Конструкции поршня и штока

Описание устройства и основные принципы работы паровозов, фотографии паровозов

Поршень является первой деталью движущего механизма, непосредственно воспринимающей усилие пара и передающей это усилие поршневому штоку и далее шатунному механизму.

Поршень отливается обычно из стали (ст. л.-1), соответствующей ОСТ 791. Поршни паровозов «ФД» и «ИС»-отлиты из стали с добавлением марганца-до О,850/0. Для уплотнения поршня в цилиндре делаются упругие кольца в количестве трех штук для перегретого и двух штук для насыщенного пара. В США иногда применяют и для перегретого пара два кольца, но улучшенной конструкции, обеспечивающей нужную герметичность.

Основными требованиями, предъявляемыми к поршню, являются минимальный вес (необходимо для улучшения уравновешивания паровоза), герметичное отделение одной полости цилиндра от другой и простота конструкции.

Диск поршня делается постепенно увеличивающейся к ступице толщины и таким образом приближается к форме тела равного сопротивления изгибу. Диск может быть плоским или лучше коническим, так как в первом случае возникаютбольшие изгибающие диск усилия; во втором-диск оказывается более жестким, материал его работает с "меньшим напряжением на изгиб. В паровозах в огромном большинстве случаев применяются конические диски, так как они при одинаковой прочности легче плоских.

Закрепление поршня на штоке должно быть очень надежным, так как усилие пара, действующее попеременно на обе стороны поршня, то стремится стащить поршень со штока, то насадить на него.

Поршень одевается, на цилиндрическую или на коническую заточку (конус штока Vis)- В обоих случаях посадка производится под прессом. В первом случае существенно упрощается обработка соединяемых деталей, так как нужно выдержать лишь натяг под запрессовку. Во втором случае нужна значительно большая точность обработки.

В зависимости от материала цилиндров и от выбранного типа поршневого штока устройство поршня может быть различно.

На фиг. 324 показано устройство поршня со штоком паровоза сер. «Эу». Пор-шерь удерживается на месте как трением за счет натяга при запрессовке, так и буртом штока и гайкой, навернутой на выступающую за пределы поршня нарезанную часть штока. От самоотвертывания гайка предохраняется заклепкой, пропущенной насквозь через гайку и шток. Диаметр поршня на 5 мм меньше диаметра цилиндра.

В передней части штока (материал ст.-5) имеется контр-шток, служащий для поддержания поршня и штока (поршень «Эу» с кольцами и штоком весит около 250 кг).

Конец штока, у крейцкопфа, всегда имеет небольшую коничность (1/15) для надежного заклинивания во втулку крейцкопфа. Удерживается шток в крейцкопфе клином (ст.-5, прежде ст.-2 с цементацией), отверстие для которого про-' далбливается (или фрезеруется) в хвостовике штока.

Поршневые кольца на.наших старых паровозах применяются почти исключительно прямоугольного сечения. Замок кольца делается или простой Z-образ-ный, или лучше с добавочной бронзовой пластинкой, как показано на фиг. 325. В этом случае концевые части по длине кольца не имеют больших ослаблений (как это имеет место при Z-образных замках), облегчающих поломки колец.

Рассматриваемая конструкция поршня с кольцами и штока является типовой для многих наших старых паровозов. .

Мощные паровозы имеют поршни и штоки иного устройства. Необходимость упростить конструкцию узла «поршень со штоком» в целях увеличения надежности работы паровоза побудила отказаться от применения контр-штоков. Это мероприятие в значительной степени изменило устройство не только рассматриваемого узла, но и деталей самих цилиндров. Здесь передняя крышка выполняется глухой, т. е. получает очень простую форму; сальник крышки, причиняющий много хлопот в эксплуатации паровоза из-за пропуска пара,-оказывается ненужным, стоимость крышки значительно уменьшается.

Попутно отметим, что при отсутствии контр-штока уменьшается вес возвратно-движущихся масс; это улучшает уравновешивание паровоза, удешевляется шток; общая длина изделия значительно уменьшается. Значительное удешевление объясняется в первую очередь простотой отковки короткого штока и затем- обработки.

Контр-шток йа наших старых паровозах делается, как известно, для поддержания тяжелого поршня на в е с у и устранения в связи с этим быстрого истирания уплотнительных колец и овализации самого цилиндра. Между тем это «подвешенное» состояние поршня имеет место не всегда (изношенные кольца и сальники). Иногда поршень нажимает на стенку цилиндра не только своим весом, но и за счет неправильно собранных сальников с изношенными деталями.

Конструкция поршня с кольцами системы Штарева и со штоком паровозов сер. «ФД» выпуска до 1935 г. показана на фиг. 326.

