RU2168082C1

RU2168082C1 - Piston seal

Info

Publication number: RU2168082C1
Application number: RU2000115660A
Authority: RU
Inventors: В.Н. Горшков; В.В. Михайлов; Г.Д. Межецкий; Б.П. Чесноков; Г.А. Ивашенцев; В.Е. Сидоров; Н.Я. Калинников; А.Ф. Богданов
Original assignee: Горшков Валерий Николаевич; Михайлов Владилен Васильевич; Межецкий Геннадий Дмитриевич; Чесноков Борис Павлович; Ивашенцев Геннадий Алексеевич; Сидоров Владимир Евгеньевич; Калинников Николай Яковлевич; Богданов Александр Федорович
Priority date: 2000-06-15
Filing date: 2000-06-15
Publication date: 2001-05-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: piston seal may be used for sealing of piston-cylinder pairs of internal combustion engines. Seal has piston which groove houses two flat split compression rings, upper and lower ones. Rings are shifted one relative to the other so that distance between one-sided end of upper ring and one-sided end of lower ring equals rated length of 1. Said length corresponds to half the period of wave oscillations of ring ends. Round catch with upper and lower lugs is positioned in piston groove. Lugs enter slots of locks of upper and lower rings, respectively, thus providing for preset distance 1. EFFECT: enhanced reliability, extended service life. 4 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в качество уплотнения пары поршень-цилиндр двигателей внутреннего сгорания. The invention relates to mechanical engineering and can be used as a seal for a pair of piston-cylinder internal combustion engines.

Известны уплотнительные поршневые кольца прямоугольного поперечного сечения, пружинящие наружу, которые в свободном состоянии на своих концах должны иметь для достижения пружинного эффекта соответствующие зазоры (Энглиш К. Поршневые кольца.- М.: Машгиз, 1962, с. 436, фиг. 325). Они предназначены для уплотнения и создания совместно с поршнем изолированных пространств, находящихся по обе стороны поршня в цилиндре поршневой машины. Known sealing piston rings of rectangular cross section, springing outward, which in the free state at their ends must have appropriate gaps to achieve the spring effect (English K. Piston rings.- M .: Mashgiz, 1962, p. 436, Fig. 325). They are designed to seal and create, together with the piston, isolated spaces located on both sides of the piston in the cylinder of the piston machine.

К недостаткам указанных уплотнительных устройств можно отнести такое явление, как вибрация колец. Вибрация сопровождается поперечными колебаниями кончиков кольца вблизи замка. Работа в таких условиях нередко заканчивается поломкой колец - у замка отламываются кусочки небольшой длины, а на торцевых поверхностях канавок поршня образуются выбоины. Вибрация возникает у быстроходных двигателей за пределами некоторой "критической" частоты вращения коленчатого вала и при этом резко повышается пропуск кольцами газа, увеличивается расход смазки, а мощность двигателя снижается (Гинцбург Б.Я. Теория поршневого кольца.- М.: Машиностроение, 1979, с. 174). Существует несколько причин, вызывающих вибрацию и поломку колец. The disadvantages of these sealing devices include the phenomenon of vibration of the rings. Vibration is accompanied by transverse vibrations of the ends of the ring near the lock. Work in such conditions often ends with ring breakage - pieces of small length break off at the lock, and pockets form on the end surfaces of the piston grooves. Vibration occurs in high-speed engines beyond a certain “critical” crankshaft speed, and at the same time, gas rings pass through, gas lubrication increases, and engine power decreases (Gunzburg B.Ya. Piston Ring Theory.- M.: Mashinostroenie, 1979, p. 174). There are several reasons that cause vibration and ring breakage.

Одной из причин, вызывающих вибрацию, является наличие зазора в стыке поршневого кольца. One of the causes of vibration is the presence of a gap at the junction of the piston ring.

При работе двигателя и возвратно-поступательном движении поршня на кольцо действует несколько силовых факторов - силы давления газов, переносные силы инерции самого кольца и силы трения, направленные вдоль оси поршня. Эти силовые факторы не зависят друг от друга и являются переменными как по величине так и по направлению (Гинцбург Б.Я. Теория поршневого кольца.- М.: Машиностроение, 1979, с. 179). During engine operation and reciprocating movement of the piston, several force factors act on the ring — gas pressure forces, portable inertia forces of the ring itself and friction forces directed along the axis of the piston. These force factors are independent of each other and are variable both in magnitude and direction (Gunzburg B.Ya. Piston Ring Theory.- M.: Mechanical Engineering, 1979, p. 179).

Если бы кольцо не имело прорези в замке, то силы давления газов равномерно распределились бы по торцу кольца по всей окружности, а переносные силы инерции равномерно распределились бы по объему кольца. В этом случае и результирующие от сил давления газа и сил инерции также равномерно распределились бы по окружности кольца и вызывали перемещение кольца в канавке поршня как целого элемента. If the ring did not have a slot in the lock, then the gas pressure forces would be evenly distributed along the end of the ring around the entire circumference, and the portable inertia forces would be uniformly distributed over the ring volume. In this case, the resulting from gas pressure forces and inertia forces would also be uniformly distributed around the circumference of the ring and cause the ring to move in the piston groove as a whole element.

