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活塞环的常见磨损形式、间隙和弹力检测方法
发布时间:2022-06-19 16:52:26  ▏阅读:

 

故障检查与技术维护

柴油发电机组活塞环的常见磨损形式和三隙检验

 

 摘要:活塞环在高温高压和高速的条件下工作,第一道活塞环的工作条件最为困难,长期以来,活塞环一直是发动机上使用寿命最短的零件。 活塞环工作时受到气缸中高温高压燃气的作用,温度很高,第一道活塞环的温度高达600K;活塞环在气缸内随活塞一起作高速运动,加上高温下机油可能变质,使环的润滑条件变坏,难以保证良好的润滑,如果使用、维护及装配不当,常造成活塞环损坏,直接影响柴油发电机的使用可靠性和寿命。

 

一、活塞环组合

 

      由两个活塞环叠合在一起构成的组合式活塞环,两活塞环的各自截面分别为梯形,其斜面处叠合后的整体截面为方形,两活塞环的开口错位叠合;其一表面镀铬处理改善耐磨性能,另一个由于不断磨损且可补偿磨损造成的侧隙变化,从而延长活塞环的使用寿命。

1、活塞环组合要求

      活塞环的组合结构如图1所示,在强化发动机中特别重要,一般要求如下:

(1)第一环要加倍强化,因为它工作条件最差,对窜气、窜油均有重大影响。第一环要求避免发生逆倒角的情况。

(2)中间环的情况在二冲程和四冲程柴油机中是不同的。二冲程柴油机的第二环,甚至全部压缩环与第一环都是相似的。这是因为二冲程的活塞环经过气口时,工作条件不利。四冲程柴油机的第二环的工作条件不很厉害,尺寸多较第一环薄一些。在高速发动机上主要还是防窜油的作用,端面要求贴合承压,为此,多要求扭曲环,对高增压高平均有效压力的发动机上,第二环有采用高强度材料的趋向。

(3)在高速发动机中由于要缩短活塞长度,油环一般趋向于用一个,此时强化油环结构是有必要的。

(4)在目前强化发动机中不论油环、或压缩环,均要起密封和刮油双重作用,所以在组合时要考虑它们之间的配合。

 

组合式活塞环开口间隙示意图.png

图1  组合式活塞环开口间隙示意图

柴油机活塞环密封原理图.png

图2  柴油机活塞环密封原理图

 

2、活塞环数目

      不同结构和功能的活塞环通过适当的结合,安装在活塞各环槽内,以适应不同的用途。活塞环数目实际上是按照发动机的型式,缸径大小和转速高低等不同情况来确定。

3、环的安排

      四冲程发动机,有压缩环(气环)和油环。绝大多数都放在活塞销座以上的位置,压缩环在上,油环在下。有时为了加强刮油效果,也常把一个油环放在活塞销座以下的裙部上。气环在自由状态下的外圆直径略大于气缸直径,随活塞装入气缸后便产生弹力而紧贴在气缸壁上,形成第一密封面,使气体不能从活塞环外圆表面与缸壁之间通过,因而当少量气体窜入环槽内,形成背压力作用在活塞环的背面,加强了第一密封面的密封作用。同时,将活塞环向下压紧环槽下端面,形成第二密封面,使其密封性能显著提高(图2)。气缸内的燃气漏入曲轴箱的主要通路是活塞环的切口。一般将2~3道气环的切口相互错开形成“迷宫式”封气装置,用以对气缸中的高压燃气进行有效的密封。

4、环肩厚度

      环肩(岸)厚度就是活塞环径向厚度,在铝合金活塞中大都和活塞环的高度相等,如图3所示。在铸铁或钢活塞中取值1~1.2mm,高速发动机通常为3~5mm。为保证活塞环槽间隙壁的静力强度和疲劳强度,环肩槽根部的圆角半径R不应小于0.4~0.5mm。活塞环槽隔壁的外圆边沿圆角R=0.2~0.3mm。活塞环背上必须制出倒角(1.2~0.4)mm×45°,以保证和环槽的正确配合。

5、环槽

(1)环和环槽的背面间隙计算

气环有效背隙=0.003d+0.25(mm)

油环有效背隙=0.003d+0.75(mm)

      油气环具有双重作用,通常按气环选用背隙。背隙位置如图4所示。

(2)活塞环槽直径计算

槽底直径=d-(2α+0.006 d+0.50)(mm)

槽底直径=d-(2α+0.006 d+1.50)(mm)

