斯特林发动机活塞环密封材料寿命相关问题研究

【摘要】在斯特林发动机运行过程中,活塞环处于高温、高压、高载荷、无油润滑的恶劣工况,磨损严重且磨损速度较快,致使活塞环的寿命达不到使用要求而限制了斯特林发动机的广泛应用。因此,本课题的目的就是通过一系列实验研究,研制一种性能优良的密封材料,用于解决活塞环磨损严重的问题,达到提高活塞环使用寿命的效果。首先,本文分析了影响活塞环密封性能的多个因素,如活塞环的结构尺寸,活塞环与气缸镜面接触时,气缸镜面的制造质量以及活塞环自身材料的性能等,进一步分析了影响原因并提出了解决办法。其次,从影响密封性能的关键因素—密封材料入手,采用共混—冷压—烧结的工艺制备了PEEK/PTFE、纳米Al2O3/PEEK-PTFE、纳米SiO2/PEEK-PTFE、AF/PEEK-PTFE、PI/PEEK-PTFE五种PTFE基复合材料。利用MRH-3型摩擦磨损试验机对复合材料进行摩擦学性能测试,再通过扫描电子显微镜(SEM)观察磨损表面和对偶表面微观形貌；利用WDW-200型微机控制电子式万能材料试验机分别进行材料的拉伸、压缩性能测试,分析力学性能。研究结果表明：10%PEEK改性PTFE复合材料的摩擦学性能较纯PTFE提高了320倍,在其基础上,分别添加纳米粒子后发现,纳米SiO2改性的PEEK-PTFE共混物的摩擦学性能优于纳米Al2O3改性的PEEK-PTFE共混物的摩擦学性能。但耐磨性改善的同时,摩擦系数变大,且对偶件表面损伤严重。为了改善此缺陷,本文又采用有机填料AF和PI进行填充改性,结果显示：5%PI/10%PEEK/PTFE复合材料耐磨性最好,体积磨损率为1.702×10-6mm3/Nm,较纯PTFE耐磨性提高了630倍。5%PI和10%PEEK共同填充的PTFE复合材料摩擦系数相对较小,耐磨性强,对偶件表面损伤较小,且力学性能优良,是良好的斯特林发动机动密封材料。最后,通过理论及经验相结合的方法选择出了一种适合斯特林发动机活塞环使用寿命预测的方法。通过材料在恶劣工况下磨损可能出现磨损及蠕变的两种情况,建立蠕变本构方程和磨损方程,得到活塞环寿命预测模型,并计算出了仅考虑磨损情况下原材料与新型材料的使用寿命预测值,同时进行了对比分析,直观的表现出新型材料的优势。新型材料及预测材料的使用寿命模型都可有效指导活塞环进一步设计及选材。
【作者】董悦；
【导师】龚俊；杨东亚；
【作者基本信息】兰州理工大学，机械制造及其自动化，2014，硕士
【关键词】斯特林发动机；活塞环；PEEK/PTFE；纳米粒子；摩擦磨损；寿命预测；

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