КРИВОШИПНО-ШАТУННЫЙ МЕХАНИЗМ БЕЗМАСЛЯНОГО ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА И ПОРШНЕВОЙ КОМПРЕССОР
CRANK-AND-ROD MECHANISM OF OIL-FREE PISTON COMPRESSOR AND PISTON COMPRESSOR

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к кривошипно-шатунному механизму поршневого компрессора, включающему установленный на шатунном пальце коленчатого вала подшипник качения с установленным с проставкой через прокладочное кольцо шатуном, взаимодействующим со средствами стопорения вращения относительно шатуна. Изобретение относится также к безмасляному компрессору для производства сжатого воздуха с кривошипно-шатунным механизмом.
Уровень техники
Область применения данного изобретения включает в первую очередь воздушные компрессоры для железнодорожного транспорта, которые в процессе эксплуатации подвержены жестким нагрузкам, в частности высоким перепадам температур от минус 50 до плюс 50°С. При этом они вырабатывают высокий моторесурс и работают с большим коэффициентом использования, так что воздушные компрессоры часто эксплуатируют на максимальной температурной границе для рабочих деталей. Кроме этого воздушные компрессоры в железнодорожном транспорте часто устанавливают в малых объемах, что затрудняет подачу охлаждающего воздуха. Все эти условия окружающей среды обуславливают значительное термическое расширение деталей, которое особенно нагружает детали в потоке мощности, а также детали, взаимодействующие через средства стопорения с геометрическим замыканием.
Практика показала, что подобные высокие нагрузки на стопоры вращения возникают при т.н. бугельных скачках, т.е. перерывах в контактном рельсе, которые приводят к кратковременному снижению числа оборотов воздушного компрессора, а затем к скачкообразному их быстрому возрастанию. В частности, таким нагрузкам подвержены средства стопорения вращения в зоне кривошипно-шатунного механизма поршневого компрессора. Согласно общеизвестному уровню техники шатуны в конфигурации кривошипно-шатунного механизма поршневого компрессора выполнены раздельно. Монтаж шатунов включает несколько этапов, причем сначала в картер кривошипного механизма устанавливают коленчатый вал с запрессованным подшипником качения шатунной шейки. Затем заводят шатуны через отверстия в картере, предназначенные для последующего монтажа цилиндров. Каждый шатун с соответствующей разделенной полумуфтой со стороны коленчатого вала устанавливают на подшипник качения коленчатого вала. Это не дает возможность выполнить устанавливаемый на этом месте стопор вращения между шатуном и подшипником качения без люфта, поэтому его устанавливают в фиксатор коленчатого вала с люфтом.
При высоких температурах алюминий, из которого изготовлен шатун, утрачивает из-за различий термического расширения посадку с натягом в отличие от подшипника качения и обычно расположенного между ними прокладочного стального кольца, в которое запрессовывают подшипник качения и уплотнители, что приводит к нагрузкам на стопоры вращения с геометрическим замыканием при каждом сжатии и расширении поршня компрессора. Пульсирующие нагрузки вызывают постоянное относительное смешение в люфте стопора вращения, что обусловлено в существующем уровне техники условиями сборности.
В ЕР 13148989 AI раскрыта конфигурация кривошипно-шатунного механизма, в частности, поршневого компрессора, включающая главным образом коленчатый вал с, по меньшей мере, шатунной шейкой, на которой через, по меньшей мере, подшипник качения установлен с возможностью вращения легкосплавный шатун, причем между подшипником качения и шатуном установлено проставочное кольцо, соединенное с подшипником качения с одной стороны посадкой с натягом без возможности вращения и с другой стороны геометрическим замыканием без возможности вращения с шатуном. Проставочное кольцо выполнено из материала с, по меньшей мере, удельным коэффициентом термического расширения, приблизительно схожим с материалом подшипника качения, чтобы предотвратить при температурных колебаниях разъединение подшипника качения и шатуна. Геометрическое замыкание между подшипником качения и шатуном обеспечивает профилирование насечкой или, по меньшей мере, выступающий радиально штифт. Штифт выполнен при этом в качестве отдельной детали, детали шатуна или детали проставочного кольца.
Практика показала, исходя из производственно-технологических и эксплуатационных особенностей, что предпочтительно выполнение стопоров вращения в виде отдельного штифта, выполненного по причине высоких нагрузок из максимально износостойкого материала, а шатун выполнен в отличие от этого, как правило, из легкосплавного металла. При выполнении обхватывающего штифт стопора вращения из стали его необходимо закрепить анкерным креплением в легкосплавном материале шатуна. Обычная посадка с натягом, известная из существующего уровня техники, подвержена, однако, различным термическим расширениям и поэтому может отделиться, образовать люфт и/или вылететь. Вылетевший штифт стопора вращения может вызвать значительное повреждение подшипника.
Раскрытие изобретения
Поэтому задачей данного изобретения является создание кривошипно-шатунного механизма поршневого компрессора с простой технологией производства и высокой эксплуатационной надежностью стопоров вращения относительно шатуна.
Эта задача решается в кривошипно-шатунном механизме признаками пункта 1 формулы изобретения. В последующих зависимых пунктах формулы раскрыты предпочтительные варианты осуществления изобретения.
Техническое решение по данному изобретению состоит в том, что стопоры вращения между шатуном и проставочным кольцом включают закрепленную резьбой с люфтом в шатуне конфигурацию штифтов, посаженную с люфтом геометрическим замыканием с проставочным кольцом. Преимуществом технического решения по данному изобретению является, в частности, с одной стороны, обеспечение прочного закрепления стопоров вращения в шатуне посредством резьбового соединения и, с другой стороны, обеспечение возможности простого монтажа за счет посадки с задействованием проставочного кольца.
