Файл: Устинов А.Н. Исследование поршневых колец дизелей.pdf

Во с е в о м н а п р а в л е н и и

в) давление газов на верхний торец кольца Р прижимает кольцо к нижнему торцу канавки. У четырехтактных дизелей -на ходе всасывания иод действием разрежения -в цилиндре кольцо перемещается к верхнему торцу канавки.

■ б) сила трения Ртр. Всегда направлена в сторону, обрат­ ную мгновенному движению поршня.

■Кроме осевой-силы трения РТр, в мом.ент воздействия мак­ симальных газовых сил возникает сила трения, направленная ■ по касательной к рабочей поверхности кольца и ,цилиндровой втулки в плоскости, перпендикулярной плоскости действия силы РТр.-Зта сила действует периодически о частотой, равной частоте вспышек, и вызывает возникновение в кольце допол­ нительных динамических напряжений растяжения. Кроме того, действие этой тангенциальной силы трения, очевидно, является одной из основных причин, вызывающих вращательное движе­ ние кольца ів канавке поршня, отмеченное многими иоследоівателями.

в) силы инерции Pjк.

Совместное действие сил PjKи РТр способно вызвать мо­ мент сил, следствием которого является перекос кольца в ка­ навке и вибрация колец. ‘

Как говорилось выше, при конструктивном расчете поршне- • вых колец учитывается только действие сил собственной упру­ гости поршневых колец, действие же всех остальных сил із рас­ чете обычно не учитывается. Принимая во внимание весьма трудные условия работы кольца и высокие значения изгибных напряжений в его сечениях даже только от действия сил соб­ ственной упругости, представляет значительный интерес, оцен­ ка полного напряженного состояния поршневого кольца.

Вопросы расчета на прочность поршневых колец рассмот­ рены в работах Б. Я. Гинщбурга [іІЗ], К- Рейнгарда. В даль­ нейшем рядом авторов, не изменяя существа предложенных Б. Я- Гинцбургом зависимостей, предлагались дополнения, касающиеся, в основном, определения величин коэффициен­ тов, уточняющих зпю.ру давлений корректированного кольца.

В качестве рабочих оцениваются напряжения, получаю­ щиеся в наиболее .нагруженном сечении кольца (против зам­ ка) при заведении поршневого кольца в цилиндровую втулку.

Для колец равномерного давления е сечением прямоугольной1 формы величина напряжений растяжения наружных волокон' кольца

So — зазор в замке кольца в свободном состоянии, см, t — радиальная толщина кольца, см,

Д— диаметр цилиндра, см,

т— коэффициент, зависящий от способа приложенияусилий к кольцу при надевании на поршень (1,0; 1,57;.

2,0).

Для колец с корректированной эпюрой давления

т е ц —коэффициент, зависящий от формы эпюры давления и изменяющийся от 0 до 0,25.

Величина допускаемых напряжений от ах=304-40 кг/мм2,. а с^тах—4-04-45 кг/мм2. Более высокие значения допускаемых напряжений а'тах объясняются тем, что эти напряжения дейст­ вуют в течение короткого промежутка времени, при этом -коль­ цо имеет низкую температуру.

Расчеты, выполненные для поршневых колец различных, дизелей, показывают, что величины статических напряжений обычно составляют сгт ах=|25-г-35 кг/мм2. Замеры величин .ста­ тических напряжений методом тензометрирования показали,, что экспериментально полученные значения достаточно близко, совпадают .с расчетными, хотя в отдельных случаях и отлича­ ются от расчетных на 10—15%. Основными причинами этих, отклонений являются отклонения в значениях модуля упру-

92

ч

гости материала кольца по ого контуру, .а также различные значения постоянных коэффициентов, входящих в выражение для а .в виде сомножителей перед Е, рекомендованных различ­ ными авторами.

Несколько более высокую точность расчета можно полу­ чить в тех случаях, когда известна эпюра давления кольца на поверхность цилиндровой втулки или определена величина по­ стоянного среднего давления кольца на втулку.

В качестве расчетной можно .использовать общую форму­ лу Б. Я. Гвдщбурга.

где г 0—радиус оси симметрии кольца, см\ г п — радиус .наружного волокна кольца, см-,

. гв—радиус внутреннего волокна кольца, см\

М — момент в исследуемом сечении, кг/см-, / — момент инерции сечения кольца.

Изгибающий момент М определяется для произвольной точки А кольца в соответствии со схемой, представленной на рис. 36.

а

М а — f р-Ь-г-rosin(а—<p)dcp,

.ца на стенку цилиндра,

r-dcp — дуга центрального угла, rdcp(a—ф) —площадь по наружному волокну, соответ­

ствующая углу dq>,

r 0 Sin (а—ф) — пле^чо действия силы dP.

Полный изгибающий момент в точке А равен

М а =pbrn-го (cos сс+1). (45)

Напряжения для различных точек кольца подсчитываются по выражениям:

93

для наружного растянутого волокна

Далее, с учетом текущих значений изгибающего момента, ' можно рассчитать величины напряжений для любой точки по периметру кольца и построить эгаоры напряжений по внутренг нему я наружному контуру кольца (на рис. 37 приведены рас­ четные и экспериментальные эпюры напряжений поршневого кольца дизеля Д 19/30).

тем, что расчет производился по постоянному среднему давле­

94

• При (Постановке кольца во втулку, имеющую значительный износ и іовалпзацию, происходит заметное перераспределение напряжений по контуру кольца.

С целью определения характера перераспределения напря­ жений в кольце при износе и овализации цилиндровой втулки было проведено экспериментальное -исследование на кольцак дизелей Д 19/30 и ЧН 21/213 при установке их в цилиндры е различной степенью износа.

Р и с. 38. Эпюры напряжений поршневого кольца для различных степеней износа цилиндровых втулок, ха­ рактеризуемого величиной угла потери контакта: 1, 2, 3, 4, 5, 6 — номера тензодатчиков; а = 0 °; а=60°;

а =120°; а =1150°.

Напряжения .в сечениях кольца измерялись с помощью тен­ зодатчиков; тарировка датчиков проводилась непосредственно на кольце, непосредственно на кольце определялся и модуль упругости материала. Величина овальности -цилиндровой втул­ ки -оценивается как £>=Д—Да. Замок кольца располагался по направлению большой оси (Д), характер прилегания кольца к поверхности цилиндра оценивался углом потери контакта а.

Характер изменения эпюр напряжений поршневого кольца в зависимости от угла потери контакта наглядно иллюстря-

3 Работа проведена при участии ииж. Б. Ф. Коржакова.

96

руется значениями напряжений, замеренными в различных точках по контуру кольца и приведенными в табл. 15, а также эпюрами, приведенными на рис. Зв.

Таблица 15

о кгісм2 в зависимости от угла потери контакта

Анализ результатов проведенного эксперимента свидетель­ ствует о том, что при постановке кольца во втулку, имеющую износ II овализацшо, происходит весьма заметное перераспре­ деление .напряжений в кольце. При этом .в наиболее опасном сечении (против замка) напряжения могут увеличиваться на 15—20%, что составляет Дс=500 кг/см2.

Связь между углом потери контакта а и «дополнительным» прогибом кольца <Упредставлена в виде графика, рис. 39. Этот график позволяет установить связь между углом потерн контакта а и соответствующей данному углу величиной оваль­ ности цилиндровой втулки. При этом для реального случая

Р и с. 39. График зависимости «дополни­ тельного» прогиба кольца б' в зависимости от угла потери контакта, ö'— f(a°).

9 6