|
性能特点和作用说明 |
柴油发电机活塞环对材料性能的技术要求 |
摘要：柴油发电机活塞环是具有弹性的金属开口圆环，按其功用不同可分为气环和油环两种。安装在活塞头部上端的是2、4道气环，下端的是1、2道油环。活塞环工作时受到气缸中高温、高压燃气的作用，温度较高（尤其是第一环，温度可达600K）。活塞环在气缸内做高速运动，加上高温下部分机油出现变质，使活塞环的润滑条件变差，难以保证液体润滑，磨损严重。由于活塞环是柴油发动机中工作环境恶劣、使用寿命最短的零件之一。因此，要求活塞环弹性好，强度高、耐磨损。
一、活塞环的结构和材质
活塞环是活塞与气缸之间的密封装置（如图1所示），它起到密封气缸的作用，防止燃烧室内燃气泄漏，同时也能保持活塞在气缸内的运动稳定。活塞环的结构复杂，由多个环组成，每个环都有其特定的功能和位置。活塞环通常由钢材制成，具有高强度和耐磨损的特点。活塞环的结构包括上环、中环和下环，它们分别安装在活塞环槽的不同位置。如图2所示，上环位于活塞环槽的最上方，中环位于上环和下环之间，下环位于活塞环槽的最下方。
1、气环
气环的功用是保证活塞与汽缸壁之间的密封，防止活塞上部的高压气体漏入曲轴箱。当密封不良时，压缩冲程中的气体漏出较多，使压缩终了的压力降低，对于柴油机会造成启动困难。高温燃气漏入曲轴箱还会使活塞温度升高，机油因受热而氧化变质。除密封作用外，气环还起传热作用。活塞顶部所吸收的热量，大部分要通过气环传给汽缸壁（因活塞头部并不接触汽缸壁），再由外部的冷却介质带走。
（1）工作原理
工作原理如图3所示。第一道气环除了随活塞沿汽缸壁作高速往复直线运动外，还受到高温和高压燃气的压力以及润滑条件差等因素的影响，从而使气环的力学性能降低，弹性下降，而且会引起润滑油的炭化，甚至可能造成拉缸和漏气。因此要求气环应有足够的弹力，才能使环的四周紧贴在汽缸壁上，这时高压燃气就不可能通过气环与汽缸壁之间的接触面漏出。而作用在环上端面的燃气，使环紧压在活塞环槽中，使下端面与环槽紧贴。进入环的内侧面与环槽之间的燃气，其压力向外，使环更加贴紧汽缸壁。因此利用气环本身的弹力和燃气的压力，即可阻止高压燃气的泄漏。
活塞环通常采用优质灰铸铁或合金铸铁制成。为了提高第一道气环的工作性能，提高其耐磨性，常在第一道气环的表面镀上多孔性铬层或钼层。近年来，第一道气环也有用球墨铸铁或钢制成的。在自由状态下，环的外径略大于汽缸直径，装入汽缸后，活塞环产生弹力压紧在汽缸壁上，开口处应保留一定的间隙（称为端隙或开口间隙，柴油机活塞环的开口间隙通为0.4~0.8mm)，以防止活塞环受热膨胀时卡死在汽缸中。活塞环装入环槽后，在高度方向也应有一定的间隙（称为侧隙，柴油机活塞环的侧隙通常为0.08~0.16mm）。当活塞环安装在活塞上时，应按规定将各环的开口处互相错开120°~180°，并且活塞环开口应与活塞销座孔错开45°以上，以防活塞环装入汽缸后产生漏气现象。
（2）气环的密封机理
封气原理如4所示。活塞环有一个切口，且在自由状态下不是圆环形，其外形尺寸比气缸的内径大些，因此，它随活塞一起装入气缸后，便产生弹力而紧贴在气缸壁上。活塞环在燃气压力作用下，压紧在环槽的下端面上，于是燃气便绕流到环的背面，并发生膨胀，其压力下降。同时，燃气压力对环背的作用力使活塞环更紧地贴在气缸壁上。压力已有所降低的燃气，从第一道气环的切口漏到第二道气环的上平面时，又把这道气环压贴在第二环槽的下端面上，于是，燃气又绕流到这个环的背面，再发生膨胀，其压力又进一步降低。
