活塞環(huán)、活塞桿的密封試驗臺設計【說明書+CAD+UG】,說明書+CAD+UG,活塞環(huán)、活塞桿的密封試驗臺設計【說明書+CAD+UG】,活塞環(huán),活塞桿,密封,試驗臺,設計,說明書,仿單,cad,ug 任務書 院（系） 專業(yè) 班級 姓名： 學號 1. 設計題目： 活塞環(huán)、活塞桿密封試驗臺設計 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，各國都投入巨資進行開發(fā)和利用。斯特林太陽能并網發(fā)電系統，就是將太陽能轉換為電能的一套系統，可減少不可再生能源的消耗，確保經濟的可持續(xù)發(fā)展。 該項目是西安航空發(fā)動機有限公司承擔國家重點攻關科研項目《斯特林太陽能并網發(fā)電系統》，該系統的重要設備斯特林發(fā)動機，斯特林發(fā)動機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的運行成本和工作效率。西安航空發(fā)動機有限公司委托西安工業(yè)大學研制活塞環(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，根據試驗數據，發(fā)動機設計與制造達到最佳水平。該試驗臺包含了機械動力系統設計、高壓氣體系統設計、液壓潤滑系統設計、冷卻系統設計、電器系統設計、變頻調速系統設計、轉矩測量與控制系統設計、轉速測量與控制系統設計、溫度測量系統設計、壓力測量系統設計，所有的設計必須符合國家工業(yè)標準。該題目可對學生進行全面的培養(yǎng)和提高，技術理念先進難度一般。該設計代表了當前工業(yè)控制的先進水平。 2、設計(論文)的主要內容及技術指標： 1.完成總體方案的設計，進行各種方案比較，電動機的選擇、連軸器、力矩傳感器、曲軸箱、曲軸、飛輪、連桿、導向系統、汽缸支架、汽缸、油氣分離器、汽缸蓋等設計。進行各種氣路的設計，曲軸箱的結采用箱體支承了曲軸，曲軸潤滑系統的設計，圖紙符合工程圖標準。 2.對動力傳遞系統進行力學分析，計算系統慣量，計算分析最大轉矩的位置和最大功率的位置，根據轉矩和慣量設計飛輪，完成曲軸動平衡質量的計算，對系統的摩擦功率進行分析和計算，計算汽缸的壓力與容積，確定冷卻系統水的流量。 3.對各個動力零件進行強度校核，高壓氣體零件進行強度校核和剛度校核。 4.介質氣體壓力：20MPa～9MPa，介質氣體溫度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.設計的基本要求及進度安排（含起始時間、設計地點）： 2014年 2 月 日起至 2014年 6 月 日止 西安工業(yè)大學內 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 設計，計算，繪圖。 4. 15-----18周 完成論文。 5.畢業(yè)設計（論文）的工作量要求 15000字 ① 實驗（時數）*或實習（天數）：三天 ② 圖紙（幅面和張數）*： 產品全部圖紙 ③ 其他要求： 外文翻譯字數: 3000字符 參考文獻篇數： 18篇 （其中英文資料3篇） 論文字數： 15000字 指導教師簽名： 年 月 日 學生簽名： 年 月 日 系（教研室）主任審批： 年 月 日 說明：1本表一式二份，一份由學生裝訂入附件冊，一份教師自留。 2 帶*項可根據學科特點選填。 摘 要 隨著經濟的發(fā)展，能源是作為國民經濟發(fā)展和人民生活所必需的重要物質基礎，對社會、經濟發(fā)展和提高人民物質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)動機活塞環(huán)、活塞桿的密封試驗臺進行了設計。本文概述了斯特林發(fā)動機的工作原理、活塞桿密封裝置結構。對試驗臺的傳動機構和結構部件進行了設計。傳動機構主要包括發(fā)動機的選擇，主軸、飛輪的設計、聯軸器及軸承的選擇以及系統轉動慣量、轉矩、功率、氣缸容積及壓力的計算等。結構部件主要包括曲軸箱、冷卻裝置、底座的設計等。本次設計，基本上達到了設計的技術指標，完成了設計任務。 關鍵字：斯特林發(fā)動機 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)動機及其活塞桿密封概括 4 1.3 國內外密封試驗臺的研究現狀 5 1.4課題來源及主要研究內容 8 第二章 斯特林發(fā)動機的工作原理及其活塞密封結構 10 2.1斯特林發(fā)動機的工作原理簡介 10 2.2 典型的密封裝置結構 12 2.3 密封測試的性能參數 17 第三章 密封試驗臺的總體方案設計 19 3.1 設計要求 19 3.2 總體方案設計 19 `第四章 試驗臺傳動機構的設計 23 4.1 傳動方案的設計 23 4.2 電機的選擇 23 4.3 主軸的設計 24 4.4傳動系統慣量、轉矩、功率的計算 26 4.5 飛輪的設計 27 4.6 聯軸器的選擇 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 試驗臺結構部件的設計 32 5.1 曲軸箱的設計 32 5.2冷卻裝置的設計 33 5.3底座的設計 34 5.4 總裝圖 35 參考文獻 37 結 論 39 致 謝 40 第一章 緒論 1.1課題研究背景及意義 能源是國民經濟發(fā)展和人民生活所必需的重要物質基礎，對社會、經濟發(fā)展和提高人民物質文化生活水平極為重要。