康明斯动力设备（深圳）有限公司

 

故障检修与技术维护

活塞环的故障案例和测量方法

 

摘要：活塞环故障是柴油机常见故障之一。活塞环在工作时，由于受高温的作用和磨损的影响，其弹力逐渐减弱，开口间隙加大尤其是环的开口两侧弹力下降严重，使得气缸密封性变差，出现漏气和窜机油现象，影响柴油机组的动力性和经济性。康明斯通过维修的典型案例，对大量的用户投诉的柴油机组故障进行分析研究，结果表明很多不良症状并非由活塞环质量缺陷引起。而是由于其他原因引发。康明斯公司就一些常见的症状及现象进行举例分析说明。

 

一、活塞环常用工具

 

1、拆卸工具

      活塞环是发动机的重要密封零件，随着发动机向高压缩比、高输出功率、低排放和长寿命的方向发展，使活塞承受热负荷和机械负荷的能力不断增强，而发动机在工作的过程中，活塞环与套缸之间长时间摩擦容易造成活塞环磨损，另外也会因为活塞环润滑不良而产生“拉缸”现象，从而导致活塞环被破坏。活塞环磨损或破坏后需要及时更换新的活塞环，而更换新的活塞环需要先对已磨损或破坏的活塞环进行拆卸，然后安装新的活塞环。

      发动机活塞环的拆卸工具（如图1所示）包括手柄、压盖板、圆弧导向块和定位爪，压盖板有四块，每互相平行固定的两块为一组，每组压盖板之间形成容纳圆弧导向块的通道，压盖板的前端面为与活塞环配合的圆弧形；每组压盖板上均设有定位爪。在使用时，将两个定位爪远离压盖板的端面抵在活塞环的开口端面上，按压两手柄使两定位爪张开撑开活塞环开口，从而取出活塞环。

 2、测量间隙工具

      柴油机运转时活塞在气缸中做往复运动，活塞上装有弹性的活塞环与气缸接触。活塞环从上到下一般分为顶环、气封环和刮油环。活塞环装到气缸中后其切口位置会存在搭口间隙。技术上对这个间隙的大小规定既不能太大，也不能太小。活塞环搭口间隙太大会造成漏气，降低气缸效率；活塞在运动过程中产生的热量会使活塞环热胀，如果活塞环搭口间隙太小，活塞环会在气缸中胀死损坏气缸。因此搭扣间隙的测量十分重要。

     柴油机用活塞环间隙简易测量环规，如图2所示，环规包括带缺口的支撑底座和垂直于支撑底座设置的测量部。支撑底座为平板，平板为圆环状，从支撑底座的圆环状平板的上表面垂直的向上凸起形成测量部，测量部的内径与待测发动机的缸径相同，在测量部的上端面或内壁面上设置测量刻度，测量环规上设置一定角度的缺口，便于活塞环的取放和便口径的测量。

 

图1 活塞环拆卸工具

图2 活塞环间隙测量环规

 

二、活塞环间隙检查方法

 

      活塞环的间隙分为三隙，即端隙、侧隙和背隙，分布位置如图3所示。

1、活塞环的背面间隙

      活塞环的背面间隙（也叫径向间隙）是指将活塞环装在活塞槽内，再将活塞装入气缸后活塞环的内圆面与活塞环槽底之间的间隙，一般用活塞槽深与环厚之差来表示，推荐参考值在0-0.75mm范围。一般经验作法是将活塞环装入环槽内，如低于环岸，能转动自如又无涩滞感觉为适宜。

（1）背隙的失效模式：

① 背隙过小，则活塞环容易和活塞槽底部接触，在工作中容易导致活塞环折断，活塞环折断后导致拉缸事故的发生。

② 活塞环背隙过大，则建立背面压力困难，造成活塞环密封效果不好，导致漏气量增加或者烧机油事故的发生。

（2）背隙的测量：

      活塞环背隙目前尚无较好的检测工具进行检测，一般是用活塞槽深度减去活塞环径向厚度之值近似表示。

 

图3 活塞环三隙位置示意图

图4 活塞环背隙检查示意图（就机法）

 

