RU1820112C - Уплотнение пары поршень-цилиндр двигател внутреннего сгорани - Google Patents

Abstract

Сущность изобретени : поршень выполнен с съемной стальной жаропрочной головкой. Направл ющий цилиндр выполнен из чугуна. Уплотнительные кольца поршн  выполнены стальными неразрезными и установлены в количестве не менее трех в ступенчатую проточку , выполненную на головке, с чередующимис  диаметральными зазорами, равными соответственно: первое и последующее нечетные кольца с поверхностью направл ющего цилиндра - (О,00018-0,00025)D, с поверхностью проточки - (0,,006)D. Четные кольца установлены с нулевым зазором или нат гом с поверхностью проточки головки и с зазором (0,,008)В с поверхностью направл ющего цилиндра. Кольца установлены вдоль оси поршн  с образованием неподвижного соединени  с торцовыми поверхност ми ступенчатой проточки головки и корпуса направл ющей части корпуса. 2 з.п. ф-лы, 2 ил. (Л С

Description

Изобретение относитс  к машиностроению и может быть использовано во всех отрасл х народного хоз йства дл  уплотнени  пары поршень-цилиндр, работающего 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 двига - тел . Даже при незначительных износах элементов таких уплотнений существенно снихоютс  исходные технико- экономические показатели двигателей внутреннего сгорани  (см. Устинов А.Н. Исследование поршневых колец дизелей. Изд.Сарат.ун-та, Саратов, .

При высоких давлени х и температурах рабочего тела канавки дл  уплот- нительных колец могут выполн тьс  на отдельной жаропрочной головке поршн  (см. Двигатели внутреннего сгорани : Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. Под ред. А.С. Орлйна, М.Г. Круглова, М.: Машиностроение , 1990, с. 69), причем первое уплотнительное кольцо может иметь сечение L-образной формы (см. Пульма00

ю

о

ю

нов Н.В. Дизель-компрессоры со свободно движущимис  поршн ми, М.: Машиностроение , 1959, с. Т91, Фиг. 92).

Известны также уплотнени  пары поршень-цилиндр двигател  внутреннего сгорани , содержащие направл ющий цилиндр и поршень, содержащий отдельные специальные канавки, в каждую из ко- торых установлены с зазорами подвиж- ные разрезные упругие кольца прижатые к поверхности направл ющего цилиндра силами упругости кольца и давлением рабочего тела со стороны радиального зазора внутри канавок (см. Пульма-4 нов Н.В. Дизель-компрессоры со сво- бодно движущимис  поршн ми, М.: Машинестроение; , 1959 с. 201, фиг. 97а)V

Разрезные упругие кольца уплотнени  вызывают неравномерный износ по- ёерхности направл ющего цилиндра вдоль егооси, образу  на ней различные формы овалов с разными радиусами кривизны, конусности и т.п., что приводит к образованию просветов в зонах замков (разрезов) и 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 разрезные уплотни- тельных колец, существенно возрастав ет работа сил трени  в паре поршень- цилиндр, что приводит к интенсивному и неравномерному изнашиванию трущихс  поверхностей направл ющего цилинд- ра и уплотнительных колец, изменени м их геометрических форм, изнашиванию и потере уплотнительных свойств колец. При повышенных скррост х возвратно-поступательного движени  поршн  осева  подвижность колец вызывает также изнашивание и изменение геометрической формы канавок на поршне дл  уплотнительных колец, что способствует повышению вибрации колец и даль- нейшей потере герметичности и прочности такого уплотнительного соединени , возрастанию потерь смазочного масла на угар, снижению работоспособности и долговечности уплотнени  па- ры поршень-цилиндр двигател . Дл  достижени  этой цели в известном уплотнении пары поршень-цилиндр двигател  внутреннего сгорани , содержащем -на5

0 .

