RU2119108C1

RU2119108C1 - Piston sealing member

Info

Publication number: RU2119108C1
Application number: RU96111859A
Authority: RU
Inventors: Игорь Витальевич Севрук; Анатолий Федорович Минак; Валерий Владимирович Белозеров; Анна Ивановна Махатилова; Б.А. Вурье
Original assignee: Игорь Витальевич Севрук; Вурье Борис Александрович
Priority date: 1996-06-11
Filing date: 1996-06-11
Publication date: 1998-09-20

Abstract

FIELD: sealing above-piston space; piston compressors and piston pumps. SUBSTANCE: piston sealing member is made in form of split ring 1 which is manufactured from light alloy. Wear-resistant coat 2 is anti-friction; it is applied by microarc oxidizing of ring surface. Ratio of height of ring 1 to diameter of piston does not exceed 0.01. EFFECT: enhanced reliability of cylinder-and-piston group members. 3 dwg

Description

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, конкретно, к уплотнениям надпоршневого пространства, а также может использоваться в поршневых компрессорах и поршневых насосах. The invention relates to internal combustion engines, in particular, to piston space seals, and can also be used in reciprocating compressors and piston pumps.

Известны уплотнительные элементы для поршней двигателей внутреннего сгорания, описанные в кн. "Поршневые кольца" К. Энглиш, т. 1. Вено "Kolbenring" Karl English, band 1, Wien Springer-Verlag, 1958, 436-484, авт.свид. СССР N 1378572, F 02 F 5/00, 1988 г., N 1388726, F 02 F 5/00, 1988 г., N 1379484, F 02 F 5/00, 1988 г., N 1416727, F 02 F 5/00, 1988, в заявках Японии N 62-33428, F 16 F 9/06, 1987, N 1-29657, F 02 F 5/00, 1989, в книге "Трение и теплопередача в поршневых кольцах д.в.с." Справочное пособие под ред. Р.М. Петриченко, Л. Изд-во ЛГУ, 1990 г. В них описаны конструкции цельных и составных уплотнительных элементов, расположенных в поршнях. Known sealing elements for pistons of internal combustion engines described in the book. "Piston rings" K. English, vol. 1. Vienna "Kolbenring" Karl English, band 1, Wien Springer-Verlag, 1958, 436-484, autosvid. USSR N 1378572, F 02 F 5/00, 1988, N 1388726, F 02 F 5/00, 1988, 1379484, F 02 F 5/00, 1988, N 1416727, F 02 F 5 / 00, 1988, in Japanese applications N 62-33428, F 16 F 9/06, 1987, N 1-29657, F 02 F 5/00, 1989, in the book Friction and Heat Transfer in Piston Rings . " Reference manual, ed. R.M. Petrichenko, L. Publishing House of Leningrad State University, 1990. They describe the design of integral and composite sealing elements located in pistons.

Недостатками приведенных выше уплотнительных элементов являются относительно большой вес и габариты, большие механические потери в парах трения "кольца - поршень", "кольца-гильза цилиндра", большие износы, малая эрозионная и коррозионная стойкость. Эти недостатки снижают надежность и долговечность уплотнительного элемента, а также экономичность установки в целом. The disadvantages of the above sealing elements are the relatively large weight and dimensions, large mechanical losses in the friction pairs "rings - piston", "rings-cylinder liner", high wear, low erosion and corrosion resistance. These disadvantages reduce the reliability and durability of the sealing element, as well as the efficiency of the installation as a whole.