Наличие прорези в замке, куда устремляется поток газа, делает эпюру давления газа криволинейной. Равномерность распределения результирующих сил от сил давления газа и сил инерции по окружности кольца нарушается вблизи прорези замка и у кончиков замка появляется поперечный изгибающий момент переменного направления. Этот момент вызывает многоузловую форму колебаний кольца по всей его окружности (Гинцбург Б.Я. Теория поршневого кольца.- М.: Машиностроение, 1979, с. 179). The presence of a slot in the lock, where the gas flow rushes, makes the gas pressure diagram curvilinear. The uniform distribution of the resulting forces from gas pressure forces and inertia forces around the circumference of the ring is violated near the slot of the lock and a transverse bending moment of alternating direction appears at the ends of the lock. This moment causes a multinodular form of oscillation of the ring around its entire circumference (Gunzburg B.Ya. Piston Ring Theory, Moscow: Mashinostroenie, 1979, p. 179).

Другой причиной, вызывающей поломку кончиков кольца, являeтся неравномерность радиального давления кольца на зеркало цилиндра двигателя. В тех местах кольца, где радиальное давление больше, появляются значительные силы трения. Эти силы создают изгибающие моменты относительно тех точек кольца, где радиальное давление меньше, где небольшие силы трения. При возвратно-поступательном движении поршня величина и направленние сил трения меняются, и в материале возникают знакопеременные напряжения. Эти силы существенно увеличиваются вблизи верхней мертвой точки в момент зажигания в результате высокого давления газов в заколечном пространстве поршня, полусухого трения и инерционных усилий. Изгибающие моменты действуют в поперечной плоскости, перпендикулярной окружной оси кольца, и возникают эти явления в результате искривления окружной оси кольца вблизи его замка по обе стороны от его прорези. Излом кольца начинается большей частью в том месте, где действует максимальное суммарное напряжение (место наименьшего радиального давления) (Энглиш К. Поршневые кольца.- М.: Машиностроение, 1963, т. 2, с. 283, фиг. 192). В принципе неравномерность радиального давления кольца на зеркало цилиндра двигателя кроется уже в самой технологии изготовления поршневого кольца. Дело в том, что по причине прорыва газа высокой температуры через просвет замка давление от сил упругости кольца в первую очередь падаeт вблизи замка. Поэтому кольца изготавливают с неравномерным давлением по окружности: у замка - повышенные давления, а на других участках - пониженные. Такая эпюра давления получила название "грушевидной" (Гинцбург Б.Я. Теория поршневого кольца. - М.: Машиностроение, 1979, с. 132, рис. 73, эпюра N 7; Болтинский В.Н. Теория, конструкция и расчет тракторных и автомобильных двигателей. - М.: Сельскохозяйственная литература, 1962, с. 162, рис. 69). Сравнивая давление у кончиков замка и давление на участках кольца в 30-60^o от замка, видно, что у кончиков замка радиальное давление в несколько раз больше.Another cause of the breakdown of the ends of the ring is the uneven radial pressure of the ring on the mirror of the engine cylinder. In those places of the ring where the radial pressure is greater, significant friction forces appear. These forces create bending moments relative to those points of the ring where the radial pressure is less, where there are small friction forces. During reciprocating movement of the piston, the magnitude and direction of the friction forces change, and alternating stresses arise in the material. These forces increase significantly near the top dead center at the moment of ignition as a result of high gas pressure in the annular space of the piston, semi-dry friction and inertial forces. Bending moments act in a transverse plane perpendicular to the circumferential axis of the ring, and these phenomena occur as a result of the curvature of the circumferential axis of the ring near its lock on both sides of its slot. The fracture of the ring begins for the most part in the place where the maximum total stress (the place of the least radial pressure) is in effect (English K. Piston rings.- M .: Mechanical Engineering, 1963, v. 2, p. 283, Fig. 192). In principle, the unevenness of the radial pressure of the ring on the mirror of the engine cylinder lies already in the manufacturing technology of the piston ring. The fact is that due to the breakthrough of high-temperature gas through the lumen of the lock, the pressure from the elastic forces of the ring primarily falls near the lock. Therefore, the rings are made with uneven pressure around the circumference: at the castle - high pressure, and in other areas - low. This pressure plot was called "pear-shaped" (Gunzburg B.Ya. Piston ring theory. - M.: Mechanical Engineering, 1979, p. 132, Fig. 73, plot No. 7; Boltinsky V.N. Theory, design and calculation of tractor and automobile engines. - M.: Agricultural Literature, 1962, p. 162, Fig. 69). Comparing the pressure at the ends of the castle and the pressure on the sections of the ring 30-60 ^o from the castle, it can be seen that the ends of the castle have radial pressure several times greater.

