Уплотнительное устройство поршня

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в качестве уплотнения пар поршень - цилиндр двигателей внутреннего сгорания. Устройство включает поршень, в канавке которого соосно располагаются два плоских разрезных компрессионных кольца, верхнее и нижнее. Кольца сдвинуты одно относительно другого так, что расстояние между односторонними кончиками верхнего и нижнего колец равно расчетной длине l. Эта длина соответствует половине периода волновых колебаний кончиков колец. В поршневой канавке установлен круглый фиксатор с верхней и нижней лапками, которые входят в прорези замков верхнего и нижнего колец соответственно, обеспечивая заданное расстояние l. Изобретение повышает надежность работы уплотнительного устройства и увеличивает срок службы. 5 ил.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в качество уплотнения пары поршень-цилиндр двигателей внутреннего сгорания.

Известны уплотнительные поршневые кольца прямоугольного поперечного сечения, пружинящие наружу, которые в свободном состоянии на своих концах должны иметь для достижения пружинного эффекта соответствующие зазоры (Энглиш К. Поршневые кольца.- М.: Машгиз, 1962, с. 436, фиг. 325). Они предназначены для уплотнения и создания совместно с поршнем изолированных пространств, находящихся по обе стороны поршня в цилиндре поршневой машины.

К недостаткам указанных уплотнительных устройств можно отнести такое явление, как вибрация колец. Вибрация сопровождается поперечными колебаниями кончиков кольца вблизи замка. Работа в таких условиях нередко заканчивается поломкой колец - у замка отламываются кусочки небольшой длины, а на торцевых поверхностях канавок поршня образуются выбоины. Вибрация возникает у быстроходных двигателей за пределами некоторой "критической" частоты вращения коленчатого вала и при этом резко повышается пропуск кольцами газа, увеличивается расход смазки, а мощность двигателя снижается (Гинцбург Б.Я. Теория поршневого кольца.- М.: Машиностроение, 1979, с. 174). Существует несколько причин, вызывающих вибрацию и поломку колец.

Одной из причин, вызывающих вибрацию, является наличие зазора в стыке поршневого кольца.

При работе двигателя и возвратно-поступательном движении поршня на кольцо действует несколько силовых факторов - силы давления газов, переносные силы инерции самого кольца и силы трения, направленные вдоль оси поршня. Эти силовые факторы не зависят друг от друга и являются переменными как по величине так и по направлению (Гинцбург Б.Я. Теория поршневого кольца.- М.: Машиностроение, 1979, с. 179).

Если бы кольцо не имело прорези в замке, то силы давления газов равномерно распределились бы по торцу кольца по всей окружности, а переносные силы инерции равномерно распределились бы по объему кольца. В этом случае и результирующие от сил давления газа и сил инерции также равномерно распределились бы по окружности кольца и вызывали перемещение кольца в канавке поршня как целого элемента.

Наличие прорези в замке, куда устремляется поток газа, делает эпюру давления газа криволинейной. Равномерность распределения результирующих сил от сил давления газа и сил инерции по окружности кольца нарушается вблизи прорези замка и у кончиков замка появляется поперечный изгибающий момент переменного направления. Этот момент вызывает многоузловую форму колебаний кольца по всей его окружности (Гинцбург Б.Я. Теория поршневого кольца.- М.: Машиностроение, 1979, с. 179).

