1、2023 年 2 月第 48 卷 第 2 期润滑与密封LUBICATION ENGINEEINGFeb.2023Vol.48 No.2DOI:10.3969/j.issn.02540150.2023.02.021文献引用:杨东亚，孙荣拓，李佳骏，等斯特林机活塞杆帽式密封结构改进研究 J 润滑与密封，2023，48(2):142147Cite as:YANG Dongya，SUN ongtuo，LI Jiajun，et alesearch on piston rod captype seal structure improvement of stirling engine J Lubricati
2、on Engineering，2023，48(2):142147*基金项目:甘肃省自然科学基金项目(1606JZA166)收稿日期:20211117;修回日期:20220115作者简介:杨东亚(1976)，男，副教授，研究方向为斯特林发动机密封技术。Email:yangdy 。斯特林机活塞杆帽式密封结构改进研究*杨东亚孙荣拓李佳骏薛薇(兰州理工大学机电工程学院甘肃兰州 730050)摘要:为解决斯特林机活塞杆处介质泄漏的问题，对其帽式密封结构进行改进，并利用有限元分析软件 ANSYS建立其二维轴对称模型;基于实际运行工况，分析比较改进密封结构的性能指标，并通过改变边界条件，探究介质压力、摩擦因
3、数及活塞杆运行速度对改进密封结构性能影响规律。结果表明:改进的密封结构消除了原有结构 O 形圈的应力集中问题，提高了最大接触应力，且在增加有效密封面积 40%的同时又将 O 形圈的最大等效应力降低了近 50%;3 个关键参数中介质压力对密封性能的影响力最大，对于改进密封结构，在介质压力为 6 8.5 MPa 时其密封性能最佳。关键词:斯特林机;帽式密封;结构改进;活塞杆;密封性能中图分类号:TB42esearch on Piston od Captype Seal StructureImprovement of Stirling EngineYANG DongyaSUN ongtuoLI Ji
4、ajunXUE Wei(School of Mechanical and Electrical Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou Gansu 730050，China)Abstract:In order to solve the problems of the Stirling machine piston rod working medium leakage，the structure of capseal was improved，and the twodimensional axisymmetric model of
5、 the sealing structures was established by using finite el-ement analysis software ANSYSBased on the actual operation condition，the performance of the improved sealing structureswere analyzedBy changing the boundary conditions，the influence of working medium pressure，friction coefficient and pis-ton
6、 rod speed on the performance of improved sealing structure was investigatedThe results show that the improved sealingstructure eliminates the stress concentration problem of the original Oring structure，and the maximum contact stress is in-creasedThe effective sealing area of the improved sealing s
7、tructure is increased by 40%，and the maximum stress of Oringis reduced by nearly 50%Among the three key parameters，the medium pressure has the greatest influence on the sealingperformanceFor the improved sealing structure，the sealing performance is the best when the medium pressure is from 6MPa to 8
8、.5 MPaKeywords:Stirling machine;captype seal;structural improvement;piston rod;sealing performance斯特林机是一种外部供热的活塞式发动机，以气体(氢气或氦气)为介质，按闭式回热循环方式工作。活塞杆处介质泄漏是斯特林发动机常见的故障现象，也是最难解决的问题之一1。针对活塞杆密封问题，很多研究人员通过有限元分析法对 O 形圈进行优化分析，发现了通过合理设计 O 形圈截面形状可改变内部应力及接触应力的大小及分布，以达到提升密封性能的效果。周立臣2 分析了几种改进 O 形圈的力学特性，证明改进截面为“D”形
