故障檢修與技術(shù)維護

柴油機活塞磨損、破裂及配合間隙的檢測方法

 

摘要：對于柴油發(fā)電機組而言發(fā)動機則是心臟，而活塞就好比是心臟的動脈，活塞作為發(fā)動機的重要零件，對柴油機的性能有著重要的影響。因此對于活塞的檢測與維修就變得更為重要。為了提高對柴油發(fā)電機的認識，康明斯公司介紹了活塞的結(jié)構(gòu)特點與功用，說明了活塞常見損傷部位和活塞技術(shù)狀態(tài)的判斷，同時對活塞的檢測與維修進行簡要的分析；以減少盲目更換柴油機的活塞，避免造成用戶不必要的浪費。

一、活塞各部位名稱與功用

 

      活塞在高溫、高壓、高速、潤滑不良的條件下工作。活塞直接與高溫氣體接觸，瞬時溫度可達2200℃以上，受熱嚴重而散熱條件很差，所以活塞工作是溫度很高，頂部高速可達350~450℃，而且溫度分布很不均勻?；钊敳砍惺軞怏w壓力很大，特別是做功行程中壓力最大，汽油發(fā)動機中壓力高達3~5MPa，柴油發(fā)動機中壓力高達6~9MPa，這就對活塞產(chǎn)生沖擊，并承受側(cè)壓力的作用?；钊跉飧變?nèi)以很高的速度（8~12m∕s）往復(fù)運動，且速度在不斷的變化，這就產(chǎn)生了很大的慣性力，使活塞受到很大的附加載荷?；钊谶@種惡劣的條件下工作，會產(chǎn)生變形并加速磨損，還會產(chǎn)生附加載荷和熱應(yīng)力，同時受到燃氣的化學腐蝕作用。活塞組成包括頂部、防漏部、銷座部和裙部四大部分，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1、頂部

     活塞第一環(huán)槽以上部分稱活塞頂部。頂部的形狀與燃燒室有直接關(guān)系，隨燃燒室不同形狀各異，有平頂、凸頂和凹頂多種。柴油發(fā)電機活塞頂部多為凹的，有ω形、鏟形和螺管凹坑形等。此外，有的活塞頂部還制有為防止活塞頂與氣門頭相碰的兩個圓形淺凹坑。為便于選配和安裝，在活塞頂還制有尺寸、重量分組和安裝箭頭等標志，同組活塞重量差不大于10g。

2、防漏部

     防漏部制有環(huán)槽用以安裝氣環(huán)和油環(huán)，氣環(huán)多為2～3道，油環(huán)多為1道。氣環(huán)裝在上部，下部裝油環(huán)。氣環(huán)數(shù)減少、環(huán)高減少可降低活塞高度和減小活塞質(zhì)量，有利于內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速的提高，以增加其動力性和經(jīng)濟性?；钊?shù)降谝画h(huán)槽之間的環(huán)岸，叫火力岸。在此岸上制有絕熱環(huán)槽，用以減小此部與缸壁間隙，增加節(jié)流以達到減輕第一道環(huán)的熱負荷和機械負荷、縮短火岸的高度的效果;絕熱環(huán)槽的作用是改變熱傳導路線以減輕第一道環(huán)的熱負荷，在高強化柴油發(fā)電機的活塞第一環(huán)槽中鑄有高鎳鑄鐵環(huán)架，以提高活塞使用壽命。

3、銷座部

    用以裝配活塞銷，將活塞受力傳給連桿。為降低活塞銷與座孔的壓力，減輕磨損，這部分支承面要盡量大些，也就是孔徑與支承長度要大些，銷座與頂部用加強筋相連?；钊N結(jié)構(gòu)外觀如圖2所示。

4、裙部（導向部）

    在活塞往復(fù)運動中起導向作用，并承受側(cè)壓力。目前，一些汽油機為防止活塞換向時產(chǎn)生拍擊和磨損，使活塞銷孔中心線與活塞軸線不相交，向側(cè)壓方向偏移1～2 mm。因此，這種活塞安裝時，要注意安裝方向標志。

