故障檢修與技術(shù)維護

康明斯柴油發(fā)電機的活塞銷檢驗及修理

 

摘要：活塞是發(fā)動機中最重要的零部件之一，工作中要承受周期性熱負荷和機械負荷沖擊，活塞的工作狀態(tài)直接決定著發(fā)動機的使用壽命。高溫、高壓的工作環(huán)境使承載最大機械應(yīng)力的活塞銷孔部位面臨著更大的考驗?；钊N座部位工作溫度在200℃左右，活塞銷與活塞銷孔之間的磨擦還產(chǎn)生著高溫負荷。因此有必要對活塞銷進行檢查和維修。

 

一、活塞銷的作用和材料結(jié)構(gòu)

 

       活塞銷是裝在活塞裙部的圓柱形銷子，其中部穿過柴油發(fā)電機連桿小頭孔，用來連接活塞和連桿，把活塞承受的氣體作用力傳給連桿。為了減輕重量，康明斯柴油發(fā)電機的活塞銷一般用優(yōu)質(zhì)合金鋼制造，并作成空心。

1、活塞銷的功用及工作條件

      一般國內(nèi)使用的活塞銷孔內(nèi)會有臺階或者凹槽，還有一種是實心活塞銷。國外使用的活塞銷內(nèi)孔是直的。活塞銷用來連接活塞和連桿，并將活塞承受的力傳給連桿或相反?；钊N在高溫條件下承受很大的周期性沖擊負荷，且由于活塞銷在銷孔內(nèi)擺動角度不大，難以形成潤滑油膜，因此潤滑條件較差。為此活塞銷必須有足夠的剛度、強度和耐磨性，質(zhì)量盡可能小，銷與銷孔應(yīng)該有適當(dāng)?shù)呐浜祥g隙和良好的表面質(zhì)量。在一般情況下，活塞銷的剛度尤為重要，如果活塞銷發(fā)生彎曲變形，可能使活塞銷座損壞。

2、塞銷材料及結(jié)構(gòu)

      活塞銷的材料一般為低碳鋼或低碳合金鋼，如20、20Mn、15Cr、20Cr或20MnV等。外表面滲碳淬硬，再經(jīng)精磨和拋光等精加工。這樣既提高了表面硬度和耐磨性，又保證有較高的強度和沖擊韌性。

      活塞銷的結(jié)構(gòu)形狀很簡單，基本上是一個厚壁空心圓柱。其內(nèi)孔形狀有圓柱形、兩段截錐形和組合形。圓柱形孔加工容易，但活塞銷的質(zhì)量較大；兩段截錐形孔的活塞銷質(zhì)量較小，且因為活塞銷所受的彎矩在其中部最大，所以接近于等強度梁，但錐孔加工較難。

 

圖1 柴油機活塞銷立體結(jié)構(gòu)圖

圖2  柴油機活塞銷剖視結(jié)構(gòu)圖

 

3、活塞銷座孔

      活塞銷座孔的作用是安裝活塞銷，并將氣體的壓力傳給連桿?；钊N座孔位于活塞的中部，為厚壁圓筒狀結(jié)構(gòu)，通常有加強筋與活塞內(nèi)壁相連，以提高其剛度。兩座孔外端加工有卡環(huán)槽，用來安裝卡環(huán)，以限制活塞銷的軸向竄動。銷座孔有很高的加工精度，并且與活塞銷分組選配，以達到更高精度的配合，銷座孔的尺寸分組通常用色漆標(biāo)于銷座下方的外表面。為了銷座孔的潤滑，有些銷座上鉆有收集潤滑油的小孔。

 

圖3  康明斯活塞銷孔和活塞銷位置圖

圖4  柴油機活塞結(jié)構(gòu)示意圖

 

      隨著發(fā)動機性能的日益提高，活塞所承受的燃氣壓力和慣性力不斷增大，作為支承部分的銷孔負荷顯著增加，在最高燃燒壓力下，活塞銷軸和銷孔都會會發(fā)生彎曲變形，銷孔處的應(yīng)力分布主要取決于活塞銷與銷孔兩者之間的變形是否相適應(yīng)。理想的狀態(tài)是活塞銷與銷孔變形一致，這樣不會產(chǎn)生應(yīng)力集中。

      目前最佳解決方案還是通過改變銷孔的幾何結(jié)構(gòu)來改善應(yīng)力分布情況，降低銷孔內(nèi)側(cè)應(yīng)力集中，提高活塞的承載能力。

 

二、活塞銷的檢測和修理

 

      發(fā)動機在使用中有的會出現(xiàn)活塞銷異響的故障。如果活塞銷異響嚴(yán)重會損壞活塞銷襯套，加大連桿軸瓦和曲軸連桿軸頸的磨損，磨損到最嚴(yán)重時，會拉斷活塞銷或連桿頂部，打壞氣缸體，千萬不能等閑視之。

1、活塞銷磨損的測量

      測量柴油機活塞銷的磨損程度，應(yīng)用柴油發(fā)電機的專用工具千分尺進行測量。測量時要測三個部位：兩頭和中間。每一部位所測得的任意兩相互垂直直徑之差即為該部位的失圓度；三個部位上所測得的最大直徑與最小直徑之差即為錐形度；其失圓度及錐形度一般不應(yīng)大于0.005mm。活塞銷的檢查項目有活塞外徑的測量和活塞銷孔的測量。

（1）活塞銷的外徑測量。

（2）測量每個活塞的銷孔直徑。

（3）計算活塞銷與活塞銷孔的間隙，必要時更換活塞或活塞銷。

2、修復(fù)

