康明斯动力设备（深圳）有限公司

 

新闻主题	活塞环的磨损量计算、规律及质量检验方法

 

摘要：汽缸活塞组是发动机的心脏，特别是活塞环其技术状况变坏或出现故障，不仅影响发动机的动力性和经济性，而且将缩短柴油发电机使用寿命。近年来，伴随柴油机的高输出功率化和高性能化，活塞环类滑动部件的使用环境越发严苛，要求具有良好的耐磨损性、抗划性的滑动部件。在使用过程中，活塞环的主要故障均是由于零部件磨损、烧蚀、结胶、积炭等原因引起的，尤其是零部件的磨损，是造成密封性下降的主要因素。康明斯公司在本文介绍了活塞环的分类及其作用，同时阐明了活塞环磨损规律和原因分析，最后为此提出了改良后的活塞环安装方式。

 

一、活塞环的概述

 

      活塞环是发动机曲柄连杆机构活塞连杆组中的一个零部件，活塞环的三个环主要分为两类，根据活塞环的发挥的作用及所处的位置分为气环(压缩环)和油环，其结构和作用如图1所示。

1、气环的作用和密封原理

（1）作用

      气环作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。

（2）原理

      如图3所示。活塞环在自由状态下，其直径比气缸直径大。当环径向压缩随活塞一起装入气缸后，便产生径向弹力F0，使之与汽缸壁压紧，形成了第一密封面，其压紧力为FA 。气缸中压力为PZ的高压气体不能从次密封面下窜，便进入侧隙和背隙，作用在环侧面上的气体压力P1把活塞环压紧在环槽的下端面上，形成第二个密封面，其压紧力为FB背压力P2则使环更紧地压在气缸壁上。燃气使环对缸壁和槽侧的压紧作用称为气环的第二次密封。有了两个密封面的密封，通常只有开口处是唯一的漏气通道。但由于开口间隙很小，并互相按一定位置错开，形成一个迷宫式封气路线，起到一个气体节流的作用。

2、油环的作用

      油环作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。油环分为普通油环和组合油环两种。

3、活塞环“三隙”

      活塞环装入气缸后其两端之间应有端隙（开口间隙），与环槽间应有侧隙和背隙，统称为活塞环的“三隙”。如图4所示。

（1）端隙

      活塞环端隙是指活塞环随活塞装入气缸后，环在上止点时环的两端头的间隙。这个间隙防止环受热膨胀卡死在环槽内（第一道气环0.25—0.45mm，其余气环0.20—0.40mm）  。

（2）侧隙

      活塞环配置在环槽内上下面的间隙，这个间隙防止环卡死在环槽内（0.03—0.07mm）  。

（3）背隙

      活塞环在工作时靠燃烧时的高压气体进入背间隙对活塞环产生压力，来加强活塞环与气缸工作面的密封作用（0—0.35mm）。

 

图1  活塞环三环结构示意图	图2  活塞环的作用
图3  活塞环气环的密封原理	图4  活塞环端隙、侧隙和背隙示意图

 

 

二、活塞环磨损规律

 

      汽缸活塞环的磨损主要是活塞环受高温高压燃气的作用，活塞往复运动的冲击和润滑不良所致，汽缸活塞环的磨损速度很快，造成活塞环的弹性逐渐减弱，在正常工作条件下，活塞环与汽缸套壁面之间存在一层很薄的润滑油膜，但该油膜的厚度尚未能将2个工作表面分隔开，同时在润滑油中还有磨料性质的机械杂质，因此对汽缸活塞环的磨损规律可按磨料磨损模型描述。其磨损率为

δ=120KNSP_c^mHb^-m（r-h_c）^jq^t..........................（公式1）

式中，K=k₁k₂k₃，k₁，k₂，k₃分别为材料表面特性系数、磨粒特性系数和区域形状系数；

N——曲轴转速，r/min；

S——活塞行程，m；

P_c——活塞环表面平均压力，MPa；

H_b——零件硬度；

r——磨料颗粒的当量曲率半径，μm；

hc——为平均油膜厚度，μm；

q——润滑油中磨粒的重量浓度；指数m =（3/4β）∙ j = （q/4β）- ½.t =1-（3/4β），通常由试验确定，其中β为表面粗糙度参数。一般可取β=1.9，K=1.447×10^-8，可计算得m =0.39，j=0.68，t=0.61。

      因此该类汽缸活塞组在正常工作条件下的磨损率计算式为：

δ=1.736×10^-6NSP_c^0.4-+Hp^-0.4（r-hc）^0.68q^0.61..........................（公式2）

      柴油发电机运行时间t后的磨损量W为：

W=1.736×10^-6NSPc^0.4H_b^-0.4（r-h_c）^0.68q^0.61t..........................（公式3）

      一般r=5.8μm∙q₁=0.24×10^-2，q₂=0.5×10^-2。由润滑特性分析得：h_c2=2.75μm，h₂=4.15μm，P_c1=0.44MPa，P_c2=0.26MPa，（1，2分别表示第一、二道环对应的汽缸位置）。

 

三、活塞环质量检验

 

