Диафрагменное уплотнение
Дифрагменное уплотнение, или уплотнение типа «скатывающийся чулок», представляет собой эластичную дифрагму из полиуретана, кромки которой жестко закреплены на штоке рабочего поршня или вытеснителя и стенках картера, обеспечивая герметичную изоляцию рабочей полости цилиндра (рис. 1.52), находящейся под действием высокого давления, от картера, где нет избыточного давления, или от находящейся под действием избыточного давления буферной полости. До настоящего времени еще не найдено подходящего материала для диафрагмы, достаточно эластичного, чтобы следовать за штоком, достаточно прочного, чтобы выдерживать значительную разность давлений по обе стороны диафрагмы, и достаточно жесткого, чтобы не вытягиваться в процессе эксплуатации. Поэтому «скатывающийся чулок» приходится поддерживать с помощью масляной полости, в которой с помощью регулирующего клапана (рис. 1.52) создается избыточное давление, обеспечивающее разность давлений по обе стороны диафрагмы в заданных пределах. В двигателе «Форд» с косой шайбой эта разность поддерживалась в пределах 0,14—0,35 МПа [40], однако «скатывающийся чулок» способен выдерживать разность давлений до 0,45 МПа [72].
Масло в полость подается с помощью нагнетательного кольца, которое на работающем двигателе служит масляным уплотнением, противостоящим высокому давлению, а на остановленном двигателе позволяет поддерживать статическое давление в масляной полости. Кольцо (рис. 1.123) представляет собой цилиндрическую втулку из латуни или алюминия, покрытую изнутри слоем серебра. Иногда применяют втулку из белого металла. Внутренняя поверхность кольца коническая с расширением книзу, и масло, которое поступает в конический зазор между кольцом и штоком, при ходе расширения создает давление, достаточное для перемещения кольца вверх; тем самым кольцо функционирует как масляный насос высокого давления. Если через кольцо нагнетается недостаточно масла или же происходит значительная утечка масла при ходе поршня вниз, то регулирующий клапан автоматически открывает перепускной канал, и поступающий в масляную полость газ под высоким давлением восстанавливает заданную разность давлений по обе стороны диафрагмы. Как показано на рис. 1.52, шток и корпус имеют ступенчатые поверхности, что обеспечивает постоянный объем
Рис. 1.123. Нагнетательное кольцо системы уплотнений [72].
1 — латунная втулка; 2 — стяжка на кольце.
Масляной полости между нагнетательным кольцом и диафрагмой в процессе выполнения рабочего цикла двигателя. Благодаря этому перемещение штока не оказывает влияния на давление масла.
Свойства полиуретана в значительной степени зависят от температуры и в меньшей степени от влажности среды. При неблагоприятных условиях диафрагма размягчается, что в конечном счете приводит к ее усталостному повреждению (разрыву). Нормальная рабочая температура для первых образцов диа - фрагменных уплотнений была около 40°С. Было установлено, что каждые 7 °С повышения температуры уменьшают на порядок величину долговечности уплотнения. Использовавшие лицензию фирмы «Филипс» сотрудники концерна «Дженерал моторе» намеревались достичь долговечности 10 000 ч при температуре 94 СС, и, хотя фирма «Филипс» считала это вполне достижимым, в «Дженерал моторе» после 7 лет интенсивных исследовательских и конструкторских работ была получена долговечность полиуретанового уплотнения только 5489 ч при температуре 40 °С, а уплотненения из материала вайтон 3200 ч при температуре 116°С [54]. В 1978 г. фирма «Филипс» опубликовала некоторые результаты испытаний диафрагменных уплотнений на одноцилиндровом двигателе. с ромбическим приводом при скорости 3000 об/мин с гелием в качестве рабочего тела в диапазоне давлений 7,5—10 МПа [72]. Весьма интересные результаты, опубликованные в этой статье, приведены в табл. 1.20. Первоначальная длина диафрагм составляла 22,5—22,8 мм для штока вытеснителя и 25,0—25,4 мм для штока поршня.
Таблица 1.20. Испытания на долговечность диафрагменных уплотнений, проведенные фирмой «Филипс» [72] ')
|
') Идентификационный код обозначает: П — уплотнение штока рабочего поршня, В — уплотнение вытеснителя, число — порядковый номер уплотнения. Причина выхода из строя: П — повреждение (разрыв), Р — размягчение. ИЗ означает, что испытания завершены. |
Из статьи неясно, сколько уплотнений было испытано и насколько представительными являются приведенные результаты. По данным фирмы «Дженерал моторе», из уплотнений одной партии некоторые разрушаются уже в течение первого часа работы, в то время как другие выдерживают свыше 1000 ч. По данным, опубликованным в работе [45], в 1969 г., последнем году программы «Дженерал моторе» по работе над уплотнениями, срок службы полиуретановых диафрагм достигал 1400 ч; средний срок службы их в 1978 г. был 1098 ч.
Несмотря на повышение долговечности, надежность все же остается неудовлетворительной. Разрыв диафрагмы приводит к катастрофическим последствиям и требует полной переборки двигателя и очистки его внутренних полостей. Для устранения этой опасности в фирме «Форд» разработана дублирующая система, связанная с контрольным клапаном и предохраняющая двигатель при разрыве диафрагмы, отказе контрольного клапана или внезапной утечке рабочего тела. Чтобы система уплотнений работала при возможно более низкой температуре, применяют охлаждение блока цилиндров, а горячий поршень делают удлиненным с головкой типа «Хейландт» и внутренними теплоотра - жательными экранами. Обычно горячий поршень имеет значительное удлинение (его длина примерно в три раза превышает ход поршня). Даже в таких условиях и при температуре масла, поддерживаемой около 27 °С, температуры в окрестности уплотнения остаются еще слишком высокими, не обеспечивая нормальной работы диафрагменного уплотнения (рис. 1.124).
Ленинградское VI v2 v3 v4 vS Место установим термопары Рис. 1.124. Распределение температур в зоне уплотнения штока при среднем давлении цикла 100 МПа f90] |
В целом система диафрагмеииого уплотнения сложная и дорогая. Полиуретан весьма чувствителен к загрязнениям, температуре, водяным парам, которые могут содержаться в консистентной смазке, и погрешностям монтажа. Нагнетательное кольцо не слишком успешно выполняет свою функцию статического уплотнения, так что после нескольких часов работы обычно начинается утечка масла у кромки кольца. Масло просачивается сквозь микроскопические дефекты контактируюших поверхностей в зоне контакта длиной 0,2 мм между кольцом и штоком. Несмотря на то что для двигателей с кривошипным приводом диафрагменное уплотнение является единственным, реально существующим герметичным уплотнением, оно после почти 20 лет доработок все еще не удовлетворяет требованиям стабильной долговечности, простоты монтажа и замены. Поэтому большие усилия сосредоточены на разработке скользящих уплотнений (уплотнений сальникового типа).