現代社會的生產和生活，依賴于能源的大量消耗。 21世紀，人類需要實現經濟和社會可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)，而面對這些挑戰(zhàn)的基礎-能源，已經成為人們共同關注的熱點問題?，F有能源問題有幾下幾個方面比較突出：①能源短缺。隨著經濟的高速發(fā)展，已探明的煤和石油等常規(guī)能源已經不能滿足發(fā)展的需要。從現有儲量來看，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，每年有數十萬噸的有害物質排向天空，使大氣環(huán)境遭到嚴重污染，直接影響了人們的身體健康和生活質量；局部地區(qū)形成酸雨，嚴重污染水土，破壞植物生長。③溫室效應?；茉吹睦卯a生大量C02等溫室氣體，從而導致溫室效應，引起全球氣溫變暖。因此，為了解決上述能源問題，實現社會和經濟的可持續(xù)發(fā)展，只能依靠科技進步，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，已經成為人們應對能源短缺、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烈關注。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，一年內到達地球表面的太陽能總量折合標準煤共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。太陽能像風能、潮汐能等潔凈能源一樣，其開發(fā)利用時幾乎不產生任何污染。④利用的經濟性?？梢詮膬蓚€方面看太陽能利用的經濟性。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構轉換中擔當重任，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)動機的缸內工質來驅動發(fā)電機，實現光能和機械能的轉化，具有無污染、可持續(xù)運行的優(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)電效率高和技術成熟等優(yōu)點，被認為是太陽能發(fā)電中最有前途的發(fā)電方式。 隨著科學技術與工業(yè)的發(fā)展，材料及加工制造水平顯著提高，斯特林發(fā)動機其他部件的研發(fā)有了極大的進展，而工質密封的研究一直沒有很大的突破。目前，國外研究機構生產的密封件的使用壽命為2500h，還遠未達到理想的使用壽命時限。密封件為發(fā)動機的核心部件，每次更換密封件費時費力，不僅造成了經濟上的損失，又嚴重影響了斯特林發(fā)動機的使用效率。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)動機工質的密封問題是斯特林發(fā)動機研究工作中需要著重解決的問題，也是難點問題。工質的泄漏輕則造成發(fā)動機的功率和效率的下降，重則導致整機損壞。針對斯特林發(fā)動機的工質密封問題，國內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，斯特林發(fā)動機活塞桿的密封件是密封裝置中的關鍵零部件。密封件不僅關系到密封裝置的泄漏問題，而且還影響到整個機器設備的使用壽命。對于高性能斯特林發(fā)動機而言，其工質通常為氫氣和氦氣，平均循環(huán)壓力都在15MPa左右。如何使斯特林發(fā)動機在高壓、高溫、高速運轉的苛刻工況條件下，實現活塞桿密封件高密封性、低摩擦功耗及較長的使用壽命，是當前研究的重中之重。 鑒于上述情況，本文以斯特林發(fā)動機活塞桿、活塞環(huán)密封為研究對象，設計斯特林發(fā)動機密封裝置-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)動機密封裝置相應的性能參數，對影響密封件密封性能的因素分析。為解決斯特林發(fā)動機工質密封問題提供基礎理論指導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依據。因此，對斯特林發(fā)動機密封裝置的密封試驗臺設計具有非常重要的現實意義。 1.2斯特林發(fā)動機及其活塞桿密封概括 一、斯特林發(fā)動機簡介 斯特林發(fā)動機，也叫熱氣機，是一種外部供熱(或燃燒)的閉式循環(huán)熱力發(fā)動機。主要由外部供熱系統、工作循環(huán)系統、傳動系統以及監(jiān)控系統等組成。與內燃機不同的是，它將工質密封在氣缸里，從外部進行加熱或冷卻，使工質受熱膨脹后推動活塞往復運動，進而使發(fā)動機對外輸出功率。在氣缸外的燃燒室內燃料連續(xù)燃燒，產生的熱量通過加熱器傳給工質，工質不參與燃燒。 因此，斯特林發(fā)動機在一定程度上兼?zhèn)淞藘热紮C和燃氣輪機優(yōu)點的同時，還具備了如下特點： (1)燃料多樣化 斯特林發(fā)動機對燃料的適用性很強，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，秸稈等農作物廢棄物。同時，斯特林機也可以回收各種低品位和分散的熱能。 