李壘，張姍

(棗莊學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，山東 棗莊 277160)

0 引言

目前，制冷機(jī)械的泄漏主要通過(guò)設(shè)置密封裝置的方式來(lái)防止泄漏. 根據(jù)運(yùn)動(dòng)特性與工作狀態(tài)的不同，常用的密封裝置可分為動(dòng)密封和靜密封兩大類，而動(dòng)密封又根據(jù)接觸方式的不同分為非接觸式密封和接觸式密封兩種［1］. 兩者雖然各有優(yōu)缺點(diǎn)，但通常認(rèn)為非接觸式密封的性能更好，更適用于制冷機(jī)械.這主要是因?yàn)閷?duì)于非接觸式密封而言，其密封表面不相互接觸，故接觸面不存在機(jī)械摩擦，較之于接觸式密封就節(jié)省了這部分功耗.同時(shí)，因無(wú)機(jī)械摩擦，故而在活塞與氣缸之間也不會(huì)產(chǎn)生因磨損而產(chǎn)生的污染. 斯特林制冷機(jī)常采用的密封方式就是非接觸密封中的間隙密封.

間隙密封不僅可以使斯特林制冷機(jī)達(dá)到密封的目的，同時(shí)，可以消除因?yàn)槊芊舛速M(fèi)的功耗，以及由此而產(chǎn)生的污染. 斯特林制冷機(jī)間隙密封的原理就是在密封間隙中注入被密封的工質(zhì)(常為制冷劑)，通過(guò)降低間隙中工質(zhì)的壓力達(dá)到密封的目的. 雖然間隙密封會(huì)存在一定的間隙而產(chǎn)生泄漏，但通常泄漏量較小，不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作. 泄漏量的大小主要由密封間隙和系統(tǒng)內(nèi)外壓力差所決定，密封間隙通常由制造工藝等確定，而系統(tǒng)內(nèi)外壓力差由系統(tǒng)內(nèi)壓力確定，系統(tǒng)外壓力常為大氣壓. 泄漏的工作介質(zhì)在通過(guò)密封間隙時(shí)，會(huì)產(chǎn)生節(jié)流作用.為了精確節(jié)流，減小工作介質(zhì)的泄漏，會(huì)存在一個(gè)最小泄漏量，采用間隙密封的方式必然會(huì)存在一定量的泄漏(鐵磁流體密封除外). 所以，在不影響制冷系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，可以求得該系統(tǒng)的最小泄漏量［2］.

間隙密封設(shè)備中常采用活塞環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)密封. 斯特林制冷機(jī)也存在有活塞與氣缸，因此常采用活塞環(huán)進(jìn)行密封.而活塞環(huán)屬于易損件，因此限制了斯特林制冷機(jī)的工作使用時(shí)間.活塞與氣缸本身的磨損，加上密封活塞環(huán)所帶來(lái)的磨損，以及由于磨損而產(chǎn)生的污染，進(jìn)一步減小了斯特林制冷機(jī)的使用壽命，增加了泄漏，為延長(zhǎng)斯特林制冷機(jī)的使用壽命帶來(lái)了困難.因此，為延長(zhǎng)斯特林制冷機(jī)的使用壽命，必須研究其密封方式，取消密封環(huán)的使用而采用其他密封方式.目前，為延長(zhǎng)斯特林制冷機(jī)的使用壽命，其密封普遍采用間隙密封的方式［3］.間隙密封在活塞部位的密封主要是通過(guò)活塞與氣缸之間的微小徑向間隙，并使其軸向具有一定長(zhǎng)度，通過(guò)這部分空間內(nèi)介質(zhì)壓力的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)密封的一種密封形式.在孔軸處，間隙密封在裝配時(shí)的要求是需通過(guò)定心裝配，使孔軸部件間存在一定間隙值，達(dá)到無(wú)接觸密封.因而，在這類斯特林制冷機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在氣缸與活塞、孔與軸之間的密封采用間隙密封，達(dá)到無(wú)摩擦無(wú)磨損密封的目的. 綜上可知，高效、長(zhǎng)壽命、高可靠性的斯特林制冷機(jī)的密封可采用間隙密封的密封方式.

所謂“自潤(rùn)滑”，對(duì)斯特林制冷機(jī)來(lái)說(shuō)就是采用無(wú)油潤(rùn)滑間隙密封，在不添加潤(rùn)滑劑的情況下就可自動(dòng)潤(rùn)滑的密封方式.“自潤(rùn)滑”常因無(wú)需潤(rùn)滑油，特別適用于壓縮介質(zhì)不能接觸油液，或者其他特殊場(chǎng)合，比如各種不能存在氧氣或油液的場(chǎng)合. 對(duì)于斯特林制冷機(jī)，如果密封材料選擇不當(dāng)，或者密封裝置安裝不合理，就會(huì)導(dǎo)致制冷系統(tǒng)頻繁發(fā)生故障，制冷效率降低，甚至使制冷設(shè)備和相關(guān)配件的使用壽命大大縮短.

