故障檢查與技術(shù)維護

柴油發(fā)電機組活塞環(huán)的常見磨損形式和三隙檢驗

 

 摘要：活塞環(huán)在高溫高壓和高速的條件下工作，第一道活塞環(huán)的工作條件最為困難，長期以來，活塞環(huán)一直是發(fā)動機上使用壽命最短的零件。 活塞環(huán)工作時受到氣缸中高溫高壓燃氣的作用，溫度很高，第一道活塞環(huán)的溫度高達600K；活塞環(huán)在氣缸內(nèi)隨活塞一起作高速運動，加上高溫下機油可能變質(zhì)，使環(huán)的潤滑條件變壞，難以保證良好的潤滑，如果使用、維護及裝配不當(dāng)，常造成活塞環(huán)損壞，直接影響柴油發(fā)電機的使用可靠性和壽命。

 

一、活塞環(huán)組合

 

      由兩個活塞環(huán)疊合在一起構(gòu)成的組合式活塞環(huán)，兩活塞環(huán)的各自截面分別為梯形，其斜面處疊合后的整體截面為方形，兩活塞環(huán)的開口錯位疊合；其一表面鍍鉻處理改善耐磨性能，另一個由于不斷磨損且可補償磨損造成的側(cè)隙變化，從而延長活塞環(huán)的使用壽命。

1、活塞環(huán)組合要求

      活塞環(huán)的組合結(jié)構(gòu)如圖1所示，在強化發(fā)動機中特別重要，一般要求如下：

（1）第一環(huán)要加倍強化，因為它工作條件最差，對竄氣、竄油均有重大影響。第一環(huán)要求避免發(fā)生逆倒角的情況。

（2）中間環(huán)的情況在二沖程和四沖程柴油機中是不同的。二沖程柴油機的第二環(huán)，甚至全部壓縮環(huán)與第一環(huán)都是相似的。這是因為二沖程的活塞環(huán)經(jīng)過氣口時，工作條件不利。四沖程柴油機的第二環(huán)的工作條件不很厲害，尺寸多較第一環(huán)薄一些。在高速發(fā)動機上主要還是防竄油的作用，端面要求貼合承壓，為此，多要求扭曲環(huán)，對高增壓高平均有效壓力的發(fā)動機上，第二環(huán)有采用高強度材料的趨向。

（3）在高速發(fā)動機中由于要縮短活塞長度，油環(huán)一般趨向于用一個，此時強化油環(huán)結(jié)構(gòu)是有必要的。

（4）在目前強化發(fā)動機中不論油環(huán)、或壓縮環(huán)，均要起密封和刮油雙重作用，所以在組合時要考慮它們之間的配合。

 

圖1  組合式活塞環(huán)開口間隙示意圖

圖2  柴油機活塞環(huán)密封原理圖

 

2、活塞環(huán)數(shù)目

      不同結(jié)構(gòu)和功能的活塞環(huán)通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合，安裝在活塞各環(huán)槽內(nèi)，以適應(yīng)不同的用途。活塞環(huán)數(shù)目實際上是按照發(fā)動機的型式，缸徑大小和轉(zhuǎn)速高低等不同情況來確定。

3、環(huán)的安排

      四沖程發(fā)動機，有壓縮環(huán)（氣環(huán)）和油環(huán)。絕大多數(shù)都放在活塞銷座以上的位置，壓縮環(huán)在上，油環(huán)在下。有時為了加強刮油效果，也常把一個油環(huán)放在活塞銷座以下的裙部上。氣環(huán)在自由狀態(tài)下的外圓直徑略大于氣缸直徑，隨活塞裝入氣缸后便產(chǎn)生彈力而緊貼在氣缸壁上，形成第一密封面，使氣體不能從活塞環(huán)外圓表面與缸壁之間通過，因而當(dāng)少量氣體竄入環(huán)槽內(nèi)，形成背壓力作用在活塞環(huán)的背面，加強了第一密封面的密封作用。同時，將活塞環(huán)向下壓緊環(huán)槽下端面，形成第二密封面，使其密封性能顯著提高(圖2)。氣缸內(nèi)的燃氣漏入曲軸箱的主要通路是活塞環(huán)的切口。一般將2～3道氣環(huán)的切口相互錯開形成“迷宮式”封氣裝置，用以對氣缸中的高壓燃氣進行有效的密封。

