УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМОФИКСАЦИИ ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ В ПАКЕТЕ Российский патент 2008 года по МПК C21D9/40 

Изобретение относится к термической обработке, в частности к термофиксации поршневых и уплотнительных колец в пакете, и может быть использовано для получения различного распределения радиального давления при изготовлении разрезанных круглых поршневых и уплотнительных колец с параллельными торцовыми поверхностями.

Известно устройство для термофиксации поршневых колец в пакете, содержащее трубу соответствующего диаметра, на которую предварительно одевают кольца с разведением замков до определенной величины для получения упругости и требуемой формы в свободном состоянии (Энглиш К. Поршневые кольца. - М.: 1962, т.1, с.365) (аналог).

К недостатку такого устройства для термофиксации следует отнести получение колец с большой овальностью и повышенным давлением в спинке и на концах кольца. В других зонах кольца возможны просветы в контрольном калибре. С помощью данного устройства невозможно получение поршневых колец с пониженным в зоне замка и равномерным радиальным давлением.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является устройство для термофиксации поршневых колец в пакете, содержащее оправку, выполненную в виде цилиндра с расположенным на противоположной стороне от замков поршневых колец продольным вырезом, имеющим в поперечном сечении форму сегмента, стрела которого равна 1/3 диаметра цилиндрической части оправки, и средство осевого сжатия пакета поршневых колец, при этом диаметр цилиндрической части оправки определен зависимостью: d=(πD+Sk)/π-2t, где d - диаметр цилиндрической части оправки, D - номинальный диаметр поршневых колец, S - размер замка поршневых колец в свободном состоянии, k - коэффициент усадки материала колец (k=1,15-1,25), t - радиальная толщина поршневых колец (патент РФ №2087553) (прототип).

К недостаткам такого устройства для термофиксации колец следует отнести:

- неточность формулы для расчета диаметра цилиндрической части оправки, в которой вместо размера замка поршневых колец в свободном состоянии S необходимо использовать дугу окружности L, ограничивающую размером замка S колец в свободном состоянии, ее величина равна L=Sα/2sinα/2, где α - угол, определяющий зону замка S кольца;

- невозможность получения поршневых колец с повышенным радиальным давлением в зоне замка, что часто требуется условиями долговечной эксплуатации узла уплотнения, а также получение поршневых колец с пониженным радиальным давлением в зоне замка.

Технической задачей изобретения является осуществление возможности получать поршневые кольца при их термофиксации с различными распределениями радиального давления (равномерным, повышенным и пониженным давлением в зоне замка).

Задача достигается путем использования устройства для термофиксации поршневых колец в пакете, содержащего цилиндрическую оправку, средство осевой стяжки набранного на оправку пакета поршневых колец, выполненное в виде двух фланцев, связанных посредством цилиндрического стержня с резьбой и гайки, отличающегося тем, что первая цилиндрическая часть оправки формирует половину кольца от его спинки до 90° и 270°, вторая цилиндрическая часть оправки формирует половину кольца от 90° и 270° до замка, при этом центр радиуса второй цилиндрической части оправки расположен от центра номинального радиуса кольца в сторону замка на расстоянии Δ=Rf, где R - номинальный радиус поршневого кольца, мм, f - коэффициент, равный для колец с пониженным давлением в зоне замка 0,015, для колец с равномерной эпюрой давления 0,02, для колец с повышенным давлением в зоне замка 0,025, а радиус цилиндрической части равен r₁=d/2=(πD+Skα/2sinα/2)/2π-t, где d - диаметр цилиндрической части оправки, мм, D - номинальный диаметр поршневого кольца, мм, S - размер замка поршневых колец в свободном состоянии, мм, k - коэффициент усадки материала кольца, равный 1,15-1,25, α - угол, определяющий зону замка S кольца, t - радиальная толщина поршневого кольца, мм.

