ВНИМАНИЕ! Рисунки к этому подразделу см. в «голубой книжке» - Диагностирование технического состояния и ремонт холодильного оборудования
Поршневые кольца – ответственная деталь компрессора, они оказывают большое влияние на его работу, определяя его производительность (коэффициент подачи) и эффективность, надежность и долговечность, расход смазки и интенсивность старения смазочного масла. Нормальная работа компрессора возможна только при условии герметичности рабочего пространства цилиндра. Основное назначение поршневых колец – создание герметичного уплотнения между полостью сжатия и картером компрессора с целью предотвращения перетечек агента в картер и уноса масла из картера. Герметичное газо-масляное уплотнение обуславливает оптимальные термодинамический режим и коэффициент подачи, обеспечивая тем самым требуемую производительность компрессора, предупреждает нагарообразование и пригорание колец, задиры цилиндра. От взаимной работоспособности поршневых колец, поршней и цилиндров зависят не только холодопроизводительность компрессора, расход электроэнергии и дорогого смазочного масла, но и расход запасных частей. При малом сроке службы поршневых колец сокращается межремонтный период, учащаются разборки и текущие ремонты компрессоров, а при поломке колец в процессе работы неизбежны тяжелые последствия и дорогостоящий восстановительный ремонт. В связи с этим качеству изготовления колец и контролю их в процессе технического обслуживания необходимо уделять особое внимание.
|
|
Поршневые кольца весьма разнообразны как по форме, так и по конструктивному исполнению. Последние, в свою очередь, зависят от типоразмера компрессора, давления сжатия, рода сжимаемого газа, материала кольца, количества смазки, вида трения и пр. По назначению поршневые кольца делятся на маслосъемные и уплотняющие (компрессионные) кольца. Типы, основные параметры и размеры поршневых колец регламентированы ГОСТ 9515-81 «Кольца поршневые металлические поршневых компрессоров».
Несмотря на то, что в большинстве своем поршневые кольца внешне выглядят очень простым изделием, но на самом деле в них обычно сконцентрированы десятки технических решений. Отечественные холодильные компрессоры чаще всего имеют одинарные кольца прямоугольного сечения, изготовленные из металла или полимерных и графитовых материалов; существуют также более сложные конструкции с эспандерами – подкладными пружинящими кольцами. Металлические кольца с диаметром свыше 200 мм изготовляют из серого чугуна СЧ 21, а с диаметром до 200 мм - СЧ 24 (ГОСТ 1412-85); такое различие объясняется тем, что с уменьшением диаметра кольца модуль упругости материала должен быть больше. Современные быстроходные компрессоры выпускают с кольцами из более дешевых и технологичных материалов на основе полиамидов.
|
|
Поршневые кольца ремонту не подлежат и в случае предельного износа или несоответствия техническим условиям, по каким либо параметрам, подлежат замене на новые.
Обычно основанием для обязательной замены поршневого кольца является любое из следующих обстоятельств:
· если тепловой зазор в замке кольца, определяемый щупом при положении поршневого кольца в месте наибольшего износа цилиндра, превышает величину Dп /80 (где Dп – диаметр поршня);
· при появлении в поршневых канавках зазора по высоте кольца (осевого зазора da), превышающего более чем в 2,5 раза нормальный монтажный осевой зазор;
· если радиальный зазор кольца dr больше (0,01…0,15)Dк, где Dк – диаметр кольца;
· если на рабочей поверхности кольца имеются задиры, и следы пропуска газа (темные пятна на блестящей поверхности) наблюдаются на протяжении более 25% окружности кольца;
· при потере более 10% от первоначальной массы кольца;
· при появлении трещин на кольце;
· если произведена расточка поршневых канавок при ремонте;
· при замене поршня после расточки цилиндра.
