Уплотнение пары поршень-цилиндр двигателя внутреннего сгорания Советский патент 1993 года по МПК F16J9/00 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства для уплотнения пары поршень-цилиндр, работающей в условиях повышенных давлений, температур рабочего тела и относительных скоростей скольжения трущихся поверхностей, преимущественно в поршневых двигателях внутреннего сгорания. ;... . ; Известны уплотнения пары поршень- цилиндр двигателей внутреннего сгорания, предназначенные для создания герметичности нэдпоршневого объема камеры с рабочим телом и определяющие надежность и экономичность двигателя. Даже незначительные износы элементов

таких уплотнений существенно снижают исходные, технико-экономические показатели двигателей внутреннего сгорания (см. Устинов А.Н. Исследование поршневых колец дизелей, Изл.Сарат. ун-та, Саратов, ..

При высоких давлениях и температурах рабочего тела канавки для уплот- нительных колец могут выполняться на специальных жаростойких вставках на поршнях (см. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей, под ред. А.С.Орлина, Н.Г.Круглрва, М.: Машиностроение, 1990, с. 69), причем первое уплотнительное кольцо может иметь L-образную форму, а днище порш00 N3 О

ня Форму жаровой накла.пки (см..t Пульсанов И.В. Дизель-компрессоры со свободно движущимися поршнями, М«: Машиностроение, 1959, с. 191, фиг,92, с. 193, фиг..

Известны также уплотнения пары поршень-цилиндр, содержащие направляющие цилиндр и поршень, имеющий отдельные специальные канавки, в каждую ил которых установлены с зазором подвижные разрезные упругие кольца прижатые к поверхности направляющего ци-| линдра силами упругости кольца и дав-.1 лением рабочего телз со стороны диального зазора внутри канавок (см. Пульманов Н.В. Дизель-компрессор со свободно движущимися поршнями, И.: Машиностроение, 1959, с. 201, фиг.97а).;

I

Разрезные упругие кольца уплотнения вызывают неравномерный износ поверхности направляющего цилиндра вдоль его оси, образуя 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 направляющего цилиндра, к снижению герметичности уплотнения и ухудшению технико-экономических показателей двигателя.

При повышении параметров рабочего тела в известном уплотнении, пары поршень-цилиндр снижаются прочность и работоспособность разрезных уплотнительных колец, существенно возрастает работа сил трения в паре поршень- : цилиндр, что приводит к интенсивному | и неравномерному износу трущихся поверхностей направляющего цилиндра и , уплотнительных колец, изменениям их геометрических форм, износу потере уплотнительных свойств колец. При повышенных скоростях возвратно-поступательного движения поршня осевая подвижность колец вызывает также износ и изменение геометрической формы канавок на поршне для .уплотнительных колец, что способствует повышению вибрации колец и дальнейшей потере герметичности и прочности такого уп- лотнительного соединения, возрастанию потерь смазочного масла на угар, i .снижению работоспособности и долго- вечности уплотнения пары поршень-цилиндр двигателя.

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

Цель изобретения - повышение рп(о- тоспособности и долговечности пары поршень-цилиндр в условиях повышенных давлений, температур рабочего тела и относительных скоростей скольжения трущихся поверхностей.

Для достижения этой цели в известном уплотнении пары поршень-цилиндр двигателя внутреннего сгорания, содержащем направляющий цилиндр и поршень с уплотнительными кольцами, оно снабжено жаровой накладкой и жаростойкой стальной вставкой, установленными на поршне и образующими общую канавку для комплекта уплотнительных колец, причем цилиндр выполнен из чугуна, а уплотнительные кольца выполнены из стали неразрезными и установлены в ступенчатую проточку на жаростойкой вставке в количестве не менее трех с чередующимися диаметральными зазорами, образованными первым и последующими нечетными кольцами с поверхностью направляющего цилиндра, равными (0,00018...О,00025)D, с поверхностью проточки на жаростойкой вставке (0,004.,.0,008)0, последующие четные кольца установлены с нулевыми зазором или натягом с поверхностью . пррточки на жаростойкой вставке и с зазором (0,. ..0,008)D с поверхностью направляющего цилиндра, при этом комплект уплотнительных ко лец установлен вдоль оси поршня с образованием неподвижного соединения между торцевыми поверхностями ступенчатой проточки на жаростойкой вставке и жаровой накладки поршня.