如此继续进行下去，从最后一道气环漏出来的燃气，其压力和流速已经大大减小，因而泄漏的燃气量也就很少了。因此，为数很少的几道切口相互错开的气环所构成的“迷宫式”封气装置，就足以对气缸中的高压燃气进行有效的密封。
2、油环
通常活塞上装有1~2道油环。采用两道油环时，下面一道多安装在活塞裙部的下端。无论活塞下行还是上行，油环都可以将气缸壁上多余的机油刮下来经活塞上的回油孔流回油底壳。目前广泛应用的是组合式油环。组合式油环通常由三个刮油钢片和两个弹性衬环组成，轴向衬环夹装在第二与第三刮油钢片之间，径向衬环使三片刮油钢片紧贴在气缸壁上。油环的作用如下：
（1）布油润滑∶将机油均匀地刮配到气缸壁上。
（2）刮油∶将多余的机油刮下，回流到油底壳。
（3）辅助密封∶辅助密封气体。
|
图1 柴油机活塞环零件图 |
图2 柴油机活塞环结构图 |
|
图3 柴油机活塞环工作原理 |
图4 活塞环的断面形状及各环间隙处的气体压力 |
二、活塞环一般技术要求
1、化学成分与金相
活塞环广泛使用各种牌号得铸铁。材质就是活塞环机械性能与使用寿命得基础，因此在规定范围内合理调整材料成分比例、严格控制造型与浇铸工艺来确保活塞环具有符合设计要求得最佳金相组织。金相组织结构如图5所示。
2、热处理
采用适当得热处理方法，以调整活塞环得金相组织及消除加工应力。
3、刚度
活塞环就是一个刚度差得弹性零件，加工时必须合理安排工艺流程、注意装夹方法，以保证加工时工件具有足够得刚度，达到尺寸、形状与粗糙度要求。
4、保护端面
活塞环两个端面就是重要得工艺基准面，也就是零件工作面，有较高得平度与粗糙要求。在加工流程中应注意清洁、保护端面、防止碰伤。
5 、型线设计
为保证活塞环具有合理得缸壁压力分布，采用恰当形状曲线凸轮，仿形制造模具及加工外圆面就是十分重要得。
6、 消除应力
活塞环应力曲线如图6所示。为保证形状精度要求，加工中应采取合理得刀具角度与切削量，以减少加工残留应力，并采用热处理方法消除应力。
7、性能与寿命
各种表面处理与处理前后得加工成为提高活塞环性能与寿命得重要工艺手段。
8、 加工设备与检测手段
由于活塞环形状结构得复杂性与多样化，尺寸精度又有较高得要求，同时生产批量一般较大，最好采用工序集中得高效率、高精度得自动与半自动专用设备以及检测手段。
|
图5 活塞环材料金相组织结构 |
图6 活塞环材料应力曲线图 |
三、活塞环材料要求和功能
1、性能要求
（1）强度
抗弯强度就是活塞环受力折断时得计算应力，它就是衡量强度高低得一个参数。活塞环在安装与工作中，均受着弯曲应力，如抗弯强度达不到一定得值，则易于折断。为适应发动机强化得发展，为了减少活塞环与缸壁摩擦所损耗得功率，在设计时，往往要求活塞环高度尽可能薄，但同时又要保证活塞环有足够得弹力，这就对材料提出更高得抗弯强度要求;同时，为防止折断，对材料得坚韧性亦也一定要求，所以采用抗弯强度比灰铸铁、大得多得球墨铸铁、半可锻铸铁、蠕墨铸铁等材料有发展趋势（见表1）。
表1 活塞环强度性能参数
|
种类
|
抗弯强度 MPa
|
|
单体铸造活塞环
|
392～450
|
|
筒体铸造活塞环
|
480～520
|
|
可锻、半可锻铸铁环
|
600~950
|
|
球墨铸铁环
|
900~1300
|
（2） 硬度