      活塞环是柴油机中的一个重要部件，主要用于密封气缸和控制气缸内压力。为确保发动机正常运转，活塞环的检验是必不可少的。活塞环的检验项目如下：

1、外表检查

（1）检查活塞环表面是否有裂纹、变形、磨损、腐蚀等情况。

（2）使用千分尺或显微镜检查活塞环的直径、厚度、弯曲度等尺寸是否符合要求。

（3）如图5所示。使用厚薄规检查活塞环的侧隙和端隙是否符合要求。

2、漏光度检查

     如图6（a）所示。将活塞环平正地放入气缸内，用活塞顶部把它推平，在气缸下部放置一发亮的灯泡，在活塞环上 放一直径略小于汽缸内径、能盖住活塞环内圆的盖板，然后从气缸上部观察漏光处及漏光处对应的圆心角。一般要求活塞环局部漏光度每处不大于25°；最大漏光缝隙不大于0.03mm，每环漏光处不超过两个，每环总漏光度不大于45°；在活塞环开口处30°范围内不允许有漏光现象。

3、压缩强度检查

      如图6（b）所示。将活塞环压缩至一定程度后测量其压缩强度，以判断其耐久性。具体方法是在活塞环开口的垂直方向施加压力，使开口达到规定的端隙时在活塞环直径方向施用的作用力。活塞环的弹力也可用活塞环检验仪检验。

4、硬度检查

      使用硬度计测量活塞环的硬度，以确定其材质是否合格。

注意：整体铸铁油环不宜测定硬度值，因为油槽油孔的结构，导致不能准确测出硬度值。对于环高低于1.5mm的铸铁环，测量硬度的工作台面中心不能有凹坑，如有凹坑则测量时应添加一定刚度的垫片，将环样放置在垫片上测试(垫片应有较好的平行度，其表面粗糙度在Ra0.8μm以下)，否则测定的硬度值会偏低，可能低 1~2个HRB单位，甚至环被压断。

5、磨损检查

      将活塞环安装在一个模拟气缸的测试机上，通过测量活塞环在运动过程中的磨损量来判断其寿命。

      以上是活塞环检验项目的一些基本内容，具体检验项目和方法还需根据不同的活塞环类型和使用条件进行调整。

 

图5  活塞环侧隙和端隙测量示意图

图6  活塞环漏光度和弹力检测

 

四、活塞环典型故障案例

 

1、活塞环常见故障

（1）磨损

      由于活塞环与缸壁长期摩擦，容易造成磨损，导致间隙过大，进而影响气缸的密封性，降低发动机的压缩比，导致动力下降，燃油消耗增加。

（2） 断裂

      活塞环弹性较大，但长期使用后会逐渐失去弹性，使其易受冷热变形影响，导致断裂。此时，活塞环无法充分贴合缸壁，从而影响气缸的密封性，导致漏气、燃烧不充分等问题。

（3）卡死

      在发动机高温高压环境下，活塞环容易因积碳或者油膜破裂而卡死，导致活塞环与缸壁摩擦增大，磨损加剧，进而影响发动机的正常运转。

（4）烧蚀

      当发动机长期高速行驶或者机油不及时更换时，活塞环容易出现烧蚀现象，导致活塞环与缸壁之间出现过大的间隙，进而影响气缸的密封性，使发动机的动力下降。

（5）烧机油

      缸套、活塞配合的间隙不符合标准 ，使缸套与环之间出现早期磨损 ，而使环的边间隙和端间隙加大 ，密封效果变差。活塞环开口邻近或开口重叠 ，特别是油环口的重叠 ，致使机油上窜外溢。

      活塞环失效引起的常见故障现象如图7所示，当然活塞环的选择对故障影响也很重要。气环应该选用密封效果较好的扭曲环和耐磨损的镀铬环 ，油环尽量选用组合环 （形状如图8所示），除增强密封性 ，还加强了布油和刮油能力 ，减少烧排机油的现象。

 

图7  活塞环失效引起的故障现象

图8  活塞油环断面形状

 

2、活塞环装配方法的改进

      活塞环在安装时，必须使用专业工具（如图9所示）。应注意其安装方向，环开口方向印有标记（圆点、字母）的方向，装配时此环面朝上（活塞顶部）方向，如图10所示。

（1）气环安装

      在实际操作 ，将三道气环的开口呈 180°安装 ，使第一道环口与第三道环口在同一直线上 ，但三道气环开口位置都与活塞销垂直。由于第二道气环的密封作用 ，不会使第一道气环口进入的气体直接进入到第三道气环口处 ，这就是活塞环口呈 180°安装的优点。

（2）油环安装

      同样的道理 ，在安装油环时也是遵循这一原理 ， 可有效地防止缸壁上机油上窜 ，从而有效地避免柴油发电机烧排机油的现象。

      根据这个活塞班安装方法的改进 ，在修理过程中 ，通过对比试验 ，柴油发电机连续工作 1500～2000h 没有发现烧排机油的现象 ，可使活塞环的使用寿命提高 2～3 倍 ，效果是很理想的。

 

图9 活塞环安装示意图

图10  活塞环的安装方向

 

总结：

      汽缸活塞组由于磨损引起的一些故障，在不解体条件下是很难进行直接检测的，通常做法是采用一些诊断指标，通过相应的诊断方法来判断其技术状况的变化。主要评价指标有通过异响来判断汽缸活塞组磨损过大而引起的声响指标、反映汽缸密封性的汽缸压缩压力、曲轴箱窜气量、汽缸漏气率、进气管真空度及分析曲轴箱内润滑油中金属颗粒的含量等。其中对发动机汽缸压力的测量和分析是最基本的手段之一，从汽缸压力的分析中几乎可得到有关汽缸活塞组磨损的全部信息。

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