Известны также конструкции, уменьшающие вышеперечисленные недостатки, но полностью их не исключающие: использование колец из легких сплавов, описанных в кн. К. Энглиш. "Поршневые кольца", т. 1, с. 570, М., 1962, снижает массу колец, но ухудшает их прочностные характеристики и износостойкость, особенно при высоких рабочих температурах; размещение нескольких тонких стальных колец в одной канавке, описанных в кн. "Трение и теплопередача в поршневых кольцах двигателей внутреннего сгорания" под ред. Р.М. Петриченко. Л. 1990, 248 с., улучшает герметичность уплотнительного элемента, но увеличивает массу, силу инерции, т.е. снижает надежность и долговечность и увеличивает необходимые размеры головки поршня; использование сложных "герметичных" чугунных уплотнительных элементов, описанных в кн. К. Энглиш и Р.М. Петриченко, имеет те же преимущества и недостатки, что и в предыдущем случае, для повышения износостойкости чугунных и стальных колец используют покрытия, как описано в кн. К. Энглиш и Р.М. Петриченко. Эти покрытия наносят на трущиеся поверхности колец различными путями, например электролитическим осаждением или плазменным. В качестве материала покрытия применяют хром, молибден или металлокерамику. Их общие недостатки - сложность технологии, недостаточная прочность и долговечность из-за разнородности материалов кольца и покрытия, уменьшение высоты кольца, что позволяет снизить массу и уменьшить прижатие кольца к гильзе силой давления газов в зазоре за кольцом. Однако такое решение в чугунных кольцах неприемлемо из-за потери прочности при монтаже кольца, а для стальных колец приводит к повышенному их износу. Designs are also known that reduce the above disadvantages, but do not completely exclude them: the use of rings from light alloys described in the book. C. English. "Piston rings", t. 1, p. 570, M., 1962, reduces the mass of the rings, but worsens their strength characteristics and wear resistance, especially at high operating temperatures; the placement of several thin steel rings in one groove described in the book. "Friction and heat transfer in piston rings of internal combustion engines", ed. R.M. Petrichenko. L. 1990, 248 S., improves the tightness of the sealing element, but increases the mass, the inertia force, i.e. reduces reliability and durability and increases the necessary dimensions of the piston head; the use of complex "tight" cast-iron sealing elements described in the book. C. English and R.M. Petrichenko, has the same advantages and disadvantages as in the previous case, to increase the wear resistance of cast iron and steel rings, coatings are used, as described in the book. C. English and R.M. Petrichenko. These coatings are applied to the friction surfaces of the rings in various ways, for example by electrolytic deposition or plasma. The coating material used is chrome, molybdenum or cermets. Their common disadvantages are the complexity of the technology, insufficient strength and durability due to the heterogeneity of the materials of the ring and the coating, a decrease in the height of the ring, which allows to reduce the weight and reduce the pressure of the ring on the sleeve by the gas pressure in the gap behind the ring. However, such a solution in cast iron rings is unacceptable due to loss of strength during installation of the ring, and for steel rings leads to increased wear.

За прототип принято поршневое кольцо с износостойким слоем и плакированным соединительным никелевым слоем, описанное в заявке ФРГ N 3812656, F 02 F 5/00, 1989 г. The prototype is a piston ring with a wear-resistant layer and a clad connecting nickel layer, described in the application of Germany N 3812656, F 02 F 5/00, 1989

Поршневое кольцо по прототипу снабжено основным кольцевым элеметом с наружной частью поверхности, износостойким слоем высокой твердости, нанесенным на наружную часть поверхности и плакированным никелевым слоем толщиной 5 - 10 мкм, выполненным на износостойком слое высокой твердости. The piston ring according to the prototype is equipped with a main ring element with the outer part of the surface, a wear-resistant layer of high hardness deposited on the outer part of the surface and clad with a nickel layer with a thickness of 5-10 μm, made on a wear-resistant layer of high hardness.