Другой причиной, вызывающей поломку кончиков кольца, являeтся неравномерность радиального давления кольца на зеркало цилиндра двигателя. В тех местах кольца, где радиальное давление больше, появляются значительные силы трения. Эти силы создают изгибающие моменты относительно тех точек кольца, где радиальное давление меньше, где небольшие силы трения. При возвратно-поступательном движении поршня величина и направленние сил трения меняются, и в материале возникают знакопеременные напряжения. Эти силы существенно увеличиваются вблизи верхней мертвой точки в момент зажигания в результате высокого давления газов в заколечном пространстве поршня, полусухого трения и инерционных усилий. Изгибающие моменты действуют в поперечной плоскости, перпендикулярной окружной оси кольца, и возникают эти явления в результате искривления окружной оси кольца вблизи его замка по обе стороны от его прорези. Излом кольца начинается большей частью в том месте, где действует максимальное суммарное напряжение (место наименьшего радиального давления) (Энглиш К. Поршневые кольца.- М.: Машиностроение, 1963, т. 2, с. 283, фиг. 192). В принципе неравномерность радиального давления кольца на зеркало цилиндра двигателя кроется уже в самой технологии изготовления поршневого кольца. Дело в том, что по причине прорыва газа высокой температуры через просвет замка давление от сил упругости кольца в первую очередь падаeт вблизи замка. Поэтому кольца изготавливают с неравномерным давлением по окружности: у замка - повышенные давления, а на других участках - пониженные. Такая эпюра давления получила название "грушевидной" (Гинцбург Б.Я. Теория поршневого кольца. - М.: Машиностроение, 1979, с. 132, рис. 73, эпюра N 7; Болтинский В.Н. Теория, конструкция и расчет тракторных и автомобильных двигателей. - М.: Сельскохозяйственная литература, 1962, с. 162, рис. 69). Сравнивая давление у кончиков замка и давление на участках кольца в 30-60^o от замка, видно, что у кончиков замка радиальное давление в несколько раз больше.

Таким образом, совместное действие переменных по величине и по направлению сил давления газов, сил инерций и сил трения особенно ярко проявляется вблизи замка. Все они вызывают высокочастотное колебание кончиков кольца, повышенные переменные напряжения на некотором относительно близком расстоянии от прорези замка и последующий излом кольца в этих местах. В этих местах происходит искривление окружной оси кольца, и эти места называют узлами.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по достигаемому эффекту является уплотнительное устройство поршня, содержащее в канавке поршня два соосно расположенных и контактирующих между собой плоских компрессионных кольца, замки которых расположены диаметрально противоположно друг другу, в заколечном пространстве установлен фиксатор, выполненный из полосы пружинной ленточной стали шириной, равной осевой высоте обоих колец, при этом фиксатор имеет в диаметральных плоскостях две лапки: верхнюю и нижнюю, отогнутые по радиусу к зеркалу цилиндра так, что каждая из них входит в прорезь прямого замка соответствующего компрессионного кольца, причем осевая высота каждой лапки не превышает осевой высоты соответствующего кольца, а длина не превышает радиальную толщину кольца, фиксатор выполнен разрезным круглым и контактирует всей наружной поверхностью с поверхностями тыльной стороны колец, создавая равномерное радиальное давление на оба кольца одновременно, при этом лапки получены путем сквозной просечки одновременно в осевом и окружном направлениях верхнего и нижнего краев полосы фиксатора (патент RU N 2133856, МКИ 6 F 02 F 5/00, F 16 J 9/06 - прототип).

Такое уплотнительное устройство работает следующим образом. При возвратно-поступательном движении поршня верхнее и нижнее разрезные кольца испытывают переменное давление газов как со стороны камеры сгорания, так и со стороны картера двигателя. Поэтому существует угроза прорыва газов в картер двигателя и масла в камеру сгорания. Однако прорези замков колец располагаются диаметрально противоположно друг другу, и поэтому они взаимно перекрываются в осевом направлении верхним и нижним кольцами соответственно. Чтобы не было смещения колец относительно друг друга по окружности канавки поршня и, следовательно, сближения прорезей замков в поршневой канавке, в его заколечном пространстве установлен круглый разрезной фиксатор, который имеет в диаметральной плоскости верхнюю лапку и нижнюю лапку, каждая из которых входит в соответствующие прорези замков верхнего и нижнего колец. Фиксатор создает равномерное радиальное давление на оба кольца по всей окружности и тем самым предотвращает смещение их относительно друг друга в радиальной плоскости и одновременно перекрывает окружной зазор между кольцами, который может образовываться в осевом направлении в результате воздействия на кольца переменных сил давления газов, сил инерции и сил трения.

