康明斯动力设备（深圳）有限公司

 

故障检修与技术维护

康明斯柴油发电机的活塞销检验及修理

 

摘要：活塞是发动机中最重要的零部件之一，工作中要承受周期性热负荷和机械负荷冲击，活塞的工作状态直接决定着发动机的使用寿命。高温、高压的工作环境使承载最大机械应力的活塞销孔部位面临着更大的考验。活塞销座部位工作温度在200℃左右，活塞销与活塞销孔之间的磨擦还产生着高温负荷。因此有必要对活塞销进行检查和维修。

 

一、活塞销的作用和材料结构

 

       活塞销是装在活塞裙部的圆柱形销子，其中部穿过柴油发电机连杆小头孔，用来连接活塞和连杆，把活塞承受的气体作用力传给连杆。为了减轻重量，康明斯柴油发电机的活塞销一般用优质合金钢制造，并作成空心。

1、活塞销的功用及工作条件

      一般国内使用的活塞销孔内会有台阶或者凹槽，还有一种是实心活塞销。国外使用的活塞销内孔是直的。活塞销用来连接活塞和连杆，并将活塞承受的力传给连杆或相反。活塞销在高温条件下承受很大的周期性冲击负荷，且由于活塞销在销孔内摆动角度不大，难以形成润滑油膜，因此润滑条件较差。为此活塞销必须有足够的刚度、强度和耐磨性，质量尽可能小，销与销孔应该有适当的配合间隙和良好的表面质量。在一般情况下，活塞销的刚度尤为重要，如果活塞销发生弯曲变形，可能使活塞销座损坏。

2、塞销材料及结构

      活塞销的材料一般为低碳钢或低碳合金钢，如20、20Mn、15Cr、20Cr或20MnV等。外表面渗碳淬硬，再经精磨和抛光等精加工。这样既提高了表面硬度和耐磨性，又保证有较高的强度和冲击韧性。

      活塞销的结构形状很简单，基本上是一个厚壁空心圆柱。其内孔形状有圆柱形、两段截锥形和组合形。圆柱形孔加工容易，但活塞销的质量较大；两段截锥形孔的活塞销质量较小，且因为活塞销所受的弯矩在其中部最大，所以接近于等强度梁，但锥孔加工较难。

 

图1 柴油机活塞销立体结构图

图2  柴油机活塞销剖视结构图

 

3、活塞销座孔

      活塞销座孔的作用是安装活塞销，并将气体的压力传给连杆。活塞销座孔位于活塞的中部，为厚壁圆筒状结构，通常有加强筋与活塞内壁相连，以提高其刚度。两座孔外端加工有卡环槽，用来安装卡环，以限制活塞销的轴向窜动。销座孔有很高的加工精度，并且与活塞销分组选配，以达到更高精度的配合，销座孔的尺寸分组通常用色漆标于销座下方的外表面。为了销座孔的润滑，有些销座上钻有收集润滑油的小孔。

 

图3  康明斯活塞销孔和活塞销位置图

图4  柴油机活塞结构示意图

 

      随着发动机性能的日益提高，活塞所承受的燃气压力和惯性力不断增大，作为支承部分的销孔负荷显著增加，在最高燃烧压力下，活塞销轴和销孔都会会发生弯曲变形，销孔处的应力分布主要取决于活塞销与销孔两者之间的变形是否相适应。理想的状态是活塞销与销孔变形一致，这样不会产生应力集中。

      目前最佳解决方案还是通过改变销孔的几何结构来改善应力分布情况，降低销孔内侧应力集中，提高活塞的承载能力。

 

二、活塞销的检测和修理

 

      发动机在使用中有的会出现活塞销异响的故障。如果活塞销异响严重会损坏活塞销衬套，加大连杆轴瓦和曲轴连杆轴颈的磨损，磨损到最严重时，会拉断活塞销或连杆顶部，打坏气缸体，千万不能等闲视之。

1、活塞销磨损的测量

      测量柴油机活塞销的磨损程度，应用柴油发电机的专用工具千分尺进行测量。测量时要测三个部位：两头和中间。每一部位所测得的任意两相互垂直直径之差即为该部位的失圆度；三个部位上所测得的最大直径与最小直径之差即为锥形度；其失圆度及锥形度一般不应大于0.005mm。活塞销的检查项目有活塞外径的测量和活塞销孔的测量。