活塞环材料得硬度在一定程度上反映了材料得耐磨性。活塞环工作时，它与气缸壁摩擦面之间不可避免地会有夹杂物，尽管输入得油与空气均经过滤清，这些夹杂物仍然起着研磨剂得作用，形成磨料磨损。故需硬度高、抗磨料磨损能力强得材料，但硬度过高，不仅加工困难而且易于拉缸、同时，与其相匹配得气缸套，对硬度也提出了限制。因此，JB/T 51105—1999规定了硬度允许范围与同一片环得硬度差值，见表2。
表2 活塞环硬度性能参数
|
种类
|
硬度
|
同一片环上得硬度差
|
|
|
合金铸铁环
|
环直径≤150mm
环直径＞150mm
|
98~108HRB
94~105HRB
|
≤3HRB
|
|
可锻、半可锻铸铁环及球墨铸铁环
|
98~110HRB
|
按产品图样规定
|
|
|
钢环
|
经淬火、回火处理环
冷轧材料环
不锈钢环
|
400～580HV
≥367HV
按产品图样规定
|
≤40HV
|
2、活塞环的功能
（1）密封功能
如图7所示。在压缩和膨胀冲程，活塞环对由上而下的气体起密封作用，其中第一道环密封约80—90%的气体，第二道环密封约10—20%的气体，油环密封约5%的气体。
（2）导热功能
如图8所示。活塞上约70%的热量是经活塞环端面导入缸套的，其中，第一道及第二道环对导热起主导作用，从而确保活塞热平衡。
（3）控油功能
如图9所示。将飞溅或喷射到缸壁上的机油均匀地布在气缸壁上，并将多余的机油刮下，刮下的机油经活塞与缸套间隙、活塞油槽泄油孔回流至曲轴箱。其中油环控制约70—90%的机油，气环控制约10—20%的机油。
（4）支撑功能
如图10所示。活塞、活塞环作同步往复运动时，活塞对活塞环施加一较大的正压力，即往复惯性力。当曲柄连杆对活塞产生侧压力而欲使活塞偏摆时，活塞环因正压力作用对活塞施加一摩擦反作用力，从而对活塞起支撑作用。
|
图7 活塞环密封功能示意图 |
图8 活塞环导热功能示意图 |
|
图9 活塞环控油功能示意图 |
图10 活塞环支撑功能示意图 |
四、活塞环的性能计算
1、径向压力
活塞环在自由状态下不是圆形，其曲率半径沿环周各点是变化的，且大于气缸半径，只有当装入气缸后方成为正圆形。环装入气缸前的形状称为自由状态，环的自由状态决定环装入气缸后的径向压力分布。径向压力分布大致可分为：均匀分布（等压环）、梨形分布（高点环）和苹果型分布（低点环）三种。
（1）等压环
等压环从自由状态变到工作状态后，沿环周的径向压力是均匀分布，即P=const。等压环由于使用后磨损等原因，环周压力分布恶化，在开口处的径向压力急剧下降，所以使用寿命短，一般使用于二冲程中速发动机。
（2）高点环
高点环开口处的径向压力高于平均径向压力，可达3：1。能提高环开口端的减震能力，耐磨性和气密封好。现代高速四冲程柴油发动机广泛应用高点环。
（2）低点环
低点环主要用于二冲程柴油机和大型柴油机，开口处的径向压力低于平均径向压力，以防止环端跳入气口使环折断，或者是为了矫正热变形的影响，以保证均匀贴合。
2、工作状态下活塞环的闭口间隙
闭口间隙一般按GB/T1149选取，或按产品图纸要求而定，但最小间隙必须大于下式计算值。
S=πdαΔt(mm)....................（公式1）
式中：d—缸径，mm；
α—热膨胀系数，合金铸铁按α=1.1×10/℃；
Δt—温差，气环为100℃，油环为80℃
3、切向弹力
