Износ поршневых колец

От нормальной работы этих элементов зависит функционирование всей цилиндро-поршневой группы по ряду таких показателей как долговечность, расход топлива и масла, потери мощности двигателя его температура, потери от трения, КПД и прочие. известно, они служат для уплотнения поршня в цилиндровой втулке и предупреждения прохода газов из камеры сгорания в картер двигателя. Поршневые кольца также отводят часть тепла от головки поршня к стенке цилиндровой втулки. Помимо этого поршневые кольца (маслосьемные) регулируют распределение масла по стенкам цилиндра. К поршневым кольцам предъявляют высокие требования: повышенной прочности, упругости, износостойкости материала соответствие конструктивным формам с учетом выбора замков заданные антикоррозионные и тепловые свойства и проч. Для всех типов рассматриваемых двигателей поршневые кольца имеют практически одинаковую форму, однако отличаются геометрическими параметрами.

Геометрические параметры поршневых колец различных типов двигателей представлены на рис. 3.10, где индекс «у «соответствует установочным параметрам, a «g» допустимым. Во время эксплуатации кольцо изнашивается в радиальном направлении, соприкасаясь с цилиндровой втулкой, а также по высоте, прижимаясь к торцевым поверхностям канавок под поршневые кольца.

Срок службы поршневых колец зависит от материала, нагрузки, давления, температуры, скорости, точности обработки, качества применяемого топлива и масел, величины зазора между цилиндровой втулкой и поршнем, геометрических размеров, конструкции кольца и др. Как правило, материалом поршневых колец является чугун с добавлением легирующих элементов. При этом износостойкость чугуна повышается по мере измельчения структуры, увеличения количества связанного углерода и уменьшения включений графита. Одним из средств повышения износостойкости поршневых колец является создание однородной и мелкозернистой структуры материала. Измельчение структуры металла и повышение долговечности его работы достигается путем применения легирующих элементов и термической обработки. Для уменьшения неоднородности структуры чугуна применяется модифицирование. В таком чугуне графит имеет шарообразную форму, вследствие чего уменьшается количество дефектов структуры. Для чугуна с шаровидной формой структуры изотермическая закалка является наиболее приемлемой, так как при этом снижается до минимума возможность образования трещин.

Поршневые кольца работают в газовой среде при высоких температурах. Такая среда создает условия для коррозионного износа. При высокой температуре чугун в поверхностном слое обезуглероживается, образуются окисные пленки, что в значительной степени приводит к более интенсивному износу сопрягаемых пар. Это объясняется тем, что продукты изнашивания окисных пленок являются абразивным материалом. Для работы поршневых колец важным также является шероховатость их поверхности. Шероховатость радиальной и торцевой поверхностей поршневых колец Rz 0,8 – Rz1.6. С увеличением точности обработки и уменьшением шероховатости поршневых колец время их приработки сокращается. Во всех случаях стремятся к уменьшению времени приработки, так как значительный начальный износ приводит к сокращению долговечности сопрягаемых деталей. На износостойкость поршневых колец существенное влияние оказывает род смазки, так как она защищает поршневое кольцо от непосредственного контакта с цилиндровой втулкой.

Работа поршня в цилиндре сопровождается трением и износом нескольких пар. Прежде всего, это пара трения скольжения, состоящая из контактирующих цилиндрических поверхностей поршневых колец и зеркала цилиндра. Изнашивание этой пары происходит при возвратно-поступательном движении в тяжелых условиях действия импульсных температур, давлений и при обедненной смазке. Одновременно те же самые кольца, находясь в поршневых канавках головок поршней, также работают на трение. Но это трение имеет другую кинематику движения – оно не возвратно-поступательное, а ударное с небольшим проскальзыванием. При движении поршня во втулке возникает еще одна пара трения, состоящая из двух контртел – поверхности тронка и зеркала цилиндра: Однако, как показывает опыт эксплуатации дизелей, наибольшее число отказов в работе узла поршень-втулка происходит из-за первых двух пар трения.