，可以隨地取用；二是在目前的技術(shù)發(fā)展水平下，太陽能利用不僅可能而且可行。鑒于此，太陽能必將在世界能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換中擔(dān)當(dāng)重任，成為理想的替代能源。
太陽能熱發(fā)電是太陽能利用中的重要形式之一，它利用聚光器將低密度的太陽能匯聚成高密度熱能，然后通過加熱斯特林發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)工質(zhì)來驅(qū)動發(fā)電機(jī)，實現(xiàn)光能和機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，具有無污染、可持續(xù)運(yùn)行的優(yōu)點。太陽能熱發(fā)電具有無污染、原料方便易得和全球儲量大、發(fā)電效率高和技術(shù)成熟等優(yōu)點，被認(rèn)為是太陽能發(fā)電中最有前途的發(fā)電方式。
隨著科學(xué)技術(shù)與工業(yè)的發(fā)展，材料及加工制造水平顯著提高，斯特林發(fā)動機(jī)其他部件的研發(fā)有了極大的進(jìn)展，而工質(zhì)密封的研究一直沒有很大的突破。目前，國外研究機(jī)構(gòu)生產(chǎn)的密封件的使用壽命為2500h，還遠(yuǎn)未達(dá)到理想的使用壽命時限。密封件為發(fā)動機(jī)的核心部件，每次更換密封件費時費力，不僅造成了經(jīng)濟(jì)上的損失，又嚴(yán)重影響了斯特林發(fā)動機(jī)的使用效率。因此，研究活塞桿密封件的密封性能和使用壽命顯得尤為重要。
斯特林發(fā)動機(jī)工質(zhì)的密封問題是斯特林發(fā)動機(jī)研究工作中需要著重解決的問題，也是難點問題。工質(zhì)的泄漏輕則造成發(fā)動機(jī)的功率和效率的下降，重則導(dǎo)致整機(jī)損壞。針對斯特林發(fā)動機(jī)的工質(zhì)密封問題，國內(nèi)外的工作人員開展了大量的研究工作。通過近幾十年來的研究發(fā)現(xiàn)，斯特林發(fā)動機(jī)活塞桿的密封件是密封裝置中的關(guān)鍵零部件。密封件不僅關(guān)系到密封裝置的泄漏問題，而且還影響到整個機(jī)器設(shè)備的使用壽命。對于高性能斯特林發(fā)動機(jī)而言，其工質(zhì)通常為氫氣和氦氣，平均循環(huán)壓力都在15MPa左右。如何使斯特林發(fā)動機(jī)在高壓、高溫、高速運(yùn)轉(zhuǎn)的苛刻工況條件下，實現(xiàn)活塞桿密封件高密封性、低摩擦功耗及較長的使用壽命，是當(dāng)前研究的重中之重。
鑒于上述情況，本文以斯特林發(fā)動機(jī)活塞桿、活塞環(huán)密封為研究對象，設(shè)計斯特林發(fā)動機(jī)密封裝置-活塞環(huán)、活塞桿的密封試驗試驗臺。通過密封試驗臺測試發(fā)動機(jī)密封裝置相應(yīng)的性能參數(shù)，對影響密封件密封性能的因素分析。為解決斯特林發(fā)動機(jī)工質(zhì)密封問題提供基礎(chǔ)理論指導(dǎo)以及延長密封件的使用壽命和提高密封件的密封效果提供科學(xué)依據(jù)。因此，對斯特林發(fā)動機(jī)密封裝置的密封試驗臺設(shè)計具有非常重要的現(xiàn)實意義。
1.2斯特林發(fā)動機(jī)及其活塞桿密封概括
一、斯特林發(fā)動機(jī)簡介
斯特林發(fā)動機(jī)，也叫熱氣機(jī)，是一種外部供熱(或燃燒)的閉式循環(huán)熱力發(fā)動機(jī)。主要由外部供熱系統(tǒng)、工作循環(huán)系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)等組成。與內(nèi)燃機(jī)不同的是，它將工質(zhì)密封在氣缸里，從外部進(jìn)行加熱或冷卻，使工質(zhì)受熱膨脹后推動活塞往復(fù)運(yùn)動，進(jìn)而使發(fā)動機(jī)對外輸出功率。在氣缸外的燃燒室內(nèi)燃料連續(xù)燃燒，產(chǎn)生的熱量通過加熱器傳給工質(zhì)，工質(zhì)不參與燃燒。
因此，斯特林發(fā)動機(jī)在一定程度上兼?zhèn)淞藘?nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)優(yōu)點的同時，還具備了如下特點：
(1)燃料多樣化
斯特林發(fā)動機(jī)對燃料的適用性很強(qiáng)，其可用的燃料通常包括氫氣、氦氣、氮氣等氣體燃料，汽油、柴油等液體燃料，秸稈等農(nóng)作物廢棄物。同時，斯特林機(jī)也可以回收各種低品位和分散的熱能。
圖1.1 斯特林發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
(2)高效性
理想的斯特林循環(huán)由兩等溫兩等容過程組成，其循環(huán)效率遵循卡諾循環(huán)效率。斯特林機(jī)的實際運(yùn)行效率為25％．35％，最高可達(dá)47％，甚至在部分負(fù)荷的情況下，仍可達(dá)到35％的發(fā)電效率。此外，斯特林機(jī)在氣缸外設(shè)有燃燒室，且其工質(zhì)是連續(xù)燃燒，可實現(xiàn)在相同的燃燒條件下的較高燃燒效率。
(3)低污染：
斯特林發(fā)動機(jī)的內(nèi)部壓力變化平穩(wěn)，且壓比一般為2左右，解決了內(nèi)燃機(jī)震爆做功問題，實現(xiàn)振動平穩(wěn)和低噪音運(yùn)行；且因其燃燒過程易于實現(xiàn)自動控制，排煙污染較小。
(4)結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便
斯特林發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，沒有容易出故障的高壓噴油系統(tǒng)和氣閥機(jī)構(gòu)，運(yùn)動部件較少，維護(hù)方便。
(5)運(yùn)行特性好
斯特林發(fā)動機(jī)屬于低速扭矩，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，扭矩變動特性較好，在超負(fù)荷的情況下仍能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。內(nèi)燃機(jī)通常只能超15％負(fù)荷，而斯特林機(jī)在高原等惡劣條件下都可以正常使用。
二、斯特林發(fā)動機(jī)活塞桿密封簡介
斯特林發(fā)動機(jī)活塞桿密封結(jié)構(gòu)作為其往復(fù)運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵裝置，不僅
直接關(guān)系到整體系統(tǒng)的泄漏問題，而且影響整機(jī)的機(jī)械性能和壽命問題。在正常運(yùn)行工況下，活塞桿主要承受軸向力，以一定的速度在往復(fù)運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)中對外做功。既要保證活塞桿能夠?qū)崿F(xiàn)有效傳動，又要防止工質(zhì)沿著活塞桿漏入曲軸箱和曲軸箱中的潤滑油通過活塞桿滲入工作循環(huán)系統(tǒng)，故而必須對斯特林機(jī)的活塞桿進(jìn)行密封。斯特林機(jī)的平均循環(huán)壓力和其功率成正比，伴隨工業(yè)的發(fā)展和需求，對活塞桿的運(yùn)行工況要求也逐漸提高，使得其工作壓力越高，發(fā)動機(jī)的功率密度越大，密封就越加困難。因此，密封裝置密封性能的好壞成為斯特林機(jī)能否向高功率密度發(fā)展的關(guān)鍵，研究活塞桿密封機(jī)理、分析其失效形式和影響因素以及提高活塞桿密封裝置中密封件的密封性能尤為重要。
