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柴油机活塞环分类及作用
发布时间:2023-01-18 20:44:57  ▏阅读:

 

性能特点和作用说明

柴油机活塞环分类及作用

 

摘要: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。气环的作用是保证柴油发电机气缸与活塞间的密封性,防止漏气,并且要把活塞顶部吸收的大部分热量传给气缸壁,由冷却水带走;油环起布油和刮油的作用,下行时刮除气缸壁上多余的机油,上行时在气缸壁上铺涂一层均匀的油膜。这样既可以防止机油窜入气缸中燃烧掉,又可以减少活塞与气缸壁的摩擦阻力。此外,油环还能起到辅助封气的作用。

 

一、活塞环作用

 

      活塞环所处位置和参数示例如图1、图2所示。活塞环的主要作用有以下几个方面:

1、密封作用

      活塞环安装在活塞上,与气缸壁之间形成一定的密封间隙。当活塞在气缸内上下运动时,活塞环能够有效地密封活塞与气缸之间的间隙,防止燃烧室内的燃气和润滑油进入活塞与气缸之间,从而保证燃烧室的密封性能,提高发动机的工作效率。

2、导向作用

      活塞环能够起到引导作用,使活塞在气缸内的上下运动更加稳定。它们与气缸壁的摩擦力可以确保活塞在气缸内的轨迹准确无误,避免活塞偏离轨道,从而保证发动机正常运转。

3、冷却作用

      活塞环能够帮助将活塞上的热量传递给气缸壁,从而实现散热。活塞在工作过程中会受到高温燃气的冲击,如果没有活塞环的辅助散热作用,活塞可能会过热变形,甚至导致发动机故障。

4、减震作用

      活塞环能够减少活塞与气缸之间的冲击和振动,使发动机运行更加平稳。活塞在运动过程中会产生惯性力和压缩力,活塞环的存在可以减少这些力对气缸的冲击,降低发动机的振动和噪音。

 

活塞环部位示意图.png

图1  活塞环所在部位示意图

活塞环结构设计参数示意图.png

图2  活塞环结构设计参数示意图

 

二、气环结构和形状

 

      气环的功用是保证活塞与气缸壁之间的密封,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气缸壁(因活塞头部并不接触气缸壁),再由外部的冷却介质带走。

1、气环密封原理

      气环,特别是第一道气环,除了随活塞沿气缸壁做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气缸壁上,这时高压燃气就不可能通过气环与气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,使环更加贴紧气缸壁。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。

(1)第一密封面:

      如图2所示,活塞环在自由状态下,其外圆直径略大于汽缸内径,装入汽缸后,产生一定弹力F,与缸壁压紧,形成密封面。

(2)第二封面:

      活塞环与环槽侧面密封的压紧力是气体压力、惯性力和摩擦力代数和,在做功与压缩行程时,气体压力使活塞环被压紧在环槽下侧面形成第二封面。

2、活塞环材质

      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,环的外径略大于气缸直径,装入气缸后,活塞环产生弹力压紧在气缸壁上,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常为0.4~0.8mm),以防止活塞环受热膨胀时卡死在气缸中。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,以防活塞环装入气缸后产生漏气现象。

3、气环形状

      为了改善活塞环的工作条件,使活塞环与气缸更好地磨合,有些活塞环采用了不同的断面,在安装时要特别注意。

      气环的基本断面形状是矩形[图4(a)]。矩形环易于制造,应用广泛,但其磨合性比较差,不能满足发动机日益强化的要求。这种普通的压缩环可随意安装在气环槽内。

      有的发动机采用锥面环结构[图4(b)(c)]。这种环的工作表面制成0.5°~1.5°的锥角,使环的工作表面与缸壁的接触面减小,可以较快地磨合。锥角还兼有刮油的作用。但锥面环的磨损较快,影响使用寿命。安装时有棱角的一面朝下。

       有些柴油发动机采用扭曲环[图4(d)(e)]。扭曲环的内圆上边缘或外圆下边缘切去一部分,形成台阶形断面。这种断面内外不对称,环装入气缸受到压缩后,在不对称内力的作用下,产生明显的断面倾斜,使环的外表面形成上小下大的锥面。这就减小了环与缸壁的接触面积,使环易于磨合,并具有向下刮油的作用。而且环的上下端面与环槽的上下端面在相应的地方接触,既增加密封性,又可防止活塞环在槽内上下窜动而造成泵油和磨损。这种环目前使用较广泛。安装扭曲环时,必须注意其上下方向,不能装反,内切口要朝上,外切口要朝下。

