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

(замены кольца в изношенной втулке) может-быть рассмотре­ но несколько предельных 'состояний кольца по прилегаемости:

а) 6 '> 6 . В этом 'Случае кольцо выберет полностью зазор, определяемый овальностью и будет -обеспечен непосредствен­ ный контакт его с поверхностью цилиндровой втулки, что обес­ печит последующую совместную приработку кольца и цилин­ дровой втулки;

б) б' = б. іВ этом случае кольцо также способно полностью

сти втулки на участке потери контакта только в отдельные мо­ менты под действием силы давления тазов, прижимающей кольцо. Условия для обеспечения надежной работы уплотне­ ния отсутствуют.

§ 3. ДИНАМИЧЕСКИЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ПОРШНЕВОМ КОЛЬЦЕ

"Во время работы двигателя в поршневом кольце, помимо статических напряжений, возникают периодические напряже­ ния от сил давления .газов и других переменных сил, частота действия которых равна или кратна частоте циклов. Эти .пере­ менные по углу поворота коленчатого вала напряжения в дальнейшем будем называть динамическими. Их 'Возникнове­ ние, прежде всего, обусловлено переменной нагрузкой от -сил давления газов, а также такими факторами, как колебания кольца ів связи с его движением вдоль образующей цилиндра, не являющейся прямой линией; вибрацией колец и т. д. Допол­ нительные динамические иапряжения в кольце м-огут возни­ кать при перекладке поршня -в районе ВМТ, когда из-за нали­ чия сил трения на нижней (торцевой) поверхности кольца отдельные участки его контура могут нагружаться дополни­ тельным изгибающим моментом при изменении поршнем сто­ роны прилегания в цилиндре. Совокупность перечисленных факторов позволяет полагать, что при определенных обстоя­ тельствах динамические напряжения могут ' быть достаточно существенными.

Отсутствие в литературе 'Сведений по данному вопросу сле­ дует, очевидно,.объяснить тем, что непосредственное наблюде­ ние за «поведением» кольца в работе чрезвычайно затруднено вследствие малой его доступности для проведения измерений. В связи с этим прямое измерение напряжений в кольце на ра­ ботающем двигателе с учетом всех внешних сил, воздействую-

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