5.2. Смазываемые уплотнения поршня

Уплотнение рабочей камеры поршневого компрессора может быть

осуществлено при помощи:

- поршневых уплотнительных колец;

- манжеты.

Наибольшее распространение для уплотнения зазора между поршнем и

цилиндром получили поршневые кольца.

Неплотности поршневого уплотнения

Перетекания газа в уплотнении поршневыми кольцами возможно, в основном,

тремя путями:

104

1) Через зазор в замке поршневого кольца;

2) Между наружной поверхностью кольца и рабочей поверхностью цилиндра; 3) между торцовыми поверхностями кольца и канавки в поршне.

Считается, что при хорошо изготовленных и приработанных уплотнительных кольцах основные утечки из-за неплотностей происходят через зазор в замке кольца. Масло, вводимое в цилиндр для смазки, заполняет зазоры и намного повышает плотность колец. Относительные (за 1 оборот вала) утечки через уплотнение поршня поршневыми кольцами снижаются с повышением частоты вращения вала, так как уменьшается время прохождения газа через неплотности в течение каждого цикла.

Типы поршневых колец и их назначение

Поршневые кольца делятся по назначению на

- уплотнительные (компрессионные);

- маслосъемные;

- дроссельные;

- опорные.

Назначение уплотнительных поршневых колец - перекрыть зазор между поршнем и рабочей поверхностью цилиндра, т. е. препятствовать утечке газа из рабочей полости или притечке газа в нее через этот зазор. Уплотняющий эффект колец основана лабиринтном действии набора колец и на плотном прилегании их к зеркалу цилиндра и к стенкам канавок поршня.

Назначение маслосъемных поршневых колец – перекрыть зазор между поршнем и рабочей поверхностью цилиндра, чтобы предотвратить попадание излишков масла в рабочую полость бескрейцкопфного компрессора, цилиндры которого смазываются разбрызгиванием.

Дроссельные поршневые кольца используются в компрессорах высокого давления и предназначены для дросселирования газа (с целью уменьшения перепада давлениям, действующего на комплект уплотнительных поршневых колец) и для уменьшения пульсации давления в полостях между уплотнительными кольцами (с целью стабилизации работы уплотнительных

105

поршневых колец). Уменьшение перепада давления, действующего на комплект уплотнительных колец, и уменьшение пульсации давления в полостях между уплотнительными кольцами позволяют уменьшить износ рабочей поверхности цилиндра. Дроссельные кольца выполняются в канавках наборного поршня.

Назначение опорных поршневых колец – не допустить касания подвижного поршня с неподвижной рабочей поверхностью, например, в компрессорах без смазки цилиндров.

Классификация поршневых колец

Уплотнительные и маслосъемные кольца можно классифицировать следующим образом.

По исполнению:

- цельные, выполненные в виде одной детали, имеющей один разрез, называемым замком;

- разрезные (сегментные), состоящие из двух или более сегментов.

По материалу, из которого выполнено кольцо:

- металлические (в основном чугунные, реже – бронзовые и очень редко – стальные);

- неметаллические.

По способу подпружинивания (начального прижатия к рабочей поверхности цилиндра):

- самопружинящие (упругие), прижимающиеся к рабочей поверхности цилиндра силами собственной упругости;

- с автономным разжимающим устройством (экспандером);

- без подпружинивания.

По числу поршневых колец, установленных в одну канавку:

- одно кольцо;

- два или несколько колец.

Конструкция уплотнительных поршневых колец

Типы замков поршневых колец

106

Уплотнительные поршневые кольца, как правило, выполняют из чугуна цельными с одним разрезом (замком) (рис. 5.7, рис. 5.8, а, рис. 5.9, а) и иногда - разрезанными на несколько отдельных сегментов (рис. 5.8, в и 5.9, в).