4、環(huán)肩厚度

      環(huán)肩（岸）厚度就是活塞環(huán)徑向厚度，在鋁合金活塞中大都和活塞環(huán)的高度相等，如圖3所示。在鑄鐵或鋼活塞中取值1～1.2mm，高速發(fā)動機通常為3～5mm。為保證活塞環(huán)槽間隙壁的靜力強度和疲勞強度，環(huán)肩槽根部的圓角半徑R不應(yīng)小于0.4～0.5mm?；钊h(huán)槽隔壁的外圓邊沿圓角R=0.2～0.3mm?；钊h(huán)背上必須制出倒角(1.2～0.4)mm×45°，以保證和環(huán)槽的正確配合。

5、環(huán)槽

（1）環(huán)和環(huán)槽的背面間隙計算

氣環(huán)有效背隙=0.003d+0.25（mm）

油環(huán)有效背隙=0.003d+0.75（mm）

      油氣環(huán)具有雙重作用，通常按氣環(huán)選用背隙。背隙位置如圖4所示。

（2）活塞環(huán)槽直徑計算

槽底直徑=d-（2α+0.006 d+0.50）(mm)

槽底直徑=d-（2α+0.006 d+1.50）(mm)

式中，α—活塞環(huán)徑向厚度，mm；d—氣缸直徑或環(huán)的公稱直徑，mm。

（3）側(cè)面間隙

      刮油環(huán)與氣環(huán)通常按相同的側(cè)面間隙，側(cè)隙位置如圖4所示。

6、活塞環(huán)槽護圈

      鋁合金活塞的環(huán)槽，特別是第一環(huán)槽，由于承受高溫高壓氣體的作用，其材料硬度顯著降低，變得不耐磨。為了提高環(huán)槽的耐磨性，可在第一環(huán)槽（有時包括第二環(huán)槽）上鑲嵌上各種形狀的耐熱護圈。為了避免環(huán)槽鑲?cè)υ谶\動時發(fā)生松動，以及防止中間產(chǎn)生龜裂、剝落，要求使用熱膨脹系數(shù)與合金相近的材料。一般采用鎳奧氏體鑄鐵或錳奧氏體鑄鐵。

      環(huán)槽護圈大部分都用于鑄鋁活塞中。通常應(yīng)用A1-Fin法的結(jié)合工藝，其工藝過程是：將環(huán)槽護圈噴丸、清洗、去油跡銹斑及烘干后，放入加熱鋁槽中滲鋁，滲鋁厚度約為0.001～0.005mm，然后放在鋁活塞鑄模中與鋁活塞一起澆鑄。預(yù)先滲鋁，使護圈和活塞材料依靠互相擴散形成金屬分子結(jié)合（中間層系多種化合物，其主體為FeAl，中間層厚度約為0.02～0.03 mm），防止兩種金屬接合面剝離。

      采用鑄鋁活塞的強化柴油機，也可以采用護圈，但需將護圈表面做得粗糙，形成許多坑，以使活塞在鋁合金和護圈之間形成牢固的機械結(jié)合。缸徑大于100mm的高速柴油機已被廣泛采用，環(huán)槽壽命可提高3～10倍。

 

圖3  活塞環(huán)環(huán)肩（徑向）厚度

圖4  柴油機活塞環(huán)間隙示意圖

 

二、活塞環(huán)常見損壞和磨損

 

1、偏向磨損

（1）特點：

      活塞環(huán)上下端面與環(huán)槽的磨損較小，單側(cè)或在圓周面上有厚度不均勻磨損；活塞環(huán)滑動面上因粘著磨損而產(chǎn)生縱向劃痕；活塞環(huán)與活塞頂部有竄氣的痕跡。

（2）原因：

      活塞在氣缸中的位置不正。其主要影響因素有：新機或大修后的柴油發(fā)電機磨合不足；氣缸套因受熱不均而局部變形以及氣缸套裝入缸體位置不正；連桿彎曲、扭曲嚴重；曲軸軸向間隙過大等。

2、過度磨損

（1）特點：

      活塞環(huán)上下端面有周向劃傷且磨損嚴重，活塞環(huán)發(fā)烏；滑動面四周有細小的縱向劃痕；油環(huán)及活塞環(huán)槽回油孔周圍有大量油泥。

（2）原因：

      造成活塞環(huán)過度磨損的直接原因是運行管理以及維護、保養(yǎng)不當(dāng)。主要影響因素有：空氣濾清器濾清質(zhì)量差；潤滑油型號不合要求、嚴重污染，潤滑不良；燃料中有水或雜質(zhì)較多；噴油器噴油質(zhì)量差；柴油發(fā)電機經(jīng)常在大負荷、低溫狀態(tài)下工作。