Поршень составной конструкции: обод чугунный, диск-стальной (ст. л.-1). Внешний диаметр обода лишь на 2 мм меньше диаметра цилиндра, и поэтому поршневые кольца оказываются вовсе разгруженными от нажатия на них тяжелого поршня (215 кг) и штока (164 кг). Таким образом поршень лежитна нижней стенке цилиндра своим широким ободом. Снизу на 1/4 окружности диск поршня шире чем на остальной части. Достигается это относительное уши-рение снятием с боков на верхних трех четвертях обода больших фасок (фрезеровкой) шириной 18 мм (фиг. 326). Ширина обода_внизу равна уже не 136 мм,

1. Конструкции поршня и штока

как это имеется в верхней части, а около 155 мм (небольшие закругления внешних углов обода остаются для уменьшения соскребания смазки с рабочей поверхности цилиндра).

Кроме того, увеличение размеров трущейся поверхности поршня достигает ся значительным уменьшением разницы между диаметром цилиндра и обода поршня. Если в наших старых конструкциях диаметр поршня делается на 4-6 мм меньше диаметра цилиндра, то здесь зазор уменьшается до 2-2,5 мм по диаметру. Такой малый зазор обусловливает значительное увеличение длины дуги, по которой поршень соприкасается с цилиндром, как это иллюстрируется схемой фиг. 326 а, где в утрированном виде показаны два случая-поршня значительно меньшего диаметра по сравнению с цилиндром и поршня диаметра, почти равного диаметру цилиндра. Уже через небольшой отрезок времени во втором случае опорная поверхность имеет очень большую ширину (по дуге), и дальнейшее нарастание износа (овализация цилиндра) происходит чрезвычайно медленно.

Обод приклепывается к диску посредством ряда заклепок и является здесь сменной деталью.

Что касается поршневых колец, то обычные прямоугольные одинарные кольца страдают недостаточной эластичностью; упругость кольца сильно зависит от износа самих колец и стенок цилиндра (или втулки последнего). Первоначальное нажатие колец на стенки цилиндра по мере небольшого нарастания износа падает, и.] начинается все больший и больший пропуск пара. Значительно лучшими являются двойные кольца-с дополнительным внутренним кольцом.

1. Конструкции поршня и штока
Фиг. 325;

Кольца по сист. Штарева, показанные на фиг. 326, имеют именно такое устройство, при чем для уменьшения пропуска пара верхним рабочим кольцом оно сделано в свою очередь разрезным в вертикальной плоскости. Стыки колец не располагаются один против другого. Все три кольца делаются разрезными с простейшими прямыми прорезами-замками. Такая форма замка обеспечивает наиболее надежную работу колец, не имеющих местных ослаблений. Замки располагаются под углом 120° друг к другу. В последнее время тов. Штарев еще более улучшил свои кольца, применив стальное внутреннее кольцо и одинарное верхнее чугунное кольцо.

Кольца обычно изготовляются из чугуна марки ч. л.-2; такой материал не вполне обеспечивает достаточно устойчивую работу колец. В США для изготовления колец применяют несколько более твердый чугун или специальный чугун фультонит, о котором сказано в гл. III этой части курса. Вообще говоря, кольца работают в более тяжелых условиях чем втулка, так как каждый участок поверхности последней «истирается» только в то время, когда но нему проходит кольцо. Сами же кольца находятся непрерывно в работе и во все время движения паровоза работают на истирание (за исключением, конечно, момента прохождения мертвых точек).

Подчеркиваем, что большой разницы в твердости материалов колец и втулки все же быть не должно. Наилучшие результаты получаются при кольцах с твер достью на 10-15 единиц по Бринелю большей, чем твердость втулок. Значительно лучшим и принятым в современном мощном паровозостроении для отливки колец является специальный чугун состава: углерод_общий 3,0

1. Конструкции поршня и штока
Фиг. 326.
1. Конструкции поршня и штока
Фиг. 326а.

ч-3,5%, углерод химически связанный 0,7-^-0,9%, марганец0,75+0,95%, кремний 1,2+1,8%, фосфор 0,5 + 0,6%, сера не более 0,10%, хром 0,5+0,8%, никель не менее 0,15%. Твердость по Бринелю такой чугун имеет 190 + 230 единиц.

Недостатком рассмотренного составного поршня является значительный вес последнего. Действительно, чугунный обод должен быть очень массивным, работая в цилиндрах с давлением пара около ХЪатм. Стыковой фланец обода с диском, где фактически имеется двойная толщина стенки, также утяжеляет такой «наборный» поршень. Поэтому во многих паровозах, и в особенности в быстроходных пассажирских, где уменьшение веса возвратно-поступательно движущихся масс является чрезвычайно желательным для лучшего уравновешивания паровоза, приходится отказываться от этой громоздкой конструкции.

За последние несколько лет в США получили большое распространение так называемые «секционные» двойные кольца1, имеющие увеличенную ширину опорной поверхности на цилиндр и воспринимающие на себя вес поршня. Последний оказывается возможным изготовлять целиком из литой стали и иметь при этом значительную экономию в весе (до 50 кг для диаметров 650-700 мм).

Такие секционные кольца, с успехом примененные на паровозах сер. «ТА» и «ТБ », получают распространение и на наших мощных паровозах сер. «ИС» и «ФД».

1. Конструкции поршня и штока1. Конструкции поршня и штока
Фиг. 327.