0 0

S 0 5 ел -

правл ющий цилиндр и поршень с уплот- нительными кольцами, поршень выполнен со съемной стальной жаропрочной головкой , цилиндр выполнен из чугуна, а уплотнительные кольца выполнены стальными неразрезными и установлены в количестве не менее трех в ступенчатую проточку, выполненную на жаропрочной головке, с чередующимис  диаметральными зазорами, равными COOT- i ветственно: первое и последующие нечетные кольца с поверхностью направл ющего цилиндра - (0,00018.,. 0,00025)0, с поверхностью проточки на жаропрочной головке - (0,.. О,0080)D, четные кольца установлены с нулевыми зазором или нат гом с по- верхностью проточки на жаропрочной головке и с зазором - (0,00..,0,008)D с поверхностью направл ющего цилинд- ; ра, при этом комплект уплотнительных колец установлен вдоль оси поршн  с образованием неподвижного соединени  мехеду торцевыми поверхност ми ступенчатой проточки на жаростойкой вставке и корпуса направл ющей части порш- «« при этом масть уплоткительнух ко- гец выполнена пр моугольного сечени  - высотой (0,015...0,030)D и шириной - (0,020...-0,о4б)о, а часть - L-образного сечени  с внутренней кольцевой вставкой, высота последних равна (0,0/fO...O,080)D, ширина их вы- ступающей части, контактирующей с по-, верхностью направл ющего цилиндра, равна .(0,01-0...0,020)D, высота внут- ; ренней кольцевой вставки - (0,025... 0,)D, вставка установлена с нулевыми зазором или нат гом с поверхностью проточки на жаростойкой вставке и с образованием зазора (0,004... 0,008)0 с выступающей частью L-образного уплотнитель ного кольца, 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 общей оси поршн , разгрузка направл ющего цилиндра от сил упругости уплотнительных колец и давлени  рабочего тела.

Современным машиностроением хорошо освоены точные подвижные соединени  гладких цилиндрических элементов с зазором типа ГОСТ . На

51820U2 основе этих точных посадок реализова1 но сопр жение первого и последующих нечетных неразрезных уплотнительных колец с поверхностью цилиндра с га- рантированным зазором (0,00018... 0,00025)0.

При работе двигател  элементы уплотнени  нагреваютс  и величина зазора в уплотнении измен етс  в соответ- JQ Степи со значени ми коэффициентов линейного расширени  кольцами, направл ющего цилиндра tf ц и перепадов температур при нагревах кольца ДТК и направл ющего цилиндра А Т ц: .15

Д - (0,00018...О,00025) D + + (V&tU - OVUTK) P.

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

ITD А3 Р

Д

- гун xiO

- ОХФЛ

20

9ч

где D U

Р Р

к

6{ 1 j. t 2 Ч

П ГЬ }

диаметр цилиндра; диаметральный зазор в паре поршень-цилиндр; перепад давлени  по длине зазора ;

динамический коэффициент в зкости рабочего тела; число уплотнительных колец; осеоа  высота кольца; относительный эксцентриситет уплотнительного кольца в на35 ,

, м3/с (л/мин) 0, (27,9) 0,000552 (33,12) 0, (56,) 0, (88,73) 0,00166 (99,36)

- пера ( см.

h 0,03 тогда тела Усти коэфф 25 U 2 новны

I

Д вом с 30 А лотне

Qt ла че

тела

2

правллющем цилиндре: при совпадении осей уплоiчитальных колец и направл ющего цилиндра 6 0, при максимальном радиальном смещении уплотнительных колец в зазоре до соприкосновени  с поверхностью направл ющего цилиндра Ј 1. Дл  материалов уплотнени :

- направл ющий цилиндр - серый чугун СЧ25 ГОСТ 1 12-79, tfu 12,2 , ,

- уплотнительное кольцо сталь ОХФЛ ГОСТ , и 1 1- КГ.К 1 ,

,

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

h (0,015...0,030)D (0,015... 0,030) 190 3 мм, принимаем , тогда при перепаде давлени  рабочего тела по длине зазора 5 кг/см2 (см. Устинов А.Н....С.28) и динамическом коэффициенте в зкости рабочего тела U 2, кгс/м2, рассмотрим основные параметры нового уплотнени ;

I

Д1 - зазоры при нормальном тепловом состо нии уплотнени ; А зазоры при нагреве деталей уплотнени ;

