УПЛОТНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ПОРШНЯ

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения, в частности к уплотнительной технике, и может быть использовано для уплотнения системы поршень - цилиндр в двигателях внутреннего сгорания и компрессорах.
Известны уплотнительные поршневые кольца прямоугольного поперечного сечения пружинящие наружу, которые в свободном состоянии на своих концах должны иметь для достижения пружинного эффекта соответствующие зазоры (В.Н.Болтинский. Теория, конструкция и расчет тракторных и автомобильных двигателей. М.: Изд-во сельскохозяйственной литературы, 1962, с.162, рис. 69, б, в, г, д). Они предназначены для уплотнения и создания совместно с поршнем изолированных пространств, находящихся по обе стороны поршня в цилиндре поршневой машины. В цилиндре двигателя, когда кольцо находится в сжатом рабочем состоянии, концы кольца образуют замок. На рис. 69, г показан, так называемый, прямой замок с сохранением теплового зазора между его концами (аналог). Торцовые грани концов кольца образованы путем разрезания кольца по его радиусу перпендикулярно окружной оси кольца.
К недостатку указанного уплотнительного устройства нужно отнести прорыв газов через зазор в замке кольца в картер двигателя, что приводит не только к падению мощности и увеличению расхода масла, но может быть основной причиной, вызывающей вибрацию кольца.
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. Вибрация сопровождается поперечными колебаниями кончиков кольца вблизи замка. Работа в таких условиях нередко оканчивается поломкой колец - у замка отламываются кусочки небольшой длины, а на торцевых поверхностях канавок поршня образуются
выбоины (Гинцбург Б.Я. Теория поршневого кольца. М.: Машиностроение, 1979, с.174).
Рассмотрим физическую сущность возникновения вибрации кольца. При работе двигателя и возвратно-поступательном движении поршня на кольцо действуют в основном два силовых фактора - силы давления газов и переносные силы инерции самого кольца, 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 распределялись по торцу кольца по всей окружности, а переносные силы инерции равномерно распределялись по объему кольца. В этом случае результирующие силы от сил давления газов и сил инерции так же равномерно распределялись бы по окружности кольца и вызывали перемещения кольца в канавке поршня как целого элемента.
Наличие прорези в замке, куда устремляется поток заза, 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 проявляется поперечный изгибающий момент переменного направления. Этот момент вызывает многоузловую форму колебания кольца по всей его окружности (Гинцбург Б.Я. Теория поршневого кольца. М.: Машиностроение, 1979, с.179).
Таким образом, совместное действие переменных по величине и по направлению сил давления газа и сил инерции кольца особенно ярко проявляется вблизи замка. Они вызывают высокочастотное колебание кончиков кольца, заканчивающееся разрушением кольца. И причиной этого является прорыв газа в прорези замка.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому уплотнительному устройству поршня является поршневое кольцо с замком, у которого зазор между торцовыми гранями концов кольца выполнен путем
0
0
разрезания кольца по его радиусу, но под углом 30° к окружности оси кольца (прототип). (В.Н.Болтинский. Теория, конструкция и расчет тракторных и автомобильных двигателей. М.: Изд-во сельскохозяйственной литературы, 1962, с.162, рис. 69, б). Преимущество такого замка перед аналогом состоит в возможности уменьшения зазора в замке между наклонными торцевыми гранями кончиков кольца Δ при сохранении теплового зазора Δ как и у прямого замка. Например, если зазор в стыке при прямом замке должен быть равен Δ=0,4 мм, то зазор между наклонными торцевыми гранями кончиков кольца для наклонной прорези в 30° будет: Δ=Δ·sin 30°=0,2 мм. (В.Н.Болтинский. Теория, конструкция и расчет тракторных и автомобильных двигателей. М.: Изд-во сельскохозяйственной литературы, 1962, с.162).