圖1.1 斯特林發(fā)動機結構示意圖 (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。斯特林機的實際運行效率為25％．35％，最高可達47％，甚至在部分負荷的情況下，仍可達到35％的發(fā)電效率。此外，斯特林機在氣缸外設有燃燒室，且其工質是連續(xù)燃燒，可實現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)動機的內部壓力變化平穩(wěn)，且壓比一般為2左右，解決了內燃機震爆做功問題，實現振動平穩(wěn)和低噪音運行；且因其燃燒過程易于實現自動控制，排煙污染較小。 (4)結構簡單、維護方便 斯特林發(fā)動機結構簡單，沒有容易出故障的高壓噴油系統和氣閥機構，運動部件較少，維護方便。 (5)運行特性好 斯特林發(fā)動機屬于低速扭矩，運轉平穩(wěn)，扭矩變動特性較好，在超負荷的情況下仍能正常運轉。內燃機通常只能超15％負荷，而斯特林機在高原等惡劣條件下都可以正常使用。 二、斯特林發(fā)動機活塞桿密封簡介 斯特林發(fā)動機活塞桿密封結構作為其往復運動執(zhí)行機構中的關鍵裝置，不僅 直接關系到整體系統的泄漏問題，而且影響整機的機械性能和壽命問題。在正常運行工況下，活塞桿主要承受軸向力，以一定的速度在往復運動執(zhí)行機構中對外做功。既要保證活塞桿能夠實現有效傳動，又要防止工質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，故而必須對斯特林機的活塞桿進行密封。斯特林機的平均循環(huán)壓力和其功率成正比，伴隨工業(yè)的發(fā)展和需求，對活塞桿的運行工況要求也逐漸提高，使得其工作壓力越高，發(fā)動機的功率密度越大，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能否向高功率密度發(fā)展的關鍵，研究活塞桿密封機理、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 國內外密封試驗臺的研究現狀 西方發(fā)達國家機械密封試驗的技術已經達到非常高的水平，并且已經形成 了比較完善的試驗體系。如圖1-1所示是APl682標準對機械密封試驗的要求， 它包含了豐富的試驗內容以保證其機械密封產品質量。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據采集探頭。許多著名學校也在一些大企業(yè)的資助下與企業(yè)合作開展機械密封的研究，創(chuàng)造出許多成就，也具備一定的試驗條件。 圖1.1 機械密封試驗臺 圖l.2 基于網絡的機械密封監(jiān)視裝置 由于密封端面信息在機械密封研究中具有非常重要作用，國外很多企業(yè)和研究機構十分重視對機械密封端面信息的采集和研究。比如美國George W．Woodruff學校Itzhak Green教授認為，研究機械密封臨界端面的運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據采集設備送入計算機，經過計算機的分析和處理后畫出動環(huán)相對于旋轉軸心跳動的軸心軌跡圖，并以此研究機械密封工作時動環(huán)相對于軸心的運動狀況。該系統通過測量端面軸向軌跡，機械密封運作狀況，但還不滿足機械密封試驗的要求。 在國外，一些用于實時監(jiān)控機械密封工作狀態(tài)的設備也被開發(fā)出來。比如意大利某公司利用微處理器設計了一臺多功能機械密封試驗設備SEALsafe，該設備支持實時檢測和調節(jié)機械密封腔內溫度和壓力，定時測量密封端面的泄漏量，并且可以將采集的數據進行分析和處理，并根據這些數據調節(jié)機械密封轉速、溫度和壓力等，從而保持其良好的工作狀態(tài)。德國的Burgmann將網絡技術應用于測試系統中，推出了一款基于網絡的機械密封性能監(jiān)控系統，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采集機械密封端面和腔內介質的溫度和壓力信號，并將采集的數據通過網絡輸送到微型計算機去處理，用戶無論身處何處都可以通過網絡監(jiān)視機械密封的運行情況，便于及時發(fā)現問題，排除故障州J.A．W．Chesterton Co．的工程師們在虛擬機械密封試驗方面有較大的突破，他們利用計算機仿真的方法建立了機械密封的模型，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的流體動力場和溫度場，然后讓機械密封數字模型在計算機的控制下工作起來，并可以很方便地分析其各種參數，以及預期可能會出現的問題。該項技術被廣泛用于Chesterton的多種機械產品設計過程中，取得了很好的效果，但計算機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，機械密封測試技術的研究主要還是局限于某些大學和大公司的研究所，其中一些石油化工類學校在機械密封的試驗和研究方面做出了巨大貢獻。在不斷的應用、實踐、研究以及與國外先進技術的交流和引進過程中，我國機械密封技術也得到了較快的發(fā)展，并逐步縮小與世界先進水平的差距。與國外一樣，我國也有一些企業(yè)和大學研究機構對機械密封端面信息的采集和研究進行了多方面的探索。