9、可以提升密封性能。韩传军和张杰3 对 X 形密封圈进行了优化设计并分析验证了优化结果。刘先斌和廖兰4 针对气体密封，将 O 形圈截面改进为锥形，并验证了改进后可提高密封性能。蔡智媛等5 利用 ANSYS 软件分析了液压格莱圈密封轴向推进和径向压缩两种预压缩的静密封性能，并得确定了不同介质压力和压缩率应选择的预压缩方式。针对斯特林机活塞杆密封问题，TANAKA6 研究发现带有“润滑环”的组合密封装置具有良好的密封性能。兰州理工大学研究人员对斯特林机密封结构和关键零部件做了较 为 深 入 的 研 究 和 设 计。其 中 杨 东 亚 等7 和CHANG8 确定了帽式密封基本结构，并分析验证了该结构可
10、满足斯特林机活塞杆的密封需求;曹文翰9 通过分析和实验建立材料摩擦磨损模型，提出了多场耦合下密封数值模拟方法，设计了 CL 盖封密封件，并验证了其优化效果;张甜等人10 分析了过盈量和压缩量对帽式密封性能和寿命的影响规律;李东轩等11 利用 ABAQUS 软件进行了帽式密封稳态和瞬态分析并探析了不同介质压力下的有效密封区域，同时还研究了摩擦热对于密封性能的影响。但迄今为止，鲜见对帽式密封结构的改进研究。斯特林机中高压介质会使密封圈变形而与活塞杆非理想接触，另外工作时密封装置上下交变压差会致使密封圈与活塞杆贴紧力不稳定。针对以上问题，本文作者对帽式密封结构进行改进设计，并进一步探究关键工况参数对
11、改进密封结构的影响规律，为帽式密封的优化设计提供依据和指导。1结构建模1.1密封机制原有帽式密封结构如图 1 所示，由活塞杆、垫板、密封圈、O 形圈和挡圈组成。其密封效果通过密封圈与活塞杆过盈配合安装和 O 形圈的压缩预紧提供。在活塞杆往复运动的过程中密封圈会产生磨损，但在 O 形圈所提供的径向力作用下，磨损的密封圈会被不断补偿以维持密封效果并延长帽式密封结构的寿命。帽式密封的安装如图 2 所示。图 1帽式密封结构 1/4 剖视图Fig.1Captype combination seal construction 1/4 section view图 2帽式密封Fig.2Captype seal
12、1.2模型建立利用 ANSYS 建立尺寸如图 3 所示简化帽式密封的 2D 轴对称模型，并将改进结构使用同样基础尺寸和建模方法建立相应模型。图 3模型尺寸Fig.3The model size使用轴对称模型可在保证计算准确度的前提下简化计算，缩短计算时间。其结构、约束和边界条件均为轴对称分布，符合密封结构的特性，因此将模型简化为二维轴对称问题。图 4 所示为研究的 4 种结构的有限元模型，结构1 为现有帽式密封结构简化模型，其余 3 种结构为文中提出的改进结构。其中结构 2 两个密封圈截面内侧均为弧线;结构 3 两个密封圈截面内侧均为直线;结构 4 两个密封圈截面内侧均为直线，O 形圈截面形状
13、改为鼓形。密封圈、挡圈均采用聚四氟乙烯基复合材料，具体参数见表 1。O 形圈均采用耐油氟橡胶，为超弹材料且具有高度非线性。为了准确模拟其性能，文中采用 Mooneyivlin 模型描述其力学特性，其表达式为W=c10(I1 3)+c01(I2 3)(1)式中:W 为应变能;cij为材料的 Mooneyivlin系数，具体参数见表 2。3412023 年第 2 期杨东亚等:斯特林机活塞杆帽式密封结构改进研究图 4各结构有限元模型Fig.4Finite element model of each structure:(a)structure No.1;(b)structure No.2;(c)st
14、ructure No.3;(d)structure No.4表 1密封圈材料参数Table 1Sealing ring material parameters参数材料屈服应力s/MPa弹性模量E/MPa剪切模量/GPa泊松比密度/(kg m3)数值 改性 PTFE189600120402 295表 2O 形圈材料参数Table 2Oring material parameters参数材料温度t/弹性模量E/MPa泊松比c01/MPac10/MPaD1/MPa密度/(kg m3)数值 耐油氟橡胶20010049 187 047 0011 000其余部分为默认材料 Structural Steel
15、。为得到高质量网格和较准确的分析结果，将 O形圈进行三角形网格划分。为利于整个模型收敛，将除 O 形圈之外的所有结构使用自动划分，并且将密封圈的网格大小调整，将密封圈和 O 形圈的所有接触区域进行网格密化。1.3基本假设为简化模型，提高运算效率，文中假设一切限定环境与参数在分析中不发生变化，且除分析中控制的环境和条件外，忽略其他影响因素。1.4约束与载荷模型中所有接触均为摩擦接触，法向刚度设定为因数，数值为 1，更新刚度为每次更新，时步自动平分。固定挡圈，将载荷施加分为三步，第一步通过控制远程位移使各个模型匀速完成预压缩，第二步在模型上侧匀速施加介质压力，第三步给活塞杆添加往复运动，以模拟实际
16、工况。载荷与边界条件见表 3。表 3载荷与边界条件Table.3Load and boundary conditions温度t/摩擦因数介质压力 p/MPa预压缩率/%速度 v/(ms1)行程s/m1200251510022仿真结果及分析2.1密封性能分析图 5 所示是 4 种模型 O 形圈的 von Mises 等效应力云图。O 形圈的应力表现对帽式密封的自补偿功能有极大的影响，尤其是径向应力分布是否均匀是衡量结构质量的关键。通过比较可以发现，在相同条件下，结构 1 的应力分布由于介质压力的影响非常不均匀，应力主要集中在与密封圈下端接触位置;结构3、4、5 中，由于减小了 O 形圈受介质压力的影响，应力表现相对于结构 1 更分散并且分布更均匀，最大等效应力也更小。其中结构 2、3 的最大等效应力值只有结构 1 的 57.5%和 47.6%。另外，结构 3 中的径向应力集中最为明显，结构 2、4 中 O 形圈径向应力相对于结构 3 有明显的分散，尤其是结构 4，几乎消除了该区域的应力集中并将其分散至与密封圈顶端接触的两点附近。图 5各结构 O 形圈 von Mises 应力云图(MPa