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第56卷第3期工程科学与技术Vol.56No.3

2024年5月ADVANCEDENGINEERINGSCIENCESMay2024

•机械工程•

DOI:10.15961/j.jsuese.202300314

斯特林机帽式密封性能分析及回归参数优化设计

1,21113

杨东亚,张海龙,王学霖,王锋,高贵

(1.兰州理工大学机电工程学院,甘肃兰州730050;2.兰州理工大学温州泵阀工程研究院,浙江温州325000;

3.中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室,甘肃兰州730000)

摘要:为改善斯特林机活塞杆帽式密封性能,首先采用数值仿真分析了5MPa工质压力下其静、动态力学特性,

从而获取了O型圈内径尺寸LN、C型环径向壁厚T和装配过盈量S这3个关键结构参数对密封性能的影响规律。在

此基础上,利用回归设计法以配伍面最大接触压力平稳且密封可靠为优化目标,对密封结构的上述3个关键参数

进行优化设计以确定其最佳匹配方案,最后通过密封试验台验证了本文优化设计方法的准确性和普适性。结果

表明:活塞杆与C型环密封面中间区域上最大接触压力随LN和S的增大而增大,但随T的增大而减小;通过估计回

归系数和方差分析(ANOVA)发现,LN对密封性能影响最为显著、S次之、T影响最小;LN和T、LN和S交互项对响应

显著,而T和S交互项对响应不显著;当LN为13.745mm、T为0.40mm和S为0.020mm时,优化密封件对应的正行程

最大接触压力为9.01MPa、回程为9.75MPa,较工程在用密封件(LN=13.780mm、T=0.50mm、S=0mm)最大接触压

力分别降低了14.7%和25.5%。实验进一步验证了优化密封件的密封性能和使用寿命均优于工程在用密封件,并

且在不同工质压力下优化密封件的接触压力均匀性更好,减摩延寿效果显著,充分证明本文性能分析与优化设

计方法准确有效。

关键词:斯特林机;帽式密封;性能分析;参数优化;回归设计

中图分类号:TB42文献标志码:A文章编号:2096-3246(2024)03-0287-14

斯特林发动机是一种外部供热活塞式发动机,面的紧密贴合。

以气体(氢气或氦气)为介质,按闭式回热循环方式目前,国内外学者在密封优化设计方面开展了

[3]

工作。活塞杆处介质泄漏是斯特林发动机常见的故诸多研究。曹文翰等采用正交实验设计法,以CL密

[1]

障现象,也是最难解决的问题之一。封件和活塞杆间的最大接触压力降幅最小及密封件

针对斯特林机高温高压、无油润滑等特殊运行寿命最长为优化目标,对密封圈结构参数进行了优

[2][4]

工况,为提高其密封性能,本团队前期设计了一种化设计。Zhang等为提高封隔器胶筒密封性能,通

新型斯特林机活塞杆帽式密封结构装置,性能良好,过响应曲面法研究了多因子不同水平下胶筒最大接

[5]

效果显著。帽式密封主要由密封环(C型环)、O型圈

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