УПЛОТНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ПОРШНЯ
PACKING DEVICE OF PISTON

Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано для уплотнения поршней и механизмов.
Известно уплотнительное устройство поршня, содержащее на дне канавки поршня периодически расположенные по окружности клинообразные выступы, на внутренней поверхности кольца - соответствующие им пазы, причем выступы и пазы выполнены с плоскими боковыми поверхностями, одна из которых расположена в радиальной плоскости, другая наклонная - под углом к ней, при этом выступы размещены в пазах с контактом по наклонным поверхностям, ширина пазов выполнена больше ширины выступов, а спиральные пружины расширителя установлены между боковыми поверхностями выступов и пазов, находящихся в радиальной плоскости (а.с. SU №1665132, МКИ F16J 9/06 - аналог). В результате воздействия спиральных пружин расширителя поршневое кольцо, взаимодействуя с клинообразными выступами поршневой канавки по наклонным поверхностям пазов и выступов, отодвигается от поршня и прижимается к зеркалу цилиндра, создавая уплотняющий эффект устройства.
Недостатками этого изобретения являются следующие.
1. Сложность изготовления и эксплуатации уплотняющего устройства из-за необходимости выполнения пазов в поршневом кольце и выступов в канавке поршня, которые создают вынужденную конструктивную взаимозависимость между поршневым кольцом и поршнем.
2. Теряется универсальность применения уплотняющего устройства - нельзя использовать кольца с пазами и обычные поршни, у которых поршневые канавки выполнены без выступов, а поршни с выступами в канавке невозможно применять вместе с обычными кольцами, гладкими с цилиндрической внутренней стороны.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является уплотнительное устройство поршня, содержащее установленные в канавке поршня разрезное поршневое кольцо с периодически выполненными по окружности внутренней цилиндрической поверхности пазами, у которых одна боковая плоская поверхность расположена в радиальной плоскости, другая - под углом к ней, расширитель, выполненный в виде набора спиральных пружин, каждая из которых помещена в гнездо соответствующего паза, и установлено концентрично с поршневым кольцом в его заколечное пространство с контактом по всей окружности дна канавки дополнительное разрезное кольцо с клинообразными выступами, входящими вовнутрь пазов поршневого кольца, ширина которых больше ширины клинообразных выступов, при этом выступы дополнительного разрезного кольца имеют плоские боковые поверхности, параллельные плоским боковым поверхностям пазов поршневого кольца, и контактируют с пазами поршневого кольца по наклонным плоским поверхностям, а спиральные пружины расширителя расположены между боковыми поверхностями клинообразных выступов дополнительного разрезного кольца и пазов поршневого кольца (патент RU №2103573, МКИ F16J 9/06 - прототип).
В результате одновременного воздействия сжатых спиральных пружин расширителя в тангенциальном направлении к окружностям поршневого и дополнительного колец на радиальные поверхности клинообразных выступов дополнительного кольца и пазов поршневого кольца последний, взаимодействуя своими наклонными поверхностями пазов с наклонными поверхностями выступов дополнительного кольца, отодвигается от дополнительного кольца и прижимается к зеркалу цилиндра, создавая уплотняющий эффект устройства.
Такое уплотнительное устройство поршня устраняет некоторые недостатки аналога. Конструкция прототипа несколько проще и более универсальна. Отсутствие конических выступов в поршневой канавке позволяет использовать поршни с обычными кольцами, гладкими с цилиндрической внутренней стороны, а само уплотнительное устройство поршня можно использовать в обычных канавках серийных поршневых двигателей.
Однако прототип имеет существенный недостаток, который заключается в том, что на внутренней цилиндрической поверхности поршневого кольца по всей ее окружности периодически выполнены пазы, которые уменьшают площадь поперечного сечения поршневого кольца. В этих сечениях в процессе работы двигателя будут наблюдаться повышенные напряжения, ослабляющие прочность поршневого кольца. Кроме этого сами пазы поршневого кольца являются сосредоточением повышенных местных напряжений, которые возникают в местах резкого изменения формы и размеров поперечного сечения. Такое явление называется концентрацией напряжений (Кинасошвилли Р.С. Сопротивление материалов. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы. 1960, с.50). Местные повышенные напряжения в местах расположения пазов также снижают прочность поршневого кольца и могут привести к его разрушению. И главное, следует отметить то, что поршневое кольцо воспринимает практически все нагрузки, возникающие в процессе работы двигателя. В то же время дополнительное кольцо прототипа, располагаясь в заколечном пространстве и плотно контактируя своей внутренней цилиндрической поверхностью с окружной поверхностью дна поршневой канавки, находится в более благоприятных условиях. Именно поршневое кольцо скользит с высокой скоростью по зеркалу цилиндра двигателя при значительной нагрузке переменных сил давления газов, сил трения, сил инерции в условиях высокой температуры и неудовлетворительной смазки. Под действием всех этих факторов в поршневом кольце возникают значительные переменные напряжения, которые воспринимаются поршневым кольцом по всей своей окружности, в том числе в тех местах, где выполнены пазы. Такая конструкция уплотнительного устройства поршня, когда пазы для установки спиральных пружин расширителя выполнены по окружности внутренней цилиндрической поверхности поршневого кольца, ненадежная и недолговечная.
Технической задачей изобретения является повышение надежности работы уплотнительного устройства поршня и увеличение срока службы.