Оригинальность в выборе решения заключается в том, что, используя предлагаемые оправки с различной формой, состоящие из двух цилиндрических частей, первая цилиндрическая часть оправки формирует половину кольца от его спинки до 90° и 270° (ее радиус рассчитывается по формуле r₁=(πD+Skα/2sinα/2)/2π-t, где D - номинальный диаметр поршневого кольца, мм, S - размер замка поршневых колец в свободном состоянии, мм, k - коэффициент усадки материала кольца, равный 1,15-1,25, α - угол, определяющий зону замка S кольца, t - радиальная толщина поршневого кольца), вторая цилиндрическая часть оправки формирует половину кольца от 90° и 270° до замка (центр ее радиуса расположен от центра номинального радиуса кольца в сторону замка на расстоянии Δ=Rf, где R - номинальный радиус поршневого кольца, мм, f - коэффициент, равный для колец с пониженным давлением в зоне замка 0,015, для колец с равномерной эпюрой давления 0,02, для колец с повышенным давлением в зоне замка 0,025), что позволяет получать различные радиусы второй цилиндрической части оправки: для колец с пониженным давлением в зоне замка радиус R₁' (не показан) равен R₁'=R+0,015R, для колец с равномерной эпюрой давления равен R₁''=R+0,020R, для колец с повышенным давлением в зоне замка равен R₁'''=R+0,025R, или их различную форму, тем самым при термофиксации на оправках с различной формой поршневые кольца будут иметь различную форму в свободном состоянии и естественно различные эпюры радиального давления.

Предложенное решение отличается от прототипа тем, что при термофиксации поршневых колец используется оправка, состоящая из двух цилиндрических частей, форма которой определяется двумя радиусами и соответствует форме поршневого кольца в свободном состоянии, причем эта форма может быть задана таким образом (путем изменения значения коэффициента f), что поршневые кольца могут иметь не только равномерную эпюру радиальных давлений, но и эпюру с повышенным или пониженным давлением в зоне замка.

Предлагаемое устройство для термофиксации поршневых колец поясняется чертежами. На фиг.1 показано приспособление для термофиксации поршневых колец с набранными в пакет поршневыми кольцами - продольный разрез; на фиг.2 - разрез А-А фиг.1; на фиг.3 - расчетные эпюры радиальных давлений: 1 - равномерная, 2 - с повышенным давлением в зоне замка со степенью коррекции (отношение давления в зоне замка к среднему давлению) 1, 6, 3 - с пониженным давлением в зоне замка со степенью коррекции 0,6; на фиг.4 - расчетные приращения радиус-векторов формы в свободном состоянии уплотнительных колец номинальным диаметром 100 мм, соответствующих заданным эпюрам; на фиг.5 - действительные приращения радиус-векторов формы в свободном состоянии уплотнительных колец номинальным диаметром 100 мм; на фиг.6 - действительные эпюры радиальных давлений уплотнительных колец номинальным диаметром 100 мм.

Приспособление для термофиксации поршневых колец содержит цилиндрическую оправку 1 с неподвижным фланцем 2 и цилиндрическим стержнем 3, снабженным резьбой для осуществления осевой стяжки гайкой 4 пакета поршневых колец 5 и подвижным фланцем 6 (фиг.1). Цилиндрическая оправка 1 состоит из двух цилиндрических частей, первая цилиндрическая часть формирует половину кольца от его спинки (0°) до 90° и 270°, а радиус цилиндрической части равен r₁=d/2=(πD+Skα/2sinα/2)/2π-t, где d - диаметр цилиндрической части оправки, мм; D - номинальный диаметр поршневых колец, мм; S - размер замка поршневых колец в свободном состоянии, мм; k - коэффициент усадки материала колец (k=1,15-1,25); α - угол, определяющий зону замка S кольца; t - радиальная толщина поршневых колец, мм, а вторая цилиндрическая часть формирует вторую половину кольца от 90° и 270° до замка (180°), при этом центр радиуса второй цилиндрической части оправки расположен от центра номинального радиуса кольца в сторону его замка на расстоянии Δ=Rf, где R=D/2 - номинальный радиус поршневых колец, мм; f - коэффициент для колец с пониженным давлением в зоне замка равен 0,015; для колец с равномерной эпюрой давления f = 0,02; для колец с повышенным давлением в зоне замка f = 0,025. Радиус второй цилиндрической части оправки для колец с пониженным давлением в зоне замка R₁' равен R₁'=R+0,015R, для колец с равномерной эпюрой давления радиус равен R₁''=R+0,020R, а для колец с повышенным давлением в зоне замка радиус равен R₁'''=R+0,025R.