Дефекты поршневых колец являются результатом воздействия целого комплекса факторов, проявляющихся в процессе эксплуатации компрессоров. Поведение поршневых колец при работе компрессора зависит от конструкции компрессора, динамической и термической нагрузок, точности обработки цилиндра и поршня, рабочей среды и условий смазки, качества изготовления самих колец. Основной причиной дефектов поршневых колец является их механический износ, который определяется в основном условиями смазки цилиндра и качеством смазочных материалов. При непрерывной смазочной пленке износ от трения практически отсутствует. Если же пленка нарушена, возникает непосредственный контакт металлических поверхностей трущейся пары («трение металл по металлу») и износ быстро увеличивается. Нарушение масляной пленки является следствием недостаточного смазывания или неравномерного распределения масла по рабочей поверхности цилиндра, неприлегания колец или некруглости цилиндра, повышенного давления кромок колец на зеркало цилиндра. У подавляющего большинства поршневых компрессоров масляная пленка обычно разрушается в верхней мертвой точке, где скорость минимальная, а температура сжимаемой среды максимальная. При таких нарушениях на кольцах и рабочих поверхностях цилиндра появляются следы прижогов (пятна «ожогов») – темные места, которые иногда появляются в результате пригорания масла, а чаще всего являются свидетельством так называемого частичного «схватывания» – повреждения металла вследствие высоких температур, возникающих на контактирующих поверхностях трущихся деталей при сухом трении. При полном «схватывании» возникают задиры на зеркале цилиндра, рабочей поверхности поршневых колец и заедание поршня. Причиной возникновения прижогов очень часто является также некачественная обработка поверхности цилиндра.
Потеря подвижности колец в поршневых канавках вследствие заклинивания является одним из самых нежелательных дефектов, приводящих зачастую к тяжелым последствиям. Заклинивание не только препятствует правильной работе кольца, но и очень быстро нарушает нормальную работу компрессора: возникает повышенный пропуск агента, возрастает температура поршня и стенок цилиндра, наблюдаются повышенные температура, расход и старение смазывающего масла, происходит быстрый износ и поломка колец. Одной из главных причин заклинивания колец помимо чисто механических является изменение свойств масла, которое под воздействием многих факторов в процессе эксплуатации разлагается, образуя отложения на поверхностях цилиндров, поршней, колец и поршневых канавок. Отложения вначале вязкие и клейкие становятся затем тестообразными, наконец, могут затвердевать и препятствовать свободному передвижению колец, подвижность которых сначала уменьшается и, в конце концов, может исчезнуть совсем. Заклинивание начинается в каком-либо одном месте по окружность кольца и постепенно захватывает большую его часть. Заклинившееся кольцо постепенно вдавливается в поршневую канавку, располагаясь заподлицо с наружной поверхностью поршня, и полностью теряет уплотняющую способность. Поскольку изменения свойств масла в эксплуатации неизбежны, то даже при нормальной работе в процессе непрерывной и длительной эксплуатации компрессора рано или поздно должно произойти заклинивание колец, что и наблюдается на практике [12].
|
|
Основными поверхностями поршневых колец являются наружная цилиндрическая поверхность D и торцовые поверхности. Точность их размеров выдерживается по 7-му квалитету, параметр шероховатости наружной поверхности Ra = 2,5 мкм; торцовых поверхностей — 0,63 мкм. Хорошее уплотнение полости сжатия достигается только тогда, когда компрессионные поршневые кольца полностью и одновременно опираются на цилиндрическую поверхность зеркала цилиндра и торцовые поверхности канавок поршня. Для достижения достаточной герметичности торцовые поверхности кольца и поршневой канавки должны быть параллельны. Наружная поверхность кольца должна плотно прилегать к зеркалу цилиндра без просветов. Шероховатость рабочих поверхностей колец, цилиндра и поршня имеет большое значение для работы компрессора, Шероховатость колец и цилиндров не должна быть больше толщины масляной пленки во избежание соприкосновения трущихся деталей и возникновения сухого трения. Наружные поверхности колец с параметрами шероховатости Ra — 2,5 мкм обеспечивают хорошую приработку к зеркалу цилиндра. Качество обработки торцовых поверхностей кольца и поршневых канавок в значительной степени влияет на расход смазочного материала. Параметр шероховатости более 0,63 мкм может вызвать вибрацию кольца и увеличение расхода смазочного материала. Причем увеличение будет продолжаться до тех пор, пока кольца не будут полностью приработаны.
