斯特林制冷机磨损和污染的特性分析

　　1 引言

　　分置式斯特林制冷机因其线性直线电机驱动,板弹簧支撑、无接触间隙密封等关键技术,具有工作寿命长、制冷温区低、结构紧凑、振动小等特点,已广泛应用于各种精密探测仪器。它主要存在工质泄漏、板弹簧疲劳、活塞磨损、工质污染四种主要失效模式,其中后两种失效模式是制约制冷机长寿命的主要因素,需要在设计和研制过程中能精确识别和控制。

　　本文论述了斯特林制冷机磨损特性分析用的激振法测阻尼比试验方法和工质污染的分析方法,可量化评价制冷机的磨损和污染特性,并已实际应用中。

　　2 磨损和污染失效机理

　　分置式斯特林制冷机在结构上采用对置式压缩机、线性电机、板弹簧支撑、间隙密封等技术,其结构示意图如图1所示。在通过剔除早期失效后,制约长寿命制冷机寿命的主要失效模式表现为工质泄漏、弹簧疲劳、活塞与汽缸之间的磨损以及工质污染等四个方面,其中磨损和污染是影响制冷机性能和寿命的关键因素。

　　磨损主要产生于压缩机、排出器活塞和汽缸之间的摩擦。斯特林制冷机理论上电机力和气体力均沿轴线方向,活塞与气缸之间不会因径向作用力而接触磨损。但是研究发现事实并非这样,板弹簧的有效支撑并不能避免径向磨损的发生,还必须考虑其他的一些变异因素,因此磨损不可避免会发生。但由于其结构上的控制,磨损不会无限制产生,随着制冷机的运转和密封间隙的增大,活塞与气缸之间接触的机率将越来越小,磨损对制冷机性能的影响也将越来越小。

　　气体污染是很难解决的一种失效模式,难以消除。它主要通过两种方式影响制冷机性能:一是在冷端凝结,形成热阻、影响换热;二是阻塞蓄冷器通道、增大流阻,造成制冷机性能衰退。实验结果表明,污染对制冷机性能的影响具有两个特点:污染气体的量只有积聚到一定程度时才会对制冷机性能造成影响,且性能会显著衰减;对于越低的温区,气体污染的影响越严重。

　　3 磨损的试验分析方法

　　牛津型斯特林制冷机理论上电机力、弹簧力、气体力均沿轴向方向,无径向分压力而不产生磨损。但由于工艺精度和应变的原因,实际上磨损难以避免,由于装配、温变和运行等原因,可能有径向压力的存在,主要有三种:气体力、温度应变力和结构力。

　　板弹簧的有效支撑并不能避免磨损发生,还必须考虑其他的一些变异因素,作用在活塞上的径向力是活塞行程、充气压力和制冷机运行时间的复杂函数[1]。假设汽缸为非恒定宽度间隙,即有装配中心位置存在偏差,则活塞组件会存在侧向应力。装配未对准时,该过程会很容易发生[2]。因此,除了合理选择充气压力和密封间隙之外,零件加工工艺和装配工艺也是减少制冷机磨损的关键因素。