（1）磨損檢驗

      當(dāng)徑向磨損大于0.5mm時，必須更換。當(dāng)徑向磨損小于0.5mm時，可采用鍍鉻或鐓粗的方法修復(fù)（鐓：沖壓金屬板使其變形，不加熱叫冷鐓，加熱叫熱鐓）。

（2）活塞銷裂紋檢驗

      方法是先將活塞銷清洗干凈，然后用放大鏡觀察，必要時可用磁力探傷法檢查。如有裂紋、表面脫落或銹蝕嚴(yán)重等均應(yīng)更換。

3、活塞銷與銷座孔的修配

      活塞銷除標(biāo)準(zhǔn)尺寸外，還有四級加大修理尺寸：+0.08mm、+0.12mm、+0.25mm、+0.20mm。選配時應(yīng)根據(jù)銷孔磨損以后的內(nèi)徑，選用近似于內(nèi)徑的加大活塞銷（一般比銷孔的內(nèi)徑大0.025一0.05mm）。如選用最大一級的加大活塞銷配合時仍感松曠，則應(yīng)重選活塞。柴油發(fā)電機大修時，因選配的活塞是新的，因此活塞銷應(yīng)選配標(biāo)準(zhǔn)的，以便給小修時留有更換的余地。新選配的活塞銷錐形度和失圓度應(yīng)不超過0.005mm，表面粗糙度不低于0.16～0.32μm，對多缸柴油發(fā)電機而言，各缸的活塞銷質(zhì)量相差不得超過10g。活塞銷與銷座孔，在常溫（15一25℃）下，應(yīng)有0.025mm，的過盈量。

4、活塞銷與銷座孔的技術(shù)要求

      在常溫下應(yīng)有微量過盈（一般為0.025、0.04mm），加溫到75、85℃時又有微量間隙，使活塞銷能在銷座孔內(nèi)轉(zhuǎn)動，而冷卻后，活塞裙部橢圓變形，即長軸縮短（與活塞銷軸線相垂直方向）、短軸伸長（活塞銷軸線方向），其變化均不應(yīng)超過0.04mm。這一點，是活塞銷與銷座孔修配的關(guān)鍵。若配合太緊，機油進不去，使活塞銷的潤滑變壞，加劇磨損，甚至?xí)a(chǎn)生卡缸現(xiàn)象；若配合太松，會使活塞銷在活塞往復(fù)運動中撞擊活塞和連桿襯套，磨損加劇，嚴(yán)重時會出現(xiàn)活塞銷折斷或竄出，造成事故。

      接觸面積不小于75％。這是因為接觸面積太小，單位面積承受載荷上升，加速磨損，影響松緊度，機器壽命下降。活塞銷與銷座孔的配合，是通過對活塞銷座孔的搪削或鉸削完成的。餃削銷座孔時，應(yīng)選用長刃鉸刀，使兩個銷座孔能同時進行鉸削，以保證兩孔的同心度。

 

圖5  活塞銷外徑檢查

圖6  活塞銷孔示意圖

 

三、活塞銷裂紋檢修案例

 

1、原因分析

      某柴油機故障案例中，該活塞銷的裂紋貫穿整個活塞銷試樣，在活塞銷的中間內(nèi)孔中和邊緣的油孔中均存在大小不一的裂紋，最長的裂紋幾乎貫穿了活塞銷的整個內(nèi)表面。將最長的裂紋沿縱向打開，該裂紋為明顯的疲勞裂紋，疲勞裂紋源在油孔內(nèi)表面上，并以此為圓心呈貝文線狀向中心孔擴展。疲勞擴展區(qū)較大，為明顯的疲勞裂紋擴展形式。垂直于裂紋經(jīng)線切割取樣，試樣經(jīng)拋光后的裂紋形態(tài)長約2.6 mm，尾部尖銳，為明顯的淬火裂紋。

2、金相檢驗

      沿試樣芯部縱向磨削拋光后，在顯微鏡下觀察，其非金屬夾雜物級別根據(jù)GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物顯微評定方法》，評為A2.0，B0，CO，D0。對試樣經(jīng)4%的硝酸酒精溶液浸蝕后，裂紋源處金相組織如圖4所示。裂紋處無脫碳，裂紋處金相組織為馬氏體+少量鐵素體。

      試樣表面組織為馬氏體，表面無脫碳。試樣基體組織為索氏體+鐵素體。對試樣進行磨拋再經(jīng)4%的硝酸酒精溶液浸蝕后，裂紋處無脫碳，裂紋處金相組織均為索氏體+鐵素體。經(jīng)檢測，活塞銷表面滲碳層組織為回火馬氏體，晶粒度較細。

3、硬度檢測

      經(jīng)檢測，活塞銷表面滲碳層有效硬化層深1.59 mm，表面硬度為：HRC59、HRC59、HRC60，在技術(shù)要求規(guī)定的HRC58～63之內(nèi)。

4、分析與探討

（1）鋼中非金屬夾雜物檢測表明，主要夾雜物為A類(硫化物類)，但級別較高，說明活塞銷的材質(zhì)不良。

（2）該活塞銷的開裂為疲勞裂紋擴展所造成的，疲勞裂紋源于內(nèi)孔的內(nèi)表面。

（3）該活塞銷裂紋處無明顯的氧化脫碳現(xiàn)象，并且活塞銷內(nèi)孔的裂紋細長、尾部尖銳，因此該裂紋為典型的淬火裂紋。

 

總結(jié)：

      活塞銷是氣缸總成的一個關(guān)鍵連接件，是裝在活塞裙部的圓柱形銷子。它的中部穿過連桿小頭孔，用來連接活塞和連桿，其作用是把活塞承受的氣體作用力傳給連桿，或使連桿小頭帶動活塞一起運動。因此在設(shè)計活塞銷時，不僅要具有足夠強的機械強度和耐磨性，還要有較強的疲勞強度。

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