Уплотнительные кольца выполнены прямоугольного сечения с высотой раешной (0,015...0,030)D и шириной (0,020...0,)0, при этом часть колец может выполняться прямоугольного сечения, а другие - L-образного сечения с внутренней кольцевой вставкой, высота последних равна (0, ...0,080)D, ширина выступающей части, контактирующей с поверхностью направляющего цилиндра (0,010... 0,020)0, при этом высота кольцевой вставки выполнена равной (0,025...0,)0, она установлена с нулевыми зазором или натягом с поверхностью ступенчатой проточки на жаростойкой вставке и зазором (0,004.,.0,008)0 с выступающей частью L-образного уплотнительно- го кольца, где D - диаметр направляю- щего цилиндра.

518 Существенными отличиями такого уплотнения пары поршень-цилиндр являются выполнение уплотнительных колец неразрезными, установка всего ком- плекта уплотнительных колец в общую ступенчатую проточку неподвижным соединением вдоль общей оси поршня, разгрузка поверхности направляющего цилиндра от сил упругости уплотнительных колец и давления рабочего тела.

Современным машиностроением хорошо освоены точные подвижные соединения гладких цилиндрических элементов с гарантированным зязором типа Н7/р6 ГОСТ . На основе этих томных посадок реализовано сопряжение первого и последующих нечётных неразрезных уплотнительных колец с поверхностью направляющего цилиндра с гарантированным зазором (0,00018...0,00025)0. При работе двигателя элементы уплотнения нагреваются и величины зазоров в уплотнении изменяются в соответствии со значениями коэффициентов

линейного расширения кольца ( , направляющего цилиндра tf ц и перепадов температур при нагревах кольца ДТц и направляющего цилиндра

А (0,00018...0,00025)0 + + («/цЛТц -tfKATK)n.

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

У 96 |ц I Ч

где D - диаметр цилиндра;.

диаметральный зазор в паре поршень-цилиндр;

А (1

2

б2),

011

р 0

5

0

Iй

i

Ь

Ј

0

5

0

перепад дав пенил по длине ;.)- зора;

динамический коэффициент РЕЗКОСТИ рабочего тела;, число уплотнительных колец. осевая высота кольца; относительный эксцентриситет уплотнительного кольца в направляющем цилиндре: при совпадении осей уплотнительных колец и направляющего цилиндра -Ј 0, при максимальном радиальном смещении уплотнительных колец е зазоре до соприкосновения с поверхностью

направляющего цилиндра - Ј - ф

Для материалов деталей уплотнения: направляющий цилиндр - серый чугун СЧ25 ГОСТ Й12-79, #u 12,, К , уплотнителыюе кольцо - сталь 40ХФА. ГОСТ W3-71, к 11 КГ, К , при D 190 мм, перепадах тем- 5 ператур: ДТЦ К и АТК 223 К (см. Устинов Л.П.... с.120), hk (0,015....0,030)П (0,015...О,030) 190 3 мм, принимаем , тогда при перепаде давления рабочего тела по длине зазора 5 кг/см2 (см. Устинов A.H....C.2S) и динамическом коэффициенте вязкости рабочего тела jd 2,5-Ю кгс/м2, рассмотрим основные параметры нового уплотнения: Д - зазоры при нормальном тепловом состоянии уплотнения, U - зазоры при нагреве деталей уплотнения, (уми„, MviH - утечки рабочего тела через зазоры при