Недостатком такого устройства является то, что замки колец расположены диаметрально противоположно и создают в плане всей этой системы определенную симметрию колец друг относительно друга. А из практики известно, что такие двойные соосно расположенные кольца также подвержены вибрации. Во-первых, это связано с тем, что два кольца в принципе не составляют одно сплошное кольцо, и в процессе работы двигателя переменные нагрузки сил давления газов, сил инерции и сил трения могут вызвать осевое смещение одного кольца относительно другого. Во-вторых, этому способствуют и то, что нижнее кольцо более или менее разгружается от давления газов, а потому лежит в канавке поршня в неустойчивом положении в отношении прилегания к торцевой поверхности верхнего кольца и имеет повышенную склонность к вибрации (Энглиш К. Поршневые кольца. - М: Машиностроение, 1963, т. 2, с. 286). Колеблясь в осевом направлении, нижнее кольцо может ударяться о торец верхнего кольца и возбуждать резонансные колебания многоузловой формы с определенной частотой или кратной ей (Гинцбург Б. Я. Теория поршневого кольца.- М.: Машиностроениe, 1979, с. 180). Диаметрально противоположное расположение замков соосно составленных колец делит систему колец в плане на две симметричные друг другу половины - две полуокружности. Волновые колебания исходят от кончиков колец и распространяются по полуокружностям каждого кольца к их спинкам. Ввиду одинаковой кратности частот колебаний верхнего и нижнего колец появляется большая вероятность наложения амплитуд упругих волн колеблющихся колец, а следовательно, и возникновения резонанса. За этим следуeт, как правило, разрушение колец.

Характер возникновения деформаций вибрирующего кольца подробно описан в труде Ивашенцева Г.А. Повышение срока службы поршневых колец путем учета их вибростойкости при изготовлении (монография). Саратов, СГАУ, 1996, 200 с. Депонирована в ВИНИТИ 25.11.96, библ. карточка N 3412-В96. На рис. 28, с. 48 видно, что возможны такие частоты колебания колец, при которых у двух плоских колец с одинаковыми характеристиками, соосно расположенных в одной канавке, замки которых расположены диаметрально противоположно, будет совпадение по величине амплитуд волновых деформаций спинки кольца и кончиков кольцах. Это вызывает резонанс колец. За таким явлением следует пропуск газов кольцами и вероятное их разрушение.

Очевидно, что такое соосное расположение составных колец, когда их замки расположены диаметрально противоположно друг другу, делает эксплуатацию уплотнительного устройства ненадежной.

Технической задачей изобретения является устранение вибрации колец и тем самым повышение надежности работы уплотнительного устройства и увеличение срока службы.

Задача достигается в уплотнительном устройстве поршня, содержащем в канавке поршня два соосно расположенных и контактирующих между собой плоских компрессионных кольца, перекрывающиx прорези замков друг у друга, в заколечном пространстве установлен фиксатор, выполненный из полосы пружинной ленточной стали шириной, равной осевой высоте обоих колец, при этом фиксатор имеет две лапки, верхнюю и нижнюю, отогнутые по радиусу к зеркалу цилиндра так, что каждая из них входит в прорезь прямого замка соответствующего компрессионного кольца, причем осевая высота каждой лапки не превышает осевую высоту соответствующего кольца, а длина не превышает радиальную толщину кольца, фиксатор выполнен разрезным круглым и контактирует всей наружной поверхностью с поверхностями тыльной стороны колец, создавая равномерное радиальное давление на оба кольца одновременно, при этом лапки получены путем сквозной просечки одновременно в осевом и окружном направлениях верхнего и нижнего краев полосы фиксатора, где согласно изобретению, кольца сдвинуты в окружном направлении одно относительно другого так, что расстояние между двумя прямыми замками верхнего и нижнего колец равно длине l колеблющегося кончика кольца, определяемой половиной периода волновых колебаний кончиков колец, причем верхняя и нижняя лапки фиксатора отогнуты на расстояние l между собой, соответствующее расстоянию между двумя замками.