Недостатки прототипа: кольцо выполнено из металла относительно большой плотности (чугун, сталь), что приводит к большим инерционным силам, а следовательно, износам и механическим потерям в парах трения "кольцо-поршень", "кольцо-гильза", кольцо имеет традиционную величину отношения высоты кольца к диаметру поршня, а следовательно, большую силу прижатия кольца к гильзе, относительно большая высота кольца ухудшает его приспособляемость к гильзе, сложная технология изготовления кольца из чугуна или стали и покрытия его износостойким слоем. The disadvantages of the prototype: the ring is made of metal of relatively high density (cast iron, steel), which leads to large inertial forces, and therefore, wear and mechanical losses in the friction pairs "ring-piston", "ring-sleeve", the ring has a traditional ratio the height of the ring to the diameter of the piston, and therefore, the greater force that the ring is pressed against the sleeve, the relatively large height of the ring impairs its adaptability to the sleeve, the sophisticated technology of making the ring from cast iron or steel and coating it with a wear-resistant layer.

Из-за того, что кольцо изготавливается из чугуна или стали, надежность соединения покрытия и основного материала относительно низкая, требуется специальная подготовка поверхности, покрываемой износостойким слоем. Due to the fact that the ring is made of cast iron or steel, the reliability of the connection of the coating and the base material is relatively low, special preparation of the surface covered by a wear-resistant layer is required.

Задачей изобретения является повышение надежности, долговечности и эффективности элементов цилиндро-поршневой группы, улучшение экономичности двигателя, создание легких, надежных, эффективных уплотнительных элементов для поршней поршневых машин. The objective of the invention is to increase the reliability, durability and efficiency of the elements of the cylinder-piston group, improve engine efficiency, create lightweight, reliable, efficient sealing elements for the pistons of piston machines.

Технический результат достигается тем, что в уплотнительном элементе поршня, состоящем из разрезного кольца с износостойким покрытием, согласно изобретению, кольцо выполнено из легкого сплава, покрытие выполнено антифрикционным и нанесено микродуговым оксидированием поверхности кольца, а отношение высоты кольца к диаметру поршня не превышает 0,01. The technical result is achieved in that in the piston sealing element, consisting of a split ring with a wear-resistant coating, according to the invention, the ring is made of light alloy, the coating is made of antifriction and microarc oxidized by the surface of the ring, and the ratio of the height of the ring to the diameter of the piston does not exceed 0.01 .

Согласно изобретению, кольцо выполнено из легкого сплава, например алюминия. Это позволяет сделать его меньшей высоты, так как снижается опасность разрушения при надевании и снятии колец. В предлагаемой конструкции кольцо сделано низким: отношение его высоты к диаметру цилиндра менее 0,01, тогда как в традиционном исполнении это отношение больше 0,025 (см. рис. 309, 310 . кн. К. Энглиш, "Поршневые кольца", т.1, М., 1962, с. 419). According to the invention, the ring is made of a light alloy, for example aluminum. This allows you to make it smaller height, as it reduces the risk of destruction when donning and removing rings. In the proposed design, the ring is made low: the ratio of its height to the diameter of the cylinder is less than 0.01, while in the traditional version this ratio is more than 0.025 (see Fig. 309, 310. Prince K. English, “Piston rings”, v. 1 , M., 1962, p. 419).

Уменьшение размеров и применение легких сплавов позволяет в несколько раз уменьшить массу кольца, а следовательно, и силы инерции, износы канавок, повысить прочность перемычек. В целом это служит достижению поставленных целей, поскольку относительно большая высота традиционных колец приводит к увеличению вибрации кольца, увеличению сил инерции, разбиению канавок, износу гильз цилиндров. Мощность трения колец увеличивается приблизительно пропорционально увеличению высоты кольца. Высокие кольца хуже смазываются, кольцевые канавки быстрее забиваются посторонними частицами. Приработка высоких колец дольше и труднее. Кроме того, гребни между канавками поршня при высоких кольцах необходимо делать большими из соображений достаточной прочности. Это увеличивает габариты головки поршня и двигателя в целом. Однако, как описано в литературе, использование легких сплавов для изготовления уплотнительного элемента поршня без покрытий приводит к большим износам колец, снижению долговечности и надежности по сравнению с чугунными и стальными. Кроме того, легкие сплавы дают увеличение потерь трения. Все приводит к необходимости покрытия их износостойким и антифрикционным слоем. The reduction in size and the use of light alloys allows several times to reduce the mass of the ring, and hence the inertia forces, wear of the grooves, and to increase the strength of the jumpers. In general, this serves the achievement of the set goals, since the relatively large height of the traditional rings leads to an increase in ring vibration, an increase in inertia forces, breaking grooves, and wear on cylinder liners. The friction power of the rings increases approximately in proportion to the increase in the height of the ring. High rings are less lubricated, ring grooves get clogged faster by foreign particles. Running in high rings is longer and harder. In addition, the ridges between the piston grooves at high rings must be made large for reasons of sufficient strength. This increases the dimensions of the piston head and the engine as a whole. However, as described in the literature, the use of light alloys for the manufacture of a piston sealing element without coatings leads to greater wear of the rings, lower durability and reliability compared to cast iron and steel. In addition, light alloys give an increase in friction loss. All this leads to the need to cover them with a wear-resistant and anti-friction layer.