Таким образом, совместное действие переменных по величине и по направлению сил давления газов, сил инерций и сил трения особенно ярко проявляется вблизи замка. Все они вызывают высокочастотное колебание кончиков кольца, повышенные переменные напряжения на некотором относительно близком расстоянии от прорези замка и последующий излом кольца в этих местах. В этих местах происходит искривление окружной оси кольца, и эти места называют узлами. Thus, the combined action of variables in magnitude and direction of gas pressure forces, inertia forces and friction forces is especially pronounced near the castle. All of them cause a high-frequency oscillation of the ends of the ring, increased alternating voltages at some relatively close distance from the slot of the lock and the subsequent kink of the ring in these places. In these places there is a curvature of the circumferential axis of the ring, and these places are called nodes.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по достигаемому эффекту является уплотнительное устройство поршня, содержащее в канавке поршня два соосно расположенных и контактирующих между собой плоских компрессионных кольца, замки которых расположены диаметрально противоположно друг другу, в заколечном пространстве установлен фиксатор, выполненный из полосы пружинной ленточной стали шириной, равной осевой высоте обоих колец, при этом фиксатор имеет в диаметральных плоскостях две лапки: верхнюю и нижнюю, отогнутые по радиусу к зеркалу цилиндра так, что каждая из них входит в прорезь прямого замка соответствующего компрессионного кольца, причем осевая высота каждой лапки не превышает осевой высоты соответствующего кольца, а длина не превышает радиальную толщину кольца, фиксатор выполнен разрезным круглым и контактирует всей наружной поверхностью с поверхностями тыльной стороны колец, создавая равномерное радиальное давление на оба кольца одновременно, при этом лапки получены путем сквозной просечки одновременно в осевом и окружном направлениях верхнего и нижнего краев полосы фиксатора (патент RU N 2133856, МКИ 6 F 02 F 5/00, F 16 J 9/06 - прототип). The closest to the proposed device for the achieved effect is a piston sealing device containing in the piston groove two axially arranged and contacting flat compression rings, the locks of which are diametrically opposed to each other, in the annular space there is a latch made of a strip of spring band steel with a width of equal to the axial height of both rings, while the latch has two legs in the diametrical planes: the upper and lower, bent along the radius to the mirrors at the cylinder so that each of them enters into the slot of the direct lock of the corresponding compression ring, and the axial height of each foot does not exceed the axial height of the corresponding ring, and the length does not exceed the radial thickness of the ring, the latch is made round and contacts the entire outer surface with the surfaces of the back side rings, creating uniform radial pressure on both rings at the same time, while the legs are obtained by cutting through simultaneously in the axial and circumferential directions of the upper and lower the edges of the strips of the retainer (patent RU N 2133856, MKI 6 F 02 F 5/00, F 16 J 9/06 - prototype).

Такое уплотнительное устройство работает следующим образом. При возвратно-поступательном движении поршня верхнее и нижнее разрезные кольца испытывают переменное давление газов как со стороны камеры сгорания, так и со стороны картера двигателя. Поэтому существует угроза прорыва газов в картер двигателя и масла в камеру сгорания. Однако прорези замков колец располагаются диаметрально противоположно друг другу, и поэтому они взаимно перекрываются в осевом направлении верхним и нижним кольцами соответственно. Чтобы не было смещения колец относительно друг друга по окружности канавки поршня и, следовательно, сближения прорезей замков в поршневой канавке, в его заколечном пространстве установлен круглый разрезной фиксатор, который имеет в диаметральной плоскости верхнюю лапку и нижнюю лапку, каждая из которых входит в соответствующие прорези замков верхнего и нижнего колец. Фиксатор создает равномерное радиальное давление на оба кольца по всей окружности и тем самым предотвращает смещение их относительно друг друга в радиальной плоскости и одновременно перекрывает окружной зазор между кольцами, который может образовываться в осевом направлении в результате воздействия на кольца переменных сил давления газов, сил инерции и сил трения. Such a sealing device operates as follows. During reciprocating movement of the piston, the upper and lower split rings experience alternating gas pressure both from the side of the combustion chamber and from the crankcase. Therefore, there is a risk of gas leakage into the engine crankcase and oil into the combustion chamber. However, the slots of the locks of the rings are diametrically opposed to each other, and therefore they mutually overlap in the axial direction of the upper and lower rings, respectively. So that there is no displacement of the rings relative to each other around the circumference of the piston groove and, consequently, of the proximity of the locks of the locks in the piston groove, a circular split lock is installed in its annular space, which has an upper foot and a lower foot in the diametrical plane, each of which is included in the corresponding slots locks of the upper and lower rings. The latch creates uniform radial pressure on both rings around the circumference and thereby prevents them from shifting relative to each other in the radial plane and at the same time closes the circumferential gap between the rings, which can be formed in the axial direction as a result of the action of variable gas pressure forces, inertia forces, and friction forces.