切向弹力是在环的切口处径向厚度中点上沿切线方向施加力，使环从自由开口尺寸压缩到闭口间隙时所需的力。尺寸系列的切向弹力值仅适用于平均弹性模量E=100000 N/mm材料（即非调质铸铁环）。镀铬或喷钼活塞环的切向弹力修正系数为推荐值的0.9倍。
Ft=｛E·h（m-S）/14.14(d/α-1)｝K·K1（kgf）....................（公式2）
式中：E—弹性模量，kgf/mm；
h—环高，mm；
m—自由开口，mm；
S—闭口间隙，mm；
d—缸径，mm；
α—径向厚度，mm；
K断面减弱系数；
K1—表面处理对弹力减弱系数。镀铬环一般取8%～11%，球铁环取8%，合金铸铁对铬层厚度小于0.12 mm，径向弹力小于3kgf的取11%，其余均取10%。
活塞环设计时，首先确定切向弹力，然后再决定环的自由开口尺寸。高速发动机活塞环设计通常用改变环的径向厚度方法来调节环的弹力。
4、平均比压
比压P是活塞环设计的重要参数之一，比压选择适合与否，将直接影响活塞环的密封性、摩擦损失、耐磨性。比压过高，磨损加剧导致缸套磨损严重；比压过低，环密封性差，最终导致烧机油，加剧磨损，抗振性差，易产生断环。一般选择原则：合金铸铁为1.5～2kgf/cm，球墨铸铁为1.5～2.5kgf/cm。
P=2 Ft/hd....................（公式3）
式中：h—环外圆面与气缸壁的接触高度，等于刮片数量与刮片高度的乘积，mm；
Ft—切向弹力，N；
d—缸径，mm。
5、自由开口尺寸
自由开口尺寸指在自由状态下，环开口两端径向中点的弦距。它的大小既要满足活塞环弹力的要求，又要满足工作应力和安装应力的要求，m值过大，工作应力较大，会造成较大的弹性消失，m值过小，会产生较大的安装应力造成断环，或过度变形失去圆度。
一般合金铸铁气环和整体油环m/d=13～14%，最大不超过16%；球铁环m/d=8～11%，最大不超过12%；内撑弹簧组合油环比相应平环小4-5mm。
6、活塞环的工作应力和安装应力
工作应力：
σ=｛E·α（m-S）｝/2.35（d-α）....................（公式4）
安装应力：
σ=｛Eα(8α-m)｝/2.35（d-α）....................（公式5）
式中：E—弹性模量，㎏f/mm；
α—径向厚度，mm；
m—自由开口尺寸，mm；
S—闭口间隙，mm；
d—缸径，mm。
按有关标准规定，合金铸铁σ＜25㎏f/mm，球墨铸铁σ＜40㎏f/mm，但实际σ值可大于上述值，合金铸铁为30㎏f/mm，球墨铸铁为50㎏f/mm。合金铸铁σ≤50㎏f/mm，球墨铸铁σ≤80㎏f/mm。
总结：
活塞环的密封作用能够减少气缸和活塞之间的泄漏，从而提高发动机的压缩比。在活塞的压缩行程中，活塞环紧密贴住气缸套壁，防止高压气体从气缸间隙中泄漏出去。这样能够提高气缸内的压力，增加燃烧室的压缩效果，使燃烧更加充分，提高燃油的利用率。同时，密封作用还可以防止润滑油从活塞上部溢出，减少摩擦和磨损，提高发动机的寿命。
----------------
以上信息来源于互联网行业新闻，特此声明！
若有违反相关法律或者侵犯版权，请通知我们！
温馨提示：未经我方许可，请勿随意转载信息！
如果希望了解更多有关柴油发电机组技术数据与产品资料，请电话联系销售宣传部门或访问我们官网：https://www.11fdj.com
- 上一篇：活塞销座孔的配合间隙检测和铰削要求
- 下一篇：发动机气缸盖有裂纹怎么修理