3、工作面擦傷

（1）特點：

      活塞環(huán)單側(cè)或周向接觸面上有縱向溝槽；接觸面發(fā)生金屬剝離以及縱向大面積嚴重劃傷。工作面擦傷與粘環(huán)現(xiàn)象往往同時存在。

（2）原因：

      造成活塞環(huán)擦傷的直接原因是活塞環(huán)與氣缸間的油膜遭到破壞，主要影響因素有：活塞與氣缸配合間隙過??；柴油發(fā)電機長期在高溫狀態(tài)下工作；裝配氣缸套或緊定缸蓋的方法不當(dāng)而引起氣缸套變形；潤滑油不足或污染嚴重；柴油發(fā)電機不正常燃燒。  

4、折斷

（1）特點：

      第一道氣環(huán)以及油環(huán)斷裂較多；活塞環(huán)工作面有條紋狀拉痕現(xiàn)象；斷口經(jīng)常發(fā)生在開口兩側(cè)的高位區(qū)。

（2）原因：

      造成活塞環(huán)斷裂有環(huán)本身質(zhì)量的原因，也有其他原因。主要影響因素有：柴油發(fā)電機工作過熱，因熱膨脹致使開口端相碰造成折斷；過度磨損、偏磨；選用的機油粘度過小或過大；活塞環(huán)選配、安裝方法不正確；活塞環(huán)與氣缸之間的配合間隙過小。

5、活塞環(huán)黏結(jié)

（1）特點：

      活塞環(huán)與活塞環(huán)槽處有大量的油泥、積炭和膠質(zhì)、活塞環(huán)滑動面上呈現(xiàn)擦亮的光澤；活塞環(huán)彈力不足，尤其是氣環(huán)更為嚴重；活塞環(huán)滑動面上有縱向嚴重劃痕。

（2）原因：

      造成粘環(huán)的直接原因是活塞環(huán)被油泥堆積物、積炭黏結(jié)、以及活塞環(huán)變形卡滯所致，其主要影響因素有；活塞環(huán)及環(huán)槽嚴重變形，活塞環(huán)側(cè)隙、背隙過小，使環(huán)卡死在環(huán)槽內(nèi)；柴油發(fā)電機過熱或經(jīng)常超載工作，使?jié)櫥彤a(chǎn)生高溫膠質(zhì)；潤滑油污染嚴重、潤滑油質(zhì)量差、潤滑油上竄；噴油器噴油質(zhì)量差及經(jīng)常爆燃等。

三、活塞環(huán)質(zhì)量的檢驗

 

      活塞環(huán)的三隙是指端隙、側(cè)隙和背隙。一般來講，活塞環(huán)的三隙是上環(huán)大于下環(huán)，柴油機環(huán)大于汽油機環(huán)。在檢驗活塞環(huán)的三隙前，應(yīng)先檢查其包裝情況以確定其安裝的部位，因為有的發(fā)動機的活塞環(huán)是以包裝的紙色標(biāo)記識別，有的則以每一缸的活塞環(huán)按順序包裝，即使結(jié)構(gòu)相同的活塞環(huán)也不能弄混，因為環(huán)的安裝位置不同，其三隙也不相同。

1、活塞環(huán)端隙

      活塞環(huán)端隙是指活塞環(huán)置于的氣缸內(nèi)，在環(huán)的開口處呈現(xiàn)的間隙，也就開口間隙。端隙過大，影響氣缸的密封性；端隙過小，活塞環(huán)受熱膨脹易卡死在氣缸內(nèi)。檢測方法有兩種，具體如下：

（1）如圖5所示，將活塞環(huán)從柴油機氣缸內(nèi)拆卸出來，然后用游標(biāo)卡尺兩卡爪分別卡在活塞環(huán)兩端口進行測量。

（2）測量活塞環(huán)端隙時，用活塞將活塞環(huán)推入氣缸內(nèi)，使活塞環(huán)的平面與氣缸口面平行，然后用塞尺測量活塞環(huán)的端隙，如圖6所示。若端隙大于規(guī)定值，應(yīng)另選活塞環(huán)；若小于規(guī)定值，可對環(huán)口一端加以銼修。銼削時應(yīng)注意只能銼修一端環(huán)口，環(huán)口應(yīng)平整，并應(yīng)邊銼邊量。然后去掉毛刺，以防止刮傷氣缸。