Перед термофиксацией поршневые кольца 5 набирают на оправку 1 таким образом, чтобы замки 7 располагались симметрично оси оправки, проходящей через 0° и 180°. Сверху пакета устанавливают подвижный фланец 6 и гайкой 5 сжимают его в осевом направлении для предотвращения коробления по торцам колец. Набранный таким образом пакет колец подвергается термообработке, в результате чего кольца приобретают требуемую форму. Режим термообработки колец должен обеспечить снятие внутренних напряжений в материале и зафиксировать полученную форму колец в свободном состоянии на оправке. Он не относится к предмету данного изобретения и определяется физико-механическими свойствами и химическим составом материала, размерами колец и технологическим процессом их предшествующей механической обработки.

Таким образом, предлагаемое устройство для термофиксации поршневых колец в пакете содержит оправку, состоящую из двух цилиндрических частей, которая позволяет изготовить поршневые кольца с равномерной эпюрой давления, а также с повышенным и пониженным давлением в зоне замка.

В качестве примера рассмотрим расчет размеров оправки для термофиксации уплотнительных колец, применяемых в коробке перемены передач тракторов «Кировец». Исходными данными для расчета являются: номинальный диаметр - 100 мм; высота кольца - 3 мм; радиальная толщина - 3 мм; момент инерции сечения кольца - 6,75 мм³; модуль упругости материала колец - 1500 МПа; эпюра радиальных давлений - 99 кПа; характер эпюры радиального давления - равномерный (прямая 1, фиг.3), с повышенным давлением в зоне замка со степенью коррекции 1,6 (кривая 2, фиг.3), с пониженным давлением в зоне замка со степенью коррекции 0,6 (кривая 3, фиг.3). По выбранным исходным данным, решая уравнение кривого бруса, рассчитаем форму уплотнительных колец в свободном состоянии. Результаты расчета формы уплотнительных колец в свободном состоянии в виде приращений радиус-векторов ΔR приведены соответственно кривыми 1, 2 и 3 на фиг.4. Величины размера замка в свободном состоянии S и угла α, определяющего зону замка S кольца, соответственно равны: S = 16,355 мм, α=17°32' (0,306 радиан) (равномерная эпюра радиальных давлений); S = 15,716 мм, α=16°52' (эпюра с повышенным давлением в зоне замка); S = 16,753 мм, α=17°59' (эпюра с пониженным давлением в зоне замка).

Воспроизведение расчетной формы уплотнительных колец при их термофиксации осуществляется по форме оправки. Оправка состоит из двух цилиндрических частей, первая цилиндрическая часть формирует половину кольца от его спинки (0°) до 90° и 270°, а радиус цилиндрической части равен r₁=d/2=(πD+Skα/2sinα/2)/2π-t, где d - диаметр цилиндрической части оправки, мм; D - номинальный диаметр поршневых колец, мм; S - размер замка поршневых колец в свободном состоянии, мм; k - коэффициент усадки материала колец (k = 1,15-1,25); α - угол, определяющий зону замка S кольца; t - радиальная толщина поршневых колец, мм, а вторая цилиндрическая часть формирует вторую половину кольца от 90° и 270° до замка (180°), при этом центр радиуса второй цилиндрической части оправки расположен от центра номинального радиуса кольца в сторону его замка на расстоянии Δ=Rf, где R=D/2 - номинальный радиус поршневых колец, мм; f - коэффициент для колец с пониженным давлением в зоне замка равен 0,015; для колец с равномерной эпюрой давления f = 0,02; для колец с повышенным давлением в зоне замка f = 0,025. В нашем случае для воспроизведения расчетной формы уплотнительных колец с равномерной эпюрой давления радиус первой цилиндрической части оправки равен

r₁=d/2-(πD+Skα/2sinα/2)/2π-t=(3,14·100+

+16,355·1,2·0,306/2 sin 17°32'/2)/2·3,14-3,0=50,135 мм.

Использование формулы для определения диаметра оправки, предложенной в прототипе, позволяет рассчитать диаметр оправки при аналогичных исходных данных:

d=(πD+Sk)/π-2t=(3,14·100+16,355·1,2)/3,14-2·3=106,250 мм,

или r₁=d/2=50,125 мм.

Из расчетов видно, что диаметр оправки, рассчитанный по прототипу, отличается от диаметра оправки по предлагаемому изобретению на 0,01 мм, что приведет к снижению упругости и искажению эпюры радиальных давлений уплотнительных колец, изготовленных по прототипу.

