Характер износа поршневого уплотнения и действующие в нем силы

Цилиндропоршневая пара является одним из наиболее нагруженных узлов силовой установки. В среднем поршень в цилиндре за 1 с совершает около 20‑25 двойных ходов, причем половина из них являются нагруженными (ход сжатия и рабочий ход).

Так, в карбюраторных ДВС в начале рабочего хода давление в цилиндре над поршнем карбюраторного ДВС составляет около 5 МПА (50 бар), а в высокофорсированных дизелях – до 14 МПа (140 бар).

Во время хода сжатия эти давления равны соответственно 0,8‑1,5 и до 5 МПа (8‑15 и 50 бар). Следует также учесть, что температура газа в камере сжатия ДВС достигает во время рабочего хода 2000 ^ОС и более.

С точки зрения ресурса работы в отношении данного узла следует рассматривать следующие процессы:

1. Трение боковой поверхности поршня о стенку цилиндра и их обоюдный износ.

2. Взаимодействие поршневых колец с канавками в теле поршня и со стенкой цилиндра.

Для анализа первого процесса следует указать, что он целиком определяется давлением газов, которые прижимают поршень к поверхности гильзы цилиндра, и геометрическим соотношением кривошипно-шатунного механизма (рис. 3.1).

Давление Р газов над поршнем ‑ величина переменная, давление картерных газов F_К близко к постоянному при нормально работающем сапуне и примерно равно атмосферному (чуть выше на величину гидравлического сопротивления сапуна). В том случае, если выход сапуна соединен с впускным коллектором, можно принять F_К равным атмосферному, так как излишнее давление картера «отсасывается» во впускной трубопровод.

В связи с тем, что в процессе впуска Р становится ниже атмосферного давления, поршневая сила является не только переменной по величине, но и по направлению. Поэтому изменяется не только величина, но и направление силы F_БОК.

Тем не менее в процессе впуска она невелика, так как весьма мал перепад давления на поршне, и в отношении трения и износа сопряжения цилиндр‑поршень следует рассматривать в основном перемещение поршня на ходе сжатия и в течение рабочего хода.

При этом трение поршня о стенки гильзы цилиндра происходят то на одной, то на другой стороне внутренней поверхности гильзы, причем та сторона, по которой трение осуществляется во время рабочего хода, изнашивается сильнее в связи с большими силами давления в контакте (сила F_БОК), что схематично изображено на рис. .3.2.

Таким образом, в процессе работы цилиндропоршневой пары происходит неравномерный износ цилиндра. Очевидно, что аналогичная, но обратная картина наблюдается при износе поршня.

Следует отметить, что в процессе износа поверхности гильзы цилиндра участвует также кольцевое уплотнение, и поэтому максимальный износ цилиндра наблюдается в зоне действия наиболее нагруженного первого уплотнительного кольца.

В свою очередь также происходит износ и поршневых уплотнительных и маслосъемных колец, которые размещены в канавках головки поршня, а также износ и деформация самих канавок.

Для обеспечения уплотнительного эффекта высота кольца несколько меньше высоты выточки в теле поршня (на сотые доли миллиметра). Это необходимо для прохода уплотняемых газов к внутренней части кольца с целью его прижатия к поверхности гильзы цилиндра (рис. 3.3).

Давление над кольцевым уплотнением P_j и под кольцевым уплотнением P_j+1 для нового неизношенного уплотнения определяется из уравнения

,

где Р_j – давление над поршнем, j – номер кольца, считая от верхнего донышка поршня, k_j = 1,0 при Z 4; 1,35 при Z = 3; 2 при Z = 2 (Z – общее число уплотнительных поршневых колец).

Для узких в направлении движения газа зазоров кольцевого уплотнения можно в первом приближении считать, что распределение давления в кольцевом зазоре имеет простой прямолинейный характер, и величину P_j(ср) можно определить как среднее арифметическое между давлением над кольцом и давлением за ним:

Давление упругости кольца P_уj зависит от его материала, сечения кольца и его диаметра. В первом приближении можно принять, что оно равно 0,05 МПа.