|
|
Приработку колец проверяют следующим образом. Компрессор пускают вхолостую со снятыми крышками. Гильзы необходимо предварительно застопорить, чтобы их не выбросило из цилиндров. При пуске компрессора наблюдают за высотой масляных фонтанчиков, которые появляются при верхнем положении поршня. Сначала фонтанчики появляются не по всей образующей цилиндра, а в отдельных местах и высота их различна. По мере приработки колец высота фонтанчиков и их число уменьшаются. При хорошей приработке фонтанчики пропадают, а появляется масляный туман. В этом случае считается, что кольца приработаны к зеркалу цилиндра. Для достижения достаточной герметичности торцовые поверхности кольца и поршневой канавки должны быть параллельны. Наружная поверхность кольца должна плотно прилегать к цилиндру без просветов. Нормальная работа кольца возможна только при достаточно свободном его перемещении в канавке, что обеспечивается оптимальным зазором между внутренней поверхностью поршневого кольца и дном канавки (радиальный зазор b на рис. 11 a), а также между торцовыми поверхностями кольца и поршневой канавки (осевой зазор a, см. рис. 11 a). Радиальные и осевые зазоры для колец разных диаметров приведены в табл. 2.7.
Нормальная работа кольца возможна только при достаточно свободном его перемещении в поршневой канавке (ручье), что обеспечивается оптимальными зазорами: между внутренней цилиндрической поверхностью кольца и цилиндрической поверхностью поршневой канавки (дном ручья) – радиальным зазором dr, между торцовыми поверхностями кольца и поршневой канавки (стенками ручья) – осевым зазором dа (см. рис.11 а). Недостаточный монтажный осевой зазор в ручье может вызвать заклинивание кольца, а избыточный – удары кольца о стенки ручья, что приведет к прогрессирующему износу и ручья и кольца и, как следствие, к еще большему осевому зазору, повышенному уносу масла вследствие появления так называемого «насосного действия поршневого кольца» (см. рис.11 б) и быстрому выходу кольца из строя.
Интенсивное перекачивание масла может наступить при сильно изношенных поршневых канавках, так как в этом случае кольца не могут плотно прилегать к опорным торцовым поверхностям и скорость их движения в осевом направлении, а стало быть, и «насосное действие» увеличиваются.
Таблица 2.7 - Допустимые зазоры для компрессионных колец
Диаметр цилиндра. | Осевой аазор а, мм | Радиальный зазор b, мм, в замке кольца в рабочем состоянии | ||
мм | нормальный | максимальный | нормальный | максимальный |
До 100 100…150 151…200 201…250 251…300 | 0,05…0,07 0,05…0,07 0,05…0,07 0,06…0,08 0,06…0,08 | 0,15 0,15 0,15 0,20 0,20 | 0,5…0,6 0,6…0,8 0,8…1,0 1,0…1,3 1,3…1,5 | 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 |
Величина теплового зазора в замке поршневого кольца dt зависит от материала кольца и рассчитывается, исходя из необходимости компенсации теплового расширения кольца при работе компрессора. Для металлических колец величина dt определяется нормалями. Заводы-изготовители холодильных компрессоров указывают величину теплового зазора в замке поршневых колец непосредственно в сопроводительной технической документации. Тепловой зазор в замке металлического компрессионного кольца в рабочем состоянии (при установке его в цилиндре) обычно составляет 0,004Dк,т.е. 0,4% от номинального наружного диаметра кольца. Предельный допустимый износ в замке зависит от диаметра кольца и составляет (0,01 … 0,15)Dк.
Тепловой зазор в замке кольца должен, с одной стороны, предотвращать смыкание кольца в замке в результате теплового расширения, а с другой – быть настолько малым, чтобы не допускать чрезмерных потерь производительности из-за негерметичности в этом месте. Необходимая величина теплового зазора в рабочем состоянии может быть приближенно определена по формуле [12]:
dt = 1,3a(tн – tос)pDк,
где a - коэффициент линейного расширения материала кольца (для чугуна a =11×10 -6 °С -1; tн – температура нагнетания и tос – температура при сборке, °С; Dк – наружный диаметр кольца, мм. Коэффициент 1,3 учитывает неточность расчета и введен по аналогии с коэффициентом запаса прочности.