Величина Δ и радиус второй цилиндрической части оправки R₁ рассчитываются по формулам

Δ'=Rf=50·0,015=0,75 мм;

R₁'=R+0,015R=50+50·0,015=50,75 мм - для колец с пониженным давлением в зоне замка;

Δ''=Rf=50·0,02=1,0 мм;

R₁''=R+0,020R=50+50·0,02=51 мм - для колец с равномерным давлением;

Δ'''=fR=50·0,025=1,25 мм;

R₁'''=R+0,025R=50+50·0,025=51,25 мм - для колец с повышенным давлением в зоне замка.

По рассчитанным размерам были изготовлены три оправки, каждая из которых состояла из двух цилиндрических частей: первая цилиндрическая часть оправки имела радиус цилиндра, равный 50,135 мм, и формировала половину кольца от его спинки до 90° и 270°, вторая цилиндрическая часть оправки имела радиус цилиндра 50,75 мм - для колец с пониженным давлением в зоне замка; 51 мм - для колец с равномерным давлением; 51,25 мм - для колец с повышенным давлением в зоне замка и формировала половину кольца от 90° и 270° до замка.

На данных оправках была проведена термофиксация трех партий уплотнительных колец номинальным диаметром 100 мм с равномерным, повышенным и пониженным давлением в зоне замка. Результаты измерения формы колец приведены на фиг.5, из которой видно, что действительная форма колец соответствует расчетной, приведенной на фиг.4, а действиительные эпюры радиальных давлений (фиг.6), рассчитанные по форме колец в свободном состоянии, близки к заданным, приведенным на фиг.3.

Таким образом, данное устройство позволяет при термофиксации получать поршневые и уплотнительные кольца с равномерным, пониженным и повышенным давлением в зоне замка.

К настоящему времени изготовленные партии уплотнительных колец проходят эксплуатационные испытания в коробках перемены передач тракторов «Кировец» при выполнении сельскохозяйственных работ в хозяйствах Саратовской области.

Технико-экономический эффект предлагаемого устройства заключается в том, что имеется возможность изготовить поршневые и уплотнительные кольца с требуемым радиальным давлением, что повысит их долговечность и надежность работы в узлах уплотнения по сравнению с кольцами, изготовленными с помощью существующих устройств для термофиксации.

Изобретение относится к термической обработке и может быть использовано для получения разрезанных круглых колец с параллельными торцовыми поверхностями. Приспособление для термофиксации поршневых колец содержит цилиндрическую оправку с неподвижным фланцем и цилиндрическим стержнем с резьбой и гайкой. Первая цилиндрическая часть оправки формирует половину кольца от его спинки до 90° и 270°. Вторая цилиндрическая часть оправки формирует половину кольца от 90° и 270° до замка. Центр радиуса второй части оправки смещен в сторону замка от центра номинального радиуса кольца. Радиусы частей оправки определены математической зависимостью. Обеспечивается повышение долговечности колец и надежности работы узла уплотнения. 6 ил.

Устройство для термофиксации поршневых колец в пакете, содержащее цилиндрическую оправку, средство осевой стяжки набранного на оправку пакета поршневых колец, выполненное в виде двух фланцев, связанных посредством цилиндрического стержня с резьбой и гайки, отличающееся тем, что первая цилиндрическая часть оправки формирует половину кольца от его спинки до 90° и 270°, вторая цилиндрическая часть оправки формирует половину кольца от 90° и 270° до замка, при этом центр радиуса второй цилиндрической части оправки расположен от центра номинального радиуса кольца в сторону замка на расстоянии Δ=Rf, где R - номинальный радиус поршневого кольца, мм; f - коэффициент, равный для колец с пониженным давлением в зоне замка - 0,015, для колец с равномерной эпюрой давления - 0,02, для колец с повышенным давлением в зоне замка - 0,025, а радиус цилиндрической части равен r₁=d/2=(πD+Skα/2sinα/2)/2π-t, где d - диаметр цилиндрической части оправки, мм; D - номинальный диаметр поршневого кольца, мм; S - размер замка поршневого кольца в свободном состоянии, мм; k - коэффициент усадки материала кольца, равный 1,15-1,25; α - угол, определяющий зону замка S кольца; t - радиальная толщина поршневого кольца, мм.