Недостатком такого устройства является то, что замки колец расположены диаметрально противоположно и создают в плане всей этой системы определенную симметрию колец друг относительно друга. А из практики известно, что такие двойные соосно расположенные кольца также подвержены вибрации. Во-первых, это связано с тем, что два кольца в принципе не составляют одно сплошное кольцо, и в процессе работы двигателя переменные нагрузки сил давления газов, сил инерции и сил трения могут вызвать осевое смещение одного кольца относительно другого. Во-вторых, этому способствуют и то, что нижнее кольцо более или менее разгружается от давления газов, а потому лежит в канавке поршня в неустойчивом положении в отношении прилегания к торцевой поверхности верхнего кольца и имеет повышенную склонность к вибрации (Энглиш К. Поршневые кольца. - М: Машиностроение, 1963, т. 2, с. 286). Колеблясь в осевом направлении, нижнее кольцо может ударяться о торец верхнего кольца и возбуждать резонансные колебания многоузловой формы с определенной частотой или кратной ей (Гинцбург Б. Я. Теория поршневого кольца.- М.: Машиностроениe, 1979, с. 180). Диаметрально противоположное расположение замков соосно составленных колец делит систему колец в плане на две симметричные друг другу половины - две полуокружности. Волновые колебания исходят от кончиков колец и распространяются по полуокружностям каждого кольца к их спинкам. Ввиду одинаковой кратности частот колебаний верхнего и нижнего колец появляется большая вероятность наложения амплитуд упругих волн колеблющихся колец, а следовательно, и возникновения резонанса. За этим следуeт, как правило, разрушение колец. The disadvantage of this device is that the locks of the rings are diametrically opposed and create in terms of the whole system a certain symmetry of the rings relative to each other. And from practice it is known that such double coaxially arranged rings are also subject to vibration. Firstly, this is due to the fact that two rings, in principle, do not make up one solid ring, and during engine operation, alternating loads of gas pressure forces, inertia forces and friction forces can cause axial displacement of one ring relative to the other. Secondly, this is also facilitated by the fact that the lower ring is more or less unloaded from the gas pressure, and therefore lies in the piston groove in an unstable position with respect to the upper ring that abuts the end surface and has an increased tendency to vibrate (English K. Piston rings. - M: Mechanical Engineering, 1963, v. 2, p. 286). Oscillating in the axial direction, the lower ring can hit the end face of the upper ring and excite resonant vibrations of a multinodular shape with a certain frequency or a multiple of it (Gunzburg B. Ya. Piston Ring Theory.- M .: Mashinostroenie, 1979, p. 180). The diametrically opposite arrangement of the locks of the coaxially composed rings divides the ring system in plan into two halves symmetrical to each other - two semicircles. Wave oscillations emanate from the ends of the rings and propagate along the semicircles of each ring to their backs. In view of the same frequency multiplicity of the oscillations of the upper and lower rings, there is a high probability of overlapping amplitudes of the elastic waves of the oscillating rings, and, consequently, the appearance of resonance. This is followed, as a rule, by the destruction of the rings.

Характер возникновения деформаций вибрирующего кольца подробно описан в труде Ивашенцева Г.А. Повышение срока службы поршневых колец путем учета их вибростойкости при изготовлении (монография). Саратов, СГАУ, 1996, 200 с. Депонирована в ВИНИТИ 25.11.96, библ. карточка N 3412-В96. На рис. 28, с. 48 видно, что возможны такие частоты колебания колец, при которых у двух плоских колец с одинаковыми характеристиками, соосно расположенных в одной канавке, замки которых расположены диаметрально противоположно, будет совпадение по величине амплитуд волновых деформаций спинки кольца и кончиков кольцах. Это вызывает резонанс колец. За таким явлением следует пропуск газов кольцами и вероятное их разрушение. The nature of the occurrence of deformations of the vibrating ring is described in detail in the work of Ivashentseva G.A. Increasing the service life of piston rings by taking into account their vibration resistance during manufacture (monograph). Saratov, SSAU, 1996, 200 p. Deposited at VINITI on 11/25/96, bibl. Card N 3412-B96. In fig. 28, p. 48 it can be seen that ring vibration frequencies are possible at which two flat rings with the same characteristics, coaxially located in the same groove, whose locks are diametrically opposed, will have the same magnitude as the amplitudes of the wave deformations of the back of the ring and the ends of the rings. This causes resonance of the rings. This phenomenon is followed by the passage of gases by rings and their probable destruction.

Очевидно, что такое соосное расположение составных колец, когда их замки расположены диаметрально противоположно друг другу, делает эксплуатацию уплотнительного устройства ненадежной. Obviously, such a coaxial arrangement of the composite rings, when their locks are diametrically opposed to each other, makes the operation of the sealing device unreliable.

Технической задачей изобретения является устранение вибрации колец и тем самым повышение надежности работы уплотнительного устройства и увеличение срока службы. An object of the invention is to eliminate vibration of the rings and thereby increase the reliability of the sealing device and increase the service life.

