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新闻主题	活塞环的结构设计、位置布局和质量选配方法

 

摘要：活塞环的密封作用能够减少气缸和活塞之间的热量传输，提高柴油机的热效率。在活塞的工作过程中，燃烧室内的高温气体会通过活塞向气缸壁传递热能，导致活塞和气缸壁的温度升高。而活塞环能够作为热传导路径的一部分，将部分热量传递到气缸壁，从而减少活塞的热量负荷，降低活塞的温度。这样不仅可以减少活塞的热胀冷缩，提高密封性能，还能够降低活塞的摩擦和磨损，延长活塞环的使用寿命。为了改善柴油发电机活塞环的工作条件，使活塞环与汽缸更好地走合，有些活塞环采用了不同的断面，在安装时要特别注意。活塞环与活塞一样，分标准尺寸和加大尺寸的，在选用时环的尺寸级别应与活塞的尺寸级别一致。

 

一、活塞环的设计原则

 

1、活塞环设计要求

      根据活塞环的作用和工作条件，活塞环的设计应满足如下要求：

（1）有适当的弹力，以利初始密封；

（2）有较高的机械强度和热稳定性好；

（3）易磨合且有足够的耐磨性和抗结胶能力；

（4）加工工艺简单，成本低廉。

       活塞环设计采用弹性弯曲理论，综合考虑环装入活塞的张开应力和环在气缸中的工作应力。根据这些应力的最佳比例和环材料的强度和弹性模量，实际环的自由状态开口距离为2.5～3.5倍的环径向厚度，环直径/径向厚度之比在22～34之间。

2、油环的设计

      气环的设计原则，对于油环完全适用。设置油环的作用就是刮下缸壁上多余的机油，使缸壁上留下一层均匀分布的机油油膜，保证机器可靠工作。设计油环时应考虑到消除活塞环的“泵油作用”，主要措施是：

（1）减少油环和活塞环槽之间的端面间隙，使泵入活塞环和环槽空间的机油量减至最少，一般油环端面间隙为第一道气环端面间隙的1/3～1/2。

（2）油环对缸壁的径向压力应比气环要高，一般为0.3～0.4MPa甚至更高。这是因为油环基本上没有环背压力帮助密封，它的密封材料性能靠自身弹力的作用，这在设计和制造时要加以考虑。

（3）油环上开有回油孔，所以油环高度比气环要高。

（4）油环和环槽各部分配合间隙，都比气环要小。

（5）油环的数目为1～2个，对高速强化柴油机现大都采用一道油环。

（6）回油通路应有足够的流通面积，回油孔面积通常要求每厘米环周长不小于0.2㎝。

（7）油道应光滑以保证回油畅通。例如在油孔或油槽处涂复聚四氟乙烯，这种材料摩擦系数小，附着杂质能力低，可避免杂质堵塞油道。

 

二、活塞环类型与形状

 

1、活塞环布置方式

      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。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。活塞环布置方式如图1所示。

（1）上环

      上环是活塞环中最重要的环之一，它负责密封燃烧室和气缸之间的空间，防止燃气泄漏。上环的内侧与活塞接触，外侧与气缸壁接触，通过与气缸壁之间的摩擦力来实现密封作用。上环的设计通常采用多个沟槽和孔，以增加其密封性能。

（2）中环

       中环位于活塞环的中间位置，起到辅助密封的作用。它的设计与上环类似，但尺寸较小。中环的主要功能是减少上环与下环之间的油膜厚度，提高密封性能。同时，中环还能够防止活塞与气缸之间的直接接触，减少摩擦和磨损。

（3）下环

      下环位于活塞环槽的最下方，主要负责润滑和密封。下环通常具有较大的沟槽和孔，以便吸收和储存润滑油。下环与活塞环槽之间的空隙可以通过润滑油来保持润滑，减少摩擦。下环的设计还需要考虑到其与上环和中环之间的协调配合，以确保整个活塞环的密封性能。

