RU1820109C - Уплотнение пары поршень-цилиндр двигател внутреннего сгорани - Google Patents

Abstract

Сущность изобретени : направл ющий цилиндр выполнен из чугуна, уп лонительные кольца поршн  - из стали неразрезными и установлены в коли честве не менее трех в ступенчатую проточку, выполненную на поршне, в чередующемс  пор дке с диаметральными зазорами. Зазоры равны соответственно - первое и последующее нечетные кольца с поверхностью цилиндра 0,00018-0,0.0025 D, с поверхностью проточки на поршне 0,004-0,008 D. Четные кольца установлены с нулевым зазором или нат гом с поверхностью проточки и с зазором 0,004-0,008 D с поверхностью цилиндра. Кольца установлены вдоль оси поршн  с образованием плотного соединени  между торцовыми поверхност ми проточки и L-об- разного стопорного кольца. Кольца выполнены пр моугольного сечени  высотой 0,015-0,300 D и шириной 0,020- 0,040 D, где D - диаметр цилиндра. 1 ил.

Description

Изобретение относитс  к машиностроению и может быть, использовано во всех отрасл х народного хоз йства дл  уплотнени  пары поршень-цилиндр, работающей в услови х повышенных давлений , температур рабочего тела и относительных скоростей скольжени  трущихс  поверхностей, преимущественно в поршневых двигател х внутреннего сгорани .

Известны уплотнени  пары поршень- цилиндр двигателей внутреннего сгорани , предназначенные дл  создани  герметичности надпоршневого объема камеры с рабочим телом и определ ющие надежность и экономичность двигател . Даже незначительные износы элементов таких уплотнений существенно .снижают исходные технико-экономические показатели двигателей внутреннего .-сгорани  (см. Устинов А.Н, Исследова-1 ние поршневых колец дизелей-, Изд. Сарат.ун-та, Саратов, 1974).

Известны также уплотнени  пары поршень-цилиндр, содержащие направл ющий цилиндр и поршень, содержащий отдельные специальные канавки, в каждую из которых установлены с зазорами подвижные разрезные упругие кольца прижатые к поверхности направл ющего цилиндра силами упругости и давлением рабочего тела со стороны радиаль- - ного за ора внутри канавок поршн  (см. Пульманов Н.В. Дизель-комлрессоС

ю о

о о

ры со свободно движущимис  поршн ми, МР: Машиностроение, 1959, с. 201, фИг.97 а).

Разрезные упругие кольца уплотнени  вызывают неравномерный износ поверхности направл ющего цилиндра вдоль его оси, образу  на ней различные формы овалов с разными радиусами кривизны., конусности и т.п., что приводит к образованию просветов в зонах замков (разрезов) и на других участках уплотнительных колец и поверхности направл ющего цилиндра, к снижению герметичности уплотнени  и ухудшению технико-экономических показателей двигател .

При повышении параметров рабочего тела в известном уплотнении пары поршень-цилиндр снижаютс  прочность и работоспособность разрезных уплотнительных колец, существенно возрастают работа сил трений в паре поршень- цилиндр, что приводит к интенсивному и неравномерному изнашиванию трущихс  поверхностей направл ющего цилиндра и уплотнительных колец, изменени ми их геометрических форм, изнашиванию и потере уплотнительных свойств колец. При повышенных скорост х возвратно-поступательного движени  поршн  осева  подвижность колец вызывает также изнашивание и изменение геомет рической формы канавок на поршне дл  уплотнительных колец, что способствует повышению вибрации Колец и дальнейшей потере герметичности и проч- ности такого уплотнительного соединени , возрастанию потерь смазочного масла на угар, снижению работоспособности « долговечности уплотнени  пары поршень-цилиндр двигател .