1 間隙密封材料的選擇

最初的摩擦密封材料常選用金屬材料，從1934 年開(kāi)始，以石墨制造的密封元件登上歷史舞臺(tái)，在應(yīng)用于第一臺(tái)無(wú)油潤(rùn)滑往復(fù)式空氣壓縮機(jī)之后，人們逐漸認(rèn)識(shí)到非金屬材料作密封元件的優(yōu)良特性.制冷壓縮機(jī)活塞與壓縮缸部位的無(wú)油潤(rùn)滑是通過(guò)采用具有自潤(rùn)滑性能的非金屬材料制造密封元件來(lái)實(shí)現(xiàn)，同樣，斯特林制冷機(jī)也是采用這種自潤(rùn)滑材料來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)油潤(rùn)滑.制冷上常采用的材料主要為填充聚酰亞胺(PI)和填充聚四氟乙烯(PTFE)等.填充聚四氟乙烯作為密封元件的材料，其做法是在聚四氟乙烯基體中，加入特定比例的填充物(青銅粉、玻璃纖維、二硫化鉬、石墨等)制作而成，以這種材料制造的密封元件具有優(yōu)良的耐磨性能，是制造自潤(rùn)滑密封元件的首選材料之一. 但是，填充聚四氟乙烯材料在高溫高壓下會(huì)產(chǎn)生蠕變，從而引起密封元件的使用壽命縮短、耐磨性變差的問(wèn)題.而以填充聚酰亞胺制造的自潤(rùn)滑密封元件可以克服這些問(wèn)題，這在現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)所用的密封材料中已有很好的體現(xiàn). 目前，出現(xiàn)了一種新型材料:復(fù)合型填充聚四氟乙烯，它是由60%的高分子材料作為主體，同時(shí)對(duì)其填充一定量的的對(duì)羥基苯甲酸聚酯、玻璃纖維等材料，最后采用熱壓技術(shù)成型.以這種復(fù)合材料制造的密封元件，其表面硬度和導(dǎo)熱系數(shù)均遠(yuǎn)高于普通填充聚四氟乙烯材料，同時(shí)具有優(yōu)良的耐磨和自潤(rùn)滑性能，價(jià)格也遠(yuǎn)低于填充聚酰亞胺和填充聚四氟乙烯［4－7］.

2 間隙密封泄漏量的理論分析

90 年代以來(lái)，關(guān)于斯特林制冷機(jī)研究的熱點(diǎn)，主要為如何提高其制冷效率和工作性能方面.而現(xiàn)階段的斯特林制冷機(jī)，其工作性能的提高關(guān)鍵在于可靠性的提高，主要取決與提高其回?zé)崞鞯氖褂脡勖?］.常用的活塞式斯特林制冷機(jī)，其需要密封的部位主要有三處，分別為壓縮機(jī)壓縮缸與壓縮活塞之間的密封1，動(dòng)力活塞與壓縮氣缸之間的密封2，還有就是壓縮缸與動(dòng)力活塞之間的間隙密封3，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示.間隙密封由于間隙的存在，必然會(huì)造成一部分工作介質(zhì)的泄漏，對(duì)于制冷系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，就會(huì)造成一部分制冷量的減少，以及制冷劑的損失.根據(jù)圖1，結(jié)合斯特林制冷機(jī)的運(yùn)行可知，這三處密封情況各不相同:間隙密封1 處因其兩端制冷劑溫度的不同而存在較大的溫差，間隙密封2 處則會(huì)具有交替發(fā)生變化的壓力差，間隙密封3 處則是上下兩個(gè)密封表面都處在運(yùn)作狀態(tài)［9］.

圖1 密封間隙模型圖Fig.1 Seal gap model diagram

關(guān)于斯特林制冷機(jī)的間隙密封，其數(shù)學(xué)描述為:

間隙中氣體的基本控制方程為:

上式中ρ、μ、p分別為氣體密度、動(dòng)力粘度系數(shù)和壓強(qiáng)分別表示氣體所受力和速度矢量，t則為時(shí)間.

間隙中氣體的狀態(tài)方程為:

上式中T為氣體溫度，R為常用質(zhì)量氣體常數(shù).