С- - 0, Qy МОКС , QLJ Mt)tc

утечки рабочего тела через зазоры при Ј

Сущность изобретения: жаровая накладка и L-образная жаростойкая стальная вставка установлены на поршне и образуют канавку под уплотни2 тельные кольца. Направляющим цилиндр выполнен из чугуна, уплотнительные кольца - из стали неразрезными и установлены в канавке в количестве не менее трех с чередующимися диамет ральными зазорами . Зазоры образованы первым и последующими нечетными кольцами с поверхностью цилиндра и равны

м3/с(л/мин) 0,(27,9) 0,000552(33,12) 0,000941(56.,)

(88,73) 0,00166(99,36)

, м3/ч(л/мин) 0,0016(69,75) 0,00138(82,8) 0,00235(1) 0,0037(222) О, ООН (, Ь)

Запредельные значения зазоров в пряжении уплотнения составляют:

Д длим 0,00017П 0,00017-190 0,0323 мм,

QIJWHH, м3/с (л/мин) 0,0000339(2,03) 0,0000513(3,07) 0,00015Т(9,05) 0,00033(19,78) 0,(27)

SMa«, (л/мин) 0,00008 7(5,082) 0,000128(7,69) 0,000377(22,63) 0,00082(9, М) 0,00113(67,5)..

DO

A MHW 0,0135 мм, А ллахе 0,00026D 0,00026190 0, мм,

А макс 0,030 мм.

Таким образом, запредельные значения зазоров Л мии 0,000170, при рабочем нагреве элементов уплотнения, выходят за границы наиболее предпоч- тительной посадки Н7/р,6, что связано с ухудшением технологичности конструкции уплотнения, повышением вероятности задирое сопрягаемых поверхностей при эксплуатации, снижением на- дежности и долговечности уплотнения. Знамения запредельных зазоров Д - О,00026D существенно снижают герметичность уплотнения, в сравнении с базовым серийным уплотнением, утечки рабочего тела возрастает в 1,65...4 раза (см. Устинов А.Н....с.27), что ухудшает пусковые качества и эконо- мичность двигателя.

Зазоры между нечетными уплотни- тельными кольцами и поверхностью проточки на жаростойкость вставке поршня, а также четных колец с поверхностью направляющего цилиндра - (О,СО1...0,008)D компенсируют теп- ловое расширение головки поршня и разгружают уплотнительные кольца от нагрузки нормальной силой при перекладке поршня в зазоре его направляющей части и выполнены на основе по- садки Н9/е8 ГОСТ 25347-82 так, чтобы tfn &T,,D + & (Н9/еЯ) (0,004...0,008)D

При (Х„ 12-Ю-6, К-1, йТ„ 250 К и D 190 мм, имеем 12-10 Х250-190 + (0,100...0,287)(0,004.. 0,00б)х190, т.е. (0,670...): г: (0,760. ..1,520).

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

Уплотнение содержит направляющий цилиндр 1 диаметром. D и составной поршень 2 с жаростойкой вставкой 6 со ступенчатой проточкой со стороны надпоршневого объема камеры с рабочи телом, на которую поочередно установ лены неразрезные кольца нечетные 3 и четные 4/.нижнее кольцо 4 опирает- ся на торцовую поверхность ступенчатой проточки жаростойкой вставки 6, а верхнее кольцо 3 опирается на тор- цовую поверхность специальной жаровой накладки 5, ограничивающих осевую подвижность комплекта уплотни- тельных колец 3 и 4, образующих поочередно диаметральные зазоры: первое и последующие нечетные кольца 3 с. поверхностью направляющего цилиндра 1, (0,00018...О,00025)D, с поверхностью проточки жаростойкой вставки

