新聞主題	活塞組件復檢和防止變形的措施

 

摘要：活塞是發動機的“中樞”，除了身處惡劣的工作環境外，它還是發動機中最忙碌的一個，不斷地進行著從下止點到上止點、從上止點到下止點的往復運動，完成發動機主要的吸氣、壓縮、作功、排氣工作過程。活塞技術狀態的好壞對發動機工作性能影響很大，因此，在柴油發動機的活塞組件裝配完成，應對其各部位進行安裝質量復檢，康明斯公司并在本文中提出了改進措施。

 

一、活塞的工作條件和結構

 

      活塞的主要作用是承受氣缸中可燃混合氣燃燒產生的壓力，并將此力通過活塞銷和連桿傳給曲軸。此外，活塞還與氣缸蓋、氣缸壁共同組成燃燒室。整個活塞可分為頂部、環槽部和裙部共三個部分，如圖1所示。活塞頂為第一道環槽上表面至活塞頂部分，是燃燒室的組成部分，常制成不同的形狀，活塞頂的形狀與選用的燃燒室形狀有關。ω燃燒室型活塞外觀如圖2所示。

由于活塞頂部直接與高溫燃氣接觸，活塞受周期性變化的氣體壓力和慣性力的作用，且散熱及潤滑條件差，因此要求活塞具有：

（1）足夠的強度和剛度，特別是活塞環槽區域要求有較大的強度，以免活塞環被擊碎。

（2）較小的質量，以保持較小的慣性力。

（3）耐熱的活塞頂及彈性的活塞裙。

（4）良好的導熱性和合理的熱膨脹性，以便有合理的安裝間隙。

（5）活塞與氣缸壁間有較小的摩擦系數。

 

圖1  活塞剖面圖

圖2  ω燃燒室型活塞側視圖

 

二、活塞裝配后復檢

 

       活塞使用過程中常見磨損部位如圖1所示，其中，磨損最大的地方是活塞環槽，其中第一環槽的下平面往往磨損最嚴重。環槽磨損后，槽的斷面變成梯形，側隙變大使氣缸的氣密性變差，并且還會加重泵油作用，引起“竄油”和“竄氣”。因此，在將所有各缸的活塞組件裝妥后，應進行再一次復檢步驟。

1、氣缸壓縮余隙的測量

（1）氣缸壓縮余隙值代表壓縮容積，又稱壓縮室高度。每一種型號的柴油機必有它的壓縮室高度值，在總裝中必須保持其規定值，才能使各缸的壓縮容積保持一致。

（2）壓縮室高度值可以從固定件和運動件的裝配尺寸鏈的計算來求得。

（3）在實際測量中，目前已采用如下的方法。將所有運動部件全部裝入機器內部，但調整墊片可暫時不裝。轉動曲軸，使活塞處于上死點位置，用一專用量具測量兩個尺寸a及b，a與b之差值即為設計中規定必檢的壓縮余隙值c。亦可直接用平尺及鋼尺測量而獲得c值。根據各缸的測量結果，選配好每缸的調整墊片，使其c值均符合圖紙的規定值，以保持每缸的壓縮余隙值基本一致，從而能有相互接近的壓縮比和壓縮容積。

 

圖1  活塞組常見磨損和損壞部位

柴油機氣缸壓縮余隙的測量

 

2、運動部件的校中

      所有運動部件裝入機內后，各部分的裝配間隙均應調整在規定的范圍內，所有的連接螺栓按要求進行擰緊或液壓上緊，這時在未裝入活塞環的狀態下，應進行活塞在氣缸內的校中工作，作最后的安裝配合測量檢查，查明活塞與氣缸、滑塊與導板之間的相對位置是否正確。

（1）校中的工藝方法

① 轉動曲軸（如圖3所示），使活塞移動到近上死點位置（如圖4所示）。在活塞桿的外圓表面上，分相互垂直的兩個截面，用框形水平儀檢查活塞桿的中心線是否在垂直狀態，如有歪斜，可用木楔插入活塞頭與氣缸套之間，調整其左右前后位置，確使活塞桿中心線處于垂直狀態。

② 按要求的部位，對活塞與氣缸之間的四周間隙進行測量，一般只測量沿柴油機縱向和橫向相互垂直的四個部位，且沿活塞裙部的上下外圓部位，同時要測量滑塊與導板工作平面的間隙，以及與側向擋板的間隙。將這兩部分的數據分別填入表格內，進行比較。

③ 再轉動曲軸，使活塞移動至近下死點位置，重復① 和② 的操作，作出第二次的測量記錄。根據上、下死點測量所得到的數據，作必要的調整和修整，就可獲得滿意的校中質量。