Очевидно, что при использовании двух и более колец в поршневом уплотнении их ширину в направлении уплотняемого потока газа стараются подобрать таким образом, чтобы сила прижатия кольца к зеркалу цилиндра была одинаковой. Это необходимо для обеспечения одинакового износа колец. В связи с этим первое от донышка поршня кольцо всегда несколько уже второго, и в этом случае давление в межкольцевом пространстве равно примерно половине давления над первым кольцом:

Р₂ ≈ 0,5·Р₁

В этом случае схема для расчета сил, действующих в кольцевом уплотнении, состоящем из двух поршневых колец, будет выглядеть следующим образом (рис. 3.4):

	Рис. 3.4. Расчетная схема сил, действующих в поршневом уплотнении, состоящем из двух колец

Сила F_jЗ, действующая на кольцо в сторону зазора между кольцом и цилиндром равна сумме произведения давления Р_j (j = 1, 2) на соответствующую площадь и силы упругости колец:

Сила F_jП, действующая на кольцо со стороны газового слоя в зазоре, определяется по формуле

Суммарная сила F_Σj, действующая на каждое j-е кольцо в направлении зазора, определяется разностью

.

Соответственно давление W_j, с которым кольцо действует своей рабочей поверхностью на зеркало цилиндра, следует определять как частное от деления суммарной силы на площадь этой поверхности:

.

Задание. По данным табл. 3 определить давление W₁ и W₂ в зазоре поршневого уплотнения с двумя уплотнительными кольцами.

Таблица 3

Исходные данные для расчета давления в зазоре между уплотнительными кольцами и зеркалом цилиндра

№ студента по списку группы	Исходные данные	Результаты расчета
DЦ, мм	DК,мм	Р1, бар	В1, мм	F1,З, Н	F2,З, Н	F1,П, Н	F2,ПН	FΣ1, Н	FΣ2, Н	W1, бар	W2, бар
				2,0
				2,2
				2,4
				2,6
				2,8
				2,1
				2,3
				2,5
				2,7
				3,0
				2,0
				2,2
				2,4
				2,6
				2,8
				2,1
				2,3
				2,5
				2,7
				3,0

Оформление работы

3.1. Создайте текстовый файл и сохраните его под названием «ТЭСА_Группа_фамилия_П3» (например: «ТЭСА_СА-445_Иванов_П3».

3.2. Напишите в первой строчке созданного вами документа номер группы и вашу фамилию с инициалами, а через запятую – индекс занятия – П3. После этого строчкой ниже напишите название занятия «Характер износа поршневого уплотнения и действующие в нем силы».

3.3. Скопируйте из методических указаний «шапку» и нужную вам строчку из табл. 3.

3.4. Произведите с использованием вышеприведенных и составленных Вами формул расчеты и заполните правую часть таблицы. При проведении расчетов сначала назовите параметр, который вы рассчитываете, потом напишите расчетную формулу, потом формулу с подставленными исходными данными, потом ответ. Имеющиеся формулы вы можете копировать из методических указаний.

Например:

СА-445, Иванов И.И., П3.

№ студента по списку группы

Исходные данные

Результаты расчета

DЦ, мм

DК,мм

Р1, бар

В1, мм

F1,З, Н

F2,З, Н

F1,П, Н

F2,ПН

FΣ1, Н

FΣ2, Н

W1, бар

W2, бар

2,8

1. Сила F_1,З, действующая на кольцо в сторону зазора между кольцом:

= ….

Обратите внимание на размерность физических величин!

Закончив расчеты и заполнение таблицы умейте ответить на следующие вопросы.

1. Какие поверхности цилиндропоршневого узла имеют наибольший износ и почему?

2. Почему зеркало цилиндра изнашивается неравномерно?

3. Почему высота выточки в поршне изготавливается чуть больше высоты кольца с образованием некоторого зазора, и что произойдет, если высота кольца окажется равной высоте выточки, в которую оно монтируется?

Занятие 4