      在一些热负荷较大的柴油机上,为了提高气环的抗结焦能力,常采用梯形环[图3(f)]。这种环的端面与环槽的配合间隙随活塞在侧向力作用下做横向摆动而改变,能将环槽中的积炭挤碎,防止活塞环结胶卡住。这种环同普通气环一样可随意安装。

      还有一种形式的气环-桶面环[图4(g)],它的工作表面呈凸圆弧形,其上下方向均与气缸壁呈楔形,易于磨合,润滑性能好,密封性强。这种环已普遍用于强化柴油机上。这种环同普通的压缩环一样,可随意安装在气环槽内。


活塞气环密封原理.png

图3 活塞气环密封原理

柴油发电机活塞环气环的断面形状.png

图4  柴油发电机活塞环气环的断面形状


  

三、油环的作用和类型

 

      油环的功用是将气缸表面多余的润滑油刮下,不让它窜入燃烧室,同时使气缸壁上润滑油均匀分布,改善活塞组的润滑条件。油环位于气环的下面,其工作温度和燃气压力相对较低,而油环为了有效地刮油,又要求有较高的压力压向气缸壁。因此,油环一方面本身的弹力较大,同时又尽可能地减小环与气缸壁的接触面,以增强单位面积的接触压力。

1、油环的类型

      油环分为整体式油环和组合式油环两种,如图5所示。

(1)整体式油环

      整体式油环的断面形状如图6所示。其结构形式与矩形断面气环相似,所不同的是在环的外圆柱面中间有一道凹槽,在凹槽底部加工出很多穿通的排油小孔。当活塞运动时,气缸壁上多余的润滑油就被油环刮下,经油环上的排油孔和活塞上的回油孔流回曲轴箱。一般柴油机的油环多采用如图6(f)所示的结构。这种环可任意安装。

      有些柴油机的油环,在工作表面的单向或双向、同向或反向倒出锥角[如图6(a)~(c)所示],以提高油环的刮油能力。安装时(a)和(c)可以任意安装,(b)要使有锥角的一面朝上。

      有的柴油机将油环工作表面加工成鼻形[如图6(d)所示],其刮油能力更好。还有一些柴油机将两片单独的油环装在同一环槽内[如图6(e)所示],这种油环的作用不仅能使回油通道增大,而且由于两个环片彼此独立运动,较能适应气缸的不均匀磨损和活塞摆动。安装时,以上两种环都要使有锥角的一面朝上。

 

活塞环油环的分类.png

图5 活塞环油环的分类

柴油发电机普通油环的断面形状.png

图6 整体式油环的断面形状

 

(2)组合式油环

      还有的发动机采用一种钢片组合式油环,它是有几片薄钢片状的片簧(刮片)和波纹形的衬簧共放在一个油环槽中的,如图7 所示。它是由三片片簧和两个衬簧(一个轴向、一个径向)组成,两片片簧放在轴向衬簧上面,一片放在轴向衬簧下面,轴向衬簧用以保证环与环槽间的侧隙。径向衬簧放在环槽底部,安装时几片片簧的开口应互相错开。通常,这种环的片簧采用合金钢制成,与缸壁接触的外圆表面采用镀铬处理。

      钢片组合式油环的摩擦件(片簧)与弹力件分开,能避免磨损后弹力减弱而引起刮油能力下降的情况,同时又具有双片油环的特点。

       目前,在高速内燃发动机上广泛采用在整体式油环内装螺旋弹簧的涨圈油环(如图8所示),这种油环的作用与钢片组合式油环相似,制造安装也比较方便。

 

柴油发电机钢片组合油环.png

图7 钢片组合式油环

柴油发电机弹簧涨圈油环.png

图8 弹簧涨圈油环

 

 2、刮油和泵油作用

      由于侧隙和背隙存在,活塞下行时,环靠在环槽的上方,环从缸壁上刮下机油充入环槽下方;而当活塞上行时,环靠在环槽下方;机油挤压到环槽上方,如此反复,实现泵油,如图9、图10所示。

 

活塞油环的刮油原理示意图.jpg

图9  活塞油环的刮油原理示意图

活塞油环的泵油原理示意图.png

图10 活塞油环的泵油原理示意图

 

四、活塞环检查方法

 

      将新旧环的自由开口间隙相比较, 若旧环自由开口间隙小, 则有塑性变形, 弹力下降(如图11所示)。也可将被检验的旧环和新环上下侧立在一起, 用手在环上施加力, 如果旧环的开口相碰, 而新环的开口还有相当的间隙, 就表示旧环弹力不够, 应更换。

