книги из ГПНТБ / Устинов А.Н. Исследование поршневых колец дизелей

щих на кольцо, практически неосуществимо. В то же время представляется возможным изучить влияние на величину ди­ намических напряжений отдельных факторов с применением специальных стендов, имитирующих условия работы кольца на двигателе. Поскольку .газовые силы являются наиболее 'зна­ чительными из всех переменных сил, действующих на кольцо,, был спроектирован специальный безмоторный стенд, с по­ мощью которого осуществлялась имитация нагрузки поршне­ вого кольца переменными газовыми силами. Общий вид стен­ да представлен на рис. 40. Он состоит из поршня 1 с кольцами, цилиндра 2 и двух цилиндровых крышек 3, стянутых силовыми шпильками 4. Газовая нагрузка создавалась сжатым возду­ хом, подаваемым из 'баллона 5 через специальный золотник 6 в камеру сжатия — полость над по-рішнем. Разгрузка полости, над поршнем также оеуществл.ялась золотником 6.

Р ис. 40. Схема экспериментальной установки для определения ' динамических напряжений в поршневых кольцах от сил давления

газов.

Число оборотов золотника, а также сечения впускного н выпускного каналов подбирались таким образом, чтобы харак­ тер осциллограммы давления в полости над поршнем соответ­ ствовал внешнему виду индикаторной диаграммы (но продол­ жительности действия импульса давления, ДР/Да , по -периоду разгрузки). Величина напряжений в поршневом кольце изме­ рялась с помощью тензодатчиков, а их регистрация осуществ­ лялась шлейфным осциллографом.

При размещении поршневого кольца в круглом цилиндре номинального диаметра величина динамических напряжений

98

составляет ад=200-г-200 кг/см2. Зависимость os— f(Pz) носит линейный характер и изображается прямой 1 на рис. 41 (гра­ фики построены по напряжениям, замеренным для внутренних волокон кольца в точке против замка). Возникновение дина­ мических напряжений может быть проиллюстрировано с по­ мощью схемы положения кольца во втулке при отсутствии га­ зовой нагрузки и при наличии давления газов, представленной на рис. 42. іВо время отсутствия газовой нагрузки кольцо при­ жимается к поверхности действием сил собственной упруго­ сти. Даже при «беспроісветно-м» прилегании кольца между его

Р ис. 41. Зависимость динамических напряже­ ний в поршневом кольце от давления в цилинд­ ре, a=f(Pz): 1 — для цилиндровой втулки но­ минального диаметра; 2 — для цилиндровой втулка с овальностью б"=0,14-0,2 мм.

поверхностью и поверхностью цилиндра полный контакт отсутствует, так как кольцо опирается на отдельные микронеровности поверхности цилиндра, маслянуір .пленку и т. п. В пе­ риод действия максимальной газовой нагрузки резко возрас­ тает сила, прижимающая кольцо к поверхности втулки, что обеспечивает более плотное прилегание кольца, «выжимание» масла из зазора. В этом случае, благодаря действию силы тре­ ния между поверхностями кольца и цилиндра (величина кото­ рой также достигает максимума), отдельные участки этих

поверхностей сохраняют неизменным свое относительное поло­ жение, что, в свою очередь, приводит к возникновению напря­ жений растяжения как в наружных, так и внутренних^волок­ нах кольца. Возникновение напряжений растяжения обуслов­ лено удлинением наружного контура кольца из-за совместно­ го действия перечисленных сил.

Продолжение воздействия тазовой нагрузки сопровождает­ ся возникновением напряжений сжатия во внутренних волок­ нах кольца я дальнейшим ростом напряжений растяжения в наружных волокнах. Таким образом, динамические напряже­ ния от действия сил давления газов вызывает повышение на­ пряжений растяжения в наружных (растянутых) волокнах поршневого кольца, и возникновение дополнительных знакопе­ ременных напряжений во внутренних (сжатых) волокнах.

рузки кольцо, возвращаясь в первоначальное положение, про­ ходит через положение «равновесия».

На рис. 44 приведена осциллограмма напряжений, снятая для кольца, установленного в цилиндровой втулке с овально­ стью 6= 0,5 мм. Сопоставление осциллограмм для точки 1 сви­ детельствует о росте напряжений в этом сечении кольца с рос­ том овальности (напряжения в точке >1 возросли с 210 до 243 кг/см2).