胡小云等第一次利用信息論的理論，將機械密封端面信息分為靜態(tài)信息(主要是機械密封端面摩擦副材料信息、機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)下機械密封動環(huán)端面狀況作了理論分析，然后搭建變工況機械密封試驗臺，通過在密封試驗臺介質出口端安裝調壓溢流閥，來調節(jié)腔內壓力，通過加熱棒加熱水箱溫度調節(jié)腔內介質的溫度，以此模擬變工況下機械密封的工作環(huán)境，并使用微型計算機和外圍電路構建測試系統，測量在不同的溫度、壓力等狀況下動環(huán)端面情況，最后將采集的數據進行處理，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械密封的設計理論。 國內一些高校的研究機構通過搭建專用的試驗設備對研究溫度、壓力、轉速和振動等對機械密封性能和使用壽命的影響進行了多方面的探索。比如魏龍等在研究GY型機械密封性能時搭建了機械密封試驗臺，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，在電機軸和機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速信息，利用單片機構建微型機數據采集系統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處理，通過設定不同的機械密封工作條件，比如介質壓力、轉速等進行多組試驗，分析它們對機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振動可測型機械密封試驗臺，以研究彈簧比壓和振動對機械密封性能的影響；同時他們還引入分形理論分析了彈簧比壓對平衡型機械密封泄漏率和端面摩擦特性的影響，并以GY-70平衡型機械密封為例進行了試驗和研究。趙增順等為研究高參數熱流體動壓機械密封的性能，設計了高參數機械密封試驗臺，并改進了供油系統、數據采集及檢測系統的硬件設施，并開發(fā)了相應的測控系統軟件，以研究在高參數工況下密封壓力、主軸轉速、端面表面粗糙度、彈簧比壓、配對材料以及液體介質的粘溫變化等因素對熱流體機械密封性能的影響規(guī)律。從而為高參數熱流體密封的性能規(guī)律的研究以及結構的優(yōu)化提供有利支持。在我國，計算機仿真測試技術在機械密封試驗及研究上也得到廣泛應用，廖和濱等首先將有限元的分析方法應用在機械密封試驗上，他們嘗試利用ANSYS建立某機械密封溫度場和應力場的模型，以分析溫度和壓力對機械密封的影響；同時搭建了機械密封試驗臺進行試驗，測量溫度和壓力變化并進行分析，最后將兩個過程中分析的結果進行對比和驗證。 1.4課題來源及主要研究內容 本課題主要來自西安航空發(fā)動機有限公司承擔國家重點攻關科研項目《斯特林太陽能并網發(fā)電系統》，該系統的重要設備斯特林發(fā)動機，斯特林發(fā)動機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的運行成本和工作效率。西安航空發(fā)動機有限公司委托西安工業(yè)大學研制活塞環(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，根據試驗數據，發(fā)動機設計與制造達到最佳水平。該試驗臺包含了機械動力系統設計、高壓氣體系統設計、液壓潤滑系統設計、冷卻系統設計、電器系統設計、變頻調速系統設計、轉矩測量與控制系統設計、轉速測量與控制系統設計、溫度測量系統設計、壓力測量系統設計，所有的設計必須符合國家工業(yè)標準。該題目可對學生進行全面的培養(yǎng)和提高，技術理念先進難度一般。該設計代表了當前工業(yè)控制的先進水平。 設計(論文)的主要內容： 1.完成總體方案的設計，進行各種方案比較，電動機的選擇、連軸器、力矩傳感器、曲軸箱、曲軸、飛輪、連桿、導向系統、汽缸支架、汽缸、油氣分離器、汽缸蓋等設計。進行各種氣路的設計，曲軸箱的結采用箱體支承了曲軸，曲軸潤滑系統的設計，圖紙符合工程圖標準。 2.對動力傳遞系統進行力學分析，計算系統慣量，計算分析最大轉矩的位置和最大功率的位置，根據轉矩和慣量設計飛輪，完成曲軸動平衡質量計算，對系統的摩擦功率進行分析和計算，計算汽缸的壓力與容積，確定冷卻系統水的流量。 第二章 斯特林發(fā)動機的工作原理及其活塞密封結構 2.1斯特林發(fā)動機的工作原理簡介 斯特林發(fā)動機是一種外部加熱的閉式循環(huán)活塞式發(fā)動機。斯特林發(fā)動機通常 分為以下五個部分：熱腔，加熱器，回熱器，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熱器，此時膨脹腔容積為零。因此，工質全部集中在壓縮腔， 溫度為最低循環(huán)溫度民，工質壓力也最低。工質在循環(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 壓縮腔活塞從內止點向外止點移動。隨著壓縮活塞的移動，系統容積逐漸縮小， 工質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，到達外止點時過程結束；與此同時，膨脹活塞開始由外止點向內止點移動。