Целью насто щего изобретени   вл  етс  повышение работоспособности и долговечности уплотнени  пары пор- шень-цилиндр в услови х повышенных давлений, температур рабочего тела и относительных скоррстей скольжени  . трущихс  поверхностей.;

Дл  достижени  этой цели в изв-ест ном уплотнении пары пфшень-цилиндр двигател  внутреннего-сгорани , со- держащем направл ющий цилиндр и поршень с уплотнительными кольцами, оно снабжено L-образным стопорным коль-1 цом, цилиндр выполнен из чугуна, а уплотнительные кольца выполнены из стали неразрезными и установлены в количестве не менее трех в ступенма

0

5

0

5

. 5

л -

0

5

0

тую проточку, выполненную на .поршне, ; в чередующемс  пор дке с диаметральными зазорами равными соответственно: первое и последующие нечетные кольца с поверхностью направл ющего цилиндра 0,00018...0,00025 D, с поверхностью проточки на поршне 0,00... 0,008 D, четные кольца установлены с нулевыми зазором или нат гом с поверхностью проточки и с зазором 0,001. ..0,008 D с поверхностью направл ющего цилиндра, при этом комплект уплотнительных колец установлен вдоль оси поршн  с образованием не- подвих ного соединени  между торцевыми поверхност ми проточки и L-образ- ного стопорного кольца, причем уплот- нительные кольца выполнены пр моугольного сечени  - высотой 0,015... 0,030 D и шириной 0,020...0, D, ; где D - диаметр направл ющего цилиндра .

Существенными отличи ми такого уплотнени  пары поршень-цилиндр  вл ютс  выполнение всех уплотнительных колец неразрезными, установка всего комплекта уплотнительных колец в общую ступенчатую проточку неподвижным соединением вдоль оси поршн , раз- : грузка поверхности направл ющего цилиндра от сил упругости уплотнительных колец и давлени  рабочего тела.

Современным машиностроением хорошо освоены точные подвижные соединени  гладких цилиндрических элементов с гарантированным зазором типа H7/g 6 ГОСТ . На основе этих точных посадок реализовано сопр жение первого и последующих нечётных неразрезных уплотнительных колец с поверхностью направл ющего цилиндра с гаран-v тированным зазором 0,00018..,0,00025D.

При работе двигател  элементы уп- лотнени  нагреваютс  и величины зазо- .ров в уплотнении измен ютс  в соответствии со значени ми коэффициентов линейного расширени  кольца о/к, направл ющего цилиндра #ц и перепадов температур при нагревах кольцам А% и направл ющего цилиндра ДТЧ:

& (0,ОООГ8...0,00025) D + (сГцЬТц - «У ДТК) D.

Уплотнительные качества пары поршень-цилиндр оцениваютс  по величине утечек рабочего тела через зазоры;

-Qy

1ПЭ & 3 Р

О +-Й,

518201 де D - диаметр цилиндра;

Л - диаметральный зазор в паре

поршень-цилиндр; Р - перепад давлени  по длине зазора;5 U - динамический коэффициент в зкости рабочего тела; i - число уплотнительных колец; h|( - осева  высота кольца-, JQ 6 - относительный эксцентриситет уплотнительного кольца в на- . правл ющем цилиндре: при совпадении осей уплотнительных колец и направл ющего цилинд- /J5 pa Ј 0, при максимальном радиальном смещении уплотнительных колец в зазоре до соприкосновени  с поверхностью направл ющего цилиндра Ј . 1. 20 Дл  материалов деталей уплотнени : - направл ющий цилиндр - серый чуун СЧ25 ГОСТ 1412-79, (Уи 12,2 10-, К- ,

09б

- уплотнительное кольцо - сталь ОХФА ГОСТ 4543-71, tfk , К,

- при D 190 мм, перепадах температур: 4TU 193 К и ATk 223 К (см. Устинов А.Н....с.120),

hk (0,.015...0,030) D (0,015... ...О.РЗО) 190 3 мм, принимаем i 3, тогда при перепаде давлени  рабочего тела по длине зазора 5 кг/см2 (см. Устинов А.Н....С.28) и динамическом коэЛфициенте в зкости рабочего тела (К 2,5-10 кгс/м2 s рассмотрим основные параметры нового уплотнени  :

I

Л - зазоры при нормальном тепловом состо нии уплотнени ;

Д - зазоры при нагреве деталей уплотнени ;

Зумин QJJMMH- утечки рабочего тела через зазоры при Ј 0; мам Оу макс -утечки рабочего тела через зазоры при в 1.

