ЗОЛОТНИКОВЫЙ ЦИЛИНДР ГАЗОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к двигателям различного назначения и может быть использована в газовых двигателях, например, - в паровых машинах.
Одним из важных элементов газового поршневого двигателя является золотниковый цилиндр (золотник) - подвижный элемент системы управления двигателем, направляющий поток рабочей жидкости или газа в нужный канал путем своего смещения относительно окон в поверхности, по которой он скользит. Различные шипы золотников приведены, например, в книге Н.А.Аникина и др. "Справочник для изобретателя и рационализатора", М., Машгиз, 1959, с.154, табл.38.
Обязательным элементом золотникового цилиндра является цилиндрическая рубашка (кожух золотника).
Известно устройство для корректирования подачи топлива в двигатель, содержащее корпус регулятора топливоподачи, суммирующий рычаг и ограничитель его перемещения, снабженный основной и дополнительной пружинами (см. а.с. СССР №969928, кл. F02D 1/02, опубл. В БИ №40, 1982 г.). Однако это устройство непригодно в качестве золотника паровой машины.
Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству является цилиндрический золотник, приведенный в БСЭ, 3-е изд., М., "Советская энциклопедия", 1972, т.9, с.562, рис.2.
Этот золотник содержит цилиндрический кожух, поршни, шток и втлку и характеризуется тем, что кожух имеет постоянный диаметр, а два поршня установлены на общем штоке и втулка снабжена окнами. Недостатком такого золотника является повышенный износ поверхности
кожуха (рубашки) от трения, что сокращает рабочую кампанию всего устройства.
Технической задачей настоящей полезной модели является продление рабочего кампании золотникового цилиндра за счет уменьшения износа его цилиндрической рубашки.
в
Для решения этой задачи золотниковый цилиндр газового двигателя, преимущественно поровой машины, содержит цилиндрическую рубашку, выполненную с переменным диаметром из литой стали с временным сопротивлением δ=550...650 МПа и с двумя наружными контактными поверхностями максимальных диаметров на своих торцах, каждая с длинной "l", равной 0,080...0,085 от длины рубашки, а по краям контактных поверхностей нанесены слои из бронзы АЖ 9-4, длина каждой из которых составляет (0,13...0,15)·l.
Приведенные параметры устройства получены опытным путем и являются эмпирическими.
Сущность заявляемого технического решения заключается в уменьшении сил трения при возвратно - поступательном движении рубашки внутри золотникового цилиндра (она выполняет роль поршней устройства, взятого в качестве ближайшего аналога). Действительно, контактная поверхность рубашки весьма мала, что обусловливает значительные удельные давления на нее и, следовательно, большие силы трения, особенно, учитывая отсутствие смазки между трущимися поверхностями (применение смазки невозможно ввиду больших температур подаваемого пара).
Предлагаемое устройство схематично показано на фиг.1 (стрелки - направление подачи пара).
Золотниковый цилиндр 1 содержит отверстие 2 для подачи в него пара, который через одно из окошек 3 попеременно подается слева или справа от поршня рабочего цилиндра (не показаны) паровой машины. В торцевых крышках 4 цилиндра 1 имеются отверстия 5 для штоков 6 рубашки 7, совершающей возвратно - поступательные движения внутри цилиндра 1.
Торцевые элементы 8 рубашки из литой стали выполнены с максимальным диаметром D, большим диаметром d ее средней части (d:D=0,75...0,80), и эти элементы имеют каждый по две контактных поверхности 9 с нанесенными на них слоями из бронзы АЖ 9-4. при этом длина каждого торцевого элемента "l" ее средней части, (d:D=0,75...0,80), и эти элементы имеют каждый по две контактных поверхности 9 с нанесенными на них слоями из бронзы АЖ 9-4. При этом длина каждого торцевого элемента "l" равна 0,080...0,085 от полной длины L рубашки каждого бронзового слоя составляет f'(0,13...0,15)l.
При работе паровой машины пар, поступающий в отверстие 2 золотникового цилиндра, шток 6 рубашки которого кинематически связан со штоком рабочего цилиндра паровой машины - происходит движение рубашки с попеременным перекрытием окошек 3, что вызывает возвратно-поступательное движение штока рабочего цилиндра.
Опытную проверку заявляемого устройства осуществляли на паровой машине привода толстолистового стана 4500 ОАО "Магнитогорский металлургический комбинат".
С этой целью опробовались различные варианты исполнения рубашки золотникового цилиндра этой машины, отличавшиеся ее материалом (литые стали с различными величинами ), соотношениями d/D и l/L, а также материалом наружных слоев контактных элементов (разные бронзы) и их длиной. Результаты опытов оценивались по длительности рабочей кампании золотникового цилиндра.
Наилучшие результаты (максимальная продолжительность работы золотника) получены с использованием предлагаемого устройства. Отклонения от рекомендуемых его параметров ухудшали достигнутые показатели.
Так например, использование литой стали (изготовление рубашки из кованой стали представляется нереальным) с  снизилоизносостойкость
в
рубашки почти на 15%, а при δ>650 МПа в отдельных случаях наблюдалось появление трещин в местах ее изгибов, очевидно, из-за недостаточной пластичности стали. Увеличился износ контактных элементов рубашки и при l<0,08·L, а при l>0,085·L возрастал износ внутренней поверхности золотникового цилиндра.
Оптимальным материалом для покрытия контактных поверхностей рубашки (в аспекте износостойкость - стоимость) оказалась бронза марки АЖ 9-4, причем, минимально - достаточная величина l'=0,13l (дальнейшее уменьшение l' снизило износостойкость рубашки), a l'>0,15l приводило только к увеличению расхода дорогостоящей бронзы.
Рекомендуемая величина d/D=0,75...0,80, так как при d/D<0,75 затруднялось передвижение рубашки, что вынуждало снижать скорость паровой машины, а при d/D>0,80 возрастал расход пара.
Испытания известного золотника показали, что его рабочая кампания меньше, чем у заявляемого, в среднем, на 47%. Таким образом, опыты подтвердили приемлемость найденного технического решения для достижения поставленной цели и его преимущество перед известным объектом.
Технике - экономические исследования показали, что использование предлагаемого устройства в паровой машине стана 4500 ОАО "ММК" продлит рабочую кампанию ее золотника почти в два раза.
Пример конкретного выполнения
Золотниковый цилиндр паровой машины толстолистового стана 4500 имеет вид, показанный на фиг.1 (см.).
в
Золотниковая рубашка выполнена из литой стали 45 с δ=600 МПа и имеет размеры: L=1725 мм, l=0,083·L=0,083·1725=143 мм; длина каждого слоя покрытия бронзой АЖ 9-4-l'=0,14·l=0,14·143=20 мм.
D=671 мм, d=0,775·D=0,775·671=520 мм.