Рис. 5.7. Стандартное поршневое кольцо с прямым замком

а б в

Рис. 5.8. Стандартное уплотнительное кольцо с одним косым (а), косой замок (б) и кольцо с двумя косыми замками (в)

а б в

Рис. 5.9. Поршневое кольцо с замком внахлестку: а – общий вид кольца с одним разрезом; б – замок внахлестку; в – общий вид кольца с тремя разрезами и замками внахлестку

В подавляющем большинстве случаев в поршневых компрессорах устанавливают уплотнительные кольца имеющие следующие типы замков:

- прямой замок (рис. 5.7);

107

- косой замок (рис. 5.8, а);

- замок внахлестку (рис. 5.9).

Замки более сложных форм (например, рис. 5.10) в современных компрессорах применяют очень редко из-за сложности изготовления.

Рис. 5.10 Поршневое кольцо с фигурным замком (внахлестку с двойным перекрытием)

Исследования показали, что утечки при замке внахлестку всего лишь на 5 % меньше, чем при прямом или косом замке; однако по мере износа колец плотность колец с прямым и косым замками ухудшается, в то время как плотность колец с замком внахлестку практически не изменяется. Однако поршневые кольца с замком внахлестку применяют редко, поскольку стоимость их изготовления выше и они склонны к разрушениям в местах перекрытия.

Для уменьшения проточек по замкам обычно применяют кольца, изготовленные с левым и правым наклоном замка (рис. 5.11, а), которые располагают в канавках поршня поочередно (рис. 5.11, б).

Проворачивание колец в канавке препятствует их пригоранию, поэтому фиксировать положение замков не рекомендуется.

108

а б

Рис. 5.11. Левый и правый наклон косого замка поршневого кольца (а) и способ установки поршневых колец с правым и левым наклоном (б)

Форма поршневых колец

Конструкции уплотнительных поршневых колец, чаще всего применяемые в компрессорах, показаны на рис. 5.12.

Рис. 5.12. Различные конструкции поршневых уплотнительных колец:

а – стандартное с прямоугольным сечением (тип I); б – с одной вставкой (тип II); в – с двумя вставками (тип III); г – сдвоенное кольцо (тип IV) – поперечное сечение; д – сдвоенное кольцо (тип IV) в сборе; е – сдвоенное кольцо (тип IV) в разобранном виде; ж – составное, состоящее из трех частей газоплотное кольцо (тип V); з – составное, состоящее из трех частей газоплотное кольцо с вставками (тип VI); и – уплотнительное кольцо с трапециевидным поперечным сечением (тип VII); к – составное из трех частей кольцо одностороннего действия для компрессора высокого давления (тип VIII); л – составное кольцо (тип VIII) в сборе; м – строенное уплотнительное кольцо двухстороннего действия (тип IX) – поперечное сечение;

Наиболее распространены поршневые кольца типа I (рис. 5.12, а), которые имеют традиционную прямоугольную форму и применяются в поршневых компрессорах всех типов.

Кольца типов II и III (рис. 5.12, б и в) с одним или двумя закатанными бронзовыми поясками, выступающими на 0,05…0,1 мм, применяют в компрессорах высокого давления. Такие кольца быстро прирабатываются. Это

109

особенно важно, так как в компрессорах высокого давления срок службы колец зависит от плотности их в начальной стадии приработки .Прорыв газа высокого давления в зазор между кольцом и рабочей поверхностью цилиндра в процессе приработке может вызвать автоколебания кольца, что способствует его разрушению.

В современных компрессорах, в том числе высокого давления, в канавки поршня устанавливают сдвоенные типа IV (рис. 5.12, г, д и е) или строенные типа IX (рис. 5.12, м и н) уплотнительные кольца.

Уплотнение типа IV относят к газоплотным, так как в нем теоретически отсутствуют сквозные щели, как в осевом, так и радиальном направлениях, если L - образный элемент расположен со стороны высокого давления. Последнее обстоятельство означает, что уплотнение типа IV является односторонним, уплотняя зазор между поршнем и рабочей поверхностью цилиндра только при перепаде давления в одну сторону. Уплотнение типа IX является газоплотным в двух направлениях.

