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柴油發電機組活塞連桿組結構和作用

 

導讀：  康明斯柴油發電機的活塞連桿組是將活塞承受的氣體壓力通過連桿傳給曲軸，并將活塞的直線往復運動變為曲軸的旋轉運動輸出機械能。活塞組由活塞、活塞環、活塞銷、活塞銷卡簧等組成，它與連桿結合在一起，組成了活塞連桿組。活塞連桿組是柴油機中至關重要的部件之一，它實現了燃氣壓力到機械能的轉化，為發動機的動力輸出提供了基礎。因此，了解活塞連桿組的組成和工作原理對于理解柴油發動機的工作原理非常重要。

 

一、活塞連桿組的作用

       活塞連桿組的功用是推動柴油機運轉，將機械能轉化為熱能，供給柴油發電機燃料消耗和產生動力。在活塞連桿組的工作過程中，活塞和連桿的運動狀態需要精確控制，以確保發動機的正常運轉。此外，活塞和連桿的材質、尺寸和重量也會對發動機的性能產生影響。其基本結構和外觀如圖1、圖2所示。具體來說，活塞連桿組的作用如下：

1、 提供動力

      活塞連桿組通過曲軸旋轉將機械能轉化為熱能，供給柴油發電機引擎產生動力。

2、 維持曲軸旋轉

      活塞連桿組將動力傳遞給曲軸，使曲軸旋轉，進而驅動柴油機轉動。

3、控制燃燒過程

       在燃燒室內，活塞連桿組通過控制燃燒過程，使燃料在缸內燃燒產生能量，進而產生動力。

      活塞連桿組是柴油機中至關重要的一組組件，不僅為柴油發電機提供了動力，還維持著柴油發電機正常運行的安全性和穩定性。

 

圖1 活塞連桿組零件構成

圖2 活塞連桿組三維立體圖

 

二、活塞

 

      活塞的作用是與汽缸、汽缸蓋共同組成燃燒室，并通過活塞銷和連桿向曲軸傳遞機械能。它可分為頂部和裙部兩部分。

1、活塞頂部

      它是燃燒室的組成部分，當柴油發電機工作時，非增壓型的直接承受約5800、8800kPa，增壓型的約8000、12000kPa的爆發壓力和瞬間高溫的作用，整個活塞溫度分布又極不均勻，并進行不等速的高速直線運行，因此，活塞強度要高、導熱性要好、熱膨脹系數要小。根據承受壓力分成多種形狀，如圖3、圖4所示。

 

圖3 活塞平頂和凸頂形狀

圖4 活塞凹頂和成型頂形狀圖

2、活塞環槽部

      活塞頂部圓周還切有數道環槽，上部的2一3道環槽是安放氣環用的，目的是防氣漏入曲軸箱，并將活塞吸收的熱量經活塞環傳給汽缸壁。下部的1、2道環槽是安放刮油環用的，在環槽的底面上裝鉆有許多徑向小孔，使油環從汽缸壁上刮下來的多余潤滑油經小孔流回油底殼活塞裙部：環槽以下部分稱裙部，它用來引導活塞在汽缸內作直線運動，并把連桿的側向力傳給汽缸壁。

3、活塞裙部

     活塞裙部有活塞銷孔，供安裝活塞銷并連接連桿。銷孔內設有環槽，供安裝彈性卡環以便用來防止活塞銷在工作中發生軸向竄動。活塞裙部要求具有足夠的承壓面積，又要保持與汽缸壁的最佳間隙，間隙過大會使密封性變差和發生敲擊現象，過小則易刮傷缸壁甚至發生咬缸現象。活塞頂部設有各種各樣的凹坑，其形狀是根據燃燒室型式及混合氣形成方式而設計的，一方面避免氣門與活塞頂部碰撞，另一方面使可燃混合氣的形成更有利，燃燒過程更加完善。

 

圖5 活塞彎曲變形狀態

圖6 活塞擠壓變形狀態

圖7 活塞裙部變形狀態

 

 

二、活塞環

 