По данному изобретению на алюминиевом кольце не требуется создания покрытия из инородного материала: оно создается из материала самого кольца методом микродугового оксидирования (МДО). При этом создается слой керамического покрытия толщиной до 100 мкм. Это покрытие представляет собой окись алюминия (Al₂O₃) - керамический слой высокой твердости. Оно обладает в отличие от традиционных покрытий (хром, молибден, металлокерамика) рядом преимуществ: технологичность; лучшая адгезия с материалом кольца, а значит, прочность сцепления с ним, увеличивает общую упругость и прочность кольца, является коррозионностойким и эрозионностойким, является жаростойким и жаропрочным, обладает более высокими трибологическими свойствами в парах трения с традиционными материалами (чугун, сталь, бронза).According to this invention, it is not necessary to create a coating of foreign material on an aluminum ring: it is created from the material of the ring itself by the method of microarc oxidation (MAO). This creates a layer of ceramic coating with a thickness of up to 100 microns. This coating is aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ) - a ceramic layer of high hardness. It has, in contrast to traditional coatings (chrome, molybdenum, cermets) a number of advantages: manufacturability; better adhesion to the material of the ring, which means that the adhesion to it increases the overall elasticity and strength of the ring, is corrosion-resistant and erosion-resistant, is heat-resistant and heat-resistant, has higher tribological properties in friction pairs with traditional materials (cast iron, steel, bronze).

Как показывают исследования авторов, в этих парах трения покрытие практически не изнашивается и поэтому может выполняться достаточно тонким (до 10 - 20 мкм). As the studies of the authors show, in these friction pairs the coating practically does not wear out and therefore can be made thin enough (up to 10 - 20 microns).

Теплозащитные свойства этого покрытия из-за низкого коэффициента теплопроводности (α≤ 20 Вт/м.град) улучшают условия работы основного материала кольца, например алюминия, снижая его температуру. The heat-shielding properties of this coating due to the low coefficient of thermal conductivity (α ≤ 20 W / m.grad) improve the working conditions of the main material of the ring, for example aluminum, reducing its temperature.

Технология нанесения покрытия экологически чистая. The coating technology is environmentally friendly.

