立式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-3"\h\u18502立式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 16666摘要 123243一、緒論 258391.4設(shè)計(jì)未來發(fā)展前景 3180751.5設(shè)計(jì)及使用過程中需解決的主要問題 3121912設(shè)計(jì)方案的選擇與確定 3244592.1基本工作原理分析 3210662.2斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)分類 4266801、α型雙活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī) 4150712.4設(shè)計(jì)方案的確定及基本參數(shù)的確定 510444三、關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì) 69703.1動(dòng)力部分的設(shè)計(jì) 6166823.1.1缸體的設(shè)計(jì) 6102213.1.2活塞頭及其部件的設(shè)計(jì) 7146363.2傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì) 1136583.2.1曲軸的設(shè)計(jì) 11102593.2.2連桿的設(shè)計(jì) 14133723.2.3回?zé)崞鞯脑O(shè)計(jì) 15216093.2.4本章小結(jié) 1729272設(shè)計(jì)其他說明 1730679參考文獻(xiàn) 18摘要本設(shè)計(jì)針對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行立式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)基于雙活塞α型結(jié)構(gòu)，依據(jù)相關(guān)結(jié)構(gòu)模型及其相關(guān)參數(shù)，結(jié)合斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)理論，對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中主要包括對(duì)缸體、活塞頭、活塞環(huán)、曲軸、連桿等相關(guān)零部件進(jìn)行主要設(shè)計(jì)及計(jì)算校核。最終完成立式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程中，力求使其在空間結(jié)構(gòu)上展現(xiàn)立式結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)；調(diào)整相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，討論結(jié)構(gòu)的合理性，使其符合常規(guī)的工業(yè)裝備形式，基本能適用于工業(yè)實(shí)踐。為形象直觀的對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析，使用SolidWorks軟件進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)三維仿真造型，較為直觀的展現(xiàn)出曲軸連桿、活塞等機(jī)構(gòu)的相對(duì)空間位置及其運(yùn)動(dòng)方式；使用Flowsimulation軟件進(jìn)行回?zé)崞鞯臒崃W(xué)分析，為斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)步一步改造和設(shè)計(jì)，提供了進(jìn)一步的參考。關(guān)鍵詞：斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)α型緒論面對(duì)國(guó)內(nèi)外能源加速緊缺。人們對(duì)天藍(lán)、水碧、山清的美好生活的向往，響應(yīng)國(guó)家《十四五規(guī)劃和二零三五遠(yuǎn)景目標(biāo)》。堅(jiān)守青海生態(tài)文明建設(shè)成果。為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)生活綠色轉(zhuǎn)型、資源配置更加合理、污染排放持續(xù)減少、利用效率持續(xù)提升、生態(tài)環(huán)境持續(xù)向好。促進(jìn)國(guó)家產(chǎn)業(yè)清潔化綠色化，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)優(yōu)點(diǎn)越來越受到各界人士的青睞。1.1國(guó)內(nèi)外的發(fā)展及研究現(xiàn)狀斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)為一種外燃、氣體工作介質(zhì)的閉式活塞循環(huán)熱氣機(jī)[1]。于1816年由英國(guó)物理學(xué)家Robert·Striling博士發(fā)明故又名斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。國(guó)外率先進(jìn)行斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)研究取得一定的成績(jī)，提出以空氣、氫氣作為工質(zhì)氣體，發(fā)展小型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。