    活塞在工作中由于裙部受側(cè)壓力、銷座承受活塞軸向力、銷座金屬零件易受熱后變形等都易使活塞裙部變橢圓形，沿銷軸方向直徑增大，側(cè)壓力方向直徑變小。如不采取措施，活塞在工作時將拉傷缸壁，甚至卡缸。汽油機活塞在其裙部開有梯形或門形切口，其橫向切口作用為切斷熱流、減少裙部受熱膨脹;縱向切口在裙部變形時留有膨脹余地。另外，有很多活塞將銷座孔周圍制成凹陷形，作為膨脹余地，也有將活塞制成橢圓的，其長軸為側(cè)壓方向，短軸為銷軸方向，這種活塞也叫橢圓活塞。有的活塞鑄入恒范鋼片使裙部與銷座相連，恒范鋼片熱膨脹系數(shù)很小，可使活塞與汽缸配合間隙減小。為防止活塞裙部與曲軸平衡塊相碰，沿活塞銷方向?qū)N座以下裙部切除。這樣，還可降低摩擦阻力和減輕重量。這種活塞也稱鞍形活塞或拖鞋形活塞?；钊捎谘馗叨确较蚴軣岵煌蛎浟恳嗖煌?，因此，常將活塞制成上、下直徑不一的錐形。

 

圖1  活塞結(jié)構(gòu)圖

圖2  活塞銷三維建模圖

 

二、活塞損傷的原因

 

      活塞作為柴油機的重要運動件之一，它所處的工作條件相當嚴酷，即高溫、高負荷、高速運動、潤滑不良和冷卻困難等，使其成為柴油機改進的重大障礙之一。隨著柴油機技術(shù)水平的提高，高速大負載柴油機的研制和運用，使活塞處于一個更嚴酷的工作環(huán)境中，活塞就不可避免的成為柴油機強化的首要障礙。柴油機在運轉(zhuǎn)時，活塞工作在高負荷環(huán)境中。首先，活塞受氣體壓力、慣性力和側(cè)向力的作用，氣體壓力和慣性力的方向和大小都是變化的，這就引起了活塞內(nèi)應(yīng)力的極度不均勻，容易引起材料的疲勞破壞。其次，活塞在徑向和高度方向上的受熱不均勻，引起內(nèi)部附加極大的熱應(yīng)力，這也是活塞疲勞破壞的主要原因之一。

      此外，活塞的不同部位還承受著局部力的作用，受力區(qū)域如圖3所示。活塞環(huán)岸作用著氣體壓力和活塞的慣性力，活塞在上止點搖擺使活塞上下邊緣遭到?jīng)_擊。而且由于活塞形狀復(fù)雜，各部分金屬分布不均勻，在不同的直徑方向，活塞的剛度是不同的，在不同的剛度之間，軸線方向上，活塞的熱變形和熱應(yīng)力是不同的，活塞的受力和內(nèi)應(yīng)力也是極度不均勻的。也就導致活塞的加速損壞。

1、活塞頂部燒蝕的原因

       活塞燒蝕呈現(xiàn)在活塞頂部，輕者有疏松狀麻坑，重者有局部燒熔現(xiàn)象?；钊斆鏌g將導致高溫燃氣竄入曲軸箱，加速潤滑油的氧化變質(zhì)、氣缸密封性變差、壓縮比下降、燃油燃燒過程變壞、柴油機的動力性和經(jīng)濟性下降;嚴重時活塞開裂破碎，損壞缸套、連桿、曲軸、機體等零部件。

      活塞頂部燒蝕的原因主要是不正常燃燒造成的，使頂部接受過多熱量或者是活塞環(huán)卡死和斷環(huán)故障之后再大負荷情況下運轉(zhuǎn)而燒頂?shù)摹．敾钊鋮s不良時，在活塞頂上如噴嘴油束對應(yīng)區(qū)域，以及頂部突出的形狀如活塞頂部W形凹坑等處產(chǎn)生局部過熱，當溫度超過一定值后，金屬表面出現(xiàn)燒蝕。燒蝕較輕的活塞，允許繼續(xù)使用，燒蝕嚴重時必須更換。

2、配合間隙不當

      配合間隙不當主要原因是由于新機裝配不當或舊機維修不當引起的?；钊c氣缸的配合間隙應(yīng)嚴格按照柴油發(fā)動機使用說明書的規(guī)定配合，間隙過大，會使柴油發(fā)動機冷起動困難，冷機時會發(fā)出敲缸聲，同時功率下降。間隙過?。ㄈ鐖D4所示），則會引起拉缸、脹缸等故障。

 