Таким образом, преимущества заявляемого изобретения заключаются в том, что благодаря предложенным материалу, покрытию и конструкции уплотнительного элемента поршня уменьшается его масса и, соответственно, сила инерции. Уменьшаются износы элементов поршня (канавки под кольца, кольца) и гильзы цилиндра, нагрузки на перемычки между канавками. Одновременно уменьшаются механические потери в соответствующих парах трения, что приводит к повышению экономических показателей поршневых колец. Так как требуемые конструктивные размеры уплотнительных элементов уменьшаются, то в тех же размерах канавок можно разместить, по крайней мере, по два таких кольца и таким образом обеспечить "герметичность" уплотнительного элемента, т.е. минимальную утечку рабочего тела (воздуха, газа) из рабочего объема цилиндра, с одной стороны, и минимальный расход смазки, попадающий в этот же объем, с другой стороны. Это также приводит к улучшению технико-экономических показателей поршневой машины. Thus, the advantages of the claimed invention lie in the fact that due to the proposed material, coating and design of the sealing element of the piston, its mass and, accordingly, inertia are reduced. The wear of the piston elements (grooves for rings, rings) and cylinder liners, the load on the jumpers between the grooves are reduced. At the same time, mechanical losses in the corresponding friction pairs are reduced, which leads to an increase in the economic performance of piston rings. Since the required structural dimensions of the sealing elements are reduced, at least two such rings can be placed in the same dimensions of the grooves and thus ensure the "tightness" of the sealing element, i.e. the minimum leakage of the working fluid (air, gas) from the working volume of the cylinder, on the one hand, and the minimum lubricant consumption falling into the same volume, on the other hand. This also leads to improved technical and economic performance of the piston machine.

Варианты использования предлагаемого изобретения представлены на фиг. 1, 2. Use cases of the invention are shown in FIG. 12.

На фиг. 1 показан уплотнительный элемент поршня с одинарным уплотнительным кольцом в канавке. In FIG. 1 shows a piston sealing element with a single sealing ring in a groove.

На фиг. 2 показан уплотнительный элемент с, по крайней мере, двумя кольцами в одной канавке. На фиг. 3 показано расположение замков при размещении двух уплотнительных элементов в соответствии с фиг. 2. Расположение замков 3 уплотнительных элементов в этом случае - в диаметрально противоположных местах (это "герметичный" вариант). In FIG. 2 shows a sealing element with at least two rings in one groove. In FIG. 3 shows the location of the locks when placing two sealing elements in accordance with FIG. 2. The location of the locks 3 sealing elements in this case is in diametrically opposite places (this is a "tight" option).

Заявляемый уплотнительный элемент состоит из собственно кольца 1 из легкого материала, например алюминия, и керамического покрытия 2, например окись этого материала - Al₂O₃.The inventive sealing element consists of the actual ring 1 of a light material, such as aluminum, and a ceramic coating 2, for example, the oxide of this material is Al ₂ O ₃ .

Кольцо собирается с поршнем традиционным способом, т.е. разжимается так, чтобы можно было его поставить в канавку поршня, и вставляется в эту канавку. При работе в машине уплотнительное кольцо перемещается в пределах поршневой канавки и гильзы цилиндра. При этом оно совершает вращательное осевое и радиальное движение в этой канавке. Покрытие 2, образованное на поверхности кольца 1, защищает его от герметических и механических нагрузок, снижает износ и механические потери в парах трения его с контактирующими поверхностями. The ring is assembled with a piston in the traditional way, i.e. expands so that it can be placed in the piston groove, and inserted into this groove. When working in a machine, the o-ring moves within the piston groove and cylinder liner. At the same time, it rotates axially and radially in this groove. Coating 2 formed on the surface of ring 1 protects it from hermetic and mechanical loads, reduces wear and mechanical losses in friction pairs of it with contacting surfaces.

Опытные образцы уплотнительного элемента поршня изготовлены на кафедре ДВС и кафедре металловедения ХГПИ, прошли экспериментальную проверку на стендах и двигателях типа СМД (ЧН 12/14) и 6Д-037 (Д8/92). Подтверждены ожидаемые показатели по трению и износостойкости. Prototypes of the piston sealing element were manufactured at the ICE department and the department of metal science of KHPI; they were tested experimentally on the stands and engines of the SMD (ChN 12/14) and 6D-037 (D8 / 92) type. Confirmed expected friction and wear resistance.

Claims

A piston sealing element consisting of a split ring with a wear-resistant coating, characterized in that the ring is made of light alloy, the wear-resistant coating is made of antifriction and applied by microarc oxidation of the surface of the ring, and the ratio of the height of the ring to the diameter of the piston does not exceed 0.01.