由于實(shí)際情況和計(jì)算的不同，以下計(jì)算基于如下假設(shè)［10］:

(1)間隙中介質(zhì)的厚度遠(yuǎn)小于它的寬度和長(zhǎng)度(如非必要，部分計(jì)算中可忽略);(2)沿間隙中介質(zhì)厚度方向上的壓力變化可忽略，即為方便計(jì)算，假設(shè)空隙中沒(méi)有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，間隙中介質(zhì)的流動(dòng)可看作一維流動(dòng);(4)忽略介質(zhì)重力的影響;(5)假設(shè)介質(zhì)的流動(dòng)是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的;(6)介質(zhì)的流動(dòng)較復(fù)雜，簡(jiǎn)單假設(shè)為層流流動(dòng);

其控制邊界條件為:

y = h/2，u = up;y = － h/2，u = ud.式中h 為間隙密封的間隙高度，up、ud分別為密封間隙流動(dòng)上邊界速度和下邊界速度.

如其間隙為環(huán)形，則其寬度為πDm，其中為名義直徑，D1、D2分別為此間隙的內(nèi)直徑和外直徑.則關(guān)于此間隙的質(zhì)量泄漏率G 可由下式計(jì)算:

上式中的泄漏主要由三項(xiàng)組成:第一項(xiàng)和第二項(xiàng)的泄漏由速度邊界層引起，第三項(xiàng)的泄漏由兩端壓差引起.

3 偏心對(duì)間隙密封泄漏量的影響

對(duì)于間隙密封來(lái)說(shuō)，在孔軸設(shè)備裝配的時(shí)候，由于裝配誤差的存在，使孔軸產(chǎn)生一定的偏心，因此，在孔軸的徑向(圓周方向)，間隙密封的間隙大小不再是一常數(shù)，存在一定變化，符合下式:

偏心環(huán)形密封間隙內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)實(shí)際上是復(fù)雜的二元流，如要對(duì)其流動(dòng)進(jìn)行精確計(jì)算，則非常困難.根據(jù)前面的假設(shè)(1)可知，間隙中介質(zhì)流動(dòng)膜的厚度同它的寬度和長(zhǎng)度相比較起來(lái)非常小，即間隙很小，則此處可將其簡(jiǎn)化為一元流動(dòng).根據(jù)前面的介質(zhì)速度公式，將介質(zhì)按層流來(lái)處理，引入偏心，則可近似得到孔軸偏心時(shí)的泄漏量:

由上式可見(jiàn)，裝配偏心度與泄漏量的關(guān)系是成兩次函數(shù)的關(guān)系，孔軸偏心度的增大會(huì)導(dǎo)致其密封處泄漏量的增加［12－13］.裝配偏心度的存在，對(duì)于斯特林制冷機(jī)的工作非常不利.對(duì)于間隙密封，密封元件的偏心還會(huì)使密封元件產(chǎn)生摩擦，以及由此而產(chǎn)生的磨損.磨損還會(huì)導(dǎo)致偏心度的進(jìn)一步增大，密封間隙也隨之增大，使泄漏量大大增加，降低了制冷機(jī)的制冷量.同時(shí)，磨損產(chǎn)生的污染也是很大的，碎屑會(huì)污染氣缸或孔軸等部位，堵塞密封間隙，甚至嚴(yán)重降低制冷機(jī)的使用性能和可靠性，從而減小制冷機(jī)的壽命.

4 結(jié)論

從密封材料的性能選擇上看，可知斯特林制冷機(jī)回?zé)崞鞯膬?nèi)壁材料可選用絕熱性能良好或具有耐高溫高壓性能的材料，減小由于溫度梯度過(guò)大而產(chǎn)生的泄漏量增大. 對(duì)于非金屬自潤(rùn)滑密封材料可選用具有優(yōu)良的自潤(rùn)滑和耐磨性的復(fù)合材料，如復(fù)合型填充聚四氟乙烯材料.影響間隙密封性能的因素除了材料以外，就是考慮間隙h 取值的大小問(wèn)題. 在實(shí)際加工過(guò)程中，一般為了便于加工與安裝，常將間隙h 取得稍大一些.但是間隙h過(guò)大，會(huì)使泄漏率增大，從而降低制冷效率，如斯特林制冷機(jī)活塞與壓縮缸之間間隙密封內(nèi)的泄漏與間隙h 成正比.所以，在保證活塞與壓縮缸不會(huì)卡死的情況下，應(yīng)盡可能的減小h 的取值，從而減少密封泄漏，提高系統(tǒng)效率，綜合考慮間隙h 的選取. 另外，在對(duì)斯特林制冷機(jī)的裝配過(guò)程中，應(yīng)對(duì)間隙密封面進(jìn)行合格檢測(cè)，保證安裝的精度和同軸度.

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