Известно, что первые со сторону рабочей полости поршневые кольца поршней высокого давления имеют значительные износы, так как на них приходится наибольший перепад давления и действует наибольшая газовая сила, прижимающая сегменты кольца к рабочей поверхности цилиндра. Для этих целей разработаны кольца, которые состоят из двух сегментов с косыми разрезами, с канавками на рабочей поверхности и сверлениями, соединяющими канавки на рабочей поверхности с плоскостью под кольцом.

Основные факторы, влияющие на выбор числа уплотнительных поршневых колец

При выборе числа уплотнительных поршневых колец следует учитывать следующие положения:

- для больших перепадов давления в поршне требуется большее число уплотнительных колец;

- излишнее число колец приводит к неоправданному увеличению потерь мощности на трение, особенно в ступенях высокого давления;

110

- при увеличении частоты вращения уменьшаются относительные утечки через

комплект уплотнительных колец, т.е. при росте частоты вращения можно

уменьшить необходимое число уплотнительных колец;

- излишнее число уплотнительных колец неоправданно увеличивает стоимость

поршня в сборе;

- с ростом числа колец увеличивается осевой размер поршня;

- при выборе числа поршневых колец следует принимать во внимание диаметр

уплотняемого поршня, конструкцию и материал колец.

Исходя из накопленного отечественным компрессоростроением опыта, число

чугунных поршневых колец Z рекомендуется выбирать в зависимости от

воспринимаемой поршнем разности давлений P (МПа) согласно таблицы 5.3:

Таблица 5.3. Выбор числа смазываемых поршневых колец

P (МПа) Z P (МПа) Z P (МПа) Z

До 0,4 2 1,6…2,5 4-5 10…16 8-10

0,4…0,7 2-3 2,5…4,0 5-6 16…25 10-12

0,7…1,0 3 4,0…7,0 6-7 25…40 12-15

1,0…1,6 3-4 7,0…10 7-8

При этом число колец следует выбирать с учетом частоты вращения вала,

принимая меньшее число колец для компрессоров с большей частотой

вращения вала.

Общие рекомендации по изготовлению поршневых колец

Твердость поршневого кольца

Металлические поршневые кольца чаще всего изготовляют из

высококачественного перлитного чугуна, часто того же химического состава,

микроструктуры и механических свойств, что и чугун, из которого выполнена

рабочая поверхность цилиндра (СЧ25 с твердостью по Бриннелю НВ 180…250,

СЧ30 с твердостью по Бриннелю НВ 181…255).

Существуют различные рекомендации по выбору твердости чугунных

поршневых колец:

111

- следует выбирать твердость поршневых колец равной твердости рабочей поверхности цилиндров (втулки) для того, чтобы обеспечить минимальный суммарный износ (износ колец + износ рабочей поверхности цилиндра);

- твердость поршневых колец следует выбирать большей на 5…10 единиц по Бриннелю. Это объясняется тем, что на поршневое кольцо приходится большая работа трения, отнесенная к единице площади поверхности трущихся деталей.

- следует выбирать твердость поршневых колец меньше твердости рабочей поверхности цилиндра, исходя из положения, что износ цилиндра должен быть меньше износа колец, так как ремонт цилиндра или смена втулки цилиндра дороже замены поршневых колец.

Чистота обработки поверхностей колец

Чистота обработки наружной рабочей цилиндрической поверхности колец обычно соответствует параметру Ra = 2,5 мкм.

Торцовых поверхностей колец:

- диаметром до 250 мм – Ra = 0,63 мкм;

- диаметром 250…700 мм – Ra = 1,25;

- свыше 700 мм – Ra = 2,5 мкм.

Внутренних цилиндрических поверхностей и плоскости замка – Ra = 10 мкм.