 

圖5  活塞環(huán)開口間隙檢測

圖6  活塞環(huán)端隙測量圖

 

2、活塞環(huán)側(cè)隙

      活塞環(huán)側(cè)隙即活塞環(huán)在環(huán)槽內(nèi)的上下間隙。側(cè)隙過大將影響活塞環(huán)的密封作用；過小則可能使活塞環(huán)卡死在環(huán)槽內(nèi)，造成拉缸現(xiàn)象。檢查時，將活塞環(huán)放入環(huán)槽內(nèi)，用塞尺按圖7所示的方法測量。其經(jīng)驗方法是∶活塞環(huán)在其槽內(nèi)，能沿槽轉(zhuǎn)動自如，且無松曠感覺為宜。側(cè)隙過大需重新更換；側(cè)隙過小，可將活塞環(huán)放在平板的砂布上研磨。

3、活塞環(huán)背隙

      活塞環(huán)背隙是指活塞環(huán)裝入氣缸后，活塞環(huán)背面與活塞環(huán)槽底部之間的間隙。為了測量方便，通常以槽深和環(huán)寬之差表示。背隙的作用是建立背壓，儲存積炭和防止活塞工作時膨脹過大擠斷活塞環(huán)而設(shè)置的。測量時，將環(huán)落入環(huán)槽底，再用深度游標(biāo)卡尺測出環(huán)外圓柱面沉入環(huán)岸的數(shù)值，該值一般為0～0. 35mm。背隙過小，應(yīng)更換活塞。

4、活塞環(huán)上下端面平行度的檢查

      檢測活塞環(huán)平面度主要靠目測，可持高倍放大鏡觀測活塞環(huán)的上、下平面（尤其是下平面）是否與活塞環(huán)槽有均勻貼合的印跡。如貼合極不均勻，存在明顯斷線或有斷斷續(xù)續(xù)現(xiàn)象，應(yīng)予更換。若條件具備，可將活塞環(huán)放置在玻璃板上，持磁性百分表測頭擱置在活塞環(huán)一平面上。百分表不動，將活塞環(huán)作順時針或逆時針方向的緩慢轉(zhuǎn)動，此時注意觀察百分表指針的數(shù)值，若在0.02 mm以內(nèi)，基本合格。倘若超過0.03 mm，則說明活塞環(huán)翹曲嚴重，是活塞環(huán)與環(huán)槽接觸不均勻的主要原因，可在平板上研磨或更換新環(huán)。

5、檢測活塞環(huán)彈力

      彈力測量儀由測定缸，被測活塞環(huán)，千分表，觸頭，觸針，外加載荷，觸針支架構(gòu)成，其特征是被測活塞環(huán)安裝在測定缸內(nèi)，且被測活塞環(huán)的兩個斷面垂直測定缸的內(nèi)圓面，觸頭與千分表構(gòu)成一體，觸頭靠住被測活塞環(huán)的內(nèi)圓面，以能加減載荷的觸針靠住被測活塞環(huán)的外圓，一旦觸頭受被測活塞環(huán)內(nèi)圓面擠壓時千分表指針會擺動，此時在保持被測活塞環(huán)的變位量為定值的條件下，測定外加載荷的大小即表示被測活塞環(huán)上該點彈力的大小。

      沒有專用測量儀測量環(huán)彈力時，可將在用活塞環(huán)（或新環(huán)）握在手掌心，并反復(fù)向里握，使環(huán)的兩端口靠近數(shù)次后，如其自由開口間隙與試驗前對比沒有變化，即可判定合格。若相差10％以上，說明其彈力下降，應(yīng)更換。

 

圖7  活塞環(huán)側(cè)隙測量圖

圖8  活塞環(huán)彈力檢查

 

 總結(jié)：

      活塞環(huán)是柴油發(fā)電機的關(guān)鍵零部件之一，密封作用是活塞環(huán)的功能之一，密封不好產(chǎn)生燃油泄漏，引起壓縮不足，功率下降，導(dǎo)致熱功率下降，嚴重情況下漏氣破壞了缸套與活塞之間的油膜，使之干摩擦易引起發(fā)動機拉缸故障，而活塞環(huán)間隙是影響活塞環(huán)密封程度好壞的關(guān)鍵因素之一，因此控制合理的活塞環(huán)的間隙是非常重要的。

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