Pierścienie tłokowe żeliwne: kompleksowy przewodnik po podstawowych elementach uszczelniających silników spalinowych

Jako „strażnicy serca” silnika spalinowego, żeliwne pierścienie tłokowe pełnią kluczową rolę uszczelniającą w ekstremalnych warunkach wysokiej temperatury, wysokiego ciśnienia i dużej prędkości. Precyzyjnie współpracując z cylindrem i tłokiem, zapewniają wydajną i stabilną pracę silnika. Ze względu na doskonałą ogólną wydajność, żeliwne pierścienie tłokowe stały się najszerzej stosowanym typem pierścieni.

​I. Funkcje podstawowe: uszczelnianie, kontrola oleju, przewodzenie ciepła i podparcie​

Pierścienie tłokowe żeliwne odgrywają cztery kluczowe role w silniku:

1. ​Funkcja uszczelniająca (zadanie główne):​​
   • Skutecznie zapobiega przedostawaniu się gazów o wysokiej temperaturze i wysokim ciśnieniu z komory spalania do skrzyni korbowej, minimalizując wyciek gazów do absolutnego minimum.
   • ​Stopniowanie ciśnienia:Pierwszy pierścień dociskowy wytrzymuje około 76% ciśnienia gazu, przy drugim pierścieniu spada ono do 20%, a przy trzecim pierścieniu pozostaje tylko około 4%, co zapewnia wydajne uszczelnienie „krok po kroku”.
2. ​Funkcja kontroli oleju:​​
   • Pierścień olejowy odpowiada za precyzyjne zgarnianie nadmiaru oleju smarującego ze ścianek cylindra, pozostawiając jednocześnie ultracienką warstwę oleju, co zapewnia prawidłowe smarowanie i ogranicza zużycie oleju. Ta funkcja ma kluczowe znaczenie w nowoczesnych silnikach wysokoobrotowych.
3. ​Funkcja przewodzenia ciepła:​​
   • 70-80% ciepła z denka tłoka jest odprowadzane przez pierścienie tłokowe do ścianek cylindra, gdzie jest rozpraszane. Jest to kluczowe dla utrzymania zespołu tłoka w odpowiedniej temperaturze roboczej i zapobiegania uszkodzeniom spowodowanym przegrzaniem.
4. ​Funkcja wsparcia:​​
   • Zapobiega bezpośredniemu kontaktowi tłoka ze ścianką cylindra, zapewniając płynny ruch tłoka, zmniejszając tarcie i zapobiegając „uderzaniu tłoka”.

​II. Wyjątkowe właściwości żeliwa​

Żeliwo jest idealnym materiałem na pierścienie tłokowe ze względu na idealne dopasowanie jego unikalnych właściwości do wymagających wymagań silnika:

• ​Samosmarowanie:Grafit zawarty w żeliwie działa jak naturalny stały smar, absorbując olej smarujący i zapewniając doskonałe właściwości samosmarujące w warunkach smarowania granicznego.
• ​Doskonałe właściwości mechaniczne:Wysoki moduł sprężystości, niewielkie odkształcenie trwałe, wymagana wytrzymałość na zmęczenie przy zginaniu i odpowiednia twardość spełniają wymagania dotyczące wydajności elementu sprężystego.
• ​Rodzaje materiałów:
  • ​Żeliwo szare:Podstawowy materiał, zwykle składający się z węgla 3,1-3,5%, krzemu 1,6-2,1%, manganu 0,6-1,0%, z niewielką ilością pierwiastków stopowych, takich jak chrom i miedź.
  • ​Żeliwo stopoweDodatek pierwiastków takich jak miedź, chrom i molibden zapewnia lepszą odporność na ciepło, zużycie i korozję.
  • ​Żeliwo sferoidalne:Wykazuje znacznie wyższą wytrzymałość na zginanie (80–120 kg/mm²) i moduł sprężystości (15 000–17 000 kg/mm) niż zwykłe żeliwo, zapewniając jednocześnie wysoką odporność na uderzenia.