Несколько модифицированная формула для расчета теплового зазора в замке приводится в [15]:
dt = a(tср – tвс)pDк.
Отличие последней формулы от предыдущей незначительно: по существу предлагается лишь другая расчетная разность температур, а именно разность междусредней температурой поршня tср, и температурой всасывания tвс. Если учесть, что среднюю температуру поршня предлагается определять как полусумму температур всасывания tвс и нагнетания tн, то последняя формула может быть преобразована к следующему виду:
dt = 0,5a(tн – tвс) pDк.
Как показывает практика, часто, несмотря на теоретически вполне достаточную величину теплового зазора, торцы колец в замке при осмотре оказываются натертыми до блеска. Это явный признак того, что тепловой зазор в замке кольца недостаточен и в процессе работы компрессора его концы соприкасались. Удары концов кольца друг о друга могут стать причиной быстрой поломки кольца. Блестящие места на внутренней поверхности кольца – результат циклических ударов кольца о дно поршневой канавки.
Первостепенное значение для нормальной работы компрессора имеет величина и характер распределения давления кольца на зеркало цилиндра вдоль всего периметра кольца. При недостаточном давлении не обеспечивается необходимое уплотнение поршня, в результате чего происходит чрезмерный унос масла в полость нагнетания. При избыточном давлении быстро изнашиваются как кольца, так и зеркало цилиндра, увеличивается расход энергии на трение.
К зеркалу цилиндра кольцо прижимается не только силой упругости P у, но и радиально направленной силой P а, обусловленной давлением сжимаемого газа, проникающего в поршневые канавки (см. рис.11 в).
Давление кольца от сил упругости можно определить с помощью простого приспособления, принципиальная схема которого показана на рис.12. Кольцо нагружается силой P г так, чтобы зазор в замке кольца соответствовал рабочему тепловому зазору. На основании уравнения моментов P у l у = P г l г определяют силу упругости поршневого кольца
P у = P г l г /l у.
Давление на стенки цилиндра от сил упругости кольца составит p y = P у / Dh, где D – диаметр цилиндра, h – высота кольца. Рекомендуемые значения давления кольца на стенку цилиндра p y в зависимости от диаметра кольца (цилиндра) можно найти в [23].
Упругость кольца снижается при износе рабочей поверхности кольца: радиальное давление сил упругости пропорционально кубу радиальной толщины кольца и с уменьшением последней резко снижается. Так, например, уменьшение толщины кольца с 3,0 до 2,9 мм снижает упругость кольца приблизительно на 10%.
Одним из основных факторов, влияющих на интенсивность износа поршневых колец, является степень полноты прилегания внешней рабочей поверхности кольца к зеркалу цилиндра. При наличии просвета между кольцом и цилиндром происходит форсированное и неравномерное изнашивание и кольца и цилиндра, поскольку в этом случае имеет место неравномерное распределение по окружности давления кольца на зеркало цилиндра.
Как правило, поршневое кольцо изнашиваются в радиальном направлении и по высоте. В первом случае изнашивание происходит в результате трения внешней поверхности кольца о зеркало цилиндра, а во втором – трения торцовых поверхностей кольца о боковые стенки ручья (поршневой канавки). Радиальный износ приводит к увеличению зазора в замке и уменьшению упругости кольца, а осевой – к увеличению зазора между кольцами и канавками поршня, что усиливает «насосное действие колец». Радиальное изнашивание, как правило, не бывает равномерным по контуру: минимальный износ приходится обычно на участок, противоположный замку, а максимальный – на участок замка. Повышенное радиальное изнашивание колец в зоне замка происходит вследствие действия на этом участке наибольших давлений от сил упругости, т.к. именно здесь имеет место максимум разгибающего момента. Отклонение от плоскостности торцов кольца допускается не более 0,08 мм. Контроль проводят на поверочной плите. Контрольное кольцо размещают на плите и кладут сверху четыре-пять таких же колец. Зазор между плитой и кольцом измеряют щупом. Остаточная деформация кольца не должна превышать 10—12% величины зазора в свободном состоянии.