1.3 國內(nèi)外密封試驗臺的研究現(xiàn)狀
西方發(fā)達(dá)國家機(jī)械密封試驗的技術(shù)已經(jīng)達(dá)到非常高的水平，并且已經(jīng)形成
了比較完善的試驗體系。如圖1-1所示是APl682標(biāo)準(zhǔn)對機(jī)械密封試驗的要求，
它包含了豐富的試驗內(nèi)容以保證其機(jī)械密封產(chǎn)品質(zhì)量。很多大企業(yè)，包括英國John Crane、美國Flowserve和日本Eagel等國際知名密封公司都有他們專門的研制、測試中心，并引領(lǐng)行業(yè)的發(fā)展方向。其中美國Flowserve公司在新加坡建立的測試中心最具有代表性，測試用的密封腔體和管路都采用透明的聚脂材料并布滿了各種測試數(shù)據(jù)采集探頭。許多著名學(xué)校也在一些大企業(yè)的資助下與企業(yè)合作開展機(jī)械密封的研究，創(chuàng)造出許多成就，也具備一定的試驗條件。
圖1.1 機(jī)械密封試驗臺 圖l.2 基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械密封監(jiān)視裝置
由于密封端面信息在機(jī)械密封研究中具有非常重要作用，國外很多企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)十分重視對機(jī)械密封端面信息的采集和研究。比如美國George W．Woodruff學(xué)校Itzhak Green教授認(rèn)為，研究機(jī)械密封臨界端面的運(yùn)動狀況會得到很多重要的信息，因此在其試驗臺的密封環(huán)端面位置安裝3個電渦流距離傳感器探頭，并將采集的端面信息通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備送入計算機(jī)，經(jīng)過計算機(jī)的分析和處理后畫出動環(huán)相對于旋轉(zhuǎn)軸心跳動的軸心軌跡圖，并以此研究機(jī)械密封工作時動環(huán)相對于軸心的運(yùn)動狀況。該系統(tǒng)通過測量端面軸向軌跡，機(jī)械密封運(yùn)作狀況，但還不滿足機(jī)械密封試驗的要求。
在國外，一些用于實時監(jiān)控機(jī)械密封工作狀態(tài)的設(shè)備也被開發(fā)出來。比如意大利某公司利用微處理器設(shè)計了一臺多功能機(jī)械密封試驗設(shè)備SEALsafe，該設(shè)備支持實時檢測和調(diào)節(jié)機(jī)械密封腔內(nèi)溫度和壓力，定時測量密封端面的泄漏量，并且可以將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)機(jī)械密封轉(zhuǎn)速、溫度和壓力等，從而保持其良好的工作狀態(tài)。德國的Burgmann將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于測試系統(tǒng)中，推出了一款基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械密封性能監(jiān)控系統(tǒng)，如圖1-2所示，將其安裝在泵體上，可以通過其集成的測試系統(tǒng)采集機(jī)械密封端面和腔內(nèi)介質(zhì)的溫度和壓力信號，并將采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)輸送到微型計算機(jī)去處理，用戶無論身處何處都可以通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視機(jī)械密封的運(yùn)行情況，便于及時發(fā)現(xiàn)問題，排除故障州J.A．W．Chesterton Co．的工程師們在虛擬機(jī)械密封試驗方面有較大的突破，他們利用計算機(jī)仿真的方法建立了機(jī)械密封的模型，突破了試驗條件的限制，并且利用流體仿真軟件制作了密封腔內(nèi)的流體動力場和溫度場，然后讓機(jī)械密封數(shù)字模型在計算機(jī)的控制下工作起來，并可以很方便地分析其各種參數(shù)，以及預(yù)期可能會出現(xiàn)的問題。該項技術(shù)被廣泛用于Chesterton的多種機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計過程中，取得了很好的效果，但計算機(jī)模擬的方法畢竟與實際情況下有較大的區(qū)別，該方法不能代替試驗臺在型式試驗和出廠試驗時的作用。
在我國，機(jī)械密封測試技術(shù)的研究主要還是局限于某些大學(xué)和大公司的研究所，其中一些石油化工類學(xué)校在機(jī)械密封的試驗和研究方面做出了巨大貢獻(xiàn)。在不斷的應(yīng)用、實踐、研究以及與國外先進(jìn)技術(shù)的交流和引進(jìn)過程中，我國機(jī)械密封技術(shù)也得到了較快的發(fā)展，并逐步縮小與世界先進(jìn)水平的差距。與國外一樣，我國也有一些企業(yè)和大學(xué)研究機(jī)構(gòu)對機(jī)械密封端面信息的采集和研究進(jìn)行了多方面的探索。胡小云等第一次利用信息論的理論，將機(jī)械密封端面信息分為靜態(tài)信息(主要是機(jī)械密封端面摩擦副材料信息、機(jī)械密封端面幾何信息)和動態(tài)信息(溫度信息、摩擦狀態(tài)信息、扭矩信息)，并通過在靜環(huán)上安裝電偶式溫度傳感器和扭矩傳感器，獲取在不同的工作狀態(tài)下的端面信息，并分析它們對機(jī)械密封性能和使用壽命的影響。蔡曉君等首先對變工況工作狀態(tài)下機(jī)械密封動環(huán)端面狀況作了理論分析，然后搭建變工況機(jī)械密封試驗臺，通過在密封試驗臺介質(zhì)出口端安裝調(diào)壓溢流閥，來調(diào)節(jié)腔內(nèi)壓力，通過加熱棒加熱水箱溫度調(diào)節(jié)腔內(nèi)介質(zhì)的溫度，以此模擬變工況下機(jī)械密封的工作環(huán)境，并使用微型計算機(jī)和外圍電路構(gòu)建測試系統(tǒng)，測量在不同的溫度、壓力等狀況下動環(huán)端面情況，最后將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到動環(huán)端面軸向位移隨溫度和壓力變化的規(guī)律，從而提出了抗變工況機(jī)械密封的設(shè)計理論。