      除了上环、中环和下环之外，活塞环还包括侧向密封环和油控环。侧向密封环位于活塞环的两侧，用于密封活塞与气缸之间的侧向空隙。油控环位于上环和中环之间，用于控制润滑油的供给和排出，以保持正常的润滑和密封效果。

2、活塞环形状

（1）矩形气环

      气环的基本断面形状是矩形，如图2所示。矩形环易于制造，应用广泛，但其磨合性比较差，不能满足柴油机日益强化的要求。这种普通的压缩环可随意安装在气环槽内。

（2）锥面气环

      锥面环结构如图3所示。这种环的工作表面制成0.5°~0.8°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。

（3）扭曲气环

      扭曲环结构如图4所示。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，环装人汽缸受到压缩后，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。

（4）梯形气环

      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，如图5所示。这种环的端面与环槽的配合间隙随活塞在侧向力作用下作横向摆动而改变，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。

（5）桶面气环

      桶面环结构如图6所示。它的工作表面呈凸圆弧形，其上下方向均与汽缸壁呈楔形，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。

 

图1  活塞环位置布置方式	图2  活塞环断面矩形状示例图
图3  活塞环断面锥形状示例图	图4  活塞环断面扭曲形状示例图
图5  活塞环断面梯形状示例图	图6  活塞环断面桶面形状示例图

 

三、活塞环的质量选配

 

      活塞环的选配以气缸的修理尺寸为依据，同一台柴油机应选用与气缸和活塞修理尺寸等级相同的活塞环。为确保活塞环与活塞环槽、气缸壁的良好配合，在选配活塞环时，应进行活塞环的弹力检验。活塞环的弹力是保证气缸密封性的主要条件之一。活塞环的弹力是建立背压的首要条件，也是保证气缸密封性的必要条件。弹力过大使环的磨损加剧；弹力过弱， 气缸密封性能变差，燃料消耗增加，积炭严重。

1、活塞环的弹力检验

      检验活塞环的弹力是指活塞环的端隙达到规定值时作用在活塞环上的径向力。活塞环的弹力是建立背压的首要条件，也是保证气缸密封性的必要条件。弹力过大使环的磨损加剧;弹力过小，气缸密封性变差，导致燃料和润滑油消耗增加，燃烧室积炭严重，柴油机动力性和经济性降低。

      活塞环的弹力检验如图7所示。检验时，把活塞环置于施压架5和弹力检验仪底座1之间，使活塞环的开口间隙放置在水平位置，沿秤杆移动活动量块，使活塞环开口间隙压缩至标准数值，此时，可由量块在秤杆上的位置读出作用于活塞环上的力，即为活塞环的弹力。弹力应符合各机型的规定要求。

2、活塞环漏光的检验

      活塞环漏光检验旨在检测活塞环外圆表面与气缸壁的接触与密封程度，其目的是避免漏光度过大使活塞环与气缸壁的接触面积减小，造成漏气和窜油隐患。检查方法是将活塞环平放在气缸内，在活塞环的下边放一个发光的灯泡，活塞环上面放一块盖板，盖住环的内圆，如图8所示。漏光缝隙一般不得超过0.03mm。漏光弧长在圆周上一处不得大于30°，同一环上的漏光长度总和不超过60°，在环端开口处左右30"范围内不允许有漏光现象。

 

图7  活塞环的弹力检验图

图8  活塞环漏光检验图

 

总结：

      除上述作用外，活塞环还具有导热作用，能够快速将活塞上部的热量传递到活塞环，从而实现活塞上、下部的温度均衡。活塞上、下部的温度均衡能够减少活塞的热应力，避免因温度差异引起的活塞变形和破裂，提高活塞的使用寿命。目前，作为改善柴油机用活塞环等滑动部件的耐磨损性及抗划性的方法，例如，在柴油发电机用的活塞环中，在其滑动面实施PVD被膜或氮化处理层等表面处理。这些表面处理中，特别是PVD被膜呈现优异的耐磨损性，因此，作为对在严苛的运转条件下使用的活塞环进行的表面处理被广泛地实际应用。

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