（1）活塞销的外径测量。

（2）测量每个活塞的销孔直径。

（3）计算活塞销与活塞销孔的间隙，必要时更换活塞或活塞销。

2、修复

（1）磨损检验

      当径向磨损大于0.5mm时，必须更换。当径向磨损小于0.5mm时，可采用镀铬或镦粗的方法修复（镦：冲压金属板使其变形，不加热叫冷镦，加热叫热镦）。

（2）活塞销裂纹检验

      方法是先将活塞销清洗干净，然后用放大镜观察，必要时可用磁力探伤法检查。如有裂纹、表面脱落或锈蚀严重等均应更换。

3、活塞销与销座孔的修配

      活塞销除标准尺寸外，还有四级加大修理尺寸：+0.08mm、+0.12mm、+0.25mm、+0.20mm。选配时应根据销孔磨损以后的内径，选用近似于内径的加大活塞销（一般比销孔的内径大0.025一0.05mm）。如选用最大一级的加大活塞销配合时仍感松旷，则应重选活塞。柴油发电机大修时，因选配的活塞是新的，因此活塞销应选配标准的，以便给小修时留有更换的余地。新选配的活塞销锥形度和失圆度应不超过0.005mm，表面粗糙度不低于0.16～0.32μm，对多缸柴油发电机而言，各缸的活塞销质量相差不得超过10g。活塞销与销座孔，在常温（15一25℃）下，应有0.025mm，的过盈量。

4、活塞销与销座孔的技术要求

      在常温下应有微量过盈（一般为0.025、0.04mm），加温到75、85℃时又有微量间隙，使活塞销能在销座孔内转动，而冷却后，活塞裙部椭圆变形，即长轴缩短（与活塞销轴线相垂直方向）、短轴伸长（活塞销轴线方向），其变化均不应超过0.04mm。这一点，是活塞销与销座孔修配的关键。若配合太紧，机油进不去，使活塞销的润滑变坏，加剧磨损，甚至会产生卡缸现象；若配合太松，会使活塞销在活塞往复运动中撞击活塞和连杆衬套，磨损加剧，严重时会出现活塞销折断或窜出，造成事故。

      接触面积不小于75％。这是因为接触面积太小，单位面积承受载荷上升，加速磨损，影响松紧度，机器寿命下降。活塞销与销座孔的配合，是通过对活塞销座孔的搪削或铰削完成的。饺削销座孔时，应选用长刃铰刀，使两个销座孔能同时进行铰削，以保证两孔的同心度。

 

图5  活塞销外径检查

图6  活塞销孔示意图

 

三、活塞销裂纹检修案例

 

1、原因分析

      某柴油机故障案例中，该活塞销的裂纹贯穿整个活塞销试样，在活塞销的中间内孔中和边缘的油孔中均存在大小不一的裂纹，最长的裂纹几乎贯穿了活塞销的整个内表面。将最长的裂纹沿纵向打开，该裂纹为明显的疲劳裂纹，疲劳裂纹源在油孔内表面上，并以此为圆心呈贝文线状向中心孔扩展。疲劳扩展区较大，为明显的疲劳裂纹扩展形式。垂直于裂纹经线切割取样，试样经抛光后的裂纹形态长约2.6 mm，尾部尖锐，为明显的淬火裂纹。

2、金相检验

      沿试样芯部纵向磨削抛光后，在显微镜下观察，其非金属夹杂物级别根据GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物显微评定方法》，评为A2.0，B0，CO，D0。对试样经4%的硝酸酒精溶液浸蚀后，裂纹源处金相组织如图4所示。裂纹处无脱碳，裂纹处金相组织为马氏体+少量铁素体。

      试样表面组织为马氏体，表面无脱碳。试样基体组织为索氏体+铁素体。对试样进行磨抛再经4%的硝酸酒精溶液浸蚀后，裂纹处无脱碳，裂纹处金相组织均为索氏体+铁素体。经检测，活塞销表面渗碳层组织为回火马氏体，晶粒度较细。

3、硬度检测

      经检测，活塞销表面渗碳层有效硬化层深1.59 mm，表面硬度为：HRC59、HRC59、HRC60，在技术要求规定的HRC58～63之内。

4、分析与探讨

（1）钢中非金属夹杂物检测表明，主要夹杂物为A类(硫化物类)，但级别较高，说明活塞销的材质不良。

（2）该活塞销的开裂为疲劳裂纹扩展所造成的，疲劳裂纹源于内孔的内表面。

（3）该活塞销裂纹处无明显的氧化脱碳现象，并且活塞销内孔的裂纹细长、尾部尖锐，因此该裂纹为典型的淬火裂纹。

 

总结：

      活塞销是气缸总成的一个关键连接件，是装在活塞裙部的圆柱形销子。它的中部穿过连杆小头孔，用来连接活塞和连杆，其作用是把活塞承受的气体作用力传给连杆，或使连杆小头带动活塞一起运动。因此在设计活塞销时，不仅要具有足够强的机械强度和耐磨性，还要有较强的疲劳强度。

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