α型斯特林自由活塞反渗透海水淡化增压系统设计研究

主要提出了反渗透海水淡化系统的新型动力装置,将自由活塞斯特林发动机与往复式柱塞泵耦合,构成自由活塞斯特林增压泵,为反渗透海水淡化系统提供动力。首先,通过分析该发动机的结构和运行机理,建立自由活塞斯特林增压泵质量-液压力-阻尼系统;其次,利用实用等温模型分析法对斯特林发动机进行热力学建模,利用流体力学对液压腔压力变化建模,以及利用牛顿定律对系统活塞动力学建模;最后,借助MATLAB软件对系统建模进行求解分析,求出新型增压泵的输出功率和流量。结果证明该增压系统的设计符合反渗透海水淡化系统的需求,并可正常运行。     

自由活塞斯特林发动机动力活塞气体作用效应

为了能够深入认识自由活塞斯特林发动机动力活塞的运行特性,找到提高自由活塞斯特林发动机效率的方法,对配气活塞固定不动时的动力活塞的气体作用效应进行了理论分析,并设计了动力活塞的单独运动实验,在此基础上提出了动力活塞自然频率的计算公式。研究了压缩腔压力波超前与滞后动力活塞位移两种情况下动力活塞受到的气体力的作用情况,采用旋转矢量法阐述了气体力的作用机理。当压力波超前或滞后活塞位移小于90°时,一部分气体力发挥了气体弹簧的作用,使系统自然频率增大;当压力波超前或滞后活塞位移大于90°但小于180°时,一部分气体力发挥了惯性力的作用,使系统自然频率减小,且热源温度越高,系统的自然频率越大。利用本实验室的一台自由活塞斯特林发动机进行实验,验证了上述气体力作用的效应与规律,利用此理论计算系统自然频率和实验相差不超过2%,使得斯特林发动机成功启动。     

斯特林发动机配气活塞动力学仿真分析

随着能源危机的加剧和斯特林发动机技术的提高,斯特林发动机在车辆上的应用具有重要的意义。首先,通过分析配气活塞的结构组成,来建立其力学模型。其次,利用ADAMS软件对配气活塞进行了动力学分析,得出活塞运动中柔性弹簧的变形特征、受力、动能和势能、活塞的轴向与侧向频谱特征等力学性能,其结果可以作为斯特林发动机设计与优化的理论依据。     

斯特林发动机配气活塞气体的作用效应

为了能够深入认识自由活塞斯特林发动机配气活塞的运动特性,对动力活塞固定不动时的配气活塞的气体作用效应进行了分析,并设计了配气活塞的单独运动实验,在此基础上提出了配气活塞固有频率的计算式。分析了工作腔压力波超前与滞后配气活塞位移两种情况下受到的气体力的作用情况,采用旋转矢量法阐述了气体力的作用机理。当压力波超前或滞后活塞位移小于90°时,认为一部分气体力发挥了气体弹簧的作用,使系统固有频率增大;当压力波超前或滞后活塞位移大于90°但小于180°时,认为一部分气体力发挥了惯性力的作用,使系统固有频率减小。热源温度越高,系统的固有频率越小。利用本实验室的一台自由活塞斯特林发动机进行实验,验证了上述气体力作用的效应与规律,且利用此理论计算了系统固有频率的准确性。     

斯特林循环热驱自由活塞淡化动力系统泵腔AMESIM仿真分析

提出了一种新型基于斯特林循环的热驱自由活塞反渗透海水淡化动力系统,采用自由活塞发动机,取消曲柄连杆等刚体传动机构,利用非刚性介质海水作为活塞平移机械能的接受体,简化传动链,通过蓄能器和配合弹簧作用,能够提供稳定输出功。通过AMESIM软件对动力系统的泵腔进行仿真研究,分析其活塞组件的运动特性及泵腔的流量特性。结果表明,动力系统自由活塞泵可以稳定运行,有稳定输出功,设计比较合理,具有可行性。     

配缸间隙对发动机机体振动噪声影响研究

分析活塞配缸间隙对活塞2阶运动的影响,优化活塞动力学特性,对于发动机减振降噪具有重要意义。以非道路4缸高压共轨柴油机为研究对象,建立了活塞动力学计算模型及整机多体动力学计算模型,进行了配缸间隙对活塞动力学与发动机机体振动噪声影响的仿真分析;对机体和曲轴进行模态试验,验证了有限元模型的准确性。通过整机的仿真分析,结果表明:配缸间隙增大后,摩擦平均有效压力依次减小;活塞敲击力先小幅减少,然后急剧增大,最后趋于稳定。在主推力侧,不同配缸间隙计算方案均在2阶谐次下出现最大振动峰值;在次推力侧,振动在800～3 000 Hz频段内差异比较明显,在2 000～3 000 Hz频段内差异尤为显著。机体噪声的1/3倍频程分析显示不同配缸间隙计算方案在中心频率500Hz时出现最大声功率级。     