國內(nèi)一些高校的研究機(jī)構(gòu)通過搭建專用的試驗設(shè)備對研究溫度、壓力、轉(zhuǎn)速和振動等對機(jī)械密封性能和使用壽命的影響進(jìn)行了多方面的探索。比如魏龍等在研究GY型機(jī)械密封性能時搭建了機(jī)械密封試驗臺，通過在密封腔泄漏液出口位置安裝測漏傳感器測量端面泄漏量，在電機(jī)軸和機(jī)械密封工作軸連接處安裝扭矩傳感器采集端面摩擦功耗信息，安裝測速傳感器測量轉(zhuǎn)速信息，利用單片機(jī)構(gòu)建微型機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集各個傳感器輸出的信號，并將處理后的信息通過RS-232接口送入微型計算機(jī)處理，通過設(shè)定不同的機(jī)械密封工作條件，比如介質(zhì)壓力、轉(zhuǎn)速等進(jìn)行多組試驗，分析它們對機(jī)械密封泄漏量與摩擦功耗等的影響。孫見君等搭建了彈簧比壓可調(diào)振動可測型機(jī)械密封試驗臺，以研究彈簧比壓和振動對機(jī)械密封性能的影響；同時他們還引入分形理論分析了彈簧比壓對平衡型機(jī)械密封泄漏率和端面摩擦特性的影響，并以GY-70平衡型機(jī)械密封為例進(jìn)行了試驗和研究。趙增順等為研究高參數(shù)熱流體動壓機(jī)械密封的性能，設(shè)計了高參數(shù)機(jī)械密封試驗臺，并改進(jìn)了供油系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)施，并開發(fā)了相應(yīng)的測控系統(tǒng)軟件，以研究在高參數(shù)工況下密封壓力、主軸轉(zhuǎn)速、端面表面粗糙度、彈簧比壓、配對材料以及液體介質(zhì)的粘溫變化等因素對熱流體機(jī)械密封性能的影響規(guī)律。從而為高參數(shù)熱流體密封的性能規(guī)律的研究以及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供有利支持。在我國，計算機(jī)仿真測試技術(shù)在機(jī)械密封試驗及研究上也得到廣泛應(yīng)用，廖和濱等首先將有限元的分析方法應(yīng)用在機(jī)械密封試驗上，他們嘗試?yán)肁NSYS建立某機(jī)械密封溫度場和應(yīng)力場的模型，以分析溫度和壓力對機(jī)械密封的影響；同時搭建了機(jī)械密封試驗臺進(jìn)行試驗，測量溫度和壓力變化并進(jìn)行分析，最后將兩個過程中分析的結(jié)果進(jìn)行對比和驗證。
1.4課題來源及主要研究內(nèi)容
本課題主要來自西安航空發(fā)動機(jī)有限公司承擔(dān)國家重點攻關(guān)科研項目《斯特林太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)》，該系統(tǒng)的重要設(shè)備斯特林發(fā)動機(jī)，斯特林發(fā)動機(jī)的主要部分是活塞環(huán)、活塞桿的密封，密封的性能決定了該系統(tǒng)的運(yùn)行成本和工作效率。西安航空發(fā)動機(jī)有限公司委托西安工業(yè)大學(xué)研制活塞環(huán)、活塞桿的密封試驗臺，完成對活塞環(huán)、活塞桿的密封性能測試，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，發(fā)動機(jī)設(shè)計與制造達(dá)到最佳水平。該試驗臺包含了機(jī)械動力系統(tǒng)設(shè)計、高壓氣體系統(tǒng)設(shè)計、液壓潤滑系統(tǒng)設(shè)計、冷卻系統(tǒng)設(shè)計、電器系統(tǒng)設(shè)計、變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計、轉(zhuǎn)矩測量與控制系統(tǒng)設(shè)計、轉(zhuǎn)速測量與控制系統(tǒng)設(shè)計、溫度測量系統(tǒng)設(shè)計、壓力測量系統(tǒng)設(shè)計，所有的設(shè)計必須符合國家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該題目可對學(xué)生進(jìn)行全面的培養(yǎng)和提高，技術(shù)理念先進(jìn)難度一般。該設(shè)計代表了當(dāng)前工業(yè)控制的先進(jìn)水平。
設(shè)計(論文)的主要內(nèi)容：
1.完成總體方案的設(shè)計，進(jìn)行各種方案比較，電動機(jī)的選擇、連軸器、力矩傳感器、曲軸箱、曲軸、飛輪、連桿、導(dǎo)向系統(tǒng)、汽缸支架、汽缸、油氣分離器、汽缸蓋等設(shè)計。進(jìn)行各種氣路的設(shè)計，曲軸箱的結(jié)采用箱體支承了曲軸，曲軸潤滑系統(tǒng)的設(shè)計，圖紙符合工程圖標(biāo)準(zhǔn)。
2.對動力傳遞系統(tǒng)進(jìn)行力學(xué)分析，計算系統(tǒng)慣量，計算分析最大轉(zhuǎn)矩的位置和最大功率的位置，根據(jù)轉(zhuǎn)矩和慣量設(shè)計飛輪，完成曲軸動平衡質(zhì)量計算，對系統(tǒng)的摩擦功率進(jìn)行分析和計算，計算汽缸的壓力與容積，確定冷卻系統(tǒng)水的流量。
第二章 斯特林發(fā)動機(jī)的工作原理及其活塞密封結(jié)構(gòu)
2.1斯特林發(fā)動機(jī)的工作原理簡介
斯特林發(fā)動機(jī)是一種外部加熱的閉式循環(huán)活塞式發(fā)動機(jī)。斯特林發(fā)動機(jī)通常
分為以下五個部分：熱腔，加熱器，回?zé)崞?，冷卻器和冷腔。熱腔和加熱器處于循環(huán)的高溫部分，因此通常稱它們?yōu)闊釁^(qū)；冷腔和冷卻器處于循環(huán)的低溫部分，稱為冷區(qū)。
圖2.1斯特林循環(huán)工作過程示意圖
1.等溫壓縮過程
循環(huán)開始時，壓縮腔活塞處于其內(nèi)止點，此時壓縮腔容積最大；膨脹腔活塞
處于外止點并緊靠回?zé)崞?，此時膨脹腔容積為零。因此，工質(zhì)全部集中在壓縮腔，
溫度為最低循環(huán)溫度民，工質(zhì)壓力也最低。工質(zhì)在循環(huán)始點(壓縮始點)的狀態(tài)
如圖2.1的點1所示。在壓縮過程中，膨脹腔活塞在其外點止點保持不動，而
壓縮腔活塞從內(nèi)止點向外止點移動。隨著壓縮活塞的移動，系統(tǒng)容積逐漸縮小，
工質(zhì)在壓縮腔中受到壓縮。
2.加熱過程
如圖2.1,等容加熱過程從點2開始，至點3結(jié)束。過程開始時，壓縮活塞從點2繼續(xù)向其外止點移動，到達(dá)外止點時過程結(jié)束；與此同時，膨脹活塞開始由外止點向內(nèi)止點移動。兩個活塞作相反運(yùn)動的結(jié)果，壓縮腔容積的縮小值等于膨脹腔容積的增大量，系統(tǒng)總?cè)莘e不變，即V2=V3，過程是等容的。在這一等容過程中，壓縮腔的容積變到零，而膨脹腔容積開始由零逐漸增大，結(jié)果是壓縮腔中的工質(zhì)全部被趕到膨脹腔。工質(zhì)從壓縮腔到膨脹腔前，必須流經(jīng)回?zé)崞鞑⒌玫交責(zé)崞鞯募訜幔瑹崃縌R從回?zé)崞鱾鹘o工質(zhì)，使工質(zhì)溫度從最低循環(huán)溫度TC上升到最高循環(huán)溫度TE后流入膨脹腔。
3.等溫膨脹過程
在等溫膨脹過程中，壓縮活塞在外止點保持不動，膨脹活塞繼續(xù)向其內(nèi)止點
移動，結(jié)果系統(tǒng)容積增大，壓力下降，待膨脹活塞移動到內(nèi)止點時過程結(jié)束。此
時，系統(tǒng)容積已從最小容積V3(=V2)擴(kuò)大到最大容積V4(=V1).為了實現(xiàn)等溫膨脹，即T3=T4=TE，外源必須通過氣缸壁向工質(zhì)供給等溫膨脹熱QE，同時系統(tǒng)向
外界做等溫膨脹功W3-4.