1853年制造出超大熱氣機(jī)總功率可達(dá)220KW用于輪船，效率可達(dá)13%。由此開始斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的研究設(shè)計(jì)制造風(fēng)行一時(shí)，但受限沒有良好的耐高溫材料以及良好的密封技術(shù)，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的研制一度擱置。與此同時(shí)十九世紀(jì)八十年代，四沖程內(nèi)燃機(jī)的問世將人們的目光轉(zhuǎn)移，但斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的研究并未停止，菲利普公司開展大量有關(guān)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)研究，獲得大量專利。1953年羅爾夫·梅耶發(fā)明了菱形傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的單作用、配氣活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)[2]。此結(jié)構(gòu)易對(duì)活塞及其桿件進(jìn)行密封，大幅提高工質(zhì)壓力。1968年發(fā)明了斜盤式傳動(dòng)雙作用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，使斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)大為緊湊，體積和質(zhì)量大大下降[3]。由此各國(guó)掀起了對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的探究與討論。我國(guó)在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域起步較晚，上海711研究所厚積薄發(fā)，成功研制多種四缸雙作用結(jié)構(gòu)潛艇用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，其功率相較國(guó)外同類機(jī)型功率大幅提升，并加快了相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)程。在國(guó)內(nèi)這一領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的是中國(guó)航空工業(yè)旗下的西方航空研究所，該研究所于2005年開始開發(fā)研發(fā)新型特林發(fā)動(dòng)機(jī)，在短短一年的時(shí)間里成功地開發(fā)了關(guān)鍵零部件。并啟動(dòng)兆瓦級(jí)碟式斯特林太陽(yáng)能發(fā)電站[4]；與此同時(shí)，快速將科學(xué)研究結(jié)果及時(shí)商用轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益，并啟動(dòng)了新型的示范項(xiàng)目。1.2設(shè)計(jì)的目的意義斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)能使用多種能源驅(qū)動(dòng)，有一定的適用空間，早在十九世紀(jì)初期就有相關(guān)的技術(shù)理論研究，后因內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明，及當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)水平受限，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)稍作擱置。伴隨著如今技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平在各個(gè)方面都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)越來越受國(guó)內(nèi)外學(xué)者青睞，對(duì)其研究也愈加重視。本設(shè)計(jì)根據(jù)基本斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)模型的結(jié)構(gòu)形式展開，結(jié)合現(xiàn)有資料及其主要結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合理論對(duì)模型進(jìn)行合理化改造，進(jìn)行立式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)?；趯?duì)模型的研究，了解其相關(guān)結(jié)構(gòu)，由簡(jiǎn)單模型，進(jìn)而進(jìn)行斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而確定基本參數(shù)，由基本參數(shù)得到其他所需關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。從而展開設(shè)計(jì)。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理遵循卡諾循環(huán)，腔體內(nèi)工作環(huán)境密閉，理論熱效率高。