Уменьшение зазора между наклонными торцовыми гранями кончиков кольца в замке увеличивает гидравлическое сопротивление прорывающимся газам. Уплотняющие свойства кольца повышаются. Количество прорывающихся газов через такой замок уменьшается.
Однако, у кольца с таким замком имеются недостатки. Наклонная прорезь замка все-таки позволяет прорываться газам в картер двигателя. При такой форме замка в стыке кольца давление рабочей среды будет равномерно распределяться между гранями концов кольца и при этом равнодействующие силы давления, действующие перпендикулярно граням и противоположно друг другу, будут отводить концы кольца друг от друга, и тем сильнее, чем больше перепад давления по обе стороны кольца и угол наклона прорези замка. Это будет приводить к дополнительному фактору, вызывающего изгиб концов кольца и способствовать возникновению вибрации кольца (физическая сущность возникновения вибрации кольца раскрыта при описании работы кольца - аналога). Еще один недостаток кольца с наклонной прорезью в замке в том, что один конец кольца в замке располагается над другим. При надевании кольца на поршень концы кольца надо разводить, дополнительно увеличив развод концов на величину захода одного конца кольца на другой. Это приводит к повышенным напряжениям в
спинке кольца и возможным поломкам при его монтаже (В.Н.Болтинский. Теория, конструкция и расчет тракторных и автомобильных двигателей. М.: Изд-во сельскохозяйственной литературы, 1962, с.162).
Технической задачей изобретения является уменьшение количества прорывающихся газов через прорезь замка кольца, устранение возможной вибрации кольца при его эксплуатации, уменьшение монтажных напряжений в спинке кольца и тем самым, увеличение срока службы как самого кольца, так и поршня, а также повышение экономичности работы двигателя за счет снижения расхода масла на угар.
Задача достигается в уплотнительном устройстве поршня, содержащем в канавке поршня кольцо прямоугольного поперечного сечения, пружинящее наружу, у которого замок кольца осуществлен сквозной прорезью кольца по его радиусу и под углом 30° к окружной оси кольца так, что образованные таким образом наклонные грани концов кольца параллельны и образуют надлежащий зазор в замке, где согласно изобретению, надлежащий зазор в замке образован зигзагообразной прорезью кольца так, что один конец кольца представляет собой по форме симметричный относительно окружной оси кольца выступающий клин, ограниченный двумя наклонными гранями, плоскости которых направлены по радиусу кольца навстречу друг другу под углом 30° к окружной оси кольца, а другой конец кольца представляет собой по форме симметричное к окружной оси кольца клиновидное углубление, ограниченное двумя гранями, параллельными граням выступающего клина противоположного конца.
Посредством предлагаемого уплотнительного устройства поршня, а именно, путем выполнения зигзагообразного зазора в замке кольца, улучшится уплотняющее его свойство, так как создается дополнительный лабиринт в самом кольце. Направление прорывающихся газов в замке будет резко изменяться и гидравлическое сопротивление возрастать, скорость газов заметно уменьшаться и давление под кольцом падать. Кроме этого, зигзагообразный профиль позволяет уменьшить монтажные напряжения в спинке кольца, так как перекрытие одного конца другим в замке кольца в два
раза меньше по сравнению с прототипом. При надевании кольца на поршень концы в замке надо разводить на меньшую величину. И наконец, зигзагообразная форма замка позволяет связать в замке кольца два противоположных конца как бы в одно целое, так как один конец кольца клинообразной формы входит во внутрь клинообразного углубления противоположного конца. Воспринимая на себя переменные поперечные нагрузки сил давления газов и сил инерции кольца, такая конструкция замка будет препятствовать колебаниям концов кольца в случае возникновения вибрации кольца.