100

*

лллллллл А Л Л Л Л Л Л Л Л Л Л Л Л Л Л Л Л Л Л Л Л Л Л Л Л Л Л Л Л Л Л Л Л Л Л Л Л

—Ч ?—к н*

Р и с. 43. Осциллограмма напряжений в поршневом кольце, уста повленном в цилиндре с овальностью 6=0,4 мм.

Р и с. 44. Осциллограмма напряжений в поршневом кольце, уста­ новленном в цилиндре с овальностью 0,5 мм.

10t

§ 4. ВЛИЯНИЕ ИЗНОСА И ОВАЛИЗАЦИИ ЦИЛИНДРОВОЙ ВТУЛКИ НА ВЕЛИЧИНУ ДИНАМИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

В ПОРШНЕВОМ КОЛЬЦЕ

Влияние износа и овализации цилиндровой втулки на усло­ вия работы поршневого кольца, в конечном счете, сводится к образованию участка, на котором отсутствует контакт между поверхностями кольца и цилиндра. Этот '«серповидный зазор» ■характеризуется центральным углом потери контакта а° и ве­ личиной .возможнаго дополнительного прогиба кольца в зазоре б'. Для статического напряженного состояния были рассмот­ рены возможные соотношения между 6' и овальностью ци­ линдра б.

Для динамического напряженного состояния эти соотноше­ ния .несколько усложняются тем, что если в статике кольцо приобретает дополнительный прогиб 6' под действием сил соб­ ственной упругости, то в динамике к ним добавляются силы давления газов, что увеличивает дополнительный прогиб кольца.

Р и с. 45. Схемы газовых сил, действующих на поршневое кольцо при различных степенях износа цилиндровых втулок.

Более подробное рассмотрение газовых сил, действующих на кольцо, позволяет проанализировать характер их взаимо­ действия для следующих трех случаев.

П е р в ы й с лу ч а й .

Поршневое кольцо плотно прилегает к поверхности цилинд­ ра. Зазор между кольцом и цилиндром отсутствует. Сила дав­

102

динаром, дросселируются. Их результирующая Р '> О 'направ­ лена противоположно Рг и частично разгружает данный уча­ сток кольца от изгибающей силы (рис. 45 б).

Т р е т и й случай.

Р и с. 46. Зависимость величины динамических напряжений в порш­ невом кольце от овализации цилиндра, выраженной «остаточным за­

зором» 6".

ЮЗ

Д 19/30 (кольца прямоугольного сечения). По оси абсцисс от­ кладывается величина б", которая представляет собой «оста­ точный зазор» между кольцом и цилиндром.

Для пояснения рассмотрим схему размещения поршневого

приведет к 'увеличению -статических -напряжений в рассматри­ ваемом сечении кольца. При умеренной овальности кольцо полностью выберет зазор и будет иметь контакт с поверх­ ностью цилиндра (этот случай рассмотрен в § 2 данной гла­ вы) .

При значительной овальности зазор полностью не выби­ рается, в этом случае величина остаточного зазора б" -к опре­ делит -характер взаимодействия газовых -сил -на данном участ­ ке поверхности кольца.

зазора позволяет выделить три условных участка, для которых характерны различные соотношения действующих газовых нагрузок (участок I, II и III, рис. 46).

I. «Остаточный» зазор полностью-«выбирается» при .проги­ бе кольца от действия газовых сил. Сила Р' пренебрежимо мала и не может обеспечить частичной разгрузки кольца от действия сил Р. Динамические напряжения в кольце резко -возрастают.

II. «Остаточный» зазор увеличивается, что снижает воз­ можности дросселирования струи газа и увеличивает результи­ рующую силу Р', которая -частично -разгружает кольцо от силы Яг. Напряжения в кольце .продолжают расти, так как стрела прогиба продолжает увеличиваться, однако скорость возраста-

равна) торцевому зазору по высоте кольца. В этом случае сила Р' по величине приближается к Яг, чтоприведет к -сниже­ нию величины динамических напряжений.