4.等容冷卻過程
在這一過程中，壓縮活塞從其外止點移動到內(nèi)止點，同時膨脹活塞從其內(nèi)止
點移動到外止點，結(jié)果將膨脹腔中的工質(zhì)全部驅(qū)入壓縮腔，在流經(jīng)回?zé)崞鲿r，回
熱器從工質(zhì)中吸走熱能QR’,使工質(zhì)溫度從最高循環(huán)溫度TE下降到最低循環(huán)溫度死后流入壓縮腔。兩個活塞作相反運(yùn)動的結(jié)果，使工質(zhì)在最大容積V4=V1下得到冷卻，故叫等容冷卻過程。
一種非常有前途的斯特林發(fā)動機(jī)是雙作用斯特林發(fā)動機(jī)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖
2.1所示。所謂雙作用，是指氣缸中的活塞既起熱活塞的作用，又起冷活塞的作用，活塞一端為熱腔，另一段為冷腔。每一個氣缸的冷腔都與相鄰氣缸的熱腔相連，并且在其中有冷卻器、回?zé)崞骱图訜崞?，它們組成一個完整的循環(huán)系統(tǒng)。這樣，四個氣缸和四個活塞以及四套熱交換器組成了四個完整的閉式循環(huán)系統(tǒng)，相當(dāng)于四個雙作用斯特林發(fā)動機(jī)，但氣缸和活塞組的數(shù)目卻減少了一半，使得其結(jié)構(gòu)大為緊湊，體積和重量大大下降。
圖2．2四缸雙作用斯特林發(fā)動機(jī)
2.2 典型的密封裝置結(jié)構(gòu)
1.橡膠卷筒式密封
橡膠卷筒式密封通常還被稱作為絕對密封，該密封裝置的具體結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。其主要包括：橡膠密封圈(襪套)、調(diào)節(jié)閥、泵環(huán)和滑動密封等幾個部分。安裝過程中，首先將橡膠卷筒的大端固定在氣缸上，小端固定在往復(fù)運(yùn)動的活塞桿上或是固定在動力活塞桿的內(nèi)壁上，可有效地將曲軸箱和緩沖腔(冷腔)隔開。
1．橡膠卷筒2．活塞桿3．機(jī)體4．油腔5．氣腔
圖2.3橡膠卷筒式密封裝置
橡膠卷筒的上方是工質(zhì)，下方是潤滑油，當(dāng)活塞桿往復(fù)運(yùn)動時，卷筒與氣缸連接的一端是固定不動的，另一端隨著活塞桿往復(fù)運(yùn)動而作翻卷運(yùn)動。工質(zhì)壓力P經(jīng)過滑動密封環(huán)之后將變成作用于橡膠卷筒之上的循環(huán)壓力尸卅。為了保護(hù)橡膠卷筒不會因為作用其上的高壓氣體而出現(xiàn)破裂問題，一般在橡膠卷筒的下方設(shè)置油腔，且設(shè)置的油壓適當(dāng)高于其上方的氣壓，確保兩者之間的壓差在5bar左右。由于潤滑油相對于氣體是不可壓縮的，當(dāng)作用在卷筒上方的氣壓變大而使橡膠卷筒伸長時，卷筒下方的油壓隨之上升，從而實現(xiàn)卷筒上下腔的壓差基本穩(wěn)定，有效地將高壓氣體密封轉(zhuǎn)化為油腔密封，降低了密封的難度。
2.自緊式密封
自緊式密封具有自動補(bǔ)償功能，密封裝置結(jié)構(gòu)圖如2.4所示。其密封元件是采用特氟隆材料制成，該密封元件(密封環(huán))的外側(cè)受到高壓氣體的作用使得密封環(huán)的內(nèi)側(cè)能夠與活塞桿緊密貼合起來，即使活塞桿加工以及安裝過程中存在較大的誤差，密封環(huán)依然能夠通過這種自我補(bǔ)償?shù)姆绞劫N合到活塞桿上，使得密封環(huán)的整體密封性能得以保證。
特氟隆材料制成的密封環(huán)上方有用鋼或鑄鐵制成的金屬環(huán)，與密封環(huán)下方的墊圈配合作用使得密封環(huán)能夠在軸向方向夾緊。另外，在金屬環(huán)的軸向、徑向方向都開有半圓形槽，密封工質(zhì)能通過這些半圓槽孔流入到密封環(huán)的背側(cè)，形成背壓，增加了密封環(huán)的密封性能。環(huán)的軸向高度直接影響到密封環(huán)的密封能力，軸向高度Sa增大，密封環(huán)的密封能力就提高，但磨損也相應(yīng)增大。
1-活塞桿 2-金屬環(huán) 3-密封環(huán) 4-填圈 5-密封環(huán)殼體
圖2.4自緊式密封裝置
參照圖1.3.結(jié)構(gòu)所示，密封環(huán)的高度Sa二倍于環(huán)的徑向厚度Sr，通常
(d為活塞桿外徑)，安裝時，環(huán)的軸向過盈量為.通?；钊麠U與金屬環(huán)之間的間隙為在該裝置中，密封環(huán)的數(shù)目可根據(jù)實際密封壓力的大小決定，若壓力為300bar時，一般采用3或4個密封環(huán)，壓力越高使用密封環(huán)的個數(shù)就越多，或選擇高度適當(dāng)?shù)拿芊猸h(huán)以減少其使用數(shù)目。
3.隔膜式密封
與前兩種密封裝置相比，隔膜式密封裝置可以有效地阻止油霧通過密封裝置進(jìn)入冷腔(工作腔)，其結(jié)構(gòu)如圖2.5所示，主要由橡膠隔膜、主密封、刮油環(huán)和頂封等部件組成。
圖2.5 隔膜式密封裝置
為了防止滑油的上竄，在主密封和頂密封之間的活塞桿行程自由區(qū)內(nèi)設(shè)置一個橡膠隔膜，將此空腔分為上下兩部分。在四缸發(fā)動機(jī)中這兩腔相互連通，使得作用在橡膠隔膜上的壓差減小，對其起到一定的平衡作用。橡膠隔膜阻止滑油進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)的同時也防止缸套與活塞的磨損粒子進(jìn)入主密封環(huán)而加速磨損。
該密封裝置上方設(shè)有一個封油的頂密封，即使如果橡膠隔膜損壞，滑油也進(jìn)不到冷腔。這種裝置既能絕對防止?jié)櫥蜐B入工作循環(huán)系統(tǒng)，又不消耗額外的摩擦功率，是一種比較理想的密封裝置。
4滑動密封
圖2.6是瑞典Kockums公司設(shè)計制造的一種滑動密封裝置，其結(jié)構(gòu)主要包括預(yù)緊彈簧、刮油環(huán)、油氣分離設(shè)備、單向閥和滑動密封環(huán)等結(jié)構(gòu)部件構(gòu)成。該密封裝置的基本元件是一個由填充聚四氟乙烯制成兩端帶有錐度的密封件，由一個彈簧提供初始壓力，保證主密封環(huán)與密封殼體緊密接觸。在主密封環(huán)上方設(shè)有一個刮油環(huán)，其作用是刮除活塞桿往復(fù)運(yùn)動帶上來的多余潤滑油。在氣缸上設(shè)置的噴油孔實現(xiàn)對活塞桿的冷卻，當(dāng)沾滿冷卻油的活塞桿往復(fù)運(yùn)動時，雖然經(jīng)過主密封環(huán)和刮油環(huán)已將大部分潤滑油刮去，但仍有少量的潤滑油進(jìn)入活塞桿行程自由區(qū)，使得腔室既存在工質(zhì)又有油霧。而在自由區(qū)上方設(shè)有一個密封環(huán)，有效地防止了油霧混合氣進(jìn)入冷腔。