1-е,

n

5

6 (0,004. . .0,008)1); второе и последующие четные кольца 4 установлены с нулевым зазором или натягом с поверхностью проточки на жаростойкой вставке 6, образуя при этом с поверхностью направляющега цилиндра 1 зазоры (0,004. ..0,008)D. При прямоугольном сечении уплотнительных колец 3,4 высота вдоль оси кольца составляет (0,015...0,030)D, радиальная толщина (0,020...0,040)D, Повышение герметичности уплотнения при ограниченном количестве колец в комплекте достигается установкой неразрезных уплотнительных колец 7 сечением L-образной формы с .внутренней кольцевой вставкой 8. Общая высота L-образного уп- лотнительного кольца 7 вдоль его оси соста вляет (0,040...0,080)D, радиальная толщина его выступающей части (0,010..,0,020)D, высота внутренней кольцевой вставки (0,025...0,040)0, кольцевая вставка образует нулевой зазор или натяг с поверхностью проточки на жаростойкой вставке поршня и зазор (0,004...0,008)п с внутренней поверхностью выступающей части уплотнительного кольца L-образного сечения.

Уплотнение работает следующим образом. При движении поршня 2, основная ориентация осевого положения (соосность) уплотнительных колец 3, 4 в комплекте уплотнения относительно оси поверхности направляющего цилиндра 1 обеспечивается направляющей частью поршня 2 и автоматически корректируется в процессе работы за счет перекладок поршня в зазоре его направляющей части и упругих свойств неразрезных нечетных уплотнительных колец 3. Это создает практически бесконтактные условия уплотнения в процессе работы лабораторного комплекта уплотнительных колец. При повышении давления рабочего тела в камере над поршнем 2, комплект неразрезных колец 3, 4 образует бесконтактное лабиринтное уплотнение для потока рабочего тела в чередующихся различных по величине зазорах между кольцами 3, 4 и поверхностью направляющего цилиндра 1, резко изменяющими проходные сечения на пути потока рабочего тела вдоль оси уплотнения. Гидродинамическое сопротивление потоку рабочего тела создается на участках с минимальными зазорами у пернот и последующих нечетных колец 3 л увеличенные зазоры у второго и последующих четных колец k вызывают потери напора вследствие деформации от расширения и трения потока утечек рабочего тела в зазорах.

Такое бесконтактное лабиринтное уплотнение пары поршень-цилиндр при работе двигателя в условиях повышенных давлений, температур рабочего тела и относительных скоростей скольже ния поверхностей обладает достаточно высокой прочностью, надежно и длительно сохраняет геометрические параметры сопряженных поверхностей элементов уплотнения, на 30...kQ% снижает потери на трение в паре поршень- цилиндр, повышает эффективность уплотнения, надежность и долговечность его основных элементов. Зто обусловлено повышенными прочностью и жесткостью неразрезных уплотнительных колец и стабилизацией геометрических Параметров уплотнения. Поступление смазочного масла с поверхности направляющего цилиндра п зазоры кольцевого лабиринта существенно повышает эффект уплотнения и снижает работу трения.

Снижение работы трения и повышение уплотнительных свойств пары поршень- цилиндр в поршневых двигателях внутреннего сгорания позволяет существенно снизить удельные эффективные расходы топлива и смазочного масла, что обеспечивает высокий экономический эффект от внедрения в различные отрасли народного хозяйства двигателей внутреннего сгорания с таким уплотнением пары поршень-цилиндр. Принцип / неразрезных уплотнительных колец устанавливаемых в общую ступенчатую проточку, существенно упрощает технологию производства элементов комплекта уплотнения пары поршень-цилиндр при достижении более высокой точности их геометрических форм, обеспечивает высокую прочность, ремонтопригодность и снижает затраты на эксплуатацию, ремонт уплотнения в целом. Снижение потерь на трение в паре поршень-цилиндр, снижает удельный эффективный расход топлива на 6...10%.

О

р м у л ,i и я о fl р

и 11 .

0

5

0

5

0

5

0

5

0

Зазор Шь

.,.U.QQO25)

зазор f0M:t/ ...#ЯШ

Зозор/ffM ...qoosh L

Зазор 0,0 или натяг

Фиг.1

Зозор{0,0(М... .)3

3Q30pfQ,DOOf8...

... о,ооог5} i мфцот..

X.QJ300&№

®ьv.Z