Поршень

Поршень — это деталь машин и механизмов, совершающая возвратно-поступательное движение внутри цилиндра и предназначенная для преобразования энергии сжатого газа, пара или жидкости в механическую работу, либо для создания давления в рабочей полости. Поршень является ключевым элементом поршневых двигателей внутреннего сгорания, компрессоров, насосов, паровых машин и пневматических устройств. Конструктивно поршень представляет собой цилиндрический элемент, перемещающийся внутри гильзы цилиндра и герметизирующий рабочую камеру.

История

Принцип использования поршня известен с античных времен. Первые известные устройства с поршнями — водяные насосы (помпы) Ктесибия Александрийского, созданные около III века до н. э. В них поршень использовался для нагнетания воды. В Средние века поршневые насосы применялись в рудничном деле и для подачи воды в города.

Значительный скачок в развитии поршневых машин произошел в XVII–XVIII веках с появлением паровых двигателей. В 1712 году Томас Ньюкомен создал атмосферный паровой двигатель, где поршень приводился в движение давлением пара, а затем возвращался под действием атмосферного давления. В 1760-х годах Джеймс Уатт усовершенствовал конструкцию, добавив отдельный конденсатор и сделав ход поршня рабочим в обе стороны (двойного действия). Это стало основой промышленной революции.

В XIX веке с развитием двигателей внутреннего сгорания (ДВС) поршень стал одним из центральных элементов. В 1860 году Этьен Ленуар создал первый практически пригодный газовый двигатель с поршнем, а в 1876 году Николаус Отто разработал четырёхтактный цикл, который до сих пор является основой для большинства автомобильных двигателей. В XX веке поршни стали изготавливать из алюминиевых сплавов, что позволило снизить массу и повысить теплоотвод.

Конструкция и основные элементы

Поршень современного двигателя внутреннего сгорания состоит из нескольких частей:

• Головка (днище) поршня — верхняя часть, непосредственно воспринимающая давление газов. Форма днища может быть плоской, выпуклой, вогнутой или фигурной (для организации камеры сгорания). В некоторых двигателях на днище выполняются выемки под клапаны.
• Юбка поршня — нижняя направляющая часть, которая воспринимает боковые усилия от шатуна и обеспечивает прямолинейное движение поршня в цилиндре. Юбка может иметь сложную форму (овальную, бочкообразную) для компенсации теплового расширения.
• Поршневые кольца — упругие разрезные кольца, устанавливаемые в канавки на головке поршня. Делятся на компрессионные (уплотняют зазор между поршнем и цилиндром, предотвращая прорыв газов) и маслосъёмные (снимают излишки масла со стенок цилиндра, возвращая его в картер).
• Поршневой палец — деталь, соединяющая поршень с шатуном. Палец может быть плавающим (свободно вращается в бобышках поршня и втулке шатуна) или фиксированным (закреплён в поршне или шатуне). Для предотвращения осевого смещения плавающего пальца используются стопорные кольца.
• Бобышки — утолщения на внутренней стороне юбки поршня с отверстиями для установки поршневого пальца.

Классификация поршней

Поршни классифицируются по нескольким признакам:

По назначению

• Поршни двигателей внутреннего сгорания (бензиновых, дизельных, газовых) — работают в условиях высоких температур (до 2000 °C в камере сгорания) и давлений (до 200 бар в дизелях).
• Поршни компрессоров — предназначены для сжатия газов. Работают при более низких температурах, но требуют высокой герметичности.
• Поршни насосов — перекачивают жидкости (вода, нефть, химические реагенты). Могут изготавливаться из коррозионностойких материалов.
• Поршни паровых машин — работают при температурах до 300–400 °C и давлении пара до 20–30 бар.
• Поршни пневматических устройств — используются в пневмоцилиндрах, тормозных системах, отбойных молотках.

По материалу

• Чугунные — обладают высокой износостойкостью и низким коэффициентом теплового расширения. Применяются в тихоходных двигателях, компрессорах и насосах.
• Алюминиевые сплавы — лёгкие, с хорошей теплопроводностью. Основной материал для поршней современных ДВС. Чаще всего используются силумины (сплавы алюминия с кремнием).
• Стальные — применяются в высокофорсированных дизелях и двигателях с турбонаддувом, где требуются высокая прочность и термостойкость.
• Керамические и композитные — экспериментальные материалы, используемые в двигателях с высокой температурой сгорания (например, в двигателях с керамическим покрытием камеры сгорания).