1-活塞環(huán) 2-滑動密封環(huán) 3-密封殼體 4-活塞桿 5-刮油環(huán)
6-主密封環(huán) 7-氣缸 8-十字頭
圖2.6 滑動密封裝置
一般情況下，在經(jīng)過滑動密封環(huán)的節(jié)流處理后，密封腔中的壓力變?yōu)槠骄h(huán)壓力Pm，使得活塞桿行程自由區(qū)的壓力基本等于循環(huán)的最小壓力，而其中的油霧混合氣流向單向閥l，經(jīng)過油氣分離器之后進(jìn)入單向閥2，最終返回冷腔。分離器分離出的潤滑油流入曲軸箱，這樣就將活塞桿密封問題轉(zhuǎn)化為密封殼體中工質(zhì)的密封問題。
5. 新型斯特林發(fā)動機(jī)活塞桿密封裝置
綜合以上幾種典型的密封裝置優(yōu)缺點可知，當(dāng)前無油潤滑活塞桿密封裝置大多采用組合式密封方式，其中最常見的形式為填料函與擋油圈組合使用部分密封裝置為了增加阻油效果還設(shè)置有刮油器。這種組合密封結(jié)構(gòu)的密封效果雖好，但仍存在較多的不足：其一，在運(yùn)行過程中，填料函的摩擦阻力比較大，產(chǎn)生的熱量較多導(dǎo)致密封裝置的磨損功耗增大；其二，填料磨損的增加使得密封裝置容易發(fā)生泄漏，需要頻繁的維修保養(yǎng)、調(diào)整或更換，工作任務(wù)繁重；其三，當(dāng)運(yùn)行一定時間后，刮油器由于磨損而得不到較好的補(bǔ)償，增大工質(zhì)的泄漏，密封效果下降：其四，擋油圈上的擋油唇口對軸頸的卡緊程度缺少對應(yīng)的補(bǔ)償能力，導(dǎo)致其密封性能較差。考慮到現(xiàn)有密封結(jié)構(gòu)存在的不足之處，以斯特林發(fā)動機(jī)為研究對象，設(shè)計了一種新型的組合式活塞桿密封裝置，如圖2.7所示。
1一帽式密封件2一蓋板3一墊板4一活塞筒5一彈簧6一套管7一滑動密封套8一油槽9一活塞桿 10-0形圈I 11—0形圈II 12-塑料環(huán)13-撐環(huán)
14-0形圈III 15-承壓座16-0形圈Ⅳ
圖2.7 新型組合式活塞桿密封結(jié)構(gòu)
新型組合式活塞桿密封裝置按摩擦副的運(yùn)動形式分主要有靜密封和動密封兩部分，動密封包括自緊式帽式密封件1和滑動密封，兩者分別套置于活塞桿9
上?；瑒用芊庵饕ɑ瑒用芊馓?、撐環(huán)l 3、承壓座1 5、套管6以及0形圈Ⅳ16?；瑒用芊馓滓彩怯煽褂湍湍p的填充聚四氟乙烯制成，它的下表面與承壓座通過錐形凸環(huán)形式接觸，以提高密封套的氣密能力。其外表面設(shè)置同樣錐形的套管，可將滑動密封套卡緊而不發(fā)生偏移。彈簧的壓力通過套管有效地施加在滑動密封件端面上，保證活塞桿與滑動密封套內(nèi)表面緊緊的貼合，也使滑動密封套與承壓座接觸面的壓力增加。這樣，既阻止了密封腔中工質(zhì)的泄漏，又可將活塞桿上的潤滑油刮除干凈。
由于帽式密封的工況是高溫高壓無油潤滑，因此對帽式密封件的密封環(huán)性能要求較高，其采用具有自潤滑性能的填充聚四氟乙烯制成，為了保證密封環(huán)與活塞桿緊貼，設(shè)計時要求密封環(huán)內(nèi)徑稍小于活塞桿的外徑。兩者屬于過盈配合。此外，在帽式密封環(huán)外嵌置了采用氟橡膠制成的O形密封圈，當(dāng)工作時0形密封圈受熱膨脹，會對帽式密封環(huán)在徑向施加一定的壓力，以補(bǔ)償活塞桿與密封環(huán)運(yùn)行時產(chǎn)生的磨損，形成具有自緊能力的帽式密封件。
由以上可知，該新型密封裝置具有顯著的特點：其一，密封環(huán)與活塞桿之間的摩擦系數(shù)較小，降低了工作時的阻力和發(fā)熱量，磨損量變小；其二，在彈簧和
0形密封圈的作用下，使得帽式密封和滑動密封具有向內(nèi)收縮的自緊力，補(bǔ)償了在工作過程中密封環(huán)產(chǎn)生的磨損，提高了工作可靠性，并延長了密封件的使用壽命；其三，該密封結(jié)構(gòu)具有較好的氣密性能，特別是在高溫高壓作用下泄漏量少，防油能力強(qiáng)，改善了壓縮氣體的清潔程度；其四，密封裝置的組件數(shù)目較少，降低了維修保養(yǎng)的復(fù)雜程度和斯特林發(fā)動機(jī)的運(yùn)行費用。
2.3 密封測試的性能參數(shù)
密封特性和使用壽命是國際上衡量機(jī)械密封的主要性能指標(biāo)，提高機(jī)械密封的密封性能和使用壽命是機(jī)械密封技術(shù)發(fā)展的方向。影響機(jī)械密封性能的主要因素有：
(1)彈簧比壓。彈簧比壓是影響機(jī)械密封泄漏量的主要因素之一。彈簧比壓太大會破壞液膜而造成密封端面摩損加劇；彈簧比壓太小則使得泄漏量增加，密封性能下降。選擇合適的彈簧比壓對機(jī)械密封使用效果有很大的影響；
(2)介質(zhì)溫度。介質(zhì)溫度太高不僅會造成密封環(huán)的熱變形和損壞，而且會造成密封端面液膜的汽化，使得端面摩損加??；
(3)介質(zhì)壓力。介質(zhì)壓力對密封端面比壓有很大影響，選擇合適的介質(zhì)壓
力可以減小密封端面泄漏以及摩擦面的功耗，從而提高機(jī)械密封的性能和使用
壽命；
(4)工作轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速越高，密封端面間的流體動壓作用越強(qiáng)，使端面間隙增大，泄漏量增加。轉(zhuǎn)速對端面摩擦也有很大影響，轉(zhuǎn)速越高，摩擦功耗越大；
(5)端面摩擦特性。密封端面光滑度越高，端面泄漏越少，磨損越慢，功耗越低，因此端面摩擦特性對機(jī)械密封性能和使用壽命影響較大，一般要求密封端面粗糙度Ra=0.05~0.2um，對于不同的介質(zhì)，要求選擇合適的密封副材組合；
(6)振動。機(jī)械密封的振動主要是指密封動環(huán)的軸向和徑向振動。產(chǎn)生機(jī)械密封的振動的原因很多，比如泵本身的振動、旋轉(zhuǎn)軸的加工精度不夠、聯(lián)軸器的平行度差、油膜的振蕩、密封端面不光滑、彈性元件彈性伸縮和擺動等都會造成密封環(huán)的振動。在機(jī)械密封實際工作時振動往往是影響其工作穩(wěn)定性的一個極大的不利因素，密封環(huán)振動不僅影響機(jī)械密封面的密封效果，使泄漏加劇，而且由于振動的存在加劇了端面的撞擊和摩擦，導(dǎo)致其使用壽命的下降；