​III. Procesy produkcyjne i obróbka powierzchni​

Precyzyjne procesy produkcyjne są kluczowe dla wydajności pierścieni tłokowych:

1. ​Procesy odlewnicze:
   • Do głównych metod zalicza się odlewanie jednoczęściowe, odlewanie beczkowe i zaawansowane odlewanie eliptyczne dzielone (np. niemiecki proces Goetzego), przy czym ten ostatni skutecznie eliminuje wady wynikające z kurczenia się rdzenia w wykrojce.
2. ​Kluczowe technologie obróbki powierzchni:
   • ​Chromowanie:Wysoka twardość (700-1000 HV), niski współczynnik tarcia, wysoka odporność na korozję; może wydłużyć żywotność górnego pierścienia 3-5 razy.
   • ​Powłoka molibdenowa (powłoka molibdenowa)​:Molibden ma wysoką temperaturę topnienia (2620°C), dużą twardość (HV>700), niski współczynnik tarcia, dobrą przewodność cieplną, odporność na zużycie i stabilność termiczną.
   • ​Fosforanowanie:Powłoka fosforanowa ma dobre właściwości zatrzymywania oleju, jest korzystna w początkowym okresie docierania i skutecznie zapobiega rdzewieniu.
   • ​Azotowanie:Tworzy twardą warstwę azotku na powierzchni, która ma odporność na zużycie przewyższającą chromowanie; alternatywny, bardziej przyjazny dla środowiska proces (np. azotowanie gazowe, azotowanie plazmowe, azotowanie w kąpieli solnej QPQ).

​IV. Główne typy i cechy strukturalne​

Ze względu na budowę i funkcję pierścienie tłokowe dzielimy głównie na pierścienie uszczelniające i pierścienie olejowe:

• ​Rodzaje pierścieni kompresyjnych:
  • ​Pierścień prostokątny (prosty):Prosta konstrukcja, dobra do odprowadzania ciepła, ale może powodować „pompowanie oleju”.
  • ​Pierścień stożkowy:Kontakt liniowy, dobry do uszczelniania i docierania, zbiera olej i rozprowadza go.
  • ​Pierścień skrętnyŁączy zalety pierścienia stożkowego, eliminując jednocześnie konieczność pompowania oleju. Kierunek montażu ma kluczowe znaczenie.
  • ​Pierścień trapezowy (kluczowy): Dobre właściwości antyadhezyjne i uszczelniające, odpowiednie do silników Diesla o dużym obciążeniu cieplnym.
  • ​Pierścień z twarzą beczkową:Tworzy klin olejowy podczas ruchów w górę i w dół, zmniejszając zużycie.
• ​Rodzaje pierścieni olejowych:
  • ​Pierścień olejowy żeliwny (jednoczęściowy)​:Prosta struktura.
  • ​Pierścień olejowy szyny stalowej (segment)Składa się z dwóch chromowanych stalowych szyn i rozpórki ekspandera. Wysoki nacisk styku, dobre dopasowanie, duże kanały powrotu oleju i doskonałe właściwości zgarniania oleju. Szerokie zastosowanie.

​V. Instalacja i konserwacja – kluczowe punkty​

Prawidłowa instalacja i konserwacja mają kluczowe znaczenie dla zapewnienia wydajności i długowieczności:

1. ​Trzy kluczowe luzy:
   • ​Szczelina końcowa (szczelina międzypośladkowa)​: Zwykle 0,25–0,50 mm.
   • ​Luz boczny (luz osiowy w rowku)​:W przypadku pierścienia górnego (ze względu na wysoką temperaturę) zwykle 0,04-0,10 mm.
   • ​Luz tylny (luz promieniowy między pierścieniem a dnem rowka)​: Zwykle 0,50–1,0 mm.
2. ​Wytyczne dotyczące instalacji rdzenia:
   • Szczeliny między końcami pierścieni muszą być rozmieszczone na obwodzie w sposób przesunięty (np. co 120° w przypadku trzech pierścieni), aby utworzyć uszczelnienie „labiryntowe”.
   • ​Pierścień chromowany montowany jest w górnym rowku.​Stożkowa powierzchnia pierścienia stożkowego musi być skierowana ku górze; wewnętrzna faza lub wycięcie pierścienia skrętnego zwykle jest skierowane ku górze.
   • Szczeliny nie powinny być wyrównane z otworem sworznia tłokowego ani z kierunkiem wirowego podciśnienia tłoka.
3. ​Przegląd konserwacyjny:
   • Powierzchnie robocze muszą być wolne od rys, zadrapań i łuszczenia się.
   • Odchylenie krzywizny nie powinno przekraczać 0,02-0,04 mm.
   • Standardowa granica zużycia (zagłębienie w rowku) nie powinna przekraczać 0,15-0,25 mm.

​Wniosek​

Wydajność żeliwnych pierścieni tłokowych bezpośrednio decyduje o sprawności, żywotności i niezawodności silnika. Dzięki ciągłemu postępowi w materiałoznawstwie i technologii produkcji, żeliwne pierścienie tłokowe będą nadal zapewniać solidną ochronę różnym maszynom mechanicznym w ekstremalnych warunkach pracy, chroniąc „serce” silnika.