Здесь следует пояснить, что длину колеблющегося кончика кольца можно определить по известной формуле (Гинцбург Б.Я. Теория поршневого кольца.- М.: Машиностроение, 1979, c. 180) где l - длина консоли колеблющегося кончика кольца, м; D - диаметр цилиндра, м; S_п - ход поршня, м; средняя скорость поршня, м/с; n - частота вращения коленчатого вала, об/мин; P₁ - давление газа над верхним поршневым кольцом в соответствии с индикаторной диаграммой, Н/м²; E - модуль продольной упругости, Н/м²; η =b/D - отношение высоты кольца b к диаметру цилиндра D;
ρ - плотность материала кольца, кг/м³;
f(α) = cosα+λcos2α - угол поворота коленчатого вала в град;
λ - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна;
ϕ = f₃/(πD²/4) - относительное сопротивление газов, эквивалентное f₃ - площади проходного сечения ниже лежащих колец (Гинцбург Б.Я. Теория поршневого кольца.- М.: Машиностроение, 1979, рис. 100, с. 176).

Эта формула позволяeт определить длину l колеблющегося кончика кольца для любого диаметра кольца с различными геометрическими характеристиками и для соответствующих условий работы, вызывающих вибрацию. Например, авторами заявки по этой формуле была подсчитана длина l колеблющегося кончика кольца для диаметра кольца, равного 120 мм. Эта длина составила 22,5 мм. При этом мы воспользовались данными из книги Гинцбурга Б.Я. Теория поршневого кольца. - М. : Машиностроение, 1979, с. 182. Результат показывает, что при соосном расположении пары колец в одной канавке поршня и сдвигом их по окружности друг относительно друга на расстояние, равное l между замками, возможно успешно перекрывать прорези замков друг у друга.

Теперь о физической сущности автоматического гашения возникающей вибрации колец. На рис. 103 (Гинцбург Б.Я. Теория поршневого кольца.- М.: Машиностроение, 1979, рис. 103, с. 180) показана схема деформации вибрирующего кончика кольца и указана длина конца кольца l относительно крайнего узла, в котором кольцо испытывает наибольшее напряжение. Если соосно расположенные кольца сдвинуть друг относительнo друга так, чтобы расстояние между одноименными кончиками верхнего и нижнего колец было равно l, то возникающая вибрация колец исчезнет автоматически за счет сил взаимодействия F самих деформируемых колец (см. фиг. 5, где 1 - ближний от замка узел нижнего кольца; 2 - амплитуда колебаний нижнего кольца; 3 - амплитуда колебаний верхнего кольца; 4 - ближний от замка узел верхнего кольца; 5 - кончики верхнего кольца; 6 - кончики нижнего кольца; 7 - верхний торец поршневой канавки; l - длина кончика кольца; T - период колебаний кончиков колец). Волны колебаний верхнего и нижнего колец не будут совпадать. Следовательно, не будут совпадать и их амплитуды. В тот момент, когда кончик нижнего кольца начнет подниматься вверх, ближний узел кончика верхнего кольца будет опускаться вниз навстречу кончику нижнего кольца. Силы взаимодействия F элементов верхнего и нижнего колец будут равны, но противоположно направлены, следовательно, равнодействующая будет равна нулю. Таким образом, произойдет автоматическое гашение вибрации одного кольца другим. Расстояние l равно половине периода волнового колебания колец. Обеспечить расстояние l между одноименными кончиками верхнего и нижнего колец можно путем установки замков соответствующих колец на это же расстояние l между собой, если отогнуть верхнюю и нижнюю лапки плоского радиального расширителя по радиусу к зеркалу цилиндра на расстояние, равное l.