尤其當(dāng)軸轉(zhuǎn)速與密封環(huán)固有頻率很接近的時候機(jī)械密封振動最大，所產(chǎn)生的危害也最大。比如鎮(zhèn)海煉化，由于振動原因造成機(jī)械密封失效約占所有失效的機(jī)械密封的15％，因此對振動的研究對提高機(jī)械密封性能和使用壽命是非常必要的。機(jī)械密封試驗主要目的是研究各個因素對機(jī)械密封的密封性能和使用壽命
的影響，從而改善機(jī)械密封設(shè)計、生產(chǎn)和應(yīng)用。因此，國內(nèi)外企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械密封試驗與研究的主要內(nèi)容有：
(1)研究不同的溫度、壓力和轉(zhuǎn)速等對機(jī)械密封性能和使用壽命的影響；
(2)測量轉(zhuǎn)矩，研究密封端面的摩擦功耗；
(3)研究彈簧比壓對機(jī)械密封密封特性和使用壽命的影響，保證機(jī)械密封在最佳彈簧比壓下工作；
(4)測量機(jī)械密封密封腔體或動環(huán)的跳動量，研究振動對機(jī)械密封性能和
使用壽命的影響；
(5)測量密封端面的溫度梯度、端面比壓和液膜厚度等，研究不同條件下密封端面的摩擦特性及其對密封特性和使用壽命的影響。
其中研究內(nèi)容(1)和(2)是機(jī)械密封試驗最基本的內(nèi)容，也是我國《機(jī)械密封試驗方法》規(guī)定機(jī)械密封生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行型式試驗和出廠試驗時必須測試和研究的內(nèi)容。研究內(nèi)容(4)通常用于研究和監(jiān)控實際工作中的機(jī)械密封設(shè)備的工作狀況以及實現(xiàn)計算機(jī)輔助的故障檢測與診斷，研究振動對機(jī)械密封性能的影響，可以為生產(chǎn)實際提供參考。密封端面最能反映機(jī)械密封工作狀況，因此研究內(nèi)容(5)對端面信息的研究有較大的意義，但同時也是最難實現(xiàn)的部分，一般需要在密封端面處安裝各種傳感器。
第三章 密封試驗臺的總體方案設(shè)計
3.1 設(shè)計要求
密封裝置的主要技術(shù)指標(biāo)如下：
（1）介質(zhì)氣體壓力：20MPa～9MPa，介質(zhì)氣體溫度50-100℃
（2）汽缸直徑：55mm，活塞行程：40mm，
（3）工作頻率：1821n/min，工作時間：連續(xù)。
本文主要是對密封裝置試驗臺進(jìn)行設(shè)計。同時，活塞環(huán)、活塞桿密封裝置試驗臺應(yīng)滿足強(qiáng)度及剛度要求。因此，需要對各個動力零件進(jìn)行強(qiáng)度校核以及高壓氣體零件進(jìn)行強(qiáng)度校核和剛度校核。
根據(jù)我國國家標(biāo)準(zhǔn)《機(jī)械密封試驗方法》以及機(jī)械行業(yè)密封試驗臺的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，試驗臺的設(shè)計需求主要有：
(1)設(shè)備具有一定的通用性，可以滿足多種機(jī)械密封產(chǎn)品試驗的需要；
(2)滿足型式試驗、出廠試驗和研究型試驗的要求；
(3)可以進(jìn)行靜壓試驗和動壓試驗；
(4)試驗臺密封腔內(nèi)介質(zhì)溫度可調(diào)，以模擬機(jī)械密封在工業(yè)現(xiàn)場的實際工
況。
(5)試驗臺密封腔內(nèi)介質(zhì)的壓力可調(diào)，以模擬機(jī)械密封在工業(yè)現(xiàn)場的實際工況。試驗臺還需具有穩(wěn)壓的措施，允許的壓力波動值在規(guī)定值的士5％范圍內(nèi)：
(6)具有可以測量介質(zhì)溫度、壓力、轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速及試驗臺振動量的測試系統(tǒng)。
除此之外，還需要考慮制造成本等問題。
3.2 總體方案設(shè)計
表征活塞桿用密封件密封性能的主要參數(shù)為泄漏量(泄漏體積或壓降)、摩擦功耗(摩擦系數(shù))、磨損速率(磨損量)等。另外，活塞桿密封的性能還包括潤滑油的“上油”量。為了研究活塞桿密封件的上述性能，目前還無法完全依靠理論分析的方法獲得，因為密封件的密封性能涉及的密封機(jī)理、摩擦磨損機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜。雖然理論分析可以深入研究動密封的內(nèi)部機(jī)理及摩擦磨損機(jī)理，但應(yīng)用于工程實際，往往需要研制相應(yīng)的密封試驗臺對其進(jìn)行試驗研究。
典型的斯特林發(fā)動機(jī)活塞桿密封試驗臺由專用密封試驗裝置、扭矩傳感器、電機(jī)、高壓氣源及控制臺、測量儀器等組成，用電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動活塞桿往復(fù)運(yùn)動模擬斯特林機(jī)實際運(yùn)行工況，斯特林發(fā)動機(jī)密封試驗臺實物圖如圖2.1所示，由以下部分組成：(1)專用密封裝置：帽式密封密封頂腔氣體，滑動密封密封油氣混合腔氣體，磁力密封密封曲軸箱內(nèi)的氣體。(2)曲軸連桿機(jī)構(gòu)(3)電機(jī)傳動部分(4)氣源及測試氣路。
典型的斯特林活塞桿密封試驗臺如下圖3.1，原理圖3.2所示。
圖3.1斯特林活塞桿密封試驗臺
圖3.2 斯特林活塞桿密封試驗臺的原理圖
本文中，密封環(huán)、活塞環(huán)的總體方案設(shè)計，如下圖3.3所示，該試驗臺主要由底座、光電編碼器、電機(jī)、聯(lián)軸器、曲軸、曲軸箱、密封結(jié)構(gòu)等組成。
圖3.3密封試驗臺的總體方案設(shè)計
1-底座 2-光電編碼器 3-電機(jī) 4-聯(lián)軸器 5-曲軸 6-曲軸箱 7-密封結(jié)構(gòu)
圖3.4 帽式密封試驗的密封結(jié)構(gòu)圖
1-帽式密封件 2-蓋板 3-墊板 4-活塞筒 5-彈簧 6-套管 7-滑動密封環(huán) 8-油槽 9-活塞桿10-形圈I 11-O形圈II 12-塑料環(huán) 13-撐環(huán)14-o形圈lII 15-承壓座 16O形圈Ⅳ 17 -o形圈V 18-帽式密封環(huán) 19-擋圈