Qtf.MMK Q /Mutt- утечки рабочего тела через зазоры при Ј О,

макс QIJMOKC Утечки рабочего тела через аазоры при ,

О.умим, м3/с (л/мин) 0,0000339 (2,03) 0,0000513 (3,07) 0,000151 (9,05) 0,00033 (19,78) 0, (27

QgMfliw. м3/с (л/мин) 0,0016 (69,75) 0,00138 (82,8) 0,00235 () 0,0037 (222) 0, (,)

Запредельные значени  зазоров в сопр жении уплотнени :

А мии 0,00017 D 0,00017 -190 - «0,0323 мм;

& длин 0,0135 мм;

А макс 0,00026 D 0,00026-190 0, мм;

1 MOfcC

0,030 мм.

Таким образом, запредельные значени  зазоров & WV,K 0,00017 D при pa-.

Qj/wuc м3/с (л/мин) 0,00008 7 (5,082) 0,000128 (7,69) 0,000377 (22,63) 0,00082 (9,) 0,00113 (67,5).

бочем нагреве элементов уплотнени  выходит за границы наиболее предпочтительной посадки H7/g6, 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 й мокс 0,00026 D существенно снижают герметичность уплотнени , в сравнении с базовым серийным уплотнением утечки рабочего тела возрастают в 1,65... k раза (см. Устинов А.Н....с.27), что ухудшает пусковые качества и экономичность двигател ..

Зазоры между нечетными уплотни- тельными кольцами и поверхностью проточки- на жаропрочной головке поршн , а также четных колец с поверхностью направл ющего цилиндра Д1 (0,004... 0,008) Г) компенсируют 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 посадки Н9/е8 ГОСТ так,, чтобы

tfnfiTnD + Д (И9/е8) (0,004... 0,008) D.

- 12-10 в, , АТП 250 К и D 190 мм, имеем 12-10 fi-250-190 + + (0,100...О,287) (0,00...0,008)У М90, т.-е. (0,670...6,857): (0,760.. 1,520).

На фиг.1-3 изображено уплотнение пары поршень-цилиндр.

Уплотнение содержит направл ющий цилиндр 1 диаметром D и составной поршень 2 с отъемной жаропрочной головкой 5 со ступенчатой проточкой со стороны корпуса направл ющей части поршн , на которую поочередно установлены неразрезные кольца нечетные 3 и четные k, нижнее кольцоН опираетс  на торцевую поверхность напрэв- л кмней части корпуса поршн  2, а верхнее кольцо 3. опираетс  на торцеы вую поверхность ступенчатой проточки на жаропрочной головке 5, ограничивающих осевую подвижнрсть комплекта Уплотнительных колец 3 и 4, образующих поочерёдно диаметральные зазоры: лервое и последующие нечетные кольца Зс поверхностью направл ющего цилиндра 1, - (0,00018...О,00025) И,. с поверхностью проточки на жаропрочнойтоловке 5 г (0,00(.. .0,008) D; второе и последующие четные кольца k установлены с нулевыми зазором или нат гом с поверхностью проточки на жаропрочной головке 5, образу  при этом с поверхностью направл ющего цилиндра 1 зазоры - (0,00... 0,008) D. При пр моугольном поперечном сечении уплотнительных колец 3 высота вдоль оси кольца составл ет (0,0t5..

.

К + .

: : 1 . и ..

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

128

0,030) 1) радиальна  толщина - (0,020 ...0,040) D. Повышение герметичности уплотнени  при ограниченном количестве колец в комплекте достигаетс  установкой неразрезных уплотнительных колец 7 сечением L-образной формы с внутренней кольцевой вставкой 8, фиг.2 и фиг.З. Обща  высота L-образ- ного уплотнительного кольца 7 вдоль его оси составл ет - (0,040...0,080)0, радиальна  толщина его выступающей части - (0,010...0,020) D, высота внутренней кольцевой вставки - (0,025 ...0,) D, кольцева  вставка образует нулевой зазор или нат г с поверхностью проточки на жапрочной головке поршн  и зазор (0,00...0,008)1 с внутренней поверхностью выступающей , части уплотнительного кольца L-образ- ного сечени .