Задача достигается в уплотнительном устройстве поршня, содержащем в канавке поршня два соосно расположенных и контактирующих между собой плоских компрессионных кольца, перекрывающиx прорези замков друг у друга, в заколечном пространстве установлен фиксатор, выполненный из полосы пружинной ленточной стали шириной, равной осевой высоте обоих колец, при этом фиксатор имеет две лапки, верхнюю и нижнюю, отогнутые по радиусу к зеркалу цилиндра так, что каждая из них входит в прорезь прямого замка соответствующего компрессионного кольца, причем осевая высота каждой лапки не превышает осевую высоту соответствующего кольца, а длина не превышает радиальную толщину кольца, фиксатор выполнен разрезным круглым и контактирует всей наружной поверхностью с поверхностями тыльной стороны колец, создавая равномерное радиальное давление на оба кольца одновременно, при этом лапки получены путем сквозной просечки одновременно в осевом и окружном направлениях верхнего и нижнего краев полосы фиксатора, где согласно изобретению, кольца сдвинуты в окружном направлении одно относительно другого так, что расстояние между двумя прямыми замками верхнего и нижнего колец равно длине l колеблющегося кончика кольца, определяемой половиной периода волновых колебаний кончиков колец, причем верхняя и нижняя лапки фиксатора отогнуты на расстояние l между собой, соответствующее расстоянию между двумя замками. The task is achieved in the piston sealing device, which contains two axially arranged compression rings in the piston groove overlapping the locks of each other; in the annulus there is a latch made of a strip of spring band steel with a width equal to the axial height of both rings, This latch has two tabs, the upper and lower, bent radially to the cylinder mirror so that each of them enters the slot of the direct lock of the corresponding compression ring, The axial height of each foot does not exceed the axial height of the corresponding ring, and the length does not exceed the radial thickness of the ring, the lock is made round and makes contact with the entire outer surface with the surfaces of the back of the rings, creating uniform radial pressure on both rings at the same time, while the legs are obtained through notches simultaneously in the axial and circumferential directions of the upper and lower edges of the retainer strip, where according to the invention, the rings are shifted in the circumferential direction, one relative to ugogo so that the distance between the two straight upper and lower lock rings equal to the length l of oscillating the tip of the ring defined by a half period of the wave oscillations tips rings, the upper and lower retainer tabs are folded over a distance l between them corresponding to the distance between the two latches.

Здесь следует пояснить, что длину колеблющегося кончика кольца можно определить по известной формуле (Гинцбург Б.Я. Теория поршневого кольца.- М.: Машиностроение, 1979, c. 180)

где l - длина консоли колеблющегося кончика кольца, м;
D - диаметр цилиндра, м;
S_п - ход поршня, м;

средняя скорость поршня, м/с;
n - частота вращения коленчатого вала, об/мин;
P₁ - давление газа над верхним поршневым кольцом в соответствии с индикаторной диаграммой, Н/м²;
E - модуль продольной упругости, Н/м²;
η =b/D - отношение высоты кольца b к диаметру цилиндра D;
ρ - плотность материала кольца, кг/м³;
f(α) = cosα+λcos2α - угол поворота коленчатого вала в град;
λ - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна;
Φ = f₃/(πD²/4) - относительное сопротивление газов, эквивалентное f₃ - площади проходного сечения ниже лежащих колец (Гинцбург Б.Я. Теория поршневого кольца.- М.: Машиностроение, 1979, рис. 100, с. 176).It should be clarified that the length of the oscillating tip of the ring can be determined by the well-known formula (Gunzburg B.Ya. Piston Ring Theory.- M .: Mechanical Engineering, 1979, p. 180)

where l is the length of the console oscillating tip of the ring, m;
D is the cylinder diameter, m;
S _p - piston stroke, m;

average piston speed, m / s;
n is the crankshaft rotational speed, rpm;
P ₁ - gas pressure above the upper piston ring in accordance with the indicator diagram, N / m ² ;
E is the modulus of longitudinal elasticity, N / m ² ;
η = b / D is the ratio of the height of the ring b to the cylinder diameter D;
ρ is the density of the material of the ring, kg / m ³ ;
f (α) = cosα + λcos2α is the angle of rotation of the crankshaft in degrees;
λ is the ratio of the radius of the crank to the length of the connecting rod;
Φ = f ₃ / (πD ^2/4) - relative resistance of gas equivalent to f ₃ - flow area lying below the rings (Gunzburg B.Ya. Theory piston koltsa.- M .: Engineering, 1979, Figure 100, pp.. 176).

Эта формула позволяeт определить длину l колеблющегося кончика кольца для любого диаметра кольца с различными геометрическими характеристиками и для соответствующих условий работы, вызывающих вибрацию. Например, авторами заявки по этой формуле была подсчитана длина l колеблющегося кончика кольца для диаметра кольца, равного 120 мм. Эта длина составила 22,5 мм. При этом мы воспользовались данными из книги Гинцбурга Б.Я. Теория поршневого кольца. - М. : Машиностроение, 1979, с. 182. Результат показывает, что при соосном расположении пары колец в одной канавке поршня и сдвигом их по окружности друг относительно друга на расстояние, равное l между замками, возможно успешно перекрывать прорези замков друг у друга. This formula makes it possible to determine the length l of the oscillating tip of the ring for any diameter of the ring with different geometric characteristics and for the corresponding working conditions causing vibration. For example, the authors of the application using this formula calculated the length l of the oscillating tip of the ring for a ring diameter of 120 mm. This length was 22.5 mm. At the same time, we used the data from the book of Gunzburg B.Ya. Piston ring theory. - M.: Mechanical Engineering, 1979, p. 182. The result shows that if the pair of rings is coaxially arranged in one piston groove and they are circumferentially shifted relative to each other by a distance equal to l between the locks, it is possible to successfully overlap the locks of the locks from each other.