20-滑動導(dǎo)向套 21-卸荷孔 22-油槽
單獨做帽式密封試驗時，可將滑動密封環(huán)7和撐環(huán)13換成聚四氟乙烯材料制成的滑動導(dǎo)向套20(如圖3.4所示)?；瑒訉?dǎo)向套20制成45o錐角并與金屬錐面配合，其鉆有卸荷孔21(使活塞桿密封腔氣體從該孔泄漏，直徑為2 mm)，使導(dǎo)向套只起導(dǎo)向作用；滑動導(dǎo)向套20內(nèi)孔處開有圓形壞槽22，當(dāng)活塞桿9內(nèi)行程“上油”時，串上來的潤滑油被儲存在圓形環(huán)槽22中，當(dāng)活塞桿外行程時，可將刮上來的油從圓形環(huán)槽22帶出，“上油”量被減小。
圖3.5 滑動密封試驗的密封結(jié)構(gòu)圖
2-蓋板 3-墊板 4-活塞筒 5-彈簧 6-套管 7-滑動密封環(huán) 8-油槽
9-活塞桿 10-形圈I 11-0形圈II 12-塑料環(huán) 13-撐環(huán) 14-O形圈III
15-承壓座 16-0形圈Ⅳ
單獨做滑動密封試驗時，把帽式密封環(huán)l的O形圈V(17)、帽式密封環(huán)18、擋圈19拿掉，僅僅放上滑動密封環(huán)7和撐環(huán)13做滑動密封的密封性能試驗，如圖3.5所示，整個系統(tǒng)中起主要密封作用的是滑動密封環(huán)7。
`第四章 試驗臺傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計
4.1 傳動方案的設(shè)計
機(jī)械密封在實際工作時，其轉(zhuǎn)速通常可以在一定范圍內(nèi)可調(diào)，為此試驗臺
需要有一轉(zhuǎn)速可調(diào)的傳動機(jī)構(gòu)帶動機(jī)械密封轉(zhuǎn)動，模擬實際工況進(jìn)行機(jī)械密封
試驗。
本密封試驗臺是采用電力傳動的方式傳動的，如圖3.1。試驗臺傳動部分主要由電機(jī)、聯(lián)軸器、軸承、主軸以及主軸支架等組成，由于機(jī)械密封試驗時負(fù)載較小，運(yùn)轉(zhuǎn)相對較平穩(wěn)，因此可以簡單地使用聯(lián)軸器將電機(jī)軸與主軸直接相連，將電機(jī)的輸出傳遞給主軸，從而帶動安裝在主軸上的密封環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)；主軸通過一對深溝球軸承1和2安裝在主軸支架上，以起到支撐和消除軸的軸向和徑向傳動的作用。
圖4.1 傳動機(jī)構(gòu)
4.2 電機(jī)的選擇
電機(jī)可分為直流電機(jī)、交流電機(jī)；以及直流電機(jī)、交流電機(jī)；步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)一般用于傳動精度要求高的場合，伺服電機(jī)一般采用反饋式進(jìn)行控制。根據(jù)傳動的要求，本文選用三相異步電動機(jī)，三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與單相異步電動機(jī)相似，其定子鐵心槽中嵌裝三相繞組（有單層鏈?zhǔn)?、單層同心式和單層交叉式三種結(jié)構(gòu)）。定子繞組成接入三相交流電源后，繞組電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，轉(zhuǎn)子在感應(yīng)電流和氣隙旋轉(zhuǎn)磁場的相互作用下，又產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)柜（即異步轉(zhuǎn)柜），使電動機(jī)旋轉(zhuǎn)。三相異步電動機(jī)主要廣泛應(yīng)用于驅(qū)動機(jī)床、水泵、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、起重卷揚(yáng)設(shè)備、礦山機(jī)械、輕工機(jī)械、農(nóng)副產(chǎn)品加工機(jī)械等大多數(shù)工農(nóng)生產(chǎn)機(jī)械以及家用電器和醫(yī)療器械等。本文中，主軸的轉(zhuǎn)速為n,所需加載的力為F.由于轉(zhuǎn)速可調(diào)，因此同時，需要配備相應(yīng)的變頻器。
加載所需的功率
電機(jī)的額定功率
本文中,試驗臺選用Y160M1-2型三相異步電動機(jī)，如下圖3.2所示。三相異步電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)，如表3.1所示，它的性能滿足機(jī)械密封試驗的要求。
表3.1 Y160M1-2型三相異步電動機(jī)技術(shù)指標(biāo)
電機(jī)型號
額定功率
最大轉(zhuǎn)速
最大轉(zhuǎn)矩
質(zhì)量
Y160M1-2
11 kW
2930r/min
2.3N.m
117kg
圖4.2 Y160M1-2型三相異步電動機(jī)
4.3 主軸的設(shè)計
轉(zhuǎn)軸與電機(jī)相連，傳遞電機(jī)的運(yùn)動，它不僅受到彎矩，同時也承受扭矩，在設(shè)計傳動機(jī)構(gòu)時需要對工作轉(zhuǎn)軸的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校驗。
a)按彎矩的軸校驗
彎矩校驗時其軸徑需要滿足：
式中Me—當(dāng)量彎矩，滿足，其中：a為根據(jù)彎矩性質(zhì)而定的折合系數(shù)，對于不變轉(zhuǎn)矩a=0.3；當(dāng)轉(zhuǎn)矩以脈動變化時，a=0.6；對于頻繁正反轉(zhuǎn)的軸口a=1；M為垂直面彎矩MV和水平面彎矩MH合成彎矩，單位為N.mm；T為傳遞的轉(zhuǎn)矩，單位N.mm;
一對稱循環(huán)狀態(tài)下的許用彎曲應(yīng)力，與材料的特性相關(guān)，可以查表得到，單位N.mm。
b)按扭矩的軸校驗
扭矩校驗時其軸徑需要滿足：
式中 一軸的許用扭切應(yīng)力，單位為N.mm；
P—傳遞的功率，kW；
n-軸的轉(zhuǎn)速，單位r／min；
最后設(shè)計的軸徑需要滿足d=max(d, d2)。此外，設(shè)計轉(zhuǎn)軸時還需要充分考慮到機(jī)械密封的動環(huán)和軸套的內(nèi)徑等因素。本文最終選定曲軸的最小直徑為42mm,與加載桿相連接的軸段直徑大小為57mm,長度為32mm.