      活塞環主要作用是保持活塞與汽缸壁之間的密封，將燃料的化學能轉變為機械能。傳統活塞環安裝在發動機氣缸套里后，開口的兩個端面有一定的閉口間隙，這個間隙雖小，但可以說是一個完全敞開的通道。活塞環是具有彈性的金屬開口圓環，按其功用不同可分為氣環（又稱密封環）和油環（又稱刮油環）兩種。安裝示意圖如圖8所示。

1、氣環

      氣環的作用是密封活塞與汽缸之間的間隙，防止燃燒室中的高溫、高壓燃氣竄入曲軸箱內，并將活塞所吸收的熱量傳給汽缸壁及冷卻介質。它安裝于活塞上部的2、3道環槽內。氣環有多種不同的斷面形狀，分別是矩形環、錐形環、桶面環、扭曲環和梯形環，如圖9所示。

2、油環

      油環的作用是刮除汽缸上多余的潤滑油，防止潤滑油竄入燃燒室，并將潤滑油油膜沿汽缸壁均勻分布，增強潤滑效果。它安裝于活塞下部1、2道環槽內。活塞環要承受高速往復運動的摩擦力，使用的材料必須具有良好的耐磨性、耐熱性、導熱性、彈性和韌性。

      活塞環在自由的狀態下是比汽缸內徑大的開口環，它是在壓緊的狀態隨同活塞裝于汽缸內，依靠本身的彈性作用貼緊缸壁，實現其功能。活塞環開口處留有的間隙應適中，如開口過刁、在高溫工作環境下因無膨脹余地而會造成咬死現象，而開口過大則會造成漏氣。柴油發電機活塞環開口間隙一般為0~4、0~8mm。

 

圖8  活塞環安裝示意圖

圖9  活塞環氣環斷面形狀圖

 

三、活塞銷

 

1、工作條件

      活塞銷通常采用低碳鋼或合金鋼加工制成空心圓柱形，表面經過滲碳淬火處理增加其強度。安裝時活塞銷的中部穿過連桿小端孔的襯套，其兩端支撐在活塞裙部的銷座孔中，并用卡簧進行軸向定位，防止軸向竄動而刮傷汽缸壁。活塞銷是將活塞與連桿鉸接的中空短銷，作用在活塞上的氣體力和往復慣性力完全通過活塞銷傳遞給曲軸。活塞銷在較高的溫度下要承受很大的周期性沖擊負載，而且潤滑條件較差，所以不但要求活塞銷應有足夠高的強度和剛度，要求它有耐沖擊和良好的表面耐磨性能。活塞銷與連桿小端襯套和銷座孔為間隙配合，這樣工作時可緩慢轉動，使磨損均勻，提高其疲勞強度。

2、材質要求

 

      連桿是活塞連桿組中最重要的部件之一，它連接著活塞和曲軸，是將活塞的往復運動轉換為曲軸的旋轉運動的關鍵組成部分。連桿的形狀通常是I形或H形，由鑄鐵或鋁合金制成。在柴油機工作時，活塞的上下運動會帶動連桿旋轉，從而將汽缸內的燃氣能轉換為曲軸的旋轉能，實現柴油機的動力輸出。

      連桿一般由小頭、桿身和大頭三部分組成。連桿一般由中碳鋼或合金鋼彈壓而成。連桿小端與活塞銷相連，工作時與銷之間有相對運動，小頭孔中有襯套（青銅）。在連桿的小端和襯套上鉆有小孔（油道），用來潤滑小端和活塞銷。

1、連桿桿身

      連桿桿身通常作成工字型斷面，以求增加其強度和剛度。在其中間有油潤滑油道。

2、連桿大頭

      連桿大頭與曲軸的曲柄銷相連，大頭一般作剖分式的，被分開的部分稱為連桿蓋，接特制的連桿螺栓緊固在連桿的大頭上。連桿蓋與連桿大頭是組合搪孔，為了防止裝配錯誤，在同一側有配對記號。大頭孔表面有很高的光潔度，以便與連桿軸瓦緊密貼合。連桿大頭還銑有定位坑，連桿的大端還有油孔。

       連桿大頭在柴油機上受力大，其大頭直徑較大，超過氣缸的直徑，采用斜切口，一般與連桿軸線成30~60℃夾角。

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