Теперь о физической сущности автоматического гашения возникающей вибрации колец. На рис. 103 (Гинцбург Б.Я. Теория поршневого кольца.- М.: Машиностроение, 1979, рис. 103, с. 180) показана схема деформации вибрирующего кончика кольца и указана длина конца кольца l относительно крайнего узла, в котором кольцо испытывает наибольшее напряжение. Если соосно расположенные кольца сдвинуть друг относительнo друга так, чтобы расстояние между одноименными кончиками верхнего и нижнего колец было равно l, то возникающая вибрация колец исчезнет автоматически за счет сил взаимодействия F самих деформируемых колец (см. фиг. 5, где 1 - ближний от замка узел нижнего кольца; 2 - амплитуда колебаний нижнего кольца; 3 - амплитуда колебаний верхнего кольца; 4 - ближний от замка узел верхнего кольца; 5 - кончики верхнего кольца; 6 - кончики нижнего кольца; 7 - верхний торец поршневой канавки; l - длина кончика кольца; T - период колебаний кончиков колец). Волны колебаний верхнего и нижнего колец не будут совпадать. Следовательно, не будут совпадать и их амплитуды. В тот момент, когда кончик нижнего кольца начнет подниматься вверх, ближний узел кончика верхнего кольца будет опускаться вниз навстречу кончику нижнего кольца. Силы взаимодействия F элементов верхнего и нижнего колец будут равны, но противоположно направлены, следовательно, равнодействующая будет равна нулю. Таким образом, произойдет автоматическое гашение вибрации одного кольца другим. Расстояние l равно половине периода волнового колебания колец. Обеспечить расстояние l между одноименными кончиками верхнего и нижнего колец можно путем установки замков соответствующих колец на это же расстояние l между собой, если отогнуть верхнюю и нижнюю лапки плоского радиального расширителя по радиусу к зеркалу цилиндра на расстояние, равное l. Now about the physical nature of the automatic damping of the resulting vibration of the rings. In fig. 103 (Gunzburg B.Ya. Piston ring theory.- M.: Mechanical Engineering, 1979, Fig. 103, p. 180) shows a diagram of the deformation of the vibrating tip of the ring and indicates the length of the end of the ring l relative to the extreme node in which the ring experiences the greatest stress. If the coaxially arranged rings are shifted relative to each other so that the distance between the same ends of the upper and lower rings is l, then the vibration of the rings disappears automatically due to the interaction forces F of the deformable rings themselves (see Fig. 5, where 1 is the closest to the lock node of the lower ring; 2 - amplitude of oscillations of the lower ring; 3 - amplitude of oscillations of the upper ring; 4 - the node of the upper ring closest to the lock; 5 - tips of the upper ring; 6 - tips of the lower ring; 7 - upper end of the piston groove; l - length of the tip to rings; T is the period of oscillation of the ends of the rings). Oscillation waves of the upper and lower rings will not coincide. Therefore, their amplitudes will not coincide. At that moment, when the tip of the lower ring begins to rise up, the near node of the tip of the upper ring will fall down towards the tip of the lower ring. The interaction forces F of the elements of the upper and lower rings will be equal, but oppositely directed, therefore, the resultant will be zero. Thus, there will be an automatic damping of the vibration of one ring by another. The distance l is equal to half the period of wave oscillation of the rings. It is possible to ensure the distance l between the ends of the same name of the upper and lower rings by installing the locks of the corresponding rings at the same distance l between themselves, if the upper and lower legs of the flat radial expander are bent radially to the cylinder mirror by a distance equal to l.

Посредством предлагаемого уплотнительного устройства поршня можно устранить такое вредное явление, как вибрация соосно расположенных в одной канавке поршня колец, и тем самым увеличить надежность работы и срок службы колец и поршня. By means of the proposed piston sealing device, it is possible to eliminate such a harmful phenomenon as vibration of the rings coaxially located in the same groove of the piston, and thereby increase the reliability and service life of the rings and piston.

Наличие изобретения в предлагаемом уплотнительном устройстве поршня доказывается расположением прорезей замков колец друг относительно друга на расстоянии l по окружности, равном длине колеблющегося в осевом направлении кончика кольца, определяемой ближним узлом деформированного кольца, путем отгибания верхней и нижней лапок фиксатора на соответствующее расстояние. The presence of the invention in the proposed piston sealing device is proved by the location of the slots of the ring locks relative to each other at a distance l around the circumference equal to the length of the ring tip oscillating in the axial direction, determined by the nearest node of the deformed ring, by bending the upper and lower tabs of the clamp to an appropriate distance.

Оригинальность предлагаемого технического решения заключается в том, что кончики верхнего кольца находятся на окружном расстоянии от кончиков нижнего кольца, равном длине l колеблющегося в осевом направлении кончика кольца, определяемой крайним узлом деформированного кольца, путем отгибания верхней и нижней лапок фиксатора на соответствующее расстояние. The originality of the proposed technical solution lies in the fact that the tips of the upper ring are at a circumferential distance from the ends of the lower ring, equal to the length l of the ring tip oscillating in the axial direction, determined by the extreme node of the deformed ring, by bending the upper and lower tabs of the latch to an appropriate distance.

Это позволяет гасить вибрацию одного кольца другим в случае ее возникновения. This allows you to dampen the vibration of one ring by another in case of its occurrence.

Уплотнительное устройство поршня поясняется чертежами. The piston sealing device is illustrated by drawings.

На фиг. 1 изображен общий вид устройства - разрез части поршня в сборе с уплотнительным устройством. In FIG. 1 shows a General view of the device is a section of a part of the piston assembly with a sealing device.