本文中，考慮到密封中加載力的大小，以及加載時位移的變化，本文所設(shè)計的主軸采用曲軸的形式。
曲軸的設(shè)計，如下圖3.3所示。
圖4.3 曲軸的設(shè)計
4.4傳動系統(tǒng)慣量、轉(zhuǎn)矩、功率的計算
根據(jù)曲軸的設(shè)計，同時計算出系統(tǒng)慣量，計算分析出曲軸最大轉(zhuǎn)矩的位置和最大功率的位置。轉(zhuǎn)動慣量的計算主要是通過計算曲軸的轉(zhuǎn)動慣量。
1.傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量的計算
根據(jù)圓柱體轉(zhuǎn)動慣量的計算公式
,其中M為圓柱體的質(zhì)量，D為圓柱體的直徑
整個傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量:
,
其中Mi為各段圓柱體的質(zhì)量，D為圓柱體的直徑
2. 轉(zhuǎn)矩的計算
傳動系統(tǒng)中曲軸的轉(zhuǎn)矩 T=FL
其中，F(xiàn)為曲軸的加載力，L為曲軸的工作半徑長度
3. 功率的計算
傳動系統(tǒng)的功率 P=Fv
其中，F(xiàn)為曲軸的加載力，v為曲軸加載時的瞬時速度大小
根據(jù)上式可知，最大轉(zhuǎn)矩和最大功率出現(xiàn)在同一位置，即在曲軸頂起加載桿的位置，如下圖3-4所示。
圖3.4 曲軸與加載桿
4.5 飛輪的設(shè)計
由于所設(shè)計的主軸采用的曲軸的形式，因此需要設(shè)計相應(yīng)的飛輪來平衡曲軸的轉(zhuǎn)動。飛輪，是指裝在曲軸后端的較大的圓盤狀零件，它具有較大的轉(zhuǎn)動慣量，具有將發(fā)作功行程的部分能量儲存起來，以克服其他行程的阻力，使曲軸均勻旋轉(zhuǎn)。
圖3.5 飛輪的設(shè)計
4.6 聯(lián)軸器的選擇
聯(lián)軸器是用來聯(lián)接不同機(jī)構(gòu)中的兩根軸（主動軸和從動軸）使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機(jī)械零件。在高速重載的動力傳動中，有些聯(lián)軸器還有緩沖、減振和提高軸系動態(tài)性能的作用。聯(lián)軸器由兩半部分組成，分別與主動軸和從動軸聯(lián)接。一般動力機(jī)大都借助于聯(lián)軸器與工作機(jī)相聯(lián)接。聯(lián)軸器種類繁多，按照被連接兩軸的相對位置和位置的變動情況，可以分為：①固定式聯(lián)軸器。②可移式聯(lián)軸器。主要用于兩軸要求嚴(yán)格對中并在工作中不發(fā)生相對位移的地方，結(jié)構(gòu)一般較簡單，容易制造，且兩軸瞬時轉(zhuǎn)速相同。根據(jù)所設(shè)計的曲軸的直徑大小，本文主要選用MFSYT-73、MFSYT-72半聯(lián)軸器。
圖3.6 聯(lián)軸器1
圖3.7 聯(lián)軸器2
4.7軸承的選擇
軸承是在機(jī)械傳動過程中起固定和減小載荷摩擦系數(shù)的部件。也可以說，當(dāng)其它機(jī)件在軸上彼此產(chǎn)生相對運(yùn)動時，用來降低動力傳遞過程中的摩擦系數(shù)和保持軸中心位置固定的機(jī)件。軸承是當(dāng)代機(jī)械設(shè)備中一種舉足輕重的零部件。它的主要功能是支撐機(jī)械旋轉(zhuǎn)體，用以降低設(shè)備在傳動過程中的機(jī)械載荷摩擦系數(shù)。按運(yùn)動元件摩擦性質(zhì)的不同，軸承可分為滾動軸承和滑動軸承兩類。軸承包括深溝球軸承、推力球軸承、圓柱滾子軸承、角接觸球軸承等，根據(jù)軸承所承受的軸向力以及所設(shè)計的主軸的內(nèi)徑大小，本文選用圓柱滾子軸承N209E.
4.8損耗功率的分析和計算
本文中所消耗的摩擦功率主要包括熱功率和摩擦損耗功率兩部分。
在轉(zhuǎn)動過程中，各部件的發(fā)熱所消耗的功率P熱，發(fā)熱功率主要包括電機(jī)的熱功率P電熱、聯(lián)軸器的熱功率P聯(lián)熱、曲軸的熱功率P曲熱、加載桿的熱功率P桿熱等。
所消耗的總熱功率
在轉(zhuǎn)動過程中，各部件的摩擦所消耗的功率P摩擦，發(fā)熱功率主要包括電機(jī)與聯(lián)軸器的摩擦損耗功率P聯(lián)磨、聯(lián)軸器與曲軸的摩擦損耗功率P曲磨、曲軸與加載桿的摩擦損耗功率P桿磨、密封結(jié)構(gòu)摩擦損耗功率P密磨等。
所消耗的摩擦功率
所損耗的總功率
4.9氣缸的壓力與容積
根據(jù)相關(guān)計算公式，氣缸壓力計算如下：
推力： Ft(N)=0.25πD2P?
拉力： Fi(N)=0.25π(D2-d2)P?
其中，D-活塞直徑，d-活塞桿直徑，P-工作壓力(MPa）
帶入得：氣缸的最大壓力F(N)=0.25×π×122×20=2262(N)
氣缸的容積用Vh：
Vh=(π/4)D2S×10-6 (L)
= 0.25×π×122×40×10-6=9.05×10-3（N）
式中：D－氣缸直徑，單位mm；S－活塞行程，單位mm；
第五章 試驗臺結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計
5.1 曲軸箱的設(shè)計
曲軸箱主要主要用來承載主軸、加載桿、氣缸等。其主要結(jié)構(gòu)特點是在畫橫向上承載主軸，在徑向上承載氣缸。曲軸箱可采用焊接式或鑄造式的方式進(jìn)行加工，主要是看曲軸箱的生產(chǎn)批量。一般單件的生產(chǎn)可采用焊接式，大批量生產(chǎn)可采用鑄造式，主要是單件鑄造的生產(chǎn)加工成本高。
本文中曲軸箱的設(shè)計主要采用上下兩個部分。如下圖5.1、5.2所示
圖5.1 曲軸箱上部
圖5.2 曲軸箱下部
5.2冷卻裝置的設(shè)計
冷卻裝置主要由冷卻殼上、下部、密封圈、冷卻芯、密封圈、管接頭等構(gòu)成。如下圖5.3所示。
1-冷卻殼體上部，2-內(nèi)六角圓柱螺釘，3-密封圈、4-冷卻芯、5-冷卻殼體下部、6-密封圈、7-密封圈、8-焊接式分管管接頭、9-彈簧墊圈
圖5.3 冷卻裝置
5.3底座的設(shè)計
底座主要是用來支撐整個部件，對整個部件起到了良好的支撐作用。本文中，底座的設(shè)計，如下圖5.4所示。
圖5.4 底座的設(shè)計
5.4 總裝圖
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