通過冷熱、腔體的溫度差使不同腔體內(nèi)氣體受熱膨脹和冷卻收縮，推動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)做功，調(diào)整對(duì)應(yīng)活塞的相位差，擾動(dòng)工質(zhì)氣體在冷、熱腔體內(nèi)流動(dòng)，使其反復(fù)膨脹收縮以達(dá)到活塞持續(xù)往復(fù)的效果，持續(xù)對(duì)外做功。特性：（1）可提高余熱的利用。實(shí)際生產(chǎn)生活中，大量的工業(yè)熱量未經(jīng)利用，直接進(jìn)入到空氣當(dāng)中進(jìn)行熱量交換，不僅使一線生產(chǎn)員工的工作環(huán)境更加惡劣，也造成了大量的能量浪費(fèi)。其中部分的熱量是可以回收再利用的，如冶金行業(yè)中熔煉爐熔煉過程中對(duì)外熱輻射所產(chǎn)生的的熱量、高溫設(shè)備冷卻水的循環(huán)余熱，生產(chǎn)加工中所產(chǎn)生的高溫廢氣等?？蓪?duì)其相關(guān)設(shè)備安裝立式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)行相關(guān)熱量的回收再利用，在提高企業(yè)生產(chǎn)效益，達(dá)到節(jié)約生產(chǎn)能源的目的的同時(shí)，其結(jié)構(gòu)緊湊，充分利用立式結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化設(shè)備所占用的空間，其受熱方向垂直，稍加改裝即可適用多種生產(chǎn)生活場(chǎng)景，有其可行性和普適性。（2）可推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提升。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)相較于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)相比，理論熱效率高，動(dòng)力來源廣泛，燃料與空氣充分接觸，燃燒效果好，排氣明顯減少。動(dòng)力來源對(duì)活塞運(yùn)轉(zhuǎn)影響較小，使其傳動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)爆震現(xiàn)象。1.4設(shè)計(jì)未來發(fā)展前景面對(duì)國(guó)家需在2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，任務(wù)艱巨，需要中華人民艱辛付出，降低碳排放，且內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展進(jìn)入瓶頸期，迫切需要更多的新型動(dòng)力設(shè)備，來豐富現(xiàn)有動(dòng)力設(shè)備。作為外燃機(jī)的代表斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，有低污染、低噪、能量供給途徑廣泛、理論熱效率高等諸多優(yōu)良性能，有良好的發(fā)展空間和市場(chǎng)前景。且其運(yùn)轉(zhuǎn)過程中工質(zhì)相對(duì)密閉，受海拔的影響較小，故可適用于高原場(chǎng)景。與此同時(shí)，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)在太陽(yáng)能熱力發(fā)電、AIP潛艇等多個(gè)設(shè)備中均已投入使用，有其良好的功能性。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)越來越被人們發(fā)現(xiàn)相信以后在多種場(chǎng)景下都會(huì)看到斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的身影，有一定的未來發(fā)展其潛力。1.5設(shè)計(jì)及使用過程中需解決的主要問題為保證一定的氣密性，零部件多處采用焊接的方法進(jìn)行連接，需保證焊接處的密封情況。工質(zhì)在腔體內(nèi)工作，為保證一定的工作壓力推動(dòng)活塞正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需對(duì)所安裝連接處進(jìn)行靜密封，對(duì)相對(duì)滑動(dòng)處進(jìn)行動(dòng)密封。因其斯特發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)需要缸體等零部件承受較大的溫差及壓力，需要缸體能在高溫高壓氣體下持續(xù)工作，缸體材料需保證一定耐高溫、耐高壓特性。工作當(dāng)中高溫氣體不停在腔體內(nèi)流動(dòng)，缸體材料需保證一定的抗腐蝕性，防止缸體使用過程中出現(xiàn)晶間腐蝕現(xiàn)象。在設(shè)計(jì)過程中，通過相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提升整個(gè)裝置的可靠性，使設(shè)備結(jié)構(gòu)合理化，本著降低成本、簡(jiǎn)化工藝、便于加工、利于保養(yǎng)的原則開展設(shè)計(jì)，結(jié)合生產(chǎn)生活實(shí)際力求設(shè)計(jì)出較為完整的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。