Наличие изобретения в предлагаемом уплотнительном устройстве поршня доказывается тем, что надлежащий зазор в замке образован зигзагообразной прорезью кольца так, что один конец кольца представляет собой по форме симметричный относительно окружной оси кольца выступающий клин, ограниченный двумя наклонными гранями, плоскости которых направлены по радиусу кольца навстречу друг другу под углом 30° к окружной оси кольца, а другой конец кольца представляет собой по форме симметричное к окружной оси кольца клиновидное углубление, ограниченное двумя гранями, параллельными граням выступающего клина противоположного конца.
Оригинальность предлагаемого технического решения заключается в том, что два противоположных конца в замке связаны как бы в одно целое, так как один конец кольца клинообразной формы входит во внутрь клинообразного углубления противоположного конца. При этом сохраняется надлежащий зазор в замке между концами кольца. Это позволит гасить вибрацию кольца в случае ее возникновения в процессе эксплуатации.
Использование изобретения позволит улучшить уплотняющее свойство кольца, уменьшить монтажные напряжения в спинке кольца и повысить его вибростойкость. Все это в конечном итоге увеличит надежность работы и срок службы кольца и поршня и повысит экономичность работы двигателя за счет снижения расхода масла на угар.
Уплотняющее устройство поршня поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен общий вид уплотняющего устройства - разрез части поршня в сборе с кольцом.
На фиг.2 изображено кольцо уплотняющего устройства в аксонометрии.
На фиг.3 - узел 1 на фиг.2.
Предлагаемое уплотняющее устройство поршня состоит из поршня 1, в канавке 2 которого располагается разрезное кольцо 3, выполненное в виде криволинейного бруса, имеющего прямоугольное сечение (фиг.1). Концы кольца 4 и 5, составляющие замок кольца 3, образованы зигзагообразной прорезью 6 (фиг.3). В результате, конец 4 представляет собой по форме симметричный относительно окружной оси 7 кольца 3 выступающий клин 8, ограниченный двумя наклонными гранями 9 и 10. Грани 9 и 10 направлены по радиусу R кольца 3 навстречу друг другу под углом 30° к окружной оси 7 кольца 3 (фиг.2 и фиг.3). Противоположный конец 5 представляет собой по форме симметричное к окружной оси 7 кольца 3 клиновидное углубление 11, ограниченное двумя гранями 12 и 13 параллельными граням 9 и 10 выступающего клина 8 конца 4 (фиг.3).
Уплотнительное устройство работает следующим образом. При возвратно-поступательном движении поршня 1 непрерывно изменяется давление газов в надпоршневом пространстве. Некоторая часть газов стремится прорваться через зигзагообразную прорезь 6, образованную клиновидным концом 4 и клиновидным углублением противоположного конца 5 кольца 3 (фиг.3). Однако направление прорывающихся газов в зигзагообразной прорези 6 будет резко изменять свое направление. В результате гидравлическое сопротивление такого замка возрастает, скорость газов уменьшается и давление под кольцом 3 падает. Зигзагообразная прорезь 6, создавая дополнительный лабиринт для прорывающихся газов уже в самом кольце 3, улучшает его уплотняющее свойство. Далее, при определенных условиях, например при увеличении частоты вращения вала выше "критической" у концов 4 и 5 кольца 3 появляется поперечный изгибающий момент переменного направления, который старается вызвать
колебания концов 4 и 5 кольца 3 в поршневой канавке 2. Однако, зигзагообразная форма прорези 6 кольца 3 связывает два конца 4 и 5 в замке так, что один конец 4 клинообразной формы входит во внутрь клинообразного углубления 11 противоположного конца 5. Воспринимая поперечные нагрузки конец 5 с клинообразным углублением 11 будет удерживать от возможных колебаний противоположный конец 4 с клинообразным выступом 8 (фиг.3).
Предлагаемое уплотнительное устройство поршня позволит улучшить уплотняющее свойство кольца, уменьшить монтажные напряжения в спинке кольца и повысить его вибростойкость. Все это в конечном итоге увеличит надежность работы и срок службы кольца и поршня и повысит экономичность работы двигателя за счет снижения расхода масла на угар.