Поршень

Поршень

По́ршень — деталь цилиндрической формы, совершающая возвратно-поступательное движение внутри цилиндра вдоль его оси. Поршень герметично заполняет поперечное сечение цилиндра, обеспечивая преобразование энергии сжатых газов, жидкостей или пара в механическое усилие и наоборот.

Поршень кинематически связан с коленчатым валом посредством механизма, который преобразует его прямолинейное движение во вращательное движение вала. Эта деталь широко применяется в различных устройствах, таких как двигатели внутреннего сгорания, гидравлические приводы, насосные установки, компрессоры и другие подобные устройства.

Этимология

Принцип преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное в поршневом насосе

Механизмы, работающие на основе поршня или плунжера, считаются одними из первых представителей гидравлической и пневматической техники. Их наименование непосредственно связано с ключевым элементом качающего узла и отражает особенности его строения. Прослеживается аналогия между поршнем и цилиндром, с одной стороны, и разновидностью древней обуви (сандалий), с другой: наличие цилиндрических элементов в обоих случаях.

Предполагается, что слово «поршень» имеет славянское происхождение. В толковом словаре Владимира Ивановича Даля дано несколько его значений:

- существительное мужского рода, образованное от глаголов «переть», «пру»;

- род сандалий (поршни не шьются, а гнутся из одного лоскута сырой кожи или шкуры с шерстью, на вздёржке, очкуре, ремённой оборе;

- обувь из сапожных опорков;

- цилиндр, ботик, стакан, обшиваемый кожей или шкурой;

- стержень, жердь, к которой приделывается поршень, опускаемый в трубу насоса для качанья.

Эти определения указывают на конструкцию «поршня»: цилиндрическая деталь на стержне, с уплотнениями на поверхности. Современные поршни насосов, компрессоров и двигателей внутреннего сгорания внешне весьма схожи с описанием Владимира Ивановича Даля, несмотря на использование других материалов и технологий, они по-прежнему «прут» вперёд жидкости и газы.

История

Предшественником современного поршня является плунжер. У англ. plunger имеется несколько значений, среди которых «скалка», «погружной элемент» и «ныряющий». В русском языке прослеживается аналогия со словом «плуг». В отличие от последнего, плунжер внедряется в не в землю, а в рабочую среду в виде жидкости или газа.

Основное конструктивное различие между поршнем и плунжером сформулировано Трифоном Максимовичем Баштой:

Гладкий плунжер перемещается в рабочей камере свободно, а уплотнение неподвижно закреплено в корпусе камеры.

Схема поршневого и плунжерного насоса

Плунжер имеет постоянный диаметр по всей длине и не оснащён уплотнениями. Высокая герметичность достигается за счёт его глубокого погружения в камеру.

При переводе англ. ram (баран, таранить) на русский язык одним из значений является «плунжер». Это можно объяснить историей развития технологий. Изготовление поршня представляло собой более сложный процесс, поэтому на ранних этапах развития техники более простым решением было использование плунжера — обточив и отшлифовав его из древесины. Однако сложность поддержания постоянного диаметра плунжера по всей длине привела к необходимости уплотнения цилиндра с использованием доступных материалов, таких как кожа, мех, ткань. Это, в свою очередь, увеличивало сопротивление движению плунжера, что ассоциировалось с упорством барана.

Совершенствование технологий, обеспечившее высокую точность изготовления цилиндрических деталей и упрощение процесса их обработки, привело к постепенному вытеснению плунжеров поршнями. Поршни требовали меньшего количества материала, а замена уплотнений на поршне оказалась более простой процедурой, чем замена уплотнения в цилиндре.

В современных механизмах используются как классические конструкции поршней и плунжеров, так и комбинированные варианты. Например, поршень с удлинённой цилиндрической частью (плунжер с лабиринтным уплотнением и шатуном).

Конструкция

Поршень в разрезе

Поршень включает в себя несколько ключевых элементов. Верхняя часть, именуемая днищем, принимает на себя основную силу давления газов и подвергается воздействию высоких температур.