Уплотнение работает следующим образом . При движении поршн  2, основна  ориентаци  осевого положени  (соосность ) уплотнительных колец 3 А 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 нал поршнем 2, комплект неразрезных колец 3, образует бесконтактное лабиринтное уплотнение дл  потока рабочего тела в чередующихс  различных по величине зазорах между кольцами 3, 4 и поверхностью направл ющего-цилиндра 1, резко измен ющими проходные сечени  на пути потока рабочего тела вдоль оси уплотнени . Гидродинамическое сопротивление потоку рабочего тела создаетс  на участках с минимальными зазорами у первого и последующих нечетных колец 3 а увеличенные зазоры у второго и последующих четных колец Ц вызывают потери напора вследствие деформации от расширени  и трени  потока утечек рабочего тела.

Такое бесконтактное лабиринтное уплотнение пары поршень-цилиндр при работе двигател  внутреннего сгорани  в услови х повышенных давлений, те

ператур рабочего тела и относительных скоростей скольжени  поверхностей об- лалаёт достаточно высокой прочностью, надежно и длительно сохран ет геомет- рические параметры сопр женных поверхностей элементов уплотнени , на 30.. . снижает потери на трение в паре поршень-цилиндр, повышает эффективность уплотнени , надежность и долговечность его основных элементов. Это обусловлено повышенными прочное- Тью и жесткостью нераэрезных уплотни- тельных колец и стабилизацией геометрических параметров уплотнени . Пд- ступление смазочного масла с поверхности направл ющего цилиндра в зазоры кольцевого лабиринта существенно повышает эффект уплотнени  и снижае.т работу трени .

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

Claims (3)

1. Уплотнение пары поршень -ци линдр двигател  внутреннего сгорани , содержащее направл ющий цилиндр и поршень с уплотнительными кольцами,

«п л 0

5 л 5

0

5

отличающеес  тем, что поршень выполнен со съемной стальной жаропрочной головкой, цилиндр выполнен из чугуна, а уплотнительные кольца выполнены стальными неразрезными и установлены в количестве не менее трех в ступенчатую проточку, выполненную на жаропрочной головке, с чередующимис  диаметральными зазорами, равными соответственно: первое и последующие нечетные кольца с поверхностью направл ющего цилиндра - - (0,00018-0,00025) В, где D - диаметр направл ющего цилиндра с поверхностью проточки жаропрочной головки - (0,,008) D четные кольца установлены с нулевым зазором или нат гом с поверхностью проточки жаропрочной головки и с зазором (0,ООА- 0,008} D с поверхностью направл ющего цилиндра, причем уплотнительные кольца установлены вдоль оси поршн  с образованием неподвижного соединени  с торцевыми поверхност ми ступенчатой проточки жаропрочной головки и корпуса направл ющей части поршн .

2. Уплотнение по п.1, отличающеес  тем, что уплотнительные кольца выполнены пр моугольного сечени , высотой (0,015-0,030) D и шириной - (0,020-0,040) D.

3. Уплотнение по п.1, о т л и чающеес  тем, что часть уплотнительных колец выполнена пр моугольного сечени  высотой (0,015- 0,030) D и шириной - (0,020-0,) D, а другие выполнены L-обрэзного сечени  с внутренней кольцевой вставкой, высота последних равна (0,,080)D, ширина выступающей части, контактирующей с цилиндром, - (0,010-0,020)0 высота внутренней кольцевой вставки выполнена равной (0,025-0,) D, при этом внутренн   кольцева  вставка ус-. танрвлена с нулевым зазором или нат гом с поверхностью проточки жаропрочной головки и зазором (0,,008) D с выступающей частью Ь-образного уп- лотнительного кольца.

ЗазорЩооо.. о.ооогз} }

ЗазоЩ004... 0,008})

303QpfO,OQ4...0tOQ$Li

Фиг.

(0,004... %О08)Я 3ffjq0 i/jWtfff/njJffifl

Щиг.{

 $ш w/ffjzfffl

Фиг.З