Посредством предлагаемого уплотнительного устройства поршня можно устранить такое вредное явление, как вибрация соосно расположенных в одной канавке поршня колец, и тем самым увеличить надежность работы и срок службы колец и поршня.

Наличие изобретения в предлагаемом уплотнительном устройстве поршня доказывается расположением прорезей замков колец друг относительно друга на расстоянии l по окружности, равном длине колеблющегося в осевом направлении кончика кольца, определяемой ближним узлом деформированного кольца, путем отгибания верхней и нижней лапок фиксатора на соответствующее расстояние.

Оригинальность предлагаемого технического решения заключается в том, что кончики верхнего кольца находятся на окружном расстоянии от кончиков нижнего кольца, равном длине l колеблющегося в осевом направлении кончика кольца, определяемой крайним узлом деформированного кольца, путем отгибания верхней и нижней лапок фиксатора на соответствующее расстояние.

Это позволяет гасить вибрацию одного кольца другим в случае ее возникновения.

Уплотнительное устройство поршня поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображен общий вид устройства - разрез части поршня в сборе с уплотнительным устройством.

На фиг. 2 изображен вид А-А фиг. 1.

На фиг. 3 изображено уплотнительное устройство в аксонометрии.

На фиг. 4 изображены детали уплотнительного устройства поршня в аксонометрии.

Предлагаемое устройство состоит из поршня 1, в канавке 2 которого соосно располагаются два плоских разрезных компрессионных кольца: верхнее 3 и нижнее 4 (фиг. 1). Кольца 3 и 4 контактируют между собой по всей окружности и выполнены в виде криволинейных брусьев, имеющих прямоугольное сечение. Концы 5 верхнего кольца 3, так же как и концы 6 нижнего кольца 4, образуют прямые замки с прорезями 7 и 8 соответственно (фиг. 3, 4). С целью взаимного перекрытия прорезей замков 7 и 8, а также с целью устранения вибрации кольца 3 и 4 сдвинуты в окружном направлении одно относительно другого так, чтобы расстояние между односторонним концом 5 верхнего кольца 3 и односторонним концом 6 нижнего кольца 4 равнялось расчетной длине l - длине от кончика кольца до ближнего узла, в котором кольцо испытывает максимальные напряжения. Это расстояние соответствует половине периода волновых колебаний кончиков колец.

В поршневой канавке 2, в заколечном пространстве 9, также установлен круглый фиксатор 10 с прорезью 11, выполненный из полосы пружинной ленточной стали шириной, равной осевой высоте обоих колец 3 и 4 (фиг. 1-3). Фиксатор 10 контактирует по окружности своей наружной поверхностью 12 с поверхностями тыльной стороны 13 и 14 соответственно верхнего 3 и нижнего 4 колец, создавая равномерное радиальное давление на оба кольца одновременно (фиг. 4).

Фиксатор 10 имеет две лапки: верхнюю 15 и нижнюю 16, полученные путем сквозной просечки одновременно в осевом и окружном направлениях верхнего 17 и нижнего 18 краев полосы фиксатора 10 и отгиба их по радиусу к зеркалу цилиндра (фиг. 1-4; цилиндр не показан). Верхняя лапка 15 и нижняя лапка 16 должны быть получены и отогнуты таким образом, чтобы расстояние между ними было равно расчетной длине l.