兩個活塞作相反運動的結果，壓縮腔容積的縮小值等于膨脹腔容積的增大量，系統總容積不變，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，結果是壓縮腔中的工質全部被趕到膨脹腔。工質從壓縮腔到膨脹腔前，必須流經回熱器并得到回熱器的加熱，熱量QR從回熱器傳給工質，使工質溫度從最低循環(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)向其內止點 移動，結果系統容積增大，壓力下降，待膨脹活塞移動到內止點時過程結束。此 時，系統容積已從最小容積V3(=V2)擴大到最大容積V4(=V1).為了實現等溫膨脹，即T3=T4=TE，外源必須通過氣缸壁向工質供給等溫膨脹熱QE，同時系統向 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止點，同時膨脹活塞從其內止 點移動到外止點，結果將膨脹腔中的工質全部驅入壓縮腔，在流經回熱器時，回 熱器從工質中吸走熱能QR’,使工質溫度從最高循環(huán)溫度TE下降到最低循環(huán)溫度死后流入壓縮腔。兩個活塞作相反運動的結果，使工質在最大容積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)動機是雙作用斯特林發(fā)動機，其結構示意圖如圖 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、回熱器和加熱器，它們組成一個完整的循環(huán)系統。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，相當于四個雙作用斯特林發(fā)動機，但氣缸和活塞組的數目卻減少了一半，使得其結構大為緊湊，體積和重量大大下降。 圖2．2四缸雙作用斯特林發(fā)動機 2.2 典型的密封裝置結構 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構如圖2.3所示。其主要包括：橡膠密封圈(襪套)、調節(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，小端固定在往復運動的活塞桿上或是固定在動力活塞桿的內壁上，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，下方是潤滑油，當活塞桿往復運動時，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運動而作翻卷運動。工質壓力P經過滑動密封環(huán)之后將變成作用于橡膠卷筒之上的循環(huán)壓力尸卅。為了保護橡膠卷筒不會因為作用其上的高壓氣體而出現破裂問題，一般在橡膠卷筒的下方設置油腔，且設置的油壓適當高于其上方的氣壓，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，從而實現卷筒上下腔的壓差基本穩(wěn)定，有效地將高壓氣體密封轉化為油腔密封，降低了密封的難度。 2.自緊式密封 自緊式密封具有自動補償功能，密封裝置結構圖如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))的外側受到高壓氣體的作用使得密封環(huán)的內側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償的方式貼合到活塞桿上，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，密封工質能通過這些半圓槽孔流入到密封環(huán)的背側，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.結構所示，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)的數目可根據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)的個數就越多，或選擇高度適當的密封環(huán)以減少其使用數目。 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入冷腔(工作腔)，其結構如圖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)內設置一個橡膠隔膜，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入循環(huán)系統的同時也防止缸套與活塞的磨損粒子進入主密封環(huán)而加速磨損。 該密封裝置上方設有一個封油的頂密封，即使如果橡膠隔膜損壞，滑油也進不到冷腔。這種裝置既能絕對防止?jié)櫥蜐B入工作循環(huán)系統，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公司設計制造的一種滑動密封裝置，其結構主要包括預緊彈簧、刮油環(huán)、油氣分離設備、單向閥和滑動密封環(huán)等結構部件構成。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)上方設有一個刮油環(huán)，其作用是刮除活塞桿往復運動帶上來的多余潤滑油。