 

2、活塞环的闭口间隙

      所谓活塞环的闭口间隙（也叫端隙）是将活塞环放入直径为气缸基本直径的环规内，开口两端的最窄距离（如图1）。因内燃机运转时会产生热量，活塞环也会随之膨胀，闭口间隙的存在，能有效防止活塞环因热膨胀而产生抵口导致拉缸的事故的发生。

（1）闭口间隙的失效模式：

① 闭口间隙过小：

      较小的闭口间隙有利于密封气体和降低机油消耗，但是闭口间隙过小(亦即超过最小闭口间隙值时)会导致活塞环卡死而失去功效，甚至折断而使活塞环丧失功能，导致拉缸的事故，因此在实际应用时一定要考虑活塞环的最小间隙。

② 闭口间隙过大：

      闭口间隙过大会使工作时活塞环的开口处仍有较大的间隙，这个较大的间隙会增大气体泄漏量通道并且使机油在此处上窜至燃烧室，从而导致窜气和烧机油事故。有试验表明一道环闭口间隙与漏气量存在图3的关系，二道环的闭口间隙与机油耗存在图4的关系。

（2）闭口间隙的测量

      闭口间隙的测量方法如图4所示，通常用楔形规或者厚薄规在内径等于基本直径的环规中测量，测量力约为1N.m,同时环规应满足d1。在批量检测时目前国内较为先进的方法是自动间隙测量机，该间隙测量机是利用光电技术对活塞环开口工作间隙实现非接触式光电转换，用单片机对开口电信号运算，处理和控制，实现自动送料、检测、分选等工步，该检测设备能够按活塞环闭口间隙大小将工件自动分成负超差、合格和正超差三种分别存放，该方法检测效率较高，而且可靠性较好。

● 允许的环闭口间隙：

– 矩形压缩环 ：0.20-0.35毫米（0.007-0.014英寸）

– 锥形压缩环 ：0.35-0.50毫米（0.014-0.020英寸）

– 刮油环 ：0.20-0.90毫米（0.007-0.036英寸）

 

图5 活塞环闭口间隙示意图

图6 活塞环端隙检查

 

3、活塞环的侧面间隙

      活塞环的侧面间隙（也叫轴向间隙）是指活塞环轴向两端面与活塞环槽上、下侧面之间的间隙。

（1）侧面间隙的失效模式：

① 侧隙过小

      侧隙过小则活塞环槽因活塞环产生的热膨胀或积炭容易使活塞环卡死在活塞环槽中。

② 侧隙过大

       侧隙过大则活塞环的漏气通道增加，气密性下降；在环槽内的上下运动幅度加大，叩击作用加剧，导致活塞环两端面或活塞槽侧面的磨损均将增大；过大的侧隙会导致活塞环泵油作用加剧，机油进入燃烧室，导致烧机油。

（2）侧隙的测量：

      测量时，将活塞环放入环槽内，用厚薄规测量，如图5、图6所示。

● 允许的活塞环槽中留有的垂直间隙（侧隙）：

– 矩形压缩环：0.015-0.070毫米（0.0006-0.0028英寸）；

– 锥形压缩环 ：0.03-0.07毫米（0.001-0.002英寸） ；

– 刮油环 ：0.04-0.12毫米（在0.0016-0.0048英寸）。

 

图5 活塞环侧隙检查示意图（方法1）

图6 活塞环侧隙检查示意图（方法2）

 

三、活塞环常见故障

 

1、机油消耗高

（1）症状：耗机油；功率损失；

（2）现象：活塞环陷在活塞槽里；油环外表面磨损加速活塞裙部接触不良，油环外观如图7所示。

（3）故障原因：燃烧温度高。连杆弯曲或小端衬套没有对正，曲轴端部浮动太大。

（4）解决方法：确保康明斯柴油机组进气系统不泄漏；确保空燃比正确；更换损坏的部件。检查康明斯柴油机组连杆，并对正连杆小端位置，作必要的调整。

2、活塞环早期磨损

（1）症状：柴油机功率下降，耗机油；油耗增加；柴油机通气口可能排出烟雾。

（2）现象：活塞环磨损或活塞环局部咬死，磨损现象如图8所示。

（3）故障原因：冷却不充分，气缸表面温度过高；润滑不足，尤其是在柴油机磨合期，进气系统滤清效果不佳；气缸孔也变形。

（4）解决方法：修补气缸内孔损坏部位；更换活塞环，必要时更换活塞；确保整个柴油机润滑系统充分工作（检查机油泵、机油滤清器等）；检查缸套，必要时更换；检查进气系统，特别是空气滤清器；按照制造商建议的程序观察运转情况。