圖3  氣缸磨損現(xiàn)象原理圖

圖4  活塞與氣缸的配合間隙過小

 

3、活塞外表面磨損的原因

      活塞裙部是起導向作用的，活塞裙部與缸壁間的磨損是不可避免的，隨著使用時間的增長，二者間隙不斷增大，當大到一定程度，將出現(xiàn)敲缸現(xiàn)象。磨損原因就是材質(zhì)不好，熱膨脹系數(shù)太高，高溫的情況下造成漲缸。這個部位是飛濺式潤滑的，機油好壞也是關(guān)鍵。長時間高溫高速的情況下應(yīng)該讓柴油機適當?shù)匦菹⒗鋮s。在選配活塞銷時，若銷與銷孔配合過盈太大，活塞在氣缸里工作時會出現(xiàn)反橢圓現(xiàn)象，同樣會引起敲缸和竄機油等現(xiàn)象的發(fā)生。

4、活塞環(huán)槽磨損的原因

      活塞環(huán)槽磨損主要是由于環(huán)槽中相對運動引起的；其次是燃燒室高溫使活塞頭和環(huán)槽變形，材料性能下降，環(huán)與環(huán)槽之間的油膜破壞，環(huán)槽磨損更加嚴重。磨損現(xiàn)象如圖5所示。

      環(huán)槽磨損使其與環(huán)的配合間隙增大，活塞環(huán)的密封性下降，產(chǎn)生漏氣、壓縮壓力和爆發(fā)壓力性能降低和進入環(huán)背面燃氣增多，高壓燃氣將環(huán)壓向缸壁致使環(huán)容易折斷。環(huán)槽磨損使環(huán)槽截面形狀由矩形變?yōu)樘菪位虺霈F(xiàn)磨臺，且以第一、二道環(huán)槽為重為快，一般活塞環(huán)槽的磨損量在0.01mm/kh以內(nèi)為正常。

5、活塞裂紋和破裂的原因

（1）活塞頭觸火面裂紋現(xiàn)象

      活塞頭觸火面產(chǎn)生裂紋是指在活塞頂面產(chǎn)生的徑向或圓周向裂紋、起吊孔邊緣裂紋及第一道環(huán)槽根部裂紋。

      活塞頭部裂紋主要是熱應(yīng)力引起的，同時還有機械應(yīng)力的作用。柴油機運轉(zhuǎn)時，活塞頂部溫度分布不均勻。頂面中央或邊緣溫度最高，鑄鋼活塞可達450℃；鋁活塞可達300~375℃，頂面冷卻側(cè)及第一道活塞環(huán)槽的溫度一般在200左右。在正常工作條件下，活塞頭部各處存在著溫差應(yīng)力和高壓燃氣作用的機械應(yīng)力等，而且這些應(yīng)力又都是周期性的；當噴油定時不正，燃油霧化不良或火焰接觸活塞頂面時就會造成局部過燃，引起過大的熱應(yīng)力；當柴油機超負荷運轉(zhuǎn)或活塞頂部冷卻不充分時也會引起熱應(yīng)力。過大的熱應(yīng)力會引起裂紋。柴油機頻繁啟動，停車也會引起熱疲勞裂紋。

（2）活塞冷卻側(cè)裂紋現(xiàn)象

      活塞頂面裂紋還會因為冷卻不充分，活塞頂面散熱不良所致。例如水冷活塞冷卻側(cè)結(jié)垢嚴重或活塞頂面積碳嚴重時就會使活塞局部過熱，導致裂紋。通常，結(jié)垢層或積碳層超過0.5mm時，加強冷卻水的定時處理等維修保養(yǎng)工作。活塞頂面的起吊孔邊緣和第一道環(huán)槽根部就會因應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋。

（3）活塞銷孔裂紋現(xiàn)象

      活塞銷孔裂紋現(xiàn)象如圖6所示。由于活塞銷彎曲、剛度不足或銷座順應(yīng)性不良，將在活塞銷孔內(nèi)端出現(xiàn)應(yīng)力集中，引起疲勞裂紋。裂紋從銷孔上表面開始，并沿著銷座的縱向平面延展。在使用中出現(xiàn)這種損傷，往往是由于活塞和活塞銷的材質(zhì)、制造或裝配不當造成的。 

 

圖5  活塞環(huán)槽檢查

圖6  活塞銷孔破裂現(xiàn)象

 