2設(shè)計(jì)方案的選擇與確定通過對(duì)大量相關(guān)資料的認(rèn)真研讀，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對(duì)模型進(jìn)行一定的分析比對(duì)，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)基本遵循卡諾循環(huán)定理與內(nèi)燃機(jī)在結(jié)構(gòu)形式上有一定的相似性。2.1基本工作原理分析斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)屬熱氣機(jī)，其理想狀態(tài)下基本遵循卡諾循環(huán)定理，其冷熱腔體中密閉一定的工作氣體介質(zhì)（常用空氣）。當(dāng)其外部受到一定量的溫差變化時(shí)，相應(yīng)的工質(zhì)即符合相應(yīng)的氣體變化規(guī)律，進(jìn)行熱脹冷縮，使氣壓規(guī)律性變化，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的輸入輸出。在理想狀態(tài)下共有以下四個(gè)變化階段（見圖）：1、等溫壓縮（1-2）：此時(shí)循環(huán)開始，若此時(shí)活塞處于外停止點(diǎn)，此時(shí)的工作容積為最大，此時(shí)工質(zhì)的區(qū)域溫度和內(nèi)部壓力均為最小。活塞向內(nèi)停止運(yùn)行，則對(duì)應(yīng)的內(nèi)部工質(zhì)進(jìn)行壓縮，若此時(shí)缸體可完全導(dǎo)熱且有傳熱效率最大則此過程中，溫度并無(wú)變化。此過程結(jié)束后溫度并無(wú)變化，但相對(duì)壓力升高。2、絕熱壓縮（2-3）：活塞由外停止點(diǎn)繼續(xù)向內(nèi)停止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，對(duì)工質(zhì)進(jìn)一步壓縮，此過程中若缸體絕對(duì)絕熱，則不再進(jìn)行相對(duì)導(dǎo)熱，腔體內(nèi)工質(zhì)壓力及溫度都進(jìn)一步提升。此過程結(jié)束時(shí)，活塞運(yùn)行到內(nèi)內(nèi)停止點(diǎn)，此時(shí)壓力最大，溫度也達(dá)到峰值。3、等溫膨脹（3-4）：此時(shí)工質(zhì)進(jìn)行受熱膨脹，活塞受工質(zhì)的膨脹推力向外停止點(diǎn)方向運(yùn)行，若此時(shí)缸體具有完全的導(dǎo)熱性且傳熱效率無(wú)限大則此過程溫度不變，在此過程結(jié)束時(shí)，溫度繼續(xù)保持最高溫度且壓力逐步下降。4、絕熱膨脹（4-1）：活塞受工質(zhì)提供的膨脹推力，繼續(xù)向缸體外停止點(diǎn)運(yùn)行，在此過程中若氣缸絕對(duì)絕熱并無(wú)對(duì)外相對(duì)傳熱，則此過程中溫度與壓力都降至最低。2.2斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)分類斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)作為一種外部供熱，工作循環(huán)方式密閉的一種熱氣機(jī)。其直接將熱能轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的機(jī)械能，有較高的理論轉(zhuǎn)化率。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)主要分為α型、β型和γ型，如圖所示。其中α型為雙活塞式，β和γ屬配氣活塞式。α型雙活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)α型的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)有兩個(gè)氣缸，每個(gè)氣缸里有一個(gè)活塞。位于低溫區(qū)域的氣缸和活塞構(gòu)成冷腔體，位于高溫區(qū)域的氣缸和活塞構(gòu)成熱腔體。熱腔、蓄熱回?zé)崞?、冷腔依次連接，形成一個(gè)完整的循環(huán)回路。在循環(huán)過程中，熱腔處在相對(duì)高溫水平，稱為熱端;在循環(huán)過程中，冷腔所處在相對(duì)低溫水平，稱為冷端;蓄熱回?zé)崞魇窃趦蓚€(gè)部分之間，在儲(chǔ)熱回?zé)崞鞯膬啥藴囟确謩e為各自冷熱、腔體的溫度。在這個(gè)周期中，在冷腔主要發(fā)生工質(zhì)壓縮的過程，也被稱為壓縮腔體，相應(yīng)的活塞主要傳遞壓縮工作;工作介質(zhì)的膨脹過程主要發(fā)生在熱腔中，因此熱室也可稱為膨脹室，其對(duì)應(yīng)的活塞主要傳遞膨脹功。α型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的兩個(gè)活塞在循環(huán)過程中皆具有動(dòng)力傳遞的功能，活塞上、下的氣體壓力差較大，必須進(jìn)一步進(jìn)行密封，防止相應(yīng)的工質(zhì)大量泄露。2、（β、γ型）配氣式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)配氣活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)分為兩種類型:β型發(fā)動(dòng)機(jī)和γ型發(fā)動(dòng)機(jī)。β型發(fā)動(dòng)機(jī)只有單一氣缸，其中有兩個(gè)內(nèi)部活塞。γ型發(fā)動(dòng)機(jī)為雙氣缸，其中放置兩個(gè)活塞。然而，γ型與α型的不同之處在于，這兩個(gè)活塞都有配氣和動(dòng)力活塞的區(qū)別。