На фиг. 2 изображен вид А-А фиг. 1. In FIG. 2 is a view AA of FIG. 1.

На фиг. 3 изображено уплотнительное устройство в аксонометрии. In FIG. 3 shows a sealing device in a perspective view.

На фиг. 4 изображены детали уплотнительного устройства поршня в аксонометрии. In FIG. 4 shows details of a piston sealing device in a perspective view.

Предлагаемое устройство состоит из поршня 1, в канавке 2 которого соосно располагаются два плоских разрезных компрессионных кольца: верхнее 3 и нижнее 4 (фиг. 1). Кольца 3 и 4 контактируют между собой по всей окружности и выполнены в виде криволинейных брусьев, имеющих прямоугольное сечение. Концы 5 верхнего кольца 3, так же как и концы 6 нижнего кольца 4, образуют прямые замки с прорезями 7 и 8 соответственно (фиг. 3, 4). С целью взаимного перекрытия прорезей замков 7 и 8, а также с целью устранения вибрации кольца 3 и 4 сдвинуты в окружном направлении одно относительно другого так, чтобы расстояние между односторонним концом 5 верхнего кольца 3 и односторонним концом 6 нижнего кольца 4 равнялось расчетной длине l - длине от кончика кольца до ближнего узла, в котором кольцо испытывает максимальные напряжения. Это расстояние соответствует половине периода волновых колебаний кончиков колец. The proposed device consists of a piston 1, in the groove 2 of which two flat split compression rings are coaxially arranged: upper 3 and lower 4 (Fig. 1). Rings 3 and 4 are in contact with each other around the entire circumference and are made in the form of curved bars having a rectangular cross-section. The ends 5 of the upper ring 3, as well as the ends 6 of the lower ring 4, form straight locks with slots 7 and 8, respectively (Fig. 3, 4). For the purpose of mutual overlapping of the slots of the locks 7 and 8, as well as for the purpose of eliminating vibration, the rings 3 and 4 are shifted in the circumferential direction one from another so that the distance between the one-sided end 5 of the upper ring 3 and the one-sided end 6 of the lower ring 4 is equal to the calculated length l - the length from the tip of the ring to the nearest node in which the ring experiences maximum stress. This distance corresponds to half the period of wave vibrations of the ends of the rings.

В поршневой канавке 2, в заколечном пространстве 9, также установлен круглый фиксатор 10 с прорезью 11, выполненный из полосы пружинной ленточной стали шириной, равной осевой высоте обоих колец 3 и 4 (фиг. 1-3). Фиксатор 10 контактирует по окружности своей наружной поверхностью 12 с поверхностями тыльной стороны 13 и 14 соответственно верхнего 3 и нижнего 4 колец, создавая равномерное радиальное давление на оба кольца одновременно (фиг. 4). In the piston groove 2, in the annulus 9, a round retainer 10 with a slot 11 is also installed, made of a strip of spring steel tape with a width equal to the axial height of both rings 3 and 4 (Fig. 1-3). The latch 10 is in circumferential contact with its outer surface 12 with the surfaces of the rear side 13 and 14 of the upper 3 and lower 4 rings, respectively, creating uniform radial pressure on both rings simultaneously (Fig. 4).

Фиксатор 10 имеет две лапки: верхнюю 15 и нижнюю 16, полученные путем сквозной просечки одновременно в осевом и окружном направлениях верхнего 17 и нижнего 18 краев полосы фиксатора 10 и отгиба их по радиусу к зеркалу цилиндра (фиг. 1-4; цилиндр не показан). Верхняя лапка 15 и нижняя лапка 16 должны быть получены и отогнуты таким образом, чтобы расстояние между ними было равно расчетной длине l. The latch 10 has two tabs: the upper 15 and lower 16, obtained by cutting through simultaneously in the axial and circumferential directions of the upper 17 and lower 18 edges of the strip of the latch 10 and bending them radially to the cylinder mirror (Fig. 1-4; cylinder not shown) . The upper foot 15 and the lower foot 16 should be received and bent so that the distance between them was equal to the estimated length l.

Верхняя лапка 15 и нижняя лапка 16 входят в прорези 7 и 8 прямых замков верхнего 3 и нижнего 4 колец соответственно, обеспечивая такое же расстояние l между замками колец (фиг. 1 и 3). Осевая высота каждой лапки 15 и 16 фиксатора 10 не должна превышать осевой высоты соответствующего кольца 3 и 4, а длина каждой лапки 15 и 16 не должна превышать радиальной толщины кольца. Лапки 15 и 16 фиксатора 10 предотвращают смещение компрессионных колец 3 и 4 относительно друг друга по окружности поршневой канавки 2 и устанавливают расчетное расстояние, равное l, между односторонним кончиком 5 верхнего кольца 3 и односторонним кончиком 6 нижнего кольца 4. The upper foot 15 and the lower foot 16 are included in the slots 7 and 8 of the straight locks of the upper 3 and lower 4 rings, respectively, providing the same distance l between the locks of the rings (Fig. 1 and 3). The axial height of each foot 15 and 16 of the retainer 10 should not exceed the axial height of the corresponding rings 3 and 4, and the length of each foot 15 and 16 should not exceed the radial thickness of the ring. The tabs 15 and 16 of the latch 10 prevent the compression rings 3 and 4 from shifting relative to each other around the circumference of the piston groove 2 and set the calculated distance equal to l between the one-sided tip 5 of the upper ring 3 and the one-sided tip 6 of the lower ring 4.