双活塞式液压自由活塞发动机运动特性

双活塞式液压自由活塞发动机是将内燃机与液压泵集成为一体的新型动力机械。依据双活塞式液压自由活塞发动机样机活塞组件动力学模型,推导出活塞组件的自激振动方程;运用相轨迹法研究了活塞组件系统的稳定性,以及活塞组件的幅频特性;提出液压自由活塞发动机稳定运行的必要条件,以及通过负载特性确定活塞组件稳态工作频率的方法。     

基于遗传算法的斯特林驱动式增压泵优化

对自主设计研究的反渗透海水淡化动力装置的驱动装置即β型自由活塞斯特林发动机进行优化。研究发现,影响斯特林发动机功率的因素主要有扫气容积比、温度比、无益容积比和活塞相位角。利用遗传算法全局寻优特点,寻找这四个参数的最佳匹配值,以得到最大功率输出。通过对优化前后的压力-容积图以及数值的对比,发现优化后的斯特林发动机输出功明显提高。     

基于气门弹簧设计关键参数的计算与校核

气门弹簧是发动机配气机构的关键组成部件,其参数设计不仅影响发动机的动力性,更重要的是影响发动机能否在高速下正常稳定的运行。通过对气门弹簧设计关键参数的计算,在设计早期确定能够满足配气机构稳定运行的弹簧预紧力F_1、气门最大升程的弹簧力F_2以及气门弹簧工作段的平均刚度k,对气门弹簧进行选型。运用该计算方法对某款发动机的气门弹簧进行选型,同时使用AVL-EXCITE软件对配气机构的运动学和动力学进行校核,验证该弹簧选型的方法和流程的可行性。该方法能够一次性确定气门弹簧,且流程简便易行,值得推广。     

微型斯特林制冷机用线性压缩机研究

通过建立活塞运动方程、电机驱动方程,对线性压缩机的运行参数进行推导,进而结合实验数据对新研制的线性压缩机进行了动力学分析;实验给出了频率、充气压力等对制冷机运行特性的影响,得出影响压缩机性能的重要参数及其相互关系,从而为微型斯特林制冷机的优化设计提供了研究依据。     

A study of a two-stroke free piston linear engine using numerical analysis

We studied a two-stroke free piston linear engine by numerical models and simulation. The numerical models consisted of three parts: dynamic model, linear alternator model, and thermodynamic model. These models were combined and solved by a program written in Fortran. To validate the numerical models, simulation results were compared with experimental data at the same initial conditions. To provide information for the study, the effects of key parameters such as equivalence ratio, reciprocating mass, spark timing, and spring stiffness on the operating characteristics as well as performance of the engine were investigated. The simulation results indicated that by using numerical models as mentioned, the calculation data were closely similar to experimental data. Besides, this engine showed a great benefit for dynamic of piston, electric power output, and performance as spark timing was adjusted near the cylinder head. By decreasing reciprocating mass and increasing spring stiffness, the piston dynamics as well as electric power output of the engine was also improved significantly. In addition, high engine performance could be easily obtained by optimizing the key parameters.     

空气弹簧液压悬置动特性及隔振特性研究

研究了具有可变刚度阻尼的发动机空气弹簧液压悬置的动特性和隔振特性。针对影响发动机空气弹簧液压悬置动特性的关键参数上液室等效体积刚度,采用理论和试验方法研究了上液室等效体积刚度的等效值,基于该等效值建立了空气弹簧液压悬置的理论模型,对空气腔开闭两种工况进行了空气弹簧液压悬置动特性的仿真和试验研究。搭建了发动机空气弹簧液压悬置系统试验台架,研究了台架各种激励频率下的空气弹簧液压悬置的隔振特性。结果表明:本研究采用的上液室等效体积刚度进行空气弹簧进行建模是正确、可行的,提高了空气弹簧建模效率和准确性;空气弹簧液压悬置在空气腔开启和关闭两种状态下,峰值动刚度增大幅值达78.5%,峰值阻尼角增大幅值达250%。台架试验表明:当台架激励频率小于25Hz时,悬置采用大刚度大阻尼;当台架激励频率大于等于25 Hz时,悬置采用小刚度小阻尼;悬置隔振率提升明显,不同频率下提升幅值达10%～67%。     