0,0135 0,0155 0,0222 0,0288 0,030

A i мм 0«)мии м3/с (л/мин) QijMHH i3/c (л/мин)

0,000465 (27,9) 0,000552 (33,12) 0,000941 (56,4) 0,00148 (88,73) 0,00166 (99,36)

0,0000339 (2,03) 0,0000513 (3,07) 0,000151 (9,05) 0,00033 (19,78) 0,00045 (27)

QMMOKC, м3/с (л/мин) 0,0016 (69,75) 0,00138 (82,8) 0,00235 (140 0,0037 (222) О,00414 (248,4)

Запредельные значени  зазоров в сопр жении уплотнени 

й мин 0,00017 D - 0,00017-190 - 0,0323 мм,

Д ммм 0,0135 мм,

Л мокс 0,00026 D 0,00026-190 0,,0493 мм,

Лмакс 0,030 мм. Таким образом, запредельные значени  зазоров Л мин е 0,00017 D при рабочем нагреве элементов уплотнени  выход т за границы наиболее предпочтительной посадки Н7/§6, что св зано с ухудшением технологичности конструкции уплотнени , повышением веро тности задиров сопр гаемых поверхностей при эксплуатации, снижением надежности и долговечности уплотнени . Значени  запредельных зазоров Д моке 0,00026 D существенно снижают герметичность уплотнени , в сравнении с

) QijMHH i3/c (л/мин

0,0000339 (2,03) 0,0000513 (3,07) 0,000151 (9,05) 0,00033 (19,78) 0,00045 (27)

QJJMOKC , м3/с (л/мин) . 0,00008 47 (5,082) 0,000128 (7,69) 0,000377 (22,63) 0,000824 (9,)

0,00113 (67,5)

i . базовым серийным уплотнением, утечки

40 рабочего тела возрастают в 1,65... 4 раза (см. Устинов А.Н....с.27), чт ухудшает пусковые качества и экономичность двигател .

45 Зазоры между нечетными уплотни- тельными кольцами и поверхностью проточки поршн , а также четных колец с поверхностью, направл ющего цилиндра Д1 (0,004...О,008) D компенсируют

50 тепловое расширение головки поршн 

.и разгружают уплотнительные кольца от нагрузки нормальной силой при перекладке поршн  в зазоре его направл ющей части и выполнены на основе

55 посадки Н9/е8 ГОСТ 25347-82 так, что бы(Х п UTnD + А1 (Н9/е8) (0,004... ...0,008) D. При Х„ 12-10 €, АТП 250 К и D 190 мм имеем 12 X .х 106-250-190 + (0,100...0,287)

(0,004...0,008)«190, т.е. (О , $70... ..0,857) (0,760...1,520).

На чертеже изображен общий вид употнени  пары поршень-цилиндр двигаел  внутреннего сгорани .

Уплотнение содержит направл ющий илиндр 1 диаметром D и поршень 2 со тупенчатой проточкой со стороны над- оршневого объема камеры с рабочим елом, на которую поочередно установены неразрезные нечетные кольца 3 и етные кольца , нижнее кольцо k опираетс  на торцевую поверхность ступенчатой проточки поршн  2, а нее кольцо 3 опираетс  на торцевую поверхность L-образного разрезного стопорного кольца 5 ограничивающих осевую подвижность комплекта уплотнитель ных колец 3-й А, образующих поочередно диаметральные зазоры: первое и последующие нечетные кольца 3 с поверхностью направл ющего цилиндра 1, 0,00018...0,00025 D, с поверхностью проточки поршн  2, 0,ООЙ...0,008 D, второе и последующие четные кольца k установлены с нулевыми зазором или нат гом с поверхностью проточки поршн  2, образу  при этом с поверхностью направл ющего цилиндра 1 зазоры - (0,. ..0,008) D. При пр моугольном поперечном сечении уплотнительных колец 3 их высота вдоль оси составл ет (О,015...О,030) Dt ширина (0,020... ...0,0 Ю) D.