 

图7  油环示意图

图8  活塞环磨损位置图

 

3、柴油机“窜气”

（1）症状：某康明斯发电机组运行2000小时，排气管往外喷油、窜气，机油消耗大。

① 现象：第一道环侧面磨损严重，活塞的第一道槽的上梯角为6°10′，下梯角为8°10′（不符合图纸要求），1.5mm处的槽高过窄。活塞环槽位置如图9所示。

② 故障原因：由于活塞槽角度及不符合技术要求，引起活塞环的侧面润滑状况不好，环的不规则运动加剧，造成环侧面异常磨损，而窜油、窜气。

③ 解决方法：更换活塞，确保活塞环槽的参数符合设计要求。

（2）症状：某康明斯发电机组装机12天，窜油、窜气。

① 现象：第一道气环外圆铬层有熔坑，严重熔着拉缸。铬基陶瓷复合镀层的活塞环如图10所示。

② 故障原因：通常第一道气环外圆面镀有铬基陶瓷复合镀层。铬基陶瓷复合镀层中陶瓷微粒含量高达5-6％。因柴油机长期超负荷工作，燃烧温度过高，造成活塞环烧熔；活塞油冷却喷管发生故障（限于有这种装置的柴油机），导致活塞环损坏甚至活塞裙部逐渐咬死；柴油机冷却系统故障，如冷却液泄漏，循环不畅。

③ 解决办法：检查燃油供给系统；确保柴油机冷却系统工作正常。修补或更换损坏的气缸零部件。严格按修理手册要求调整柴油机。

 

图9  活塞与活塞环槽图示

图10  铬基陶瓷复合镀层的活塞环第一道气环位置图

 

4、活塞环断裂

（1）症状：耗机油；功率损失；

（2）现象：活塞环表面断裂（注意断裂的角度）

（3）故障原因：燃烧室压力过高；点火提前角设置过大；压缩比增大。

（4）解决方法：找到原因并加以修理；更换损坏的部件。

5、柴油机噪音大

（1）症状：柴油机噪音大，机油耗增加。

（2）现象：活塞销孔旁的活塞裙部腐蚀，气缸受损。

（3）故障原因：卡环安装不当；装了旧的卡环；末端压力通过活塞销传输，可能与连杆位置不正、曲轴轴颈变细或曲轴轴向间隙过剩有关；活塞销孔积聚外来杂质。

（4）解决方法：检查、纠正任何连杆或小头轴套的不正确位置尺寸；检查、纠正过剩的曲轴轴颈尺寸及轴向间隙；更换损坏的活塞和缸套总成；确保活塞销及卡环位置正确。

 

总结：

      活塞环是柴油机燃烧室的组成零件之一，它的功用可归纳为，密封燃烧室、散出活塞热量和调节气缸润滑。活塞环要实现这些功用，必须与气缸壁紧贴，这就要求环具有足够的弹力和符合要求的贴合。环的弹力不足和贴合不良会引起密封性下降，严重时会因环的“压入”而窜气；同时贴合不良也不利益活塞散热和调节气缸润滑（油环）的作用。柴油机工作时，活塞环处在高温高压以及润滑极其困难的条件下，特别第一道环。这一方面使环和缸套遭受强烈的摩擦和磨损，使环弹性减弱和贴合不良，环的工作性能恶化，严重时会引起拉缸、断环。另一方面，环及环槽在高温下受热膨胀，若环的间隙（搭口间隙、天地间隙等）调整不当，也将引起气缸密封不良，环的卡阻、顶死，使柴油机工作性能和使用寿命下降。

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