接近加熱器一端的活塞稱為配氣活塞，溫度相對(duì)較低的一端的活塞稱為動(dòng)力活塞。配氣活塞的上部稱為熱腔(膨脹室)，配氣活塞的下部和動(dòng)力活塞的上部稱為冷腔(壓縮室)。熱腔、回?zé)崞骱屠淝幌嗷ミB接形成一個(gè)完整的循環(huán)回路。同樣，熱腔在回路的高溫部分稱為熱端;冷腔處于循環(huán)的低溫部分，稱為冷端。因?yàn)榕錃饣钊纳隙撕拖露藟毫κ窍嗤?，所以它不向外部做功。它的功能是使工質(zhì)流體在循環(huán)系統(tǒng)中來回循環(huán)，起到擾動(dòng)工質(zhì)的作用。所以此類型的發(fā)動(dòng)機(jī)被稱為配氣活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。2.3相關(guān)結(jié)構(gòu)分析比較及基本結(jié)構(gòu)的確定所設(shè)計(jì)為立式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，結(jié)合和模型及其相關(guān)參數(shù)，為方便立式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少由結(jié)構(gòu)選型帶來的結(jié)構(gòu)方面的不合理性，可選用α型作為立式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)（見右圖）。其中，配氣活塞式（γ、β型）因其冷熱腔體所處位置為同一腔體，在立式結(jié)構(gòu)的過程中，常會(huì)產(chǎn)生加熱源的熱量由熱腔向上輻射進(jìn)入冷腔的情況出現(xiàn)，致使冷熱腔體的溫差進(jìn)一步縮小，但冷熱腔體的溫差又是斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)最為關(guān)鍵的效率參數(shù)，其溫差的相應(yīng)減小，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率影響明顯。若增加相應(yīng)的保溫及冷卻裝置，則會(huì)進(jìn)一步的提升設(shè)計(jì)、材料和加工成本，故不選用配氣活塞式結(jié)構(gòu)。而α型結(jié)構(gòu)冷熱腔體分開，對(duì)熱腔的加熱不會(huì)對(duì)冷腔的溫度有所影響，未來可對(duì)冷腔獨(dú)立進(jìn)行冷卻處理，進(jìn)一步提升溫差，提升熱功轉(zhuǎn)換效率，從而提升整機(jī)效率。且α型結(jié)構(gòu)冷熱缸體有一定的對(duì)稱相似性，冷熱腔體活塞、缸體及其相關(guān)零部件在批量生產(chǎn)時(shí)可減少相關(guān)工藝規(guī)程的設(shè)定，減少加工工序，同時(shí)可進(jìn)行相關(guān)零配件互換性的使用，未來可進(jìn)行非標(biāo)零件的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。故選用α型結(jié)構(gòu)為立式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。2.4設(shè)計(jì)方案的確定及基本參數(shù)的確定查閱相關(guān)資料并結(jié)合相關(guān)實(shí)際設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)共有以下部分組成：動(dòng)力部分（缸體、活塞、活塞環(huán)）、傳動(dòng)部分（曲軸、連桿）、支撐部分（箱體、支架）等通過對(duì)結(jié)構(gòu)的分析，結(jié)合相關(guān)原理，對(duì)動(dòng)力缸體進(jìn)行分析，整個(gè)裝置中，動(dòng)力部分較為重要，且缸體為動(dòng)力承載的重要零部件，依據(jù)卡諾循環(huán)原理，對(duì)缸體進(jìn)行相關(guān)基本參數(shù)的確定?；緟?shù)確定為：初始環(huán)境溫度（冷腔溫度）：T加熱源溫度（熱腔溫度）：T壓縮腔體活塞容積：V膨脹腔體活塞容積：V工作氣體壓強(qiáng)：4.6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓本章小結(jié)：對(duì)三種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，預(yù)想設(shè)計(jì)出采用空氣作為工作介質(zhì)的α型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。提供相應(yīng)的原始基本參數(shù)，為下文的設(shè)計(jì)，提供一定的參考。三、關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)3.1動(dòng)力部分的設(shè)計(jì)3.1.1缸體的設(shè)計(jì)缸體為動(dòng)力部分的關(guān)鍵零部件，缸體采用12Cr1MoV沖壓而成，能承受9.8Mpa以上的工作氣壓，和450℃-750℃的工作溫度。在沖壓后需保證一定的圓柱度和氣密性，滿足活塞的正常往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在成品制成之前需經(jīng)過調(diào)質(zhì)、表面化學(xué)處理（滲碳）、表面淬火或高頻淬火等處理滿足耐高溫、高壓、抗腐蝕的設(shè)計(jì)工況要求。缸體和回?zé)崞鞯倪B接處采用焊接的方法連接，焊接性能良好，在焊接前需預(yù)熱到300℃防止產(chǎn)生焊接氣孔，焊接后需做去應(yīng)力處理，圓周焊接并保證一定的氣密性。