6.3.2. Поршневой палец

Назначение поршневого пальца - соединение поршня с верхней головкой шатуна. В большинстве современных компрессоров палец является свободноплавающим и испытывает деформации изгиба и среза от силы, действующей перпендикулярно оси пальца. На рис.52 показана схема соединения пальца с шатуном и схема нагружения пальца.

а^в_ш ширина верхней головки шатуна, м;

d_n^вн, d_n^н внутренний и наружный диаметры поршневого пальца, м;

l_h длина пальца, определяется непосредственно из чертежа, м;

f_ср, поперечное сечение пальца в месте среза

Р наибольшая сила, действующая на палец Р = (р_к - p₀)F_n, H;

[σ] =120 МПа - для стали допустимое напряжение на изгиб;

[τ] =100 МПа - для стали допустимое напряжение на срез.

Максимальный изгибающий момент (для двухопорной балки, нагруженной равномерно распределенной нагрузкой по длине верхней головки шатуна), равен

Момент сопротивления изгибу

В случае сплошного пальца

Максимальное напряжение изгиба возникает в среднем сечении пальца и определяются как

Рис.52. К расчету поршневого пальца

Максимальное напряжение среза в поршневом пальце действует в сечении между бобышкой поршня и верхней головкой шатуна

6.3.3. Поршневое кольцо

Поршневые кольца разделяют на компрессионные (уплотнительные) и маслосъемные:

• компрессионные кольца создают уплотнение между стенкой цилиндра и боковой поверхностью поршня (рис.9);

• маслосъемные - удаляют излишки масла со стенок цилиндра. Кольца располагаются в специальных канавках в теле поршня.

При расчете поршневых колец на прочность определяют наиболее опасные напряжения, возникающие:

• на внешних волокнах кольца в рабочем состоянии, σ_{из 1};

• на внутренних волокнах кольца при его надевании на поршень, σ_{из 1}.

D диаметр цилиндра, м;

t_кол радиальная толщина кольца, м;

r_ср средний радиус кольца

r_н наружный радиус кольца

А величина замка по среднему диаметру кольца, находящегося в свободном состоянии

А=(3,7...5) t_кол м;

Е модуль упругости материала кольца, Е =1,35·10⁵ МПа - для чугуна;

[q] = 0,06.. .0,15 МПа допустимое давление чугуна на сталь;

σ_{из 1} =150.. .300 МПа; σ_{из 1} = 250.. .40 МПа допустимое напряжение для колец,

изготовленных из чугуна (например, СЧ 21-40).

Удельное давление кольца на стенку цилиндра, развиваемое с силами упругости кольца

Напряжение в волокнах

6.3.4. Шатун

Шатун (рис.11) совершает сложное движение:

• верхняя головка, связанная с пальцем, движется возвратно- поступательно;

• нижняя, соединенная с кривошипом (шатунной шейкой вала), движется вращательно;

• стержень - плоско-параллельно.

В течение одного оборота вала шатун подвергается воздействию переменных сил:

• инерции - при работе без нагрузки;

• давления пара - при работе под нагрузкой. Эти силы вызывают в элементах шатуна различные деформации.

Стержень шатуна. Форма стержня шатуна представлена на рис. (рис.20, таблице 11).

L длина шатуна, м (рис.20);

1_cт длина стержня шатуна (рис.20), м;

f_min минимальная сечение стержня шатуна (рис.53 сечение А-А), м²;

f_ср среднее сечение стержня шатуна (рис. 20 сечение С-С), м²;

I_Х,1_У момент инерции среднего сечения шатуна по оси Х-Х и Y-Y, м⁴ (таблица 16);

[σ]_сж = 100...200 МПа - для стали, [σ]_сж =20...30 МПа - для алюминия допустимое напряжение а сжатие;

[σ]_c-и =100 МПа - для стали, [σ]_c-и =30 МПа - для алюминия; допустимое напряжение сжатия-изгиба.

Напряжение сжатия в минимальном сечении

Напряжение сжатия и продольного изгиба в среднем сечении

стержня:

• в плоскости качания шатуна (ось Х-Х)

в плоскости, перпендикулярной плоскости качания

Рис.53. К расчету стержня

и верхней головки шатуна

Верхняя головка шатуна. Верхняя головка шатуна схематически изображена на рис.53.

I_s^max максимальное значение силы инерции (абсолютное значение из динамического расчета), Н;

a ^в_ш ширина верхней головки шатуна, м;

d ^вн_вг внутренний диаметр верхней головки шатуна,

d^вн_вг наружный диаметр верхней головки шатуна, м;

r_ср средний радиус верхней головки шатуна,

h толщина стенки головки,

γ угол заделки, величину угла определяют непосредственно из чертежа (в градусах);

γ’ угол заделки, выраженный в радианах,

k коэффициент, учитывающий наличие втулки;

k=1 – без учета запрессованной втулки. [σ]_p=25.. 60МПа - для стали; [σ]_p =10МПа - для алюминия допустимое напряжение на растяжение;

[σ]_сж =20 МПа. - для стали допустимое напряжение на сжатие.

Верхнюю головку шатуна рассчитывают на простое растяжение по сечению В-В (рис.54) от максимальной силы инерции при положении поршня в верхней мертвой точке

В верхней головке шатуна (в месте перехода к стержню) возникает напряжение от силы, сжимающей шатун. Эта сила имеет наибольшую величину в момент максимального давления газов в

Рис.54. К расчету верхней цилиндре

головки шатуна

напряжения во внешних волокнах (сечение В-В, рис.54), возникают в месте перехода верхней головки в стержень шатуна. При расчете определяют напряжение от силы Р_сж и силы инерции I_s^max

Момент (М_о) и сила (No) в сечении, для которого γ = 0, определяют из соотношений

Напряжение от силы инерции I_s^max рассчитывается по силовой схеме, представленной на рис.54. Изгибающий момент и нормальная сила в расчетном сечении соответственно равны

Максимальное напряжение, возникающее на внешних волокнах, выражается соотношением

Напряжение на внешней поверхности верхней головки шатуна от Рак определяют приближенно по зависимостям

Аналогично определяют напряжения Р_сж от силы, сжимающей стержень шатуна (рис.54). В этом случае

Следует обратить внимание, что отрицательные значения М или N на любом этапе расчета свидетельствуют об изменении условий деформации верхней головки шатуна с растяжения па сжатие или наоборот.

Нижняя головка шатуна. Нижняя головка шатуна условно изображена на рис.8.55. Толщина вкладыша при расчете не учитывается.

т_ш масса шатуна, кг;

m_кр масса нижней крышки, кг;

R радиус кривошипа, м;

ω угловая скорость, ω = 2π·п, рад/с;

I_s^max максимальное значение силы инерции (абсолютное значение из динамического

расчета), Н;

h_ш^н определяется непосредственно из чертежа (рис.55), м;

f_кр площадь среднего сечения крышки

l расстояние между осями шатунных болтов, м;

а^н_ш длина нижней головки шатуна, м;

[σ] = 60... 100 МПа - для стали; [σ] =10 МПа - для алюминия допустимое напряжение.

Сила инерции вращающейся части массы шатуна без массы крышки

Нижняя головка шатуна нагружена силой (рис.55а), равной

Для случая косого разъема нижней головки под углом 45° (рис.55 б) на крышку действует сила инерции

Момент сопротивления среднего сечения

а) б) крышки

Рис.8.55. К расчету нижней головки шатуна

Напряжение в среднем сечении крышки