Общие положения. Поршневые кольца подразделяются на уплотнительные (компрессионные) и маслосъемные

Поршневые кольца подразделяются на уплотнительные (компрессионные) и маслосъемные. Уплотнительные кольца, особенно верхние, работают в тяжёлых условиях высоких температур, давления газов, несовершенной смазки. Температура поверхности цилиндровой втулки и поршня в зоне верхнего кольца монет достигать 200 °С, максимальное давление газов на кольцо равно Р. В этих условиях масляная пленка на поверхности втулки и кольца плохо организована, возникают предпосылки металлического контакта поверхностей втулки и кольца, что затрудняет приработку, больше значения коэффициентов трения. В то же время поршневое кольцо должно обладать высокой износостойкостью и иметь ресурс не менее 6-16 тыс. часов, создавать хорошее уплотнение, (это обеспечивается подбором материала кольца, сохранением заданной формы и упругости в течение срока его службы.

Для МОД и СОД поршневые кольца изготавливают из модифицированного серого чугуна с перлитной металлической основой СЧ 24-44, СЧ 28-48, СПЧФ 28-48.

Свободный графит в чугуне повышает антизадирные свойства и износостойкость, а почти нулевая пластичность сохраняет упругие свойства и слабую склонность к короблению при нагревах. Химический состав чугунов для поршневых колец углерода – 3-3,5 %, кремня – 1,3 - 1,5 %, марганца – 0,80 %, молибдена – 0,3 - 0,5 %, меди – 0,5 - 1,0 %.

Кремний повышает прочность и упругость, молибден сообщает теплоустойчивость – сохранение структур при повышенных температурах; медь улучшает графитизацию и структуру чугуна.

Твердость чугуна поршневых колец находится на уровне твердости цилиндровой втулки, с отклонением + 20 ед. по Бринеллю.

Для ВОД, имеющих стальные цилиндровые втулки с твердостью 280 ед. по Бринеллю, используются кольца из легированного чугуна и сталей марок 65Г, 50М, твердость которых после термообработки достигает 350-400 НВ.

Плотность между кольцом к втулкой формируется в период приработки. Хорошо приработанное поршневое кольцо имеет однотонную блестящую наружную цилиндрическую поверхность с неглубокими рисками вдоль образующей. Наличие грубых рисок, задиров, сколов на рабочей поверхности свидетельствует о некачественной приработке.

Для ускорения процесса приработки, повышения его качества и срока службы кольца для верхних поршневых колец производится нанесение слоя пористого хрома, или меди, придание бочкообразной формы наружной поверхности кольца, проточка нескольких канавок по высоте, снятие фасок на кромках колец, плазменное напыление высокотвердых материалов (рис. 59).

Рис. 59. Способы улучшения приработки и повышения износостойкости поршневых колец.

а) нанесение слоя хрома; б) придание бочкообразной формы; в) плазменное напыление твердого слоя; г) проточка канавой

Слой пористого хрома хорошо удерживает смазку, повышает износостойкость.

Медь снижает коэффициент трения, при малой величине износа ускоряется достижение хорошего контакта с втулкой.

Бочкообразная поверхность характеризуется повышенным удельным давлением в контактной зоне в начальный период работы, за счет чего поверхность кольца хорошо прирабатывается по поверхности втулки. Канавки на рабочей поверхности также уменьшают площадь контакта и вызывают повышение удельного давления на рабочей поверхности.

Пружинящий эффект кольца создается удалением некоторой его части по длине окружности, за счет чего удается произвести его сжатие и упругую деформацию при заводке кольца во втулку.

Место выреза называется замком, который характеризуется величиной зазора в свободном и в сжатом состояниях.

Зазор в замке в свободном состоянии составляет 10-12 % от диаметра цилиндра. Зазор в замке необходим для расширения кольца при нагреве, учитывая, что его температура может быть на 150 -200 °С больше, чем у цилиндровой втулки. Данный зазор называется тепловым зазором в замке кольца, он должен обеспечивать свободное удлинение кольца при нагреве без возникновения напряжений и коробления.