在氣缸上設置的噴油孔實現對活塞桿的冷卻，當沾滿冷卻油的活塞桿往復運動時，雖然經過主密封環(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入活塞桿行程自由區(qū)，使得腔室既存在工質又有油霧。而在自由區(qū)上方設有一個密封環(huán)，有效地防止了油霧混合氣進入冷腔。 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，經過油氣分離器之后進入單向閥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化為密封殼體中工質的密封問題。 5. 新型斯特林發(fā)動機活塞桿密封裝置 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置有刮油器。這種組合密封結構的密封效果雖好，但仍存在較多的不足：其一，在運行過程中，填料函的摩擦阻力比較大，產生的熱量較多導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)、調整或更換，工作任務繁重；其三，當運行一定時間后，刮油器由于磨損而得不到較好的補償，增大工質的泄漏，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的補償能力，導致其密封性能較差?？紤]到現有密封結構存在的不足之處，以斯特林發(fā)動機為研究對象，設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構 新型組合式活塞桿密封裝置按摩擦副的運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，設計時要求密封環(huán)內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，以補償活塞桿與密封環(huán)運行時產生的磨損，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較小，降低了工作時的阻力和發(fā)熱量，磨損量變?。黄涠?，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收縮的自緊力，補償了在工作過程中密封環(huán)產生的磨損，提高了工作可靠性，并延長了密封件的使用壽命；其三，該密封結構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，改善了壓縮氣體的清潔程度；其四，密封裝置的組件數目較少，降低了維修保養(yǎng)的復雜程度和斯特林發(fā)動機的運行費用。 2.3 密封測試的性能參數 密封特性和使用壽命是國際上衡量機械密封的主要性能指標，提高機械密封的密封性能和使用壽命是機械密封技術發(fā)展的方向。影響機械密封性能的主要因素有： (1)彈簧比壓。彈簧比壓是影響機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械密封使用效果有很大的影響； (2)介質溫度。介質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)介質壓力。介質壓力對密封端面比壓有很大影響，選擇合適的介質壓 力可以減小密封端面泄漏以及摩擦面的功耗，從而提高機械密封的性能和使用 壽命； (4)工作轉速。轉速越高，密封端面間的流體動壓作用越強，使端面間隙增大，泄漏量增加。轉速對端面摩擦也有很大影響，轉速越高，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，要求選擇合適的密封副材組合； (6)振動。機械密封的振動主要是指密封動環(huán)的軸向和徑向振動。產生機械密封的振動的原因很多，比如泵本身的振動、旋轉軸的加工精度不夠、聯軸器的平行度差、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，導致其使用壽命的下降； 尤其當軸轉速與密封環(huán)固有頻率很接近的時候機械密封振動最大，所產生的危害也最大。比如鎮(zhèn)海煉化，由于振動原因造成機械密封失效約占所有失效的機械密封的15％，因此對振動的研究對提高機械密封性能和使用壽命是非常必要的。機械密封試驗主要目的是研究各個因素對機械密封的密封性能和使用壽命 的影響，從而改善機械密封設計、生產和應用。因此，國內外企業(yè)和研究機構進行機械密封試驗與研究的主要內容有： (1)研究不同的溫度、壓力和轉速等對機械密封性能和使用壽命的影響； (2)測量轉矩，研究密封端面的摩擦功耗； (3)研究彈簧比壓對機械密封密封特性和使用壽命的影響，保證機械密封在最佳彈簧比壓下工作； (4)測量機械密封密封腔體或動環(huán)的跳動量，研究振動對機械密封性能和 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。 其中研究內容(1)和(2)是機械密封試驗最基本的內容，也是我國《機械密封試驗方法》規(guī)定機械密封生產企業(yè)進行型式試驗和出廠試驗時必須測試和研究的內容。研究內容(4)通常用于研究和監(jiān)控實際工作中的機械密封設備的工作狀況以及實現計算機輔助的故障檢測與診斷，研究振動對機械密封性能的影響，可以為生產實際提供參考。