Процесс дефектации поршневых колец включает в себя: снятие колец с поршня, промывку и контроль их качества визуально (внешний осмотр), проверку всех размеров кольца (обмер) на соответствие техническим условиям.
Поршневые кольца желательно снимать и устанавливать с помощью хомута или специальных клещей; наиболее совершенные конструкции клещей снабжены ограничителями развода колец, что предупреждает образование в кольцах трещин и тем более их поломку. Можно воспользоваться тонкими (толщиной порядка 0,5 мм) металлическими полосовыми пластинами, ширину которых выбирают в зависимости от диаметра кольца - рисунок 13. Подняв в замке концы кольца из канавки, пластины поочередно заводят под кольцо и, полностью выведя кольцо из канавки, сдвигают его по пластинам к краю поршня. Ставят кольца на поршень таким же образом.
При отсутствии специальных приспособлений эти операции надо выполнять крайне осторожно, не допуская «насильственных действий», не разводя концы кольца слишком широко во избежание его поломки. Для правильной посадки и снятия кольца его следует разводить, прилагая радиально направленные усилия в плоскости кольца только к его концам. Снятые с поршня кольца до и после промывки и сушки необходимо подвергнуть тщательному визуальному контролю, поскольку состояние рабочих поверхностей может дать важную информацию о том, нормально работает кольцо или нет.
У нормально работающего кольца все его поверхности должны быть гладкими, чистыми равномерно и умеренно блестящими и иметь более или менее темный и одинаковый цвет; несколько более светлой и более блестящей обычно становится только нижняя торцовая поверхность кольца. Ярко выраженный блеск на торцовых поверхностях появляется при их истирании и свидетельствует об износе колец по высоте.
Темные пятна или темные полосы на внешней цилиндрической поверхности кольца, ориентированные по направлению хода поршня, говорят о том, что кольцо на этих участках пропускало холодильный агент, т.е. на этих участках кольцо неплотно прилегало к зеркалу цилиндра (имелись просветы) и плохо уплотняло полость сжатия. Наличие темных пятен и полос может также свидетельствовать о локальных повреждениях кольца или цилиндра, ограниченной подвижности кольца в канавке поршня или отклонении кольца от круглой формы, что чаще всего бывает связано с короблением кольца или его деформацией при неаккуратном снятии или постановке во время ремонта. Характер и форма темных пятен, и величина участков, охваченных ими, позволяют иногда при одновременном осмотре кольца и поршня установить причины, вызвавший этот дефект. Если имел место незначительный локальный пропуск газа, то на рабочей поверхности кольца появляются так называемые ожоги, которые представляют собой лишь изменения цвета поверхности металла и пятна пригоревшего масла или отложения нагара. При больших протечках газа наблюдаются более глубокие повреждения металла колец, о чем уже говорилось выше.
Бороздки на рабочей поверхности кольца в виде острых рисок, расположенных в направлении движения поршня, указывают на загрязнение всасываемого холодильного агента, плохую очистку цилиндров, загрязненную и недостаточную смазку. Продольные полоски, которые при рассмотрении в лупу очень часто оказываются нанесенным материалом, срезанным или вырванным металлом, говорят о заедании колец, причиной которого могут быть: слишком малый зазор в замке (при этом торцы концов кольца имеют ярко выраженный блеск), чрезмерно высокая упругость кольца, отсутствие подвижности кольца в ручье, чрезмерный износ опорных поверхностей поршневых канавок и др.
Появление заусениц на кольце обусловлено чрезмерным износом его торцовых поверхностей и сопровождается обычно большим осевым зазором в ручье. Наличие острых заусениц на кольцах крайне не желательно, поскольку они снимают практически все масло со стенки цилиндра, что приводит к возникновению сухого трения. От заусениц могут откалываться частицы металла, что может вызвать повреждение рабочих поверхностей колец, цилиндра и поршня. Даже при небольших заусеницах создается опасность защемления колец в поршневых канавках. При ремонте компрессора необходимо всегда проверять кольца на наличие заусениц и обязательно удалять их, если они есть.
При дефектации снятого с поршня кольца путем измерений проверяют величину фактического износа кольца по высоте и толщине, неравномерность износа кольца по толщине (разностенность), неплоскостность торцевых поверхностей (коробление), упругость кольца, величину теплового зазора, плотность прилегания к цилиндру.