Тепловой зазор определят по формуле:

где l – коэффициент относительного расширения; для чугуна и стали l = 1,1·10^-5 град^-1;

Dt – разность температур поршневого кольца и стенки втулки, Dt = 150÷200 ⁰С.

Для нижних поршневых колец требуется меньшая величина теплового зазора, но кольца изготавливаются с одинаковым тепловым зазором для возможности перестановки колец из нижних в верхние поршневые канавки.

Варианты формы замка см. на рис. 60.

Рис. 60. Формы замков поршневых колец

а) прямая; б) косая; в) газоплотная

Прямой и косой замки (рис. 60, а и б) наиболее технологичны, допускают простую резку заготовок колец. При одинаковой величине теплового зазора проходное сечение канала и утечка газов в косом замке получается меньше, а длина шва больше, чем в прямом, что повышает сопротивление перетеканию газов и эффективность уплотнения. Проходящие через замок газы повышают температуры стенки втулки в данной зоне, сдувают масло, производят его окисление, что ухудшает условия трения. Оно будет перемещаться по периметру втулки, но значительных изменений на поверхности ее не происходит. Кольца с S -образными замками (рис. 60, в) имеют большее уплотняющее действие. Верхняя и нижняя кромка такого замка постоянно перекрывают друг друга, что даже при износе кольца утечка газов не обнаруживается.

К недостаткам относятся сложность изготовления и пониженная прочность. В двухтактных двигателях, с целью предупреждения западания кромок замков кольца в просвет окон производится округление кромок окон, увеличение снимаемых фасок в зоне замка (рис. 61, а), коррегирование колец (рис. 61, б).

Рис. 61. Конструктивные меры предотвращения поломок поршневых колец:

а) увеличение фасок в зоне замка;

б) коррегирование формы кольца в зоне замка

Предупреждение попадания излишнего масла в камеру сгорания осуществляется с помощью маслосъемных колец, сбрасывающих излишнее масло в картер двигателя при ходе поршня вниз. Маслосъёмные кольца не воспринимают давление газов и прижимание к поверхности втулки происходит только под действием собственных сил упругости. С целью лучшего удаления масла кольцо делается с малой высотой рабочей поверхности – 1-1,5 мм (рис. 62 а, в).

Рис. 62. Конструктивные варианты маслосъемных колец;

а) с одной режущей кромкой; б) с двумя режущими кромками

При ходе поршня вверх расклинивающим действием кромки кольца отжимаются от втулки и перепускают масло вниз. При обратном ходе поршня кольца принимаются к втулке, снимают и гонят масло вниз. Масло скапливается под кольцом и отводится через специальные отверстия в канавках поршня во внутрь его и оттуда сбрасывается в картер.

ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ ПО ПАРАМЕТРАМ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ

Основным признаком возникновения дефектов является снижение мощности двигателя, сопровождаемое падением давления сжатия Ре и сгорания Рz, повышением температуры и дымности уходящих газов, появлением дыма в картере.

Причинами таких проявлений могут быть поломки и значительные износы колец, вызывающих потерю их упругости, чрезмерное увеличение зазоров в замках, закоксовывание колец.

Коксование связано с отложением нагара в канавках поршня и уменьшении зазора в них, что мешает кольцам перемещаться и оно перестаёт пружинить. Причинами коксования могут быть перегрузки двигателя, чрезмерное поступление смазки в камеру сгорания, недопустимое повышение температуры воды, несоответствие топливу сорта смазочного масла.

ВЫЯВЛЕНИЕ ДЕФЕКТОВ С ПОМОЩЬЮ ОСМОТРОВ

При осмотре поршневых колец обращают внимание на следующие моменты. Проверяется:

1) наличие и цельность колец во всех канавках поршня;

2) подвижность колец в канавках поршня. Способность их утопать в канавке при одностороннем нажатии и способность перемещаться по окружности при ударе в кромку замка;

3) состояние рабочих поверхностей колец. Потемнение поверхности свидетельствует о коксовании кольца и полной потере им своих функций;

4) наличие фасок на кромках и отсутствие заусениц. Восстанавливают фаски и снимают заусеницы с помощью надфиля или напильника.