На фиг. 327 показан поршень диаметром 787 мм (31") одного американского паровоза, снабженный такими секционными кольцами. Вполне удовлетворительная герметичность таких колец позволяет американцам ставить их в количестве двух штук на поршень, хотя для паровозов сер. «ФД» и «ИС» ^запроектирована постановка трех колец.

Каждое кольцо состоит из двух половин Г-образной формы, увеличивающей опорную ширину кольца и значительно уменьшающей таким образом напряж-ние на износ (удельное давление). Каждая из половин разрезана (или разломана на специальном приспособлении) на пять частей-секций; таким образом кольцо собственной упругости, конечно, не имеет. В стыковых поверхностях смежных половин проточены канавки, в которые при сборке кольца закладывается стальной изогнутый прут, изготовленный из хромо-ванадиевой стали, работающий как пружина (хром 0,9%, ванадий 0,25%). Прут прижимает отдельные секции к стенке цилиндра. Нажатие секций равномерное; оно сохраняется и (почти без уменьшения) при износе опорных поверхностей колец последние оказываются долговечными

Для устранения пропуска пара через стыки секций такого двойного кольца,

1 Эти кольца иногда у нас называются «Paeking ring», что в переводе на русский язык значит «уплотняющее кольцо»; такое название, конечно, отнюдь не раскрывает сущности их устройства.

а также для устранения случаев поломки секций пружиной (при совпадении замка пружины со стыками секций), все три элемента-две половины кольца и пружина-имеют фиксированное взаимное расположение стыков. Достигается это постановкой поперечного штырька пружины (у одного из ее концов) и пропуском этого штырька в глухие отверстия, образованные в плоскости соприкосновения обеих пловин кольца. Все детали располагаются так, чтобы замки отдельных секций были размещены в шахматном порядке, а гнезда для штырька пружины не совпадали со стыками секций. Собранное кольцо может провертыватьсяв ручье поршня, но отдельные части кольца не могут иметь взаимных перемещений.

1. Конструкции поршня и штока
Фиг. 328;

На фиг. 328 показан поршень со штоком серийных паровозов сер. «ФД> последних выпусков. Кольца - секционные; на фиг. 328а показаны профиль обода и ручьи, а также и сечение кольца и пружина-прут. В работе эти кольца себя зарекомендовали; обращено лишь внимание Ворошилов-градского завода на необходимость улучшения стали, идущей для изготовления пружины-прута,рабо-тающего в тяжелых температурных условиях.

Отсутствие контр-штока позволяет применить новые способы предохранить гайку от отвертывания. Здесь оказывается возможным отказаться от постановки заклепки, ослабляющей сечение штока внутри гайки, а для законтривания последней применить расклепку торца штока или обварку гайки непосредственно на штоке.

1. Конструкции поршня и штока
Фиг. 328а.

Следует все же отметить, что у серийных паровозов сер. «ФД» от приварки гайки отказались, заменив ее постановкою штифта й=16 мм, проходящего сквозь гайку и шток и расклепываемого на концах.

В целях значительного уменьшения веса штока в быстроходных пассажирских паровозах применяют вместо сплошных штоков, откованных, как обычно, из ст.-5 или легированной (ванадиевая, никелевая сталь),-п о л ы е штоки с диаметром отверстия, равным, примерно, половине наружного диаметра штока. Такие штоки поставлены и на паровозах сер. «ИС». Материал-высокосортная никелевая сталь.

Технологический процесс изготовления полого штока значительно усложняется, так как по концам штока, где будут расположены ступица поршня и втулка крейцкопфа, необходимо иметь усиленное сечение штока. Дальше мы увидим, что и в целом сплошном штоке наиболее напряженно работающим участком штока является, поперечное сечение хвостовика штока по отверстию для клина. Ясно, что простое сверление цилиндрической дыры сделало бы заведомо негодным весь шток.

Поэтому приходится дважды посылать заготовку штока в кузницу и дважды в механическую мастерскую. На фиг. 329 показаны стадии изготовления штока. Сначала кузница дает полуфабрикат в виде вытянутой болванки с утолщениями на концах. Механическая мастерская грубо обтачивает болванку и просверливает ее пушечным сверлом, после чего кузница, нагревая концы заготовки, осторожно обжимает их, постепенно уменьшая диаметр отверстия по концам и доводя его до 8-\2мм, необходимых для контроля. Наконец, механическая мастерская окончательно обтачивает шток.

Что касается закрепления штока во втулке крейцкопфа, то здесь, как и раньше, применяется клиновое соединение.

Клин делается с наклоном в пределах 1/20-1/25, так как такая величина наклона обеспечивает достаточное «самоторможение» клина, хотя отдельные случаи ослабления клина все же изредка имеют место. Во избежание ослабления клина лучше наклон делать не больше 1/25; от выскакивания клин следует предохранять разводной чекой, пропущенной через клин в узком его конце.

Для возможности постановки и выемки клина он располагается наклонно, под углом в 45-60° к горизонтали.

1. Конструкции поршня и штока
Фиг. 329.

⇐ | Прочая арматура цилиндров || Конструкции паровозов || Расчет на прочность поршня и штока | ⇒