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

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

Таблица 16

Тепло, отведенное

Литературный' источник от поршня порш­ невыми кольцами,

%

§ 1. Р А С Ч Е Т К О Л И Ч Е С Т В А Т Е П Л А , О Т В Е Д Е Н Н О Г О 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

В настоящее время одной из немногих работ, содержащей'' рекомендации по расчету количества тепла, отведенного от поршня через кольца, является исследование Б. Я. Гинцбурга [13]. Расчет теплопотока через поршневое кольцо номер Г производится по выражению

(46).

где Ті= Uі—/ц — тепловой напор,

Дпк — термосопротивление поршневого кольца с прилегающим участком поршня, опре­ деляется по выражению

где Uі — температура поршня в зоне контакта с'поршневыми кольцом;-

108

іц— средняя температура стенки цилиндра; D —диаметр цилиндра (поршня), м;

бк— зазор между кольцом и канавкой по высоте, м\ b — высота поршневого кольца по образующей, ж;

Як— коэффициент теплопроводности материала поршнево­ го кольца;

Ям — коэффициент теплопроводности масла;,

I — длина участка поверхности поршня, прилегающей к кольцу, ж.

Как показали расчеты, проведенные в соответствии с дан­ ной методикой для поршней дизелей 6ЧН 25/34 и 6ЧН 21/21, доли тепла, отведенного через поршневые кольца, составляют:

1 -е кольцо — 40—43%,

2- е коліьцо — 30—32 %,

3- е кольцо — 25—27 % •

При этом суммарное количество тепла, отведенное через поршневые кольца, составляет 70% тепла, подведенного к поршню (иеохлаждаемые поршни). Как показали последую­ щие эксперименты, такая оценка является значительно завы­ шенной, что объясняется недостаточным учетом при исполь­ зовании методики Б. Я. Гинцбурга особенностей контактного ■теплообмена.

Несколько более точную оценку количества тепла, пере­ данного кольцами цилиндровой втулке, можно получить, ис­ пользуя методику расчета теплообмена в зоне термического контакта, изложенную в работах Ю. П. Шлыкова [51] и В. М. Попова [49]. Сущность указанной расчетной методики заключается в том, что термическая проводимость контакта

109

Определение относительной толщины прослойки среды возможно аналитическим и экспериментальным путем. К со­ жалению, в указанной литературе приведены результаты экс­ периментально определенных величин У только для газов.

В работе [49] приведены результаты экспериментального определения ак при наличии воздушной прослойки между контактирующими поверхностями, а также для прослойки из глицерина. Принимая во внимание, что для масла и глицери­ на, нагретых до температуры в 100—120°, такие физические

водности; Хмі и Ям2 — теплопроводность 'контактирующих

материалов;

Термическое сопротивление контакта .

R k—\

Расчет количества тепла, отведенного через кольца, вы­

М 0