Задача достигается в уплотнительном устройстве поршня, содержащем установленные в канавке поршня разрезное поршневое кольцо, дополнительное разрезное кольцо, расположенное в заколечном пространстве концентрично с поршневым кольцом и контактирующее своей внутренней цилиндрической окружной поверхностью с цилиндрической поверхностью дна поршневой канавки, и расширитель, выполненный в виде набора спиральных пружин, периодически расположенных по окружности между поршневым и дополнительным кольцами, контактирующими между собой по наклонным плоским боковым поверхностям пазов и клинообразных выступов, причем клинообразные выступы свободно входят в пазы, ширина которых больше клинообразных выступов, а спиральные пружины расширителя располагаются в пазах между боковыми поверхностями пазов и клинообразных выступов, плоскости которых расположены в радиальном направлении, где согласно изобретению пазы выполнены на внешней цилиндрической окружной поверхности дополнительного разрезного кольца, а клинообразные выступы выполнены на внутренней цилиндрической поверхности поршневого кольца.
Предлагаемое уплотнительное устройство поршня будет более надежно в работе и долговечнее по той причине, что пазы для установки спиральных пружин расширителя устранены на поршневом кольце и выполнены на менее загруженном внешними силовыми факторами дополнительном кольце. Тем самым площадь поперечного сечения поршневого кольца в местах ранее располагавшихся пазов возрастет, а напряжения в процессе работы двигателя уменьшатся. Исчезнут также причины, вызывающие концентрацию местных напряжений.
Наличие в предлагаемом уплотнительном устройстве поршня изобретения доказывается тем, что пазы для установки спиральных пружин расширителя выполнены на внешней цилиндрической окружной поверхности дополнительного разрезного кольца, а клинообразные выступы выполнены на внутренней цилиндрической поверхности поршневого кольца.
Оригинальность предлагаемого технического решения заключается в том, что уплотнительное устройство поршня, сохраняя все положительные качества прототипа, приобретает дополнительные свойства, такие как высокая надежность работы и долговечность.
Уплотнительное устройство поршня поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен общий вид устройства, разрез части поршня в сборе с уплотнительным устройством; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.2 (в качестве обстановки показан цилиндр двигателя вместе с уплотнительным устройством).
Уплотнительное устройство поршня содержит поршень 1, в канавке 2 которого установлены рабочее поршневое разрезное кольцо 3 с клинообразными выступами 4, выполненными периодически на его внутренней цилиндрической поверхности 5, и разрезное дополнительное кольцо 6 с пазами 7 (фиг.1 и 2).
Дополнительное кольцо 6 установлено в заколечное пространство 8 рабочего поршневого кольца 3 концентрично с последним так, что внутренняя цилиндрическая поверхность 9 дополнительного кольца 6 по всей окружности контактирует с дном 10 поршневой канавки 2 (фиг.1, фиг.3), а в фигурные пазы 7, которые выполнены периодически по окружности внешней цилиндрической поверхности 11 дополнительного кольца 6, свободно входят в клинообразные выступы 4 поршневого кольца 3, так как ширина пазов 7 выполнена больше ширины клинообразных выступов 4 (фиг.2).
Клинообразные выступы 4 поршневого кольца 3 имеют боковые плоские поверхности 12, расположенные в радиальных плоскостях, и боковые плоские поверхности 13, лежащие в плоскостях, расположенных наклонно к радиальным (фиг.2). Пазы 7 дополнительного кольца 6 также имеют плоские поверхности 14 и 15, которые параллельны соответственно плоским боковым поверхностям 12 и 13 клинообразных выступов 4 (фиг.2).
В гнезда 16 пазов 7 дополнительного кольца 6 помещены спиральные пружины 17, которые располагаются между боковыми радиальными плоскими поверхностями 12 выступов 4 и боковыми радиальными плоскими поверхностями 14 пазов 7. Клинообразные выступы 4 поршневого кольца 3 размещаются в пазах 7 дополнительного кольца 6 так, что боковые наклонные плоские поверхности 13 клинообразных выступов 4 контактируют с боковыми наклонными плоскими поверхностями 15 пазов 7 (фиг.2). Поршень 1 размещен в цилиндре двигателя 18, а поршневое кольцо 3 всей своей внешней окружностью 19 контактирует с зеркалом цилиндра 20.
Уплотнительное устройство поршня работает следующим образом. В процессе перемещения поршня 1 рабочее поршневое кольцо 3 и цилиндр двигателя 18 подвергаются действию переменных сил давления газов. И поршневое кольцо 3, и цилиндр двигателя деформируются. При этом теряется контакт на некоторых участках внешней окружности 19 рабочего поршневого кольца 3 с зеркалом цилиндра 20. Будет наблюдаться прорыв газов, Однако в этот момент спиральные пружины сжатия 17 расширителя, расположенные между боковыми радиальными поверхностями 14 и 12 пазов 7 дополнительного кольца 6 и клинообразных выступов 4 поршневого кольца 3 соответственно, воздействуют одновременно и на поршневое кольцо 3 и на дополнительное кольцо 6 в тангенциальном направлении - вектор  (фиг.2). В результате взаимодействия рабочего поршневого кольца 3 с дополнительным кольцом 6 по наклонным плоским поверхностям 13 клинообразных выступов 4 и наклонным плоским поверхностям 15 пазов 7 поршневое кольцо 3 отодвигается от дополнительного кольца 6 по его наклонной плоскости 15 по направлению вектора . При этом рабочее поршневое кольцо 3 прижимается к зеркалу цилиндра 20 в радиальном направлении (вектор ) с определенной силой по всей своей внешней окружности 19, создавая тем самым уплотняющий эффект предлагаемого устройства.
Предлагаемое уплотнительное устройство поршня обладает повышенной прочностью рабочего поршневого кольца 3, так как отсутствие пазов 7 на его внутренней цилиндрической поверхности 5 увеличило площадь поперечного сечения и устранило концентраторы напряжений. Повысилась надежность работы уплотнительного устройства поршня и его долговечность.