在缸體連接回?zé)崞鞯牟糠纸涌谔幉捎贸令^處理，保證和回?zé)崞骱透左w的垂直度。其中所設(shè)計(jì)缸體：膨脹腔體活塞掃氣容積：V壓縮腔體活塞掃氣容積：V缸體壁厚：5mm3.1.1.1缸體所需容積在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算過程中變量較多，故采用假設(shè)法并控制變量得到相關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)：在工質(zhì)在腔體內(nèi)流動(dòng)時(shí)，暫不考慮二、三維變化，假設(shè)工質(zhì)在一維空間內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。氣體的動(dòng)能暫不考慮的同時(shí)，忽略氣體因流動(dòng)產(chǎn)生的相關(guān)流動(dòng)壓降。溫度僅在缸體、回?zé)崞鲀?nèi)發(fā)生相應(yīng)的變化，曲軸活塞等其他零部件溫度保持相對(duì)恒定。工質(zhì)為各個(gè)位置均勻的完全氣體。冷熱腔體在不同的相位差有不同的工作容積：腔體總長(zhǎng)為165mm除去相應(yīng)無(wú)益容積范圍、活塞厚度，腔體工作行程約為85mm，連桿曲柄比為0.3，缸體內(nèi)徑為50mm代入公式進(jìn)行計(jì)算：V=此處計(jì)算當(dāng)相位差為90°時(shí)，瞬時(shí)腔體的容積約為50mm3。（冷熱腔體為同容積）缸體隨相位的變化而變化：?在不同的相位有不同的工作容積變化，其中冷熱腔體有90°的相位差，滿足在運(yùn)行當(dāng)中對(duì)工作介質(zhì)的擾動(dòng)作用，并使類卡諾循環(huán)的四個(gè)氣體變化過程較為連貫。其中：AsV——缸體容積S——行程λ——桿長(zhǎng)曲柄比φ——相位差2.5.1.2冷熱缸體壓強(qiáng)的計(jì)算忽略邊界熱傳遞，腔體為密閉容器，受熱腔體為800K時(shí)，對(duì)瞬時(shí)的壓力進(jìn)行計(jì)算，工質(zhì)為理想氣體時(shí)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律符合查理定律：p=除去相關(guān)熱量損失壓力約為峰值壓力為800N2.5.1.3指示功（循環(huán)功）的計(jì)算w其中：pmaxvsτ——溫度比：Tδ——中間變量，δ=θ——中間變量，tank——掃氣容積之比3.1.2活塞頭及其部件的設(shè)計(jì)活塞與其各個(gè)零部件在使用過程中需長(zhǎng)期和高溫高壓的工質(zhì)接觸，需保證一定的抗腐蝕性，將工質(zhì)所產(chǎn)生的氣體動(dòng)力以推力的方式通過活塞頭、活塞銷傳遞給曲軸的相關(guān)部分，達(dá)到傳動(dòng)的效果?；钊嚓P(guān)部件工況惡劣，所承受的氣體動(dòng)力為交變載荷，呈周期性變化，潤(rùn)滑條件較差，有較大的磨損，所受機(jī)械載荷錯(cuò)綜復(fù)雜，其活塞環(huán)可能會(huì)出現(xiàn)斷裂，會(huì)出現(xiàn)拉缸的情況出現(xiàn)。在活塞運(yùn)行的過程中，主要為活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)為主，且因工作介質(zhì)的特殊性，需一定的密封保證氣缸有正常的工作氣壓。則需要較為精準(zhǔn)的公差配合，需著重設(shè)計(jì)。3.1.2.1活塞頭的設(shè)計(jì)1、活塞頭的材料活塞頭材料需滿足一下要求：（1）活塞頭應(yīng)具有一定的剛度和強(qiáng)度，合理的結(jié)構(gòu)和壁厚，（2）活塞頭材料應(yīng)有較低的熱膨脹系數(shù)，良好的導(dǎo)熱性，以及較輕的重量，有良好的經(jīng)濟(jì)性。通過綜合選擇，可選用球磨鑄鐵的活塞頭。其有較強(qiáng)的強(qiáng)度，熱膨脹系數(shù)小，能承受一定的工作高溫，且所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較為短小，結(jié)構(gòu)更為緊湊。2、活塞的主要尺寸設(shè)計(jì)根據(jù)《內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)》的相關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，結(jié)合實(shí)際已設(shè)計(jì)氣缸結(jié)構(gòu)，及實(shí)際情況，確定斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞頭的相關(guān)尺寸，如圖所示：活塞直徑：48mm活塞高度：35mm活塞頂部厚度：2mm氣環(huán)環(huán)岸高度：2mm活塞頭的計(jì)算及校核活塞受氣壓的影響變化較大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算時(shí)，通常只計(jì)算第一氣環(huán)的環(huán)岸強(qiáng)度及銷座的相關(guān)壓力：所設(shè)計(jì)壓力最高為4.6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，為保證一定的安全系數(shù)，校核選用5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，將相應(yīng)數(shù)據(jù)代入公式：p其中：p1d——活塞直徑p1代入數(shù)據(jù)計(jì)算約為295N對(duì)第一氣環(huán)環(huán)岸進(jìn)行強(qiáng)度校核，第一環(huán)主要承受較大的瞬時(shí)爆發(fā)氣體壓力以及剪切的彎曲強(qiáng)度。