Верхняя лапка 15 и нижняя лапка 16 входят в прорези 7 и 8 прямых замков верхнего 3 и нижнего 4 колец соответственно, обеспечивая такое же расстояние l между замками колец (фиг. 1 и 3). Осевая высота каждой лапки 15 и 16 фиксатора 10 не должна превышать осевой высоты соответствующего кольца 3 и 4, а длина каждой лапки 15 и 16 не должна превышать радиальной толщины кольца. Лапки 15 и 16 фиксатора 10 предотвращают смещение компрессионных колец 3 и 4 относительно друг друга по окружности поршневой канавки 2 и устанавливают расчетное расстояние, равное l, между односторонним кончиком 5 верхнего кольца 3 и односторонним кончиком 6 нижнего кольца 4.

Расположение верхней 15 и нижней 16 лапок по окружности фиксатора 10 относительно его прорези 11 может быть произвольным, а при выполнении замков колец 3 и 4 следует учитывать, что величины зазоров прорезей 7 и 8 зависят также и от толщины лапок 15 и 16 фиксатора 10.

Устройство работает следующим образом. При возвратно-поступательном движении поршня 1 верхнее 3 и нижнее 4 разрезные кольца, которые соосно располагаются в одной канавке 2, испытывают переменные нагрузки от сил давления газов, сил инерции и сил трения. Эти переменные нагрузки могут вызвать осевое смещение одного кольца относительно другого и их неустойчивое положение в канавке поршня 2 в отношении прилегания торцевыми поверхностями друг к другу верхнего 3 и нижнего 4 колец. Нижнее кольцо 4 как более разгруженное от давления газов, имея повышенную склонность к вибрации, может ударяться о торец верхнего кольца 3 и возбуждать колебания многоузловой формы, и оба кольца начнут волнообразно деформироваться. Но волны колебаний самопроизвольно погашутся самими деформируемыми кольцами 3 и 4, так как волны колебаний колец не будут совпадать ввиду сдвига по окружности верхнего кольца 3 относительно нижнего кольца 4 на величину l между замком 7 верхнего кольца 3 и замком 8 нижнего кольца 4, определяемой длиной колеблющихся кончиков замков 5 (или 6), равной половине периода волны деформированных колец (фиг. 3).

В тот момент, когда кончики 6 нижнего кольца 4 начнут подниматься вверх, ближний узел от края кончика 5 верхнего кольца 3 будет опускаться вниз навстречу кончикам 6 нижнего кольца 4. Силы взаимодействия будут противоположно направлены друг другу и равны. Равнодействующая взаимодействующих сил будет равна нулю (см. фиг. 5). Таким образом, произойдет автоматическое гашение вибрации одного кольца другим.

Предлагаемое уплотнительное устройство поршня позволит устранить вибрацию колец и тем самым повысить надежность работы уплотнительного устройства и увеличить срок службы.

Формула изобретения

Уплотнительное устройство поршня, содержащее в канавке поршня два соосно расположенных и контактирующих между собой плоских компрессионных кольца, перекрывающих прорези замков друг у друга, в заколечном пространстве установлен фиксатор, выполненный из полосы пружинной ленточной стали шириной, равной осевой высоте обоих колец, при этом фиксатор имеет две лапки, верхнюю и нижнюю, отогнутые по радиусу к зеркалу цилиндра так, что каждая из них входит в прорезь прямого замка соответствующего компрессионного кольца, причем осевая высота каждой лапки не превышает осевую высоту соответствующего кольца, а длина не превышает радиальную толщину кольца, фиксатор выполнен разрезным круглым и контактирует всей наружной поверхностью с поверхностями тыльной стороны колец, создавая равномерное радиальное давление на оба кольца одновременно, при этом лапки получены путем сквозной просечки одновременно в осевом и окружном направлениях верхнего и нижнего краев полосы фиксатора, отличающееся тем, что кольца сдвинуты в окружном направлении одно относительно другого так, что расстояние между двумя прямыми замками верхнего и нижнего колец равно длине колеблющегося кончика кольца l, определяемой половиной периода волновых колебаний кончиков колец, причем верхняя и нижняя лапки фиксатора отогнуты на расстояние l между собой, соответствующее расстоянию между двумя замками.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5