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).
|
|
|
![]() |
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 FБОК.
![]() |
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 FБОК), 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 Pj и под кольцевым уплотнением Pj+1 для нового неизношенного уплотнения определяется из уравнения
,
где Рj – давление над поршнем, j – номер кольца, считая от верхнего донышка поршня, kj = 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 Pj(ср) можно определить как среднее арифметическое между давлением над кольцом и давлением за ним:
Давление упругости кольца Pуj 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):
|
Сила FjЗ, действующая на кольцо в сторону зазора между кольцом и цилиндром равна сумме произведения давления Рj (j = 1, 2) на соответствующую площадь и силы упругости колец:
Сила FjП, действующая на кольцо со стороны газового слоя в зазоре, определяется по формуле
Суммарная сила FΣj, действующая на каждое j-е кольцо в направлении зазора, определяется разностью
.
Соответственно давление Wj, 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 F1,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