當(dāng)?shù)谝粴猸h(huán)受到最大氣體壓力時(shí)，若最高壓力的取0.9最高氣體壓力，環(huán)槽取4mm的深度，代入公式進(jìn)行計(jì)算：q=其中：pjmaxpgmax代入得到，q=1500pa其許用值的大小與活塞的材料有關(guān)，所選鑄鐵為材料許用值應(yīng)為60-80mpa，所計(jì)算未超出材料的許用應(yīng)力值，符合設(shè)計(jì)。3.1.2.2活塞銷的設(shè)計(jì)活塞銷起到承接傳遞的作用，需有較高的剛度、強(qiáng)度，需要有足夠的承載面積和足夠的耐磨性，若沒有較為良好的剛度，則會(huì)引起活塞銷的載荷分布不均，使活塞銷銷座出現(xiàn)失圓變形引起活塞銷變形咬死。1、活塞銷材料的選用活塞銷在整個(gè)氣體動(dòng)力傳動(dòng)過程中承受著很大的氣體作用力，通常承受交變載荷，并承受較大沖擊性，且受活塞銷和銷座之間的擺角過小，而無(wú)法得到充分的潤(rùn)滑，導(dǎo)致摩擦磨損較大?；钊N的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求：表面有較好的耐磨性能，內(nèi)部有較好的韌性。（表硬內(nèi)韌）有足夠的承壓面積活塞銷的材料主要以低碳合金鋼和低碳鋼最為常用。本設(shè)計(jì)選用20Mn凈表面滲碳淬火致硬度HRC55-65。使活塞銷和活塞頭采用H7/f7配合，活塞銷軸向使用軸用卡簧進(jìn)行定位，限制銷軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的軸向竄動(dòng)。2、活塞銷的尺寸計(jì)算參考《內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)》等相關(guān)文獻(xiàn)資料，活塞銷設(shè)計(jì)尺寸如下：活塞銷外徑：dd——活塞直徑活塞內(nèi)徑：d活塞銷長(zhǎng)度：L=故按照以上要求計(jì)算得到活塞銷的設(shè)計(jì)尺寸為：d1=8mmd2=6mmL=3、活塞銷的計(jì)算及校核活塞銷的工作情況受表面潤(rùn)滑的影響較大，需對(duì)連桿與活塞銷連接處進(jìn)行壓力計(jì)算：q=其中：q——活塞銷座表面壓力pgpjK——活塞銷質(zhì)量系數(shù)根據(jù)上式計(jì)算得出約為2000pa4、活塞銷的彎曲應(yīng)力活塞銷在延軸向方向上的載荷分布與活塞銷及其銷座的剛度之比有關(guān)，查閱相關(guān)資料得到其銷表面受到的壓力大致呈三角狀分布，銷與連桿接觸部分，可近似認(rèn)為是均布載荷，其彎曲應(yīng)力的計(jì)算公式：σ=代入數(shù)據(jù)得，σ=1989pa≥[σ]許用值為1000-3000pa本設(shè)計(jì)滿足要求。5、活塞銷的軸向定位為防止活塞銷在運(yùn)動(dòng)過程中受軸向力發(fā)生竄動(dòng)的情況，需對(duì)活塞銷在軸向定位，使用軸用卡簧進(jìn)行軸向定位，防止其進(jìn)行軸向竄動(dòng)產(chǎn)生拉缸的情況。3.1.2.3活塞環(huán)的設(shè)計(jì)參照《內(nèi)燃機(jī)手冊(cè)》相關(guān)活塞環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)活塞環(huán)進(jìn)行設(shè)計(jì)：所設(shè)計(jì)為三道氣環(huán)，對(duì)氣體進(jìn)行密封處理，由于其難以潤(rùn)滑，活塞環(huán)采用灰鑄鐵（HT200）制造，有其材料的自潤(rùn)滑性并輔助固體石墨潤(rùn)滑。對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算：徑向厚度：t=軸向高度：?=自由開口間隙：S=（3~4）t開口熱間隙：δ=得到相關(guān)數(shù)據(jù)：t=3.6mmh=1.4mmS=10.8mmδ=0.018mm具體結(jié)構(gòu)圖及對(duì)其進(jìn)行安裝如下圖：在安裝的過程中，需使活塞環(huán)的三個(gè)開口間隔120°，在安裝過程中，應(yīng)對(duì)安裝后的活塞環(huán)使用千分尺進(jìn)行測(cè)量，留有熱膨脹間隙，防止熱膨脹后出現(xiàn)拉缸的情況。3.2傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)本立式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為設(shè)計(jì)原型，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖所示：其中曲柄滑塊結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)化的缸體與活塞的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，R為曲柄繞圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)。