式中,α—活塞环径向厚度,mm;d—气缸直径或环的公称直径,mm。

(3)侧面间隙

      刮油环与气环通常按相同的侧面间隙,侧隙位置如图4所示。

6、活塞环槽护圈

      铝合金活塞的环槽,特别是第一环槽,由于承受高温高压气体的作用,其材料硬度显著降低,变得不耐磨。为了提高环槽的耐磨性,可在第一环槽(有时包括第二环槽)上镶嵌上各种形状的耐热护圈。为了避免环槽镶圈在运动时发生松动,以及防止中间产生龟裂、剥落,要求使用热膨胀系数与合金相近的材料。一般采用镍奥氏体铸铁或锰奥氏体铸铁。

      环槽护圈大部分都用于铸铝活塞中。通常应用A1-Fin法的结合工艺,其工艺过程是:将环槽护圈喷丸、清洗、去油迹锈斑及烘干后,放入加热铝槽中渗铝,渗铝厚度约为0.001~0.005mm,然后放在铝活塞铸模中与铝活塞一起浇铸。预先渗铝,使护圈和活塞材料依靠互相扩散形成金属分子结合(中间层系多种化合物,其主体为FeAl,中间层厚度约为0.02~0.03 mm),防止两种金属接合面剥离。

      采用铸铝活塞的强化柴油机,也可以采用护圈,但需将护圈表面做得粗糙,形成许多坑,以使活塞在铝合金和护圈之间形成牢固的机械结合。缸径大于100mm的高速柴油机已被广泛采用,环槽寿命可提高3~10倍。

 

活塞环环肩(径向)厚度.png

图3  活塞环环肩(径向)厚度

柴油机活塞环间隙示意图.png

图4  柴油机活塞环间隙示意图

 

二、活塞环常见损坏和磨损

 

1、偏向磨损

(1)特点:

      活塞环上下端面与环槽的磨损较小,单侧或在圆周面上有厚度不均匀磨损;活塞环滑动面上因粘着磨损而产生纵向划痕;活塞环与活塞顶部有窜气的痕迹。

(2)原因:

      活塞在气缸中的位置不正。其主要影响因素有:新机或大修后的柴油发电机磨合不足;气缸套因受热不均而局部变形以及气缸套装入缸体位置不正;连杆弯曲、扭曲严重;曲轴轴向间隙过大等。

2、过度磨损

(1)特点:

      活塞环上下端面有周向划伤且磨损严重,活塞环发乌;滑动面四周有细小的纵向划痕;油环及活塞环槽回油孔周围有大量油泥。

(2)原因:

      造成活塞环过度磨损的直接原因是运行管理以及维护、保养不当。主要影响因素有:空气滤清器滤清质量差;润滑油型号不合要求、严重污染,润滑不良;燃料中有水或杂质较多;喷油器喷油质量差;柴油发电机经常在大负荷、低温状态下工作。

3、工作面擦伤

(1)特点:

      活塞环单侧或周向接触面上有纵向沟槽;接触面发生金属剥离以及纵向大面积严重划伤。工作面擦伤与粘环现象往往同时存在。

(2)原因:

      造成活塞环擦伤的直接原因是活塞环与气缸间的油膜遭到破坏,主要影响因素有:活塞与气缸配合间隙过小;柴油发电机长期在高温状态下工作;装配气缸套或紧定缸盖的方法不当而引起气缸套变形;润滑油不足或污染严重;柴油发电机不正常燃烧。  

4、折断

(1)特点:

      第一道气环以及油环断裂较多;活塞环工作面有条纹状拉痕现象;断口经常发生在开口两侧的高位区。

(2)原因:

      造成活塞环断裂有环本身质量的原因,也有其他原因。主要影响因素有:柴油发电机工作过热,因热膨胀致使开口端相碰造成折断;过度磨损、偏磨;选用的机油粘度过小或过大;活塞环选配、安装方法不正确;活塞环与气缸之间的配合间隙过小。

5、活塞环黏结

(1)特点:

      活塞环与活塞环槽处有大量的油泥、积炭和胶质、活塞环滑动面上呈现擦亮的光泽;活塞环弹力不足,尤其是气环更为严重;活塞环滑动面上有纵向严重划痕。

(2)原因:

      造成粘环的直接原因是活塞环被油泥堆积物、积炭黏结、以及活塞环变形卡滞所致,其主要影响因素有;活塞环及环槽严重变形,活塞环侧隙、背隙过小,使环卡死在环槽内;柴油发电机过热或经常超载工作,使润滑油产生高温胶质;润滑油污染严重、润滑油质量差、润滑油上窜;喷油器喷油质量差及经常爆燃等。

 

三、活塞环质量的检验

 