Уплотнительный участок (верхняя часть поршня) — это область с выемками, предназначенными для установки поршневых колец (компрессионных и маслосъёмных). Они обеспечивают герметичность камеры сгорания и удаляют излишки смазки со стенок цилиндра.

Направляющая часть (юбка) выполняет функцию опоры и направления движения поршня внутри цилиндра, а также воспринимает боковые усилия. Приливы с отверстиями, называемые бобышками, служат для соединения с поршневым пальцем, который обеспечивает связь с шатуном.

Область применения

Основное назначение поршня — преобразование энергии из одной формы в другую. В двигателях он конвертирует термическую энергию сгорающего горючего в механическое усилие (кинетическую энергию), оказывая давление газами и способствуя вращению коленвала посредством шатуна.

В насосах и компрессорах действует обратный принцип: механическая работа используется для создания давления в жидкой или газообразной среде, обеспечивая процесс забора и выталкивания. Помимо этого, поршень выполняет ряд других важных функций. Обеспечение герметичности камеры сгорания или рабочей зоны цилиндра с помощью поршневых уплотнительных колец. Отвод тепла, образующегося в процессе сгорания топливной смеси. Определение траектории движения шатуна.

Принцип действия поршня

Принцип действия

В процессе сгорания топливно-воздушной смеси в цилиндре двигателя генерируется огромное количество газов под высоким давлением. Эти газы, разогретые до экстремальных температур порядка двух тысяч градусов, передают часть своей энергии движущимся компонентам двигателя. Оставшееся тепло нагревает сам двигатель. Отработанные газы удаляются через выхлопную систему.

Эффективное охлаждение поршня критически важно, поскольку в противном случае он может попросту расплавиться. Тепло отводится в окружающую среду, охлаждающую жидкость и элементы двигателя. Существуют различные пути отвода тепла от поршня.

Основной путь — через поршневые кольца, которые контактируют со стенками цилиндра. Большая часть тепла отводится через первое кольцо, расположенное ближе всего к днищу поршня. Этот способ является наиболее эффективным, поскольку обеспечивает быстрый теплоотвод.

Второй путь отвода тепла — через моторное масло. Оно циркулирует внутри двигателя и охлаждает его наиболее нагретые компоненты.

Третий путь — через поршневой палец, массивные бобышки и шатун, а затем в масло. Этот путь является наиболее сложным и длинным из-за многочисленных зазоров и препятствий.

Наконец, поступающая в цилиндр топливно-воздушная смесь также забирает часть тепла при нагревании. Этот путь является самым быстрым и эффективным, поскольку тепло отводится непосредственно с нагреваемой стороны поршня.

Конструкционные материалы

В производстве поршней приоритет отдаётся прочным и термостойким материалам, таким как алюминиевые сплавы или чугун. В современном автомобилестроении широко используются серый чугун, характеризующийся прочностью и стойкостью к износу и алюминиевые сплавы типа Al-Si, которые обеспечивают лёгкость и эффективный отвод тепла.

В дизельных двигателях повышенной мощности, рассчитанных на длительный срок службы и работающих на различных видах топлива, включая растительные масла, часто можно встретить поршни составной конструкции. Они включают в себя жаростойкое стальное днище и уплотнительную часть изготовленный из чугуна или силумина.

Разрабатываются автомобильные поршни с керамическим покрытием, поршни, выполненные из термостойких сплавов. Проводились экспериментальные исследования с использованием пластмассовых поршней с керамическим покрытием.

Литература

1. В. Н. Луканин и др. Двигатели внутреннего сгорания: в 3 кн. Кн. 2. Динамика и конструирование: учебник для вузов / (рус.) / под ред. В. Н. Луканина и М. Г. Шатрова. — 2-е перераб. и доп. — М.: Высшая шк., 2005. — 400 с.
2. В. К. Румб, В. В. Медведев. Конструирование и расчёты прочности судовых двигателей внутреннего сгорания: учебник (рус.). — СПб.: СПбГМТУ, 2006. — 536 с.