Расположение верхней 15 и нижней 16 лапок по окружности фиксатора 10 относительно его прорези 11 может быть произвольным, а при выполнении замков колец 3 и 4 следует учитывать, что величины зазоров прорезей 7 и 8 зависят также и от толщины лапок 15 и 16 фиксатора 10. The location of the upper 15 and lower 16 paws around the circumference of the latch 10 relative to its slot 11 can be arbitrary, and when making locks of rings 3 and 4, it should be borne in mind that the clearances of the slots 7 and 8 also depend on the thickness of the paws 15 and 16 of the latch 10.

Устройство работает следующим образом. При возвратно-поступательном движении поршня 1 верхнее 3 и нижнее 4 разрезные кольца, которые соосно располагаются в одной канавке 2, испытывают переменные нагрузки от сил давления газов, сил инерции и сил трения. Эти переменные нагрузки могут вызвать осевое смещение одного кольца относительно другого и их неустойчивое положение в канавке поршня 2 в отношении прилегания торцевыми поверхностями друг к другу верхнего 3 и нижнего 4 колец. Нижнее кольцо 4 как более разгруженное от давления газов, имея повышенную склонность к вибрации, может ударяться о торец верхнего кольца 3 и возбуждать колебания многоузловой формы, и оба кольца начнут волнообразно деформироваться. Но волны колебаний самопроизвольно погашутся самими деформируемыми кольцами 3 и 4, так как волны колебаний колец не будут совпадать ввиду сдвига по окружности верхнего кольца 3 относительно нижнего кольца 4 на величину l между замком 7 верхнего кольца 3 и замком 8 нижнего кольца 4, определяемой длиной колеблющихся кончиков замков 5 (или 6), равной половине периода волны деформированных колец (фиг. 3). The device operates as follows. During reciprocating movement of the piston 1, the upper 3 and lower 4 split rings, which are coaxially located in the same groove 2, experience variable loads from gas pressure forces, inertia forces and friction forces. These variable loads can cause axial displacement of one ring relative to another and their unstable position in the groove of the piston 2 in relation to the contact of the upper 3 and lower 4 rings with the end surfaces against each other. The lower ring 4 as more unloaded from the pressure of the gases, having an increased tendency to vibration, can hit the end face of the upper ring 3 and excite vibrations of a multi-node shape, and both rings will begin to deform in waves. But the waves of oscillations will spontaneously be canceled by the deformable rings 3 and 4 themselves, since the waves of the rings will not coincide due to a shift in the circumference of the upper ring 3 relative to the lower ring 4 by the value l between the lock 7 of the upper ring 3 and the lock 8 of the lower ring 4, determined by the length of the oscillating the tips of the locks 5 (or 6), equal to half the wave period of the deformed rings (Fig. 3).

В тот момент, когда кончики 6 нижнего кольца 4 начнут подниматься вверх, ближний узел от края кончика 5 верхнего кольца 3 будет опускаться вниз навстречу кончикам 6 нижнего кольца 4. Силы взаимодействия будут противоположно направлены друг другу и равны. Равнодействующая взаимодействующих сил будет равна нулю (см. фиг. 5). Таким образом, произойдет автоматическое гашение вибрации одного кольца другим. At the moment when the tips 6 of the lower ring 4 begin to rise up, the nearest node from the edge of the tip 5 of the upper ring 3 will fall down towards the ends 6 of the lower ring 4. The forces of interaction will be oppositely directed to each other and equal. The resultant of the interacting forces will be zero (see Fig. 5). Thus, there will be an automatic damping of the vibration of one ring by another.

Предлагаемое уплотнительное устройство поршня позволит устранить вибрацию колец и тем самым повысить надежность работы уплотнительного устройства и увеличить срок службы. The proposed piston sealing device will eliminate the vibration of the rings and thereby increase the reliability of the sealing device and increase the service life.

Claims

A piston sealing device containing two flat compression rings coaxially located and contacting each other in the piston groove, overlapping the slots of the locks against each other, a latch is installed in the annular space made of a strip of spring band steel with a width equal to the axial height of both rings, while the latch has two legs, upper and lower, bent radially to the cylinder mirror so that each of them enters the slot of the direct lock of the corresponding compression ring, and the axial height of each of the foot does not exceed the axial height of the corresponding ring, and the length does not exceed the radial thickness of the ring, the latch is made round, cut and contacts the entire outer surface with the surfaces of the back side of the rings, creating uniform radial pressure on both rings at the same time, while the legs are obtained by cutting through at the same time axial and circumferential directions of the upper and lower edges of the retainer strip, characterized in that the rings are shifted in the circumferential direction relative to one another so that the distances between two straight locks the upper and lower rings equal to the length l of oscillating the tip of the ring, determined by the half period of the wave oscillations tips rings, the upper and lower retainer tabs are folded over a distance l between them corresponding to the distance between the two latches.