斯特林发动机活塞环密封摩擦副法向力研究

针对一种斯特林发动机组合式活塞环动密封结构,根据系统运行及气体密封泄漏机理,考虑密封结构的各个设计参数及密封材料的物理特性,结合密封摩擦副的工况条件,再基于一定的假设及近似等值取代,构建了一套活塞环密封摩擦副正压力的计算公式。     

间隙密封高频往复运动活塞偏移特性研究

在间隙密封下的高频往复运动活塞组成的热力机械中,活塞平衡位置发生偏移的现象称为活塞偏移现象,这一现象普遍存在。对于线性压缩机和自由活塞斯特林发电机,活塞偏移将导致板簧容易断裂、输出效率下降甚至发生撞缸等严重后果。为研究间隙密封活塞偏移的内部机制以及其影响因素,建立间隙流场的流动泄漏模型,并通过数值模拟验证模型准确性。以百瓦级自由活塞斯特林发电机活塞的密封结构为研究对象,建立热力学和动力学耦合模型,分析间隙和外力对活塞偏移的影响规律。研究表明：一个周期内通过间隙的净泄漏量大于0是导致间隙密封活塞发生偏移的根本原因;在一定条件下,间隙和外力越大,活塞偏移越明显。     

电比例斜盘式恒压柱塞泵的联合仿真与特性研究

为了研究电比例斜盘式恒压柱塞泵的动静态特性，在分析其工作原理、运动特性和流量特性的基础上，利用SimulationX软件搭建恒压泵的机械、液压联合仿真模型进行研究，分析了变量缸大小腔直径比、变量缸弹簧刚度和主控压力阀的阀芯直径对恒压泵动态特性的影响。研究结果表明：电比例斜盘式恒压柱塞泵泵具有良好的动静态特性；主控压力阀阀芯直径越大，压力稳态值越接近设定压力值；弹簧刚度的增大和变量缸大小腔直径比值的减小都会提高恒压泵的动态响应速度，但超调量也会随之增大。     

双作用斯特林热机活塞密封流阻特性数值计算

考虑活塞前部环形间隙的影响,建立斯特林发动机活塞密封结构的流阻模型,分别展开动、静态下数值计算,得到活塞各密封段内压力与流量的关系,分析工质随结构参数变化的流动特性。结果表明：动、静态下活塞密封处流阻呈现不同特点,动态时流阻随流量增加而增大,静态时流阻为一恒定值;活塞环泄漏面积对流阻的影响较大,可以通过使用组合式活塞环以增大流阻而减小泄漏;而前部间隙宽度对流阻的影响较小,适当加大间隙宽度能在不影响密封的前提下减小活塞与气缸的摩擦。     

斯特林制冷机用动圈式直线压缩机共振频率特性仿真分析

基于斯特林制冷机用动圈式直线压缩机及其相应简化物理模型，给出了振子的受力特性和振子系统动力学控制方程，通过对动圈式直线压缩机的性能仿真系统的就其共振频率及特性进行了分析，对整机优化设计与性能改进具有重要意义。     

Dynamic Modeling of Floating Valve Plate Motion in an Axial Piston Pump

The objectives of this study were to analytically and experimentally investigate the motion of the floating valve plate in an axial piston pump under various operating conditions. To achieve the objectives of the analytical investigation, the equations of motion for the valve plate were coupled with a time-dependent lubrication model. The balance pistons that support the floating valve plate were represented by equivalent spring and dashpot systems. The system of equations was then solved using the Runge-Kutta and the control volume finite difference methods to determine the pressure, film thickness, and motion of the valve plate for various operating conditions. To achieve the experimental objectives, a previously developed axial piston pump test rig was instrumented with proximity probes to measure the motion of the valve plate. The stiffness and damping of the balance pistons supporting the floating valve plate were determined using the impact and frequency response methods. Using the experimentally determined stiffness and damping coefficients in the coupled dynamic lubrication model, the analytical and experimental results of the valve plate motions were compared. The model was then used to conduct a parametric study to determine the overall system stiffness and damping coefficients during pump operation. Using the stiffness and damping coefficients from the parametric study in the dynamic lubrication model, the pressure, film thickness, and motion of the valve plate were calculated for various operating conditions. The experimental and analytical displacements of the valve plate were then corroborated and found to be in good agreement.