По конструкции

• Цельные — поршень, изготовленный как единая деталь.
• Составные — поршни, состоящие из двух частей (головка и юбка), соединённых между собой. Позволяют использовать разные материалы для разных частей.

Применение

Основные области применения поршней:

• Двигатели внутреннего сгорания — автомобильные, мотоциклетные, судовые, тепловозные, авиационные (поршневые авиадвигатели), стационарные (генераторы, насосные установки).
• Компрессоры — поршневые компрессоры используются для сжатия воздуха, природного газа, холодильных агентов в промышленности и на транспорте.
• Насосы — поршневые насосы применяются для перекачки вязких жидкостей, нефтепродуктов, бетонных смесей, а также в гидравлических системах высокого давления.
• Паровые машины — исторически широко применялись на железнодорожном транспорте (паровозы), в судостроении и на стационарных установках. В настоящее время встречаются редко, в основном в музейных и ретро-объектах.
• Пневматические инструменты и механизмы — отбойные молотки, пневмодрели, пневмоцилиндры в автоматике и робототехнике.
• Гидравлические системы — гидроцилиндры в строительной, дорожной и сельскохозяйственной технике (экскаваторы, бульдозеры, тракторы).

Технические характеристики и параметры

Основные параметры поршня:

• Диаметр поршня — номинальный размер, определяющий рабочий объём цилиндра. Измеряется в миллиметрах.
• Ход поршня — расстояние, проходимое поршнем от верхней мёртвой точки (ВМТ) до нижней мёртвой точки (НМТ). Вместе с диаметром определяет рабочий объём цилиндра.
• Степень сжатия — отношение полного объёма цилиндра (при положении поршня в НМТ) к объёму камеры сгорания (при положении поршня в ВМТ). Важный параметр для ДВС, влияющий на мощность и экономичность.
• Масса поршня — влияет на динамику двигателя, вибрации и нагрузки на кривошипно-шатунный механизм. В современных ДВС стремятся к минимальной массе при сохранении прочности.
• Тепловые зазоры — зазоры между поршнем и цилиндром, необходимые для компенсации теплового расширения при нагреве. Величина зазора зависит от материала и конструкции.

Износ и неисправности

Основные причины выхода поршня из строя:

• Закоксовывание колец — образование нагара в канавках поршня, приводящее к потере подвижности колец и снижению компрессии.
• Прогорание днища — возникает при детонации, перегреве, неправильном угле опережения зажигания или использовании некачественного топлива.
• Заклинивание поршня — происходит при недостаточном зазоре, перегреве, масляном голодании или деформации цилиндра.
• Износ юбки и колец — естественный процесс, ускоряющийся при попадании абразивных частиц (пыли, грязи) или при нарушении смазки.
• Трещины и поломки — возможны при усталости материала, гидроударе (попадании жидкости в цилиндр) или обрыве шатуна.

Интересные факты

• Самый маленький поршень в мире имеет диаметр около 1 мм и используется в микро-двигателях для исследовательских целей.
• Самый большой поршень в мире применяется в судовых дизелях: диаметр может достигать 1 метра, а масса — нескольких тонн. Например, в двигателях Wärtsilä-Sulzer RTA96-C (самый мощный в мире двигатель внутреннего сгорания) диаметр поршня составляет 960 мм.
• В двигателях Формулы-1 поршни изготавливаются из алюминиево-бериллиевых сплавов, что позволяет выдерживать экстремальные нагрузки (до 20 000 об/мин) при минимальной массе.
• Первый поршневой двигатель, работающий на водороде, был создан в 1807 году Франсуа Исааком де Ривазом.

Источники

• Архангельский В. М. и др. «Автомобильные двигатели». — М.: Машиностроение, 2006.
• Дьяченко Н. Х. «Поршневые двигатели внутреннего сгорания». — М.: Высшая школа, 1985.
• Райков И. Я. «Конструкция и расчёт поршневых двигателей». — Л.: Машиностроение, 1971.
• Ховах М. С. «Автомобильные двигатели». — М.: Машиностроение, 1977.
• Большая российская энциклопедия. — М.: БРЭ, 2004–2017.