1、活塞环的失效检查

      活塞环在工作时,由于受高温、高压和润滑条件差的影响,其磨损失效往往要比气缸达到磨损极限快。由于活塞环最初不能与气缸壁表面完全密合,磨合磨损较快。经过磨合磨损后,形成光滑的镜面,活塞环转入运行磨损,则磨损速度减慢。随后活塞与气缸壁的间隙逐渐增大,活塞倾斜也增大,活塞环形成不规则的磨损,弹力下降,密封性能减弱,润滑油膜不能防止漏窜气体的侵入,从而加速了磨损。

      活塞环除正常磨损失效外,还有断裂损坏。除发动机大修时更换外,在两次大修之间,气缸最大磨损每100mm;缸径达到0.18~0.22mm 时,也应更换活塞环,以改善发动机的动力性能。

2、活塞环的选配及检测

      活塞环在安装时应留有一定的端隙、侧隙和背隙,以防活塞环受热后胀死在环槽内或卡死在气缸内,造成损坏。在发动机大修时应更换活塞环,更换时应按照气缸的修理级别选用与气缸、活塞同一修理级别的活塞环。在维护或小修中,如需更换活塞环时,选用的活塞环修理尺寸级别应与被更换的活塞环相同。不允许使用加大级别的活塞环通过锉销开口端面的方法,来代替较小级别的活塞环使用。

      为了保证活塞环与活塞环槽及气缸的良好配合,在选配活塞环时,还应进行下列检验。其中任何一项不符合要求时,均应重新选配。

① 活塞环弹力的检验

      活塞环的弹力是保证气缸密封性的主要条件之一,一般在弹力检验仪上进行检验。检验时把活塞环放在弹力检验仪上,使环的开口处于水平位置,移动检验仪上的量块,把活塞的开口间隙压缩到标准值,观察秤杆上的质量,应符合技术要求。

② 活塞环漏光度的检验

       将活塞环平放在已镗磨好的气缸内,用活塞顶部推平活塞环。在活塞环上盖一个比缸径略小的硬纸板做成的遮光板,在气缸下部放置灯光照明。观察活塞环外圆与气缸壁之间是否漏光,用塞尺和量角器测量其漏光度,应符合技术要求——开口处左右对应圆心角30°范围内不允许漏光;同一活塞环上漏光不应多于两处,每处漏光弧长所对应的圆心角不得超过25°;同一活塞环上漏光弧长所对应的圆心角总和不超过45°,漏光缝隙不大于0.03mm。

③ 活塞环端隙的检验

      将活塞环放在气缸内,用活塞顶将活塞环推正。用塞尺插入活塞环开口处进行测量,其间隙值应符合以下要求:康明斯6BTA5.9发动机:第一道气环0.40~0.70mm;第二道气环0.25~0.55mm,油环0.25~0.55mm。

④ 活塞环侧隙的检查

      检查时,将环放在环槽内,使活塞环围绕槽转动一圈,环在环槽内应能自由转动,即无阻滞现象。如图12所示,用塞尺测量侧隙,应符合以下要求:康明斯6BTA5.9发动机(最大侧隙):第一道环槽0.115mm,第二道环槽0.13mm,油环环槽0.085mm。侧隙过大、过小都应重新选配。

⑤ 活塞环背隙的检查

      将活塞环放入环槽内,活塞环的宽度应低于活塞环槽岸;用深度游标卡尺测量时,环槽深度与环的宽度之差即为环的背隙,一般为0~0.35mm。背隙过大或过小,都应重新选配。目前由于制造工艺比较先进,一般活塞环的侧隙和背隙都符合要求,修理厂很少检查活塞环的侧隙和背隙。

 

用新旧对比法检查活塞环.png

图11  用新旧对比法检查活塞环

活塞环侧隙检查方法示意图.png

图12  活塞环侧隙检查方法示意图

 

 总结:

      活塞环通常由金属材料制成,如铸铁、铝合金等。它们具有高强度、耐磨损和耐高温的特点,能够承受活塞在运动过程中产生的高压和高温环境。活塞环是发动机中非常重要的密封元件,它具有密封、导向、冷却和减震等多种功能,直接影响着发动机的性能和寿命。因此,在发动机的设计和制造过程中,需要严格控制活塞环的质量和安装精度,以保证发动机的正常运行和可靠性。


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