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления изобретения конфигурация штифтов выполнена двусоставной и включает, таким образом, штифт с гладкой внешней поверхностью в основном цилиндрической формы, запрессованный во втулку с наружной резьбой для завинчивания в шатун. Такое двусоставное выполнение обеспечивает реализацию простого по технологии резьбового соединения с шатуном, а также возможность посадки с люфтом геометрическим замыканием с проставочным кольцом.
Для создания прочного соединения конфигурации штифтов предложено выполнение цилиндрического штифта предпочтительно из закаленной и отожженной термически улучшенной стали, а втулки из более мягкой предварительно термически улучшенной стали. Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления твердость штифта составляет, по меньшей мере, 45 по Роквеллу, а твердость втулки максимально 45 по Роквеллу.
Кроме этого для завинченной в шатун посредством наружной резьбы конфигурации штифтов предложен дополнительный винтовой клеевой стопор, предотвращающий возможность самопроизвольного отделения конфигурации штифтов от шатуна.
Чтобы ограничить глубину завинчивания конфигурации штифтов в шатун, предложено для образования упора выполнение на втулке дополнительного буртика, граничащего внешним радиусом по оси с наружной резьбой. Упор заходит в корреспондирующее с ним углубление сквозного винтового отверстия в шатуне. Согласно другому усовершенствованию изобретения предложено выполнение в месте выхода штифта из втулки радиуса для снижения местного напряжения в штифте, чтобы таким простым производственно-технологическим способом предотвратить разрушение штифта под длительным воздействием высоких нагрузок.
Другое повышение прочности стопора вращения по данному изобретению заключается в выполнении корреспондирующего со штифтом глухого отверстия со стороны проставочного кольца с послойной по краям закалкой, причем твердость краевого слоя соответствует твердости штифта. Проставочное кольцо закаляют, таким образом, по меньшей мере, в зоне глухого отверстия. Возможно, конечно, выполнение проставочного кольца полностью из закаленного материала, твердость которого соответствует твердости штифта.
Дополнительно прочность штифтов обеспечивает выполнение части штифта, запрессованной во втулку, по меньшей мере, такой же длины, как и часть штифта, выступающая из втулки. Это обеспечивает эффективное распределение напряжения внутри штифта при нагрузках.
Краткое описание чертежей
Другие усовершенствования данного изобретения рассмотрены более подробно ниже в описании предпочтительного варианта осуществления изобретения на примере фигур.
На фигурах изображено:
фиг. 1 - боковая проекция шатуна кривошипно-шатунного механизма с частичным видом в разрезе зоны стопора вращения,
фиг. 2 - вид продольного разреза (узел X) зоны стопора вращения по фиг. 1,
фиг. 3 - вид продольного разреза конфигурации штифтов стопора вращения,
фиг. 4 - аксонометрия конфигурации штифтов по фиг. 3.
Осуществление изобретения
Согласно фиг. 1 шатун 1 не показанной в деталях конфигурации кривошипно-шатунного механизма поршневого компрессора установлен с возможностью вращения через подшипник качения 2 в шатунной шейке 3 коленчатого вала. Выполненный из легкосплавного материала шатун 1 закреплен через выполненное из стали проставочное кольцо 4 на наружной стороне подшипника качения 2, т.е. на выполненном также из стали внешнем кольце подшипника. Проставочное кольцо 4 взаимодействует со средствами стопорения вращения относительно шатуна 1, включающими закрепленную в шатуне 1 с люфтом посредством резьбы конфигурацию штифтов 5, входящую в зацепление люфтовой посадкой с корреспондирующей выемкой со стороны проставочного кольца 4.
Согласно представленному на фиг. 2 узлу X в зоне стопора вращения конфигурация штифтов выполнена двусоставной. При этом цилиндрический штифт 6 с гладкой наружной поверхностью запрессован во втулку 7, на которой выполнена внешняя резьба 8 для завинчивания в шатун 1. Завинчиваемая через внешнюю резьбу 8 в шатун 1 втулка 7 зафиксирована винтовым клеевым стопором.
Согласно фиг. 3 на втулке 7 выполнен буртик 9 с внешним радиусом, граничащий по оси с наружной резьбой 8. Сформированный на втулке 7 буртик 9 образует упор для ограничения глубины завинчивания втулки 7 в шатун 1 (не показан). Часть штифта 6, запрессованная во втулку 7, в данном варианте осуществления изобретения длиннее части штифта 6, выступающей из втулки 7. Согласно фиг. 4 втулка 7 в месте выхода штифта 6 из втулки 7 выполнена с радиусом 10 для предотвращения местного напряжения.
Изобретение не ограничено вышеописанным предпочтительным вариантом осуществления. Возможны вариации этого варианта, попадающие под правовую защиту согласно формуле изобретения или, по меньшей мере, близкие к ней. Так, например, возможно прямое взаимодействие конфигурации штифтов по данному изобретению с внешним кольцом подшипника качения, в котором для этого в соответствующем месте выполнено глухое отверстие.
Перечень условных обозначений
1 шатун
2 подшипник качения
3 шатунная шейка
4 проставочное кольцо
5 конфигурация штифтов
6 штифт
7 втулка
8 внешняя резьба
9 буртик
10 радиус
X узел