確定傳動(dòng)的行程即可確定傳動(dòng)的曲柄偏心距，為滿足設(shè)計(jì)，行程確定為88mm，則傳動(dòng)過程中的偏心距為44mm，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)一般兩個(gè)缸體相位差為90°帶入公式即可算得活塞行程：A（B）=R+L?R其中：λ——連桿比A、B——活塞距基準(zhǔn)點(diǎn)的距離R——曲柄長(zhǎng)度φ——相位差L——連桿長(zhǎng)度3.2.1曲軸的設(shè)計(jì)曲軸的工作情況較為惡劣，受到由于活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)所帶來的往復(fù)周期性的交變載荷，且做圓周運(yùn)動(dòng)，使曲軸在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候既受到彎曲又受到扭轉(zhuǎn)，并且曲軸形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別在圓角處等結(jié)構(gòu)集中處常常會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。1、曲軸的材料及結(jié)構(gòu)曲軸為重要零部件，常承受沖擊載荷，故選用40Cr作為曲軸的主要材料。40Cr作為為最常用的合金調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼，能承受一定的載荷和轉(zhuǎn)速，經(jīng)過淬火和中低溫回火后可承受較大載荷。曲軸采用鍛造的方法，后經(jīng)表面淬火和低溫回火過程，然后進(jìn)行精磨過程后二次熱處理，對(duì)圓角，軸徑進(jìn)行邊緣拋光，以提高曲軸的相應(yīng)的疲勞強(qiáng)度。在曲軸對(duì)應(yīng)方向加配均重塊，增加其慣性，儲(chǔ)存、釋放相應(yīng)階段的能量保證機(jī)構(gòu)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，便于其越過相對(duì)應(yīng)的死點(diǎn)。在結(jié)構(gòu)上采用兩點(diǎn)支撐，由軸承連接箱體進(jìn)行支撐。配重塊的計(jì)算：氣體膨脹產(chǎn)生推力，為實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，需使配重塊的的慣性力需克服對(duì)氣體的壓縮過程實(shí)現(xiàn)曲軸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。配重塊總質(zhì)量為m，曲軸相應(yīng)部分的質(zhì)量為m1，因此曲軸產(chǎn)生的慣性力為m1rωm3、曲軸的計(jì)算和校核所選材料為40Cr，根據(jù)負(fù)載計(jì)算最小傳動(dòng)軸徑所計(jì)算曲柄處負(fù)載25N，橫梁所受彎矩為30Nm力臂選用曲軸的偏心距為44mm名稱類型最小最大應(yīng)力1VON:vonMises應(yīng)力4.131e+00N/m^2節(jié):150021.349e+08N/m^2節(jié):14238曲軸-靜應(yīng)力分析1-應(yīng)力-應(yīng)力1名稱類型最小最大位移1URES:合位移0.000e+00mm節(jié):1733.085e-01mm節(jié):799曲軸-靜應(yīng)力分析1-位移-位移1名稱類型最小最大應(yīng)變1ESTRN:對(duì)等應(yīng)變9.819e-12單元:36524.209e-04單元:3026曲軸5-靜應(yīng)力分析1-應(yīng)變-應(yīng)變1名稱類型位移1{1}變形形狀曲軸-靜應(yīng)力分析1-位移-位移1{1}根據(jù)公式T=F*L得出相應(yīng)最小截面軸徑為8.6mm，所設(shè)計(jì)軸徑為10mm，滿足設(shè)計(jì)所需。軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度校核由公式：τ=其中：為實(shí)心軸則wt=π?3其扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力為50.9mpa≤[τ]，故滿足涉及所需。4、軸的剛度校核及計(jì)算由計(jì)算公式：?=軸傳遞扭矩為1000Nmm，最小設(shè)計(jì)軸徑為10mm，切變模量為79Gpa，極慣性轉(zhuǎn)矩為981.75mm4，剛度為0.74，其數(shù)值位于0.5~1之間，滿足一般傳動(dòng)，符合設(shè)計(jì)所需。3.2.2連桿的設(shè)計(jì)連桿的主要是將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的主要受力部件，承擔(dān)著將活塞上的力轉(zhuǎn)化到曲軸上的重任，承受較大的交變載荷，與此同時(shí)，還承受快速擺動(dòng)所產(chǎn)生的慣性力矩，，在交變載荷的作用下，嚴(yán)重的情況會(huì)使連桿發(fā)生斷裂，在設(shè)計(jì)過程中需保證一定的剛度和強(qiáng)度。需保證合理的結(jié)構(gòu)并保證表面強(qiáng)化處理。連桿連接曲軸處采用對(duì)開連接。1、連桿的材料為保證一定的剛度和強(qiáng)度，材料選用45鋼模鍛，能得到較為綜合的機(jī)械性能，有一定的強(qiáng)度和韌性，對(duì)加工表面進(jìn)行噴丸處理進(jìn)一步提高連桿的疲勞強(qiáng)度。連桿相關(guān)計(jì)算和校核連桿及其部件裝配立體圖2、連桿相關(guān)計(jì)算及校核連桿小頭用以與活塞銷配合，另一端連桿大頭安裝軸瓦與曲軸進(jìn)行配合。其相應(yīng)尺寸為：連桿小頭內(nèi)徑：8mm連桿小頭外徑：14mm連桿小頭寬度：16mm在氣缸曲軸連桿運(yùn)轉(zhuǎn)到