Износ колец по высоте и в радиальном направлении (по толщине) определяют путем измерения их высоты и толщины универсальным измерительным инструментом. Если износ по высоте кольца выходит за пределы допуска, кольцо бракуют, так как в процессе работы оно будет постоянно перемещаться и истирать канавки поршня. Неодинаковая радиальная толщина (разностенность) кольца, как уже отмечалось выше, является причиной его неравномерного давления на стенку цилиндра. Уменьшение толщины кольца в наиболее изношенном месте допускается в пределах 10…20% его первоначального размера и при этом зазор в замке не должен превышать установленного предельного значения.
Коробление: отклонение от плоскостности торцовых поверхностей кольца допускается в пределах 0,08 мм. Контроль проводят на поверочной плите, зазор между плитой и кольцом измеряют щупом. Кольца с короблением выше допустимого обычно бракуют, так как их правка не допускается, а их шабрение и притирка слишком трудоемки и неэффективны.
Упругость поршневых колец проверяют с помощью специальных приборов – рис.14 и 15. Установив кольцо соответствующим образом, его нагружают так, чтобы зазор в замке получился равным (0,004 … 0,005)Dк, т.е. достиг нормальной величины. По величине нагрузки определяют упругость кольца и проверяют ее на соответствие техническим требованиям.
Упругость колец малых холодильных компрессоров может быть непосредственно измерена с помощью любых подходящих для этой цели весов (например, настольных циферблатных весов типа ВНЦ). Кольцо устанавливают на тарелке весов и, нажимая сверху рукой на кольцо, измеряют усилие, необходимое для смыкания концов кольца в замке – рис.16 а. Поршневое кольцо может удовлетворительно работать при потере до 30% своей первоначальной упругости при условии равномерного износа по окружности и увеличении зазора в замке в пределах установленной нормы.
Тепловой зазор в замке измеряют щупом, вложив кольцо в контрольное отверстие кольцевого калибра или обоймы. Калибр изготовлен из инструментальной стали; номинальный диаметр его контрольного отверстия равен номинальному диаметру цилиндра, но выполнен с допуском, равным 1/3 допуска соответствующей посадки кольца; параметр шероховатости отверстия калибра Ra = 0,32 … 0,16 мкм. Кольцевой калибр кладут на поверочную плиту, вставляют в него поршневое кольцо, прижимают кольцо к плите до упора, после чего щупом измеряют тепловой зазор. Зазор в замке при необходимости увеличивают опиловкой надфилем или плоским напильником. Кольца подлежат замене при увеличении теплового зазора в 3…4 раза по сравнению с первоначальным (оптимальным) зазором.
Плотность прилегания кольца к стенке цилиндра и распределение радиального давления проверяют также с помощью кольцевого калибра. Неплотность прилегания кольца обнаруживают по наличию зазоров на просвет, зазоры в просветах измеряют щупом. Плотность прилегания удобно проверять с помощью негатоскопа – освещенного матового стекла для просмотра рентгеновских снимков. Допустимым обычно считается, когда зазор в просвете не превышает 0,03 мм, кольцо не прилегает на дуге менее 45° и не более чем в двух местах, просветы расположены не ближе 30° от замка.
Новое кольцо для проверки высоты прокатывают по канавке поршня – (см. рис. 16 б). Кольцо признается годным, если оно свободно прокатывается на любом участке канавки, имеет небольшую «качку», но не смещается по высоте, и полностью погружается в канавку. Зазор между кольцом и канавкой (по высоте) проверяют щупом по всей окружности кольца. Если кольцо входит в канавку туго, то его торцы обрабатывают на абразивном бруске или притирочной плите с пастой ГОИ. При чрезмерном осевом зазоре кольцо заменяют. Установленное на поршне кольцо при проворачивании поршня вокруг его продольной оси должно под действием своего собственного веса полностью погружаться в поршневую канавку.
После установки кольца на поршне проверяют радиальный зазор в ручье, величина которого зависит от диаметра поршневого кольца и колеблется в пределах 0,5 … 1,0 мм.