三、活塞技術(shù)狀態(tài)檢測

 

    在換用新活塞時，一些維修工不是根據(jù)活塞的磨損程度來決定，而是在更換汽缸套時便將活塞報廢。其實這是一種偷懶和浪費行為，正確做法是在處理決定前，應(yīng)對活塞作詳細的檢查再決定是否更換活塞。首先用觀察法檢查活塞有無嚴重的機械損傷，如裂紋、環(huán)槽塌邊、擋圈溝槽崩落及工作表面是否有深的刮痕等，然后再作以下檢查。

1、活塞頂部燒蝕檢測方法

      活塞頂部燒蝕的程度可用活塞頂部樣板和塞尺進行測量。測量時，將樣板置于活塞頂部，用塞尺測量樣板與活塞頂部之間的最大間隙t 。測量時，還應(yīng)使樣板繞活塞軸線轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)45º角測量一次，取其中最大值t 。當t超過15mm時應(yīng)換新活塞。

2、活塞外表面的檢測方法

      活塞裙部外表面磨損后，裙部直徑減小，活塞與氣缸的間隙增大；橫截面產(chǎn)生圓度誤差、縱截面產(chǎn)生圓柱度誤差，這些都直接影響活塞的工作性能和柴油機的功率。用外徑千分尺、游標卡尺測量活塞的上部、中部和裙部的外徑，如圖7所示。測量每一測量點的橫截面上互相垂直的兩個之間：首尾方向和左右舷方向。將測量值記錄在表格中，計算出每個橫截面的圓度、縱截面的圓柱度，以其中最大值與說明書或標準比較，以確定活塞的磨損程度。

3、活塞環(huán)槽磨損的檢測方法

      環(huán)槽磨損程度是利用樣板和塞尺測量環(huán)槽高度的變化來確定的。樣板是以新活塞的環(huán)槽高度為準制作的，也可以用一只新活塞環(huán)作為樣板。測量時，將樣板水平插入環(huán)槽并緊貼環(huán)槽下端面，用塞尺測量環(huán)與環(huán)糟上端面之間的距離，即活塞環(huán)與環(huán)槽的配合間隙，如圖8所示。測量值與說明書比較，當測量值超過極限值時，說明環(huán)槽嚴重磨損，應(yīng)予以修復(fù)。

4、活塞裂紋和破裂的檢測方法

      活塞頂面冷卻側(cè)、筒狀活塞的活塞銷座處產(chǎn)生裂紋是很常見的，主要是由于過大的機械應(yīng)力引起的，同時還會由于設(shè)計不良、材質(zhì)不佳和毛坯制作缺陷等在這些部位存在應(yīng)力集中而加速裂紋的產(chǎn)生。

     活塞裂紋可通過觀察或者著色探傷進行檢查。鋼質(zhì)。鋁質(zhì)活塞的頂部裂紋較輕，可采用焊補工藝修理，鋼質(zhì)活塞頂部裂紋嚴重時采用局部更換。活塞環(huán)槽根部裂紋、活塞上穿透性裂紋及無法修理的冷卻側(cè)裂紋則應(yīng)將及時更換。

5、活塞銷座孔的檢查

      與缸套的檢查相似，用內(nèi)徑千分表在兩邊銷孔長度上各取兩個截面，在每個截面上取互相垂直的兩個方向（即上下受力方向與水平方向）位置，然后計算出圓度和圓柱度。

 

圖7  用千分尺檢測活塞外徑

圖8  活塞環(huán)間隙測量示意圖

 

總結(jié)：

      柴油發(fā)電機活塞的功用是承受燃氣燃燒所釋放的爆發(fā)壓力，并將此壓力通過活塞銷、連桿、曲軸和飛輪對外做功。同時還具有封閉汽缸，形成燃燒室，吸入、壓縮和排出氣體，傳出部分熱量，以及將活塞的側(cè)向力傳給汽缸壁等功能?；钊敳颗c高溫高壓氣體直接接觸，活塞在汽缸中做高速往復(fù)運動，潤滑條件差，是柴油發(fā)電機最容易損壞的零件之一。我們需要對活塞有一個初步的認知，知道它的結(jié)構(gòu)特點與功用，了解活塞常見損傷的特點，以及如何正確判斷活塞是否可以繼續(xù)使用，并要對活塞損壞的原因進行分析，以免相同的故障再次發(fā)生。

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