Уплотнение работает следующим образом . При движении поршн  2 основ-

на  ориентаци  осевого положени  (со-- осность) уплотнительных; колец 3 в комплекте уплотнени  относительно оси поверхности направл ющего цилиндра 1 обеспечиваетс  направл ющей частью поршн  2 и автоматически корректируетс  в процессе работы за счет перекладок поршн  в зазоре его направл ющей части и упругих свойств , неразрезных нечетных уплотнительных колец 3« Это создает практически бесконтактные услови  уплотнени  в процессе работы лабиринтного комплекта уплотнительных колец. При повышении давлени  рабочего тела в камере над поршнем 2 комплект неразрезных колец 3 Ь образует бесконтактное лабиринтное уплотнение дл  потока рабочего Тела в чередующихс  различных по величине зазорах между кольцами 3, и поверхностью направл ющего цилиндра 1 резко измен ющими проходные сече

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

ни  на пути потока рабочего тела вдоль оси уплотнени . Гидродинамическое сопротивление потоку рабочего тела создаетс  на участках с минималь - ными зазорами у первого и последующих нечетных колец 3, а увеличенные зазоры у второго и последующих четных колец вызывают потери напора вследствие деформации от расширени  и трени  потока утечек -рабочего тела в зазорах .

Такое бесконтактное лабиринтное уплотнение пары поршень-цилиндр при работе двигател  в услови х повышен- . ных давлений, температур рабочего тела и относительных скоростей скольжени  поверхностей обладает.достаточно высокой прочностью, надежно и длительно сохран ет геометрические параметры сопр женных поверхностей элементов .уплотнени , на 30.. .tO% снижает потери на трение в паре поршень- цилиндр, повышает эффективность уплотнени , надежность и долговечность его.основных элементов. Это обусловлено повышенными прочностью и жесткостью неразрезных уплотнительных колец и стабилизацией геометрических параметров уплотнени . Поступление смазочного масла с поверхности направл ющего цилиндра в зазоры кольцевого лабиринта существенно повышает эффект уплотнени  и снижает работу трени .

Снижение работы трени  и повышение уплотнительных свойств пары поршень-цилиндр в поршневых двигател х внутреннего сгорани  позвол ет существенно снизить удельные эффективные расходы топлива и смазочного масла , что обеспечивает высокий экономический эффект от внедрени  в различные отрасли народного хоз йства дви- гателей внутреннего сгорани  с таким .уплотнением пары поршень-цилиндр. Принцип неразрезных уплотнительных колец устанавливаемых в общую ступенчатую проточку, существенно упрощает технологию производства элементов комплекта уплотнени  пары поршень- цилиндр при достижении более высокой точности их геометрических форм, обеспечивает высокую прочность, ремонтопригодность и снижает затраты на эксплуатацию, ремонт уплотнени , двигател  в целом. Снижение потерь на трение в паре поршень-цилиндр, снижает эффективный расход топлива на 6...10%.

Claims (1)

1. Формулаизобретени  g

   Уплотнение пары поршень-цилиндр двигател  внутреннего сгорани , содержащее направл ющий цилиндр и пор- шень с уплотнительными кольцами, JQ отличающеес  тем, что оно снабжено L-образным стопорным коль- цом, цилиндр выполнен из чугуна, а уплотнительные кольца выполнены из стали неразреэными и установлены в 5 количестве не менее трех в ступенча- тую проточку, выполненную на поршне, в чередующемс  пор дке с диаметральными зазорами равными, соответствен- ..,

   5

   J0300

   (0,йО№... ...о,ооо&)

   JffJOfl

   f0,Dff4... ...0,008)

   но первое и последующие нечетные крльца с поверхностью направл ющего цилиндра - (0,00018-0,00025)- D, где D - диаметр цилиндра, с поверхностью проточки на поршне - (0,,008) D, четные кольца установлены с нулевым зазором или нат гом с поверхностью проточки и с зазором (0,,008) D с поверхностью направл ющего цилиндра , при этом уплотнительные кольца установлены вдоль оси поршн  с обра - зованием плотного соединени  между торцевыми поверхност ми проточки и L-образного стопорного кольца, причем уплотнительные кольца выполнены пр моугольного сечени  высотой (0,015-0,030) D и шириной - (0,020- 0,040) D.

   Зазор

   ffj.MO.

   нат г

   30300

   Щ&04... ... 0,008}2