При продолжении -роста б" изгибающая -сила -на уча-стк-е потери контакта уже не действует. Зарегистрированные дина- імич-ескне -напряжения кольца в к-онц-е этого участка -обусловле­ ны только упругими колебаниями кольца (по величине они.

104

■примерно равны динамическим напряжениям при отсутствии- -зазора между кольцом и втулкой).

Зная геометрические соотношения для участка кольца с отсутствием контакта, а также параметры газа в уплотнении,, величину динамических напряжений -можно определить и рас­ четным .путем. Для этого, в 'Соответствии -со схемой нагружения данного участка кольца, представленной на рис. 48, находим -значения результирующих сил и моментов • и, подставляя их значения в уравнение для определения напряжений в кольце, мы находим величины напряжений во внутренних -и наружных волокнах кольца.

Расчет результирующей силы Р' производится с уче­ том снижения давления при дросселировании в зазоре между кольцом и цилинд­ ром.

Оценивая полное напря­ женное состояние поршнево­ го кольца с учетом перера­ спределения статических на­ пряжений из-за овализации

цилиндровой втулки (вследствие износа), а также дополни­ тельных динамических напряжений, необходимо отметить, что-

°s ~1,-35СТщаХ)

где гц— величина суммарных напряжений в поршневом коль-

ДО,

Ртах —рабочие напряжения в поршневом кольце, рассчитан­ ные по общепринятой методике для случая постанов­ ки кольца в цилиндр.

При экспериментальном определении величины суммарных напряжений для колец дизелей Д 19/30, ЧН '25/34 было уста­ новлено, что величина as достигает 3750—3850 кг/см2, в товремя, как атах=н2700 кг/см?-. -Принимая во внимание, чтозначения допускаемых напряжений для -поршневых колец,,

.изготовленных из легированного чугун-а, составляют a =3.500— —4000 кг/смг, необходимо -отметить, что учет дополнительных напряжений, возникающих в поршневых кольцах из-за овали­ зации -цилиндровых -втулок, а также учет динамических напря­ жений повысит точность прочностного расчета поршневогокольца -и поможет в ряде -случаев -исключить поломки колец в эксплуатации. Пр-и'этом -следует иметь в виду, что величинадинамических напряжений в поршневых кольцах работающего-

105.

дизеля превысит те значения, которые были получены при проведения данных экспериментов, так как в них не были учте­ ны факторы, влияющие на общее напряженное состояние: виб­ рация колец, дополнит'елыные изгибающие Силы при переклад­ ке поршня, моменты .сил трения и инерции.

I

I

)

I

IV . О Т В О Д Т Е П Л А О Т П О Р Ш Н Я П О Р Ш Н Е В Ы М И К О Л Ь Ц А М И

Вопросы снижения теплонапряженности поршней станозятся в настоящее время все болре актуальными в связи с '.продолжающейся форсировкой дизелей но среднему эффек­ тивному давлению Ре, .степени наддува, числу оборотов. За­ кономерным является и все более широкое применение для форсированных дизелей охлаждаемых поршней.

Если для охлаждаемых поршней отвод тепла осуществля­ ется в двух основных направлениях: непосредственно в охлаж­ дающую поршень жидкость и через поршневые кольца и ци-

.линдровую втулку, то для неохлаждаемых поршней основным направлением отвода тепла является теплоотдача через порш­ невые кольца.

Для неохлаждаемых поршней большинством авторов [2], [6], [9], [17] доля тепла, отведенная от поршня через поршневые кольца, оценивается в 50—80% (табл. 16).

Сведения о количестве тепла, отведенного поршневыми кольцами для поршней с масляным охлаждением, приведен­ ные в табл. 16, несколько противоречивы. Данные, содержа­ щиеся в работах [54] и [55], получены для двигателей боль­ шой размерности. Но даже принимая во внимание, что доля тепла, отводимого через кольца, снижается с ростом Dn, трудно объяснить столь значительное расхождение указанных

.величин.

Оценке роли поршневых колец в отводе тепла от поршня посвящено довольно ограниченное количество работ, отсут­ ствует и четкое представление о характере теплообмена меж­ ду поршнем, кольцом- и цилиндровой втулкой. Вместе с тем, шзучение этого вопроса представляет значительный практи­ ческий интерес.

107