密封端面最能反映機械密封工作狀況，因此研究內容(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計 3.1 設計要求 密封裝置的主要技術指標如下： （1）介質氣體壓力：20MPa～9MPa，介質氣體溫度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行設計。同時，活塞環(huán)、活塞桿密封裝置試驗臺應滿足強度及剛度要求。因此，需要對各個動力零件進行強度校核以及高壓氣體零件進行強度校核和剛度校核。 根據我國國家標準《機械密封試驗方法》以及機械行業(yè)密封試驗臺的設計標準，試驗臺的設計需求主要有： (1)設備具有一定的通用性，可以滿足多種機械密封產品試驗的需要； (2)滿足型式試驗、出廠試驗和研究型試驗的要求； (3)可以進行靜壓試驗和動壓試驗； (4)試驗臺密封腔內介質溫度可調，以模擬機械密封在工業(yè)現場的實際工 況。 (5)試驗臺密封腔內介質的壓力可調，以模擬機械密封在工業(yè)現場的實際工況。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： (6)具有可以測量介質溫度、壓力、轉軸轉速及試驗臺振動量的測試系統。 除此之外，還需要考慮制造成本等問題。 3.2 總體方案設計 表征活塞桿用密封件密封性能的主要參數為泄漏量(泄漏體積或壓降)、摩擦功耗(摩擦系數)、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理、摩擦磨損機理相當復雜。雖然理論分析可以深入研究動密封的內部機理及摩擦磨損機理，但應用于工程實際，往往需要研制相應的密封試驗臺對其進行試驗研究。 典型的斯特林發(fā)動機活塞桿密封試驗臺由專用密封試驗裝置、扭矩傳感器、電機、高壓氣源及控制臺、測量儀器等組成，用電機運轉帶動活塞桿往復運動模擬斯特林機實際運行工況，斯特林發(fā)動機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的氣體。(2)曲軸連桿機構(3)電機傳動部分(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)的總體方案設計，如下圖3.3所示，該試驗臺主要由底座、光電編碼器、電機、聯軸器、曲軸、曲軸箱、密封結構等組成。 圖3.3密封試驗臺的總體方案設計 1-底座 2-光電編碼器 3-電機 4-聯軸器 5-曲軸 6-曲軸箱 7-密封結構 圖3.4 帽式密封試驗的密封結構圖 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向套20(如圖3.4所示)?；瑒訉蛱?0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)，使導向套只起導向作用；滑動導向套20內孔處開有圓形壞槽22，當活塞桿9內行程“上油”時，串上來的潤滑油被儲存在圓形環(huán)槽22中，當活塞桿外行程時，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構圖 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 試驗臺傳動機構的設計 4.1 傳動方案的設計 機械密封在實際工作時，其轉速通?？梢栽谝欢ǚ秶鷥瓤烧{，為此試驗臺 需要有一轉速可調的傳動機構帶動機械密封轉動，模擬實際工況進行機械密封 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、聯軸器、軸承、主軸以及主軸支架等組成，由于機械密封試驗時負載較小，運轉相對較平穩(wěn)，因此可以簡單地使用聯軸器將電機軸與主軸直接相連，將電機的輸出傳遞給主軸，從而帶動安裝在主軸上的密封環(huán)運轉；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 傳動機構 4.2 電機的選擇 電機可分為直流電機、交流電機；以及直流電機、交流電機；步進電機和伺服電機，步進電機一般用于傳動精度要求高的場合，伺服電機一般采用反饋式進行控制。根據傳動的要求，本文選用三相異步電動機，三相異步電動機的結構與單相異步電動機相似，其定子鐵心槽中嵌裝三相繞組（有單層鏈式、單層同心式和單層交叉式三種結構）。定子繞組成接入三相交流電源后，繞組電流產生的旋轉磁場，在轉子導體中產生感應電流，轉子在感應電流和氣隙旋轉磁場的相互作用下，又產生電磁轉柜（即異步轉柜），使電動機旋轉。三相異步電動機主要廣泛應用于驅動機床、水泵、鼓風機、壓縮機、起重卷揚設備、礦山機械、輕工機械、農副產品加工機械等大多數工農生產機械以及家用電器和醫(yī)療器械等。本文中，主軸的轉速為n,所需加載的力為F.由于轉速可調，因此同時，需要配備相應的變頻器。 加載所需的功率 電機的額定功率 本文中,試驗臺選用Y160M1-2型三相異步電動機，如下圖3.2所示。三相異步電機的主要技術指標，如表3.1所示，它的性能滿足機械密封試驗的要求。 表3.1 Y160M1-2型三相異步電動機技術指標 電機型號 額定功率 最大轉速 最大轉矩 質量 Y160M1-2 11 kW 2930r/min 2.3N.m 117kg 圖4.2 Y160M1-2型三相異步電動機 4.3 主軸的設計 轉軸與電機相連，傳遞電機的運動，它不僅受到彎矩，同時也承受扭矩，在設計傳動機構時需要對工作轉軸的強度和剛度進行校驗。 