Назначение, условия работы, конструктивные особенности.

Поршневое кольцо, при всей его кажущийся простоте – одна из важнейших деталей в машиностроении. Ведь для работы двигателя внутреннего сгорания, поршневого компрессора или турбокомпрессора  требуется надежное уплотнение рабочей камеры от прорыва газов, качественный съём и отвод смазки из рабочей зоны. Для этих целей используют поршневые кольца. 

По своему назначению поршневые кольца делят на компрессионные (рисунок 1) и маслосъемные (рисунок 2). Компрессионные кольца могут оснащаться дополнительной проточкой – скребком, который служит для усиления эффекта удаления масла со стенок цилиндра.

Типы, основные параметры и размеры поршневых колец регламентированы ГОСТ 621—87 «Кольца поршневые двигателей внутреннего сгорания. Общие технические условия»

Поршневые кольца различаются по конструкции замков (рисунок 3).

Материал и способы получения заготовок.

Завод поршневых колец  изготавливает поршневые и уплотнительные кольца из специального легированного чугуна различных марок:

- Чугун ПВГ (аналог СЧ36) – чугун перлитного класса с равномерно-распределенным пластинчато-вермикулярным графитом,  имеющий высокие механические свойства, хорошую упругость и износостойкость. Из такого материала изготавливаем поршневые кольца для компрессоров, уплотнительные кольца для трансмиссий и гидравлических машин.

- Чугун ВЧШГ (аналог ВЧ80-ВЧ100) – высококачественный высокопрочный чугун с шаровидным графитом перлитного класса,  имеющий близкую к сталям пластичность, высокую упругость и износостойкость. Из такого материала производим поршневые кольца для локомотивных и судовых двигателей, турбокомпрессоров, двухтактных двигателей. Благодаря шаровидному графиту, равномерно распределенному по всему сечению кольца, кольца из такого чугуна не уступают по износостойкости хромированным аналогам.

К качеству отливок ввиду сложных условий работы поршневых колец предъявляются более высокие требования, чем к большинству других отливок из чугуна аналогичных марок. Литые заготовки получаем новым уникальным методом литья намораживанием, благодаря чему достигаем высокого  качество материала поршневых колец.

Благодаря высоким скоростям кристаллизации и однонаправленному теплоотводу (рисунок 4), в отливке образуется высокодисперсная, ориентированная перпендикулярно поверхности теплоотвода микроструктура (рисунок 5). При этом, в готовом поршневом кольце, дендриты – кристаллы (рисунок 6 а, б), наиболее сильно противостоящие износу располагаются в плоскости, перпендикулярной поверхности трения (рисунок 6 в). Такое строение слитка характерно только для литья намораживанием и наиболее оптимально для противостояния износу деталей типа тел вращения. В результате износостойкость поршневых колец, полученным методом литья намораживанием минимум на 30-40% выше, чем у колец получаемых другими методами литья.  

Рисунок 4. Принцип формирования отливки при литье намораживанием

Рисунок 5. Общая схема областей и зон в затвердевающем слитке при литье намораживанием

Рисунок 6. Дендриты  – схематически; фото; в поршневом кольце

Изготовление поршневых колец.

Несмотря на кажущуюся простоту, технология изготовления поршневых колец является одной из сложнейших задач машиностроения. Высокие требования к точности размеров, форме и взаимному расположению поверхностей поршневых колец призваны обеспечить безупречное прилегание кольца к стенке цилиндра, а также установку канавку поршня с требуемыми минимальными зазорами. Дополнительной сложностью для металлообработки является нежесткостью конструкции кольца.

Точность размеров на основные поверхности выдерживается по квалитету 7. Шероховатость наружной цилиндрической поверхности кольца Ra — 2,5 мкм. Такая шероховатость обеспечивает хорошую приработку  к зеркалу цилиндра.

Шероховатость торцовых поверхностей кольца Ra  = 0,63 мкм. Такая шероховатость обеспечивает легкое перемещение колец в канавках поршня, а также предотвращает износ торцов колец и стенок канавок. Высокая точность расстояния между торцами улучшает условия уплотнения поршня.

Изготовление поршневых колец производим на новых токарных центрах  MAZAK, DMG, Victor  и др., с использованием инструмента ведущих мировых производителей.  При этом обеспечиваем высокую точность обработки и 100% прилегание кольца к зеркалу цилиндра.

Важнейшим показателем для поршневого кольца является сила, с которой кольцо оказывает  давление на зеркало цилиндра. Эта величина рассчитывается для каждого типа колец, и зависит от множества факторов: материала колец, материала гильзы, условий работы и т.д. При этом упругость кольца должна быть достаточной для обеспечения уплотнения рабочей камеры, съёма и отвода смазки, но при этом не вызывать повышенный износ кольца и гильзы.