      活塞环的三隙是指端隙、侧隙和背隙。一般来讲,活塞环的三隙是上环大于下环,柴油机环大于汽油机环。在检验活塞环的三隙前,应先检查其包装情况以确定其安装的部位,因为有的发动机的活塞环是以包装的纸色标记识别,有的则以每一缸的活塞环按顺序包装,即使结构相同的活塞环也不能弄混,因为环的安装位置不同,其三隙也不相同。

1、活塞环端隙

      活塞环端隙是指活塞环置于的气缸内,在环的开口处呈现的间隙,也就开口间隙。端隙过大,影响气缸的密封性;端隙过小,活塞环受热膨胀易卡死在气缸内。检测方法有两种,具体如下:

(1)如图5所示,将活塞环从柴油机气缸内拆卸出来,然后用游标卡尺两卡爪分别卡在活塞环两端口进行测量。

(2)测量活塞环端隙时,用活塞将活塞环推入气缸内,使活塞环的平面与气缸口面平行,然后用塞尺测量活塞环的端隙,如图6所示。若端隙大于规定值,应另选活塞环;若小于规定值,可对环口一端加以锉修。锉削时应注意只能锉修一端环口,环口应平整,并应边锉边量。然后去掉毛刺,以防止刮伤气缸。

 

活塞环开口间隙检测.png

图5  活塞环开口间隙检测

活塞环端隙测量图-柴油发电机组.png

图6  活塞环端隙测量图

 

2、活塞环侧隙

      活塞环侧隙即活塞环在环槽内的上下间隙。侧隙过大将影响活塞环的密封作用;过小则可能使活塞环卡死在环槽内,造成拉缸现象。检查时,将活塞环放入环槽内,用塞尺按图7所示的方法测量。其经验方法是∶活塞环在其槽内,能沿槽转动自如,且无松旷感觉为宜。侧隙过大需重新更换;侧隙过小,可将活塞环放在平板的砂布上研磨。

3、活塞环背隙

      活塞环背隙是指活塞环装入气缸后,活塞环背面与活塞环槽底部之间的间隙。为了测量方便,通常以槽深和环宽之差表示。背隙的作用是建立背压,储存积炭和防止活塞工作时膨胀过大挤断活塞环而设置的。测量时,将环落入环槽底,再用深度游标卡尺测出环外圆柱面沉入环岸的数值,该值一般为0~0. 35mm。背隙过小,应更换活塞。

4、活塞环上下端面平行度的检查

      检测活塞环平面度主要靠目测,可持高倍放大镜观测活塞环的上、下平面(尤其是下平面)是否与活塞环槽有均匀贴合的印迹。如贴合极不均匀,存在明显断线或有断断续续现象,应予更换。若条件具备,可将活塞环放置在玻璃板上,持磁性百分表测头搁置在活塞环一平面上。百分表不动,将活塞环作顺时针或逆时针方向的缓慢转动,此时注意观察百分表指针的数值,若在0.02 mm以内,基本合格。倘若超过0.03 mm,则说明活塞环翘曲严重,是活塞环与环槽接触不均匀的主要原因,可在平板上研磨或更换新环。

5、检测活塞环弹力

      弹力测量仪由测定缸,被测活塞环,千分表,触头,触针,外加载荷,触针支架构成,其特征是被测活塞环安装在测定缸内,且被测活塞环的两个断面垂直测定缸的内圆面,触头与千分表构成一体,触头靠住被测活塞环的内圆面,以能加减载荷的触针靠住被测活塞环的外圆,一旦触头受被测活塞环内圆面挤压时千分表指针会摆动,此时在保持被测活塞环的变位量为定值的条件下,测定外加载荷的大小即表示被测活塞环上该点弹力的大小。

      没有专用测量仪测量环弹力时,可将在用活塞环(或新环)握在手掌心,并反复向里握,使环的两端口靠近数次后,如其自由开口间隙与试验前对比没有变化,即可判定合格。若相差10%以上,说明其弹力下降,应更换。

 

活塞环侧隙测量图-柴油发电机组.png

图7  活塞环侧隙测量图

活塞环弹力检查.png

图8  活塞环弹力检查

 

 总结:

      活塞环是柴油发电机的关键零部件之一,密封作用是活塞环的功能之一,密封不好产生燃油泄漏,引起压缩不足,功率下降,导致热功率下降,严重情况下漏气破坏了缸套与活塞之间的油膜,使之干摩擦易引起发动机拉缸故障,而活塞环间隙是影响活塞环密封程度好坏的关键因素之一,因此控制合理的活塞环的间隙是非常重要的。


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