a)按彎矩的軸校驗 彎矩校驗時其軸徑需要滿足： 式中Me—當量彎矩，滿足，其中：a為根據彎矩性質而定的折合系數，對于不變轉矩a=0.3；當轉矩以脈動變化時，a=0.6；對于頻繁正反轉的軸口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為傳遞的轉矩，單位N.mm; 一對稱循環(huán)狀態(tài)下的許用彎曲應力，與材料的特性相關，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 一軸的許用扭切應力，單位為N.mm； P—傳遞的功率，kW； n-軸的轉速，單位r／min； 最后設計的軸徑需要滿足d=max(d, d2)。此外，設計轉軸時還需要充分考慮到機械密封的動環(huán)和軸套的內徑等因素。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，本文所設計的主軸采用曲軸的形式。 曲軸的設計，如下圖3.3所示。 圖4.3 曲軸的設計 4.4傳動系統慣量、轉矩、功率的計算 根據曲軸的設計，同時計算出系統慣量，計算分析出曲軸最大轉矩的位置和最大功率的位置。轉動慣量的計算主要是通過計算曲軸的轉動慣量。 1.傳動系統轉動慣量的計算 根據圓柱體轉動慣量的計算公式 ,其中M為圓柱體的質量，D為圓柱體的直徑 整個傳動系統的轉動慣量: , 其中Mi為各段圓柱體的質量，D為圓柱體的直徑 2. 轉矩的計算 傳動系統中曲軸的轉矩 T=FL 其中，F為曲軸的加載力，L為曲軸的工作半徑長度 3. 功率的計算 傳動系統的功率 P=Fv 其中，F為曲軸的加載力，v為曲軸加載時的瞬時速度大小 根據上式可知，最大轉矩和最大功率出現在同一位置，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 飛輪的設計 由于所設計的主軸采用的曲軸的形式，因此需要設計相應的飛輪來平衡曲軸的轉動。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。 圖3.5 飛輪的設計 4.6 聯軸器的選擇 聯軸器是用來聯接不同機構中的兩根軸（主動軸和從動軸）使之共同旋轉以傳遞扭矩的機械零件。在高速重載的動力傳動中，有些聯軸器還有緩沖、減振和提高軸系動態(tài)性能的作用。聯軸器由兩半部分組成，分別與主動軸和從動軸聯接。一般動力機大都借助于聯軸器與工作機相聯接。聯軸器種類繁多，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固定式聯軸器。②可移式聯軸器。主要用于兩軸要求嚴格對中并在工作中不發(fā)生相對位移的地方，結構一般較簡單，容易制造，且兩軸瞬時轉速相同。根據所設計的曲軸的直徑大小，本文主要選用MFSYT-73、MFSYT-72半聯軸器。 圖3.6 聯軸器1 圖3.7 聯軸器2 4.7軸承的選擇 軸承是在機械傳動過程中起固定和減小載荷摩擦系數的部件。也可以說，當其它機件在軸上彼此產生相對運動時，用來降低動力傳遞過程中的摩擦系數和保持軸中心位置固定的機件。軸承是當代機械設備中一種舉足輕重的零部件。它的主要功能是支撐機械旋轉體，用以降低設備在傳動過程中的機械載荷摩擦系數。按運動元件摩擦性質的不同，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，根據軸承所承受的軸向力以及所設計的主軸的內徑大小，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的熱功率P電熱、聯軸器的熱功率P聯熱、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與聯軸器的摩擦損耗功率P聯磨、聯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、密封結構摩擦損耗功率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 根據相關計算公式，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 試驗臺結構部件的設計 5.1 曲軸箱的設計 曲軸箱主要主要用來承載主軸、加載桿、氣缸等。其主要結構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行加工，主要是看曲軸箱的生產批量。一般單件的生產可采用焊接式，大批量生產可采用鑄造式，主要是單件鑄造的生產加工成本高。 本文中曲軸箱的設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、管接頭等構成。如下圖5.3所示。 1-冷卻殼體上部，2-內六角圓柱螺釘，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，底座的設計，如下圖5.4所示。 圖5.4 底座的設計 5.4 總裝圖 參考文獻 [1]楊東亞,解歡,龔俊等.斯特林發(fā)動機活塞桿密封裝置設計[J].機械制造,2013,51(5):31-33.DOI:10.3969/j.issn.1000-4998.2013.05.012. 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