      目前柴油機活塞在氣缸內的校中已廣泛采用一次測量校中法，只須使活塞的位置處于氣缸中部，即曲柄銷頸的位置處于左右的水平位置，按上述的校中步驟進行，經調整或修整即可完成校中工作。

（2）活塞在氣缸內的校中的要求

① 在未裝活塞環的條件下，活塞在上、下死點位置時，活塞裙部與氣缸內孔的最小間隙應不小于總間隙的30%;

② 活塞在氣缸內沿柴油機縱向方向的任何位置時的傾斜不宜過大。柴油機的活塞在氣缸內允許傾斜，每米不應超過0.10mm，超過此值時應設法予以修整；

③ 活塞在氣缸內沿柴油機縱向允許平行地偏在一邊，當向另一邊撬動活塞、連桿時，其偏移量應能立即轉移到另一邊。如不能轉移，或迅速彈回，則要檢查其原因，并予以消除。

 

圖3  柴油機盤車工具（轉動曲軸）

圖4  活塞壓縮行程上止點位置

 

3、活塞在氣缸內的失中形式及其消除方法

      在柴油機制造或修理時，活塞等運動件在校中過程中，往往會出現沿柴油機縱向和橫向的失中狀態，有時縱向橫向失中結合在一起發生。現歸納如下。

（1）縱向失中

      縱向失中主要是由于連桿、十字頭、活塞桿等彎曲或十字頭的上活塞桿安裝面與十字頭軸線不平行以及活塞桿上的十字頭安裝面與活塞桿軸線不垂直等原因造成的傾斜。若傾斜不大，而活塞與氣缸套之間的縱向間隙不合適，則是可以通過調整墊片來調整滑板條與機架小導板的間隙進行調節。

（2）橫向失中

      所謂橫向失中，主要是由導板工作平面與氣缸軸線不平行而引起的活塞在氣缸內的左右方向上的傾斜造成的。對于修理的柴油機，應作周密的檢查工作，它很可能是滑塊或導板的磨損所引起的，這時就應采用修拂方法和增減墊片來解決。

3、活塞上死點的確定

      當指針定位時，首先應轉動曲軸，使活塞移動至上死點位置，然后將指針指向該缸的上死點刻度。測定活塞是否在上死點的位置有兩種方法：

（1）活塞頂部測量

      用百分表安放在氣缸套上部表面，當活塞接近最高位置前，把百分表的觸頭與活塞頂部接觸，繼續緩慢地正車轉動曲軸，使活塞繼續上升，直至百分表指針剛開始返回原點為止，作好記錄，并重復幾次。必要時還可以倒車方向轉動曲軸，如活塞的最高位置讀數與正車時的讀數相等，這時的位置便是活塞上死點位置；

（2）機架導軌測量

      在十字頭滑塊的上方，將磁性劃針盤吸附在附近的地方，使其百分表的觸頭與滑塊的最高點接觸，按同一方向轉動曲軸，滑塊繼續上升，反復數次，可求出滑塊移動上升的最高點，這就是活塞上死點位置。

（3）其他方法

      多缸柴油機一般只須找出第一缸或第六缸的活塞上死點，之后就將指針對準飛輪上相對應的上死點刻度，并在固定指針的地方鉆鉸定位銷孔，配妥定位銷并裝妥它，備作下一次拆裝時能有精確的位置。

      有時會碰到這樣一個問題，即當飛輪裝在柴油機上必須再刻劃每缸活塞的上死點位置標記，此時應按下述方法來確定活塞上死點位置，先將活塞轉至上死點附近，測量活塞頂部到氣缸套端面的距離a，這時在對準指針的飛輪平面上作一臨時標記，一般用劃針劃一條短線。

      然后繼續轉動曲軸，使活塞經過它的最高點后向下移動，移至一定距離b（活塞頂部至氣缸套端面距離），使b=a，在飛輪平面上指針所指的地方再劃上一根臨時短線。在這兩根短線之間，求出它們的平分點，這點就是該缸活塞的上死點位置刻度。用同樣方法，可找出其余各缸活塞的上死點位置刻度線。

5、活塞組件的復裝

      用臂距差量表復測一次全部的曲柄臂距差，再次將活塞組件吊出，裝進各缸的活塞環，檢查活塞環的切向熱脹間隙和軸向環槽間隙。同時將活塞桿的填料函全部裝妥。經清洗并涂上潤滑油的活塞組件吊入氣缸套內，活塞環在進入氣缸套之前，應將各環的搭口錯開，使相鄰的兩道環錯開180°，并借助活塞環的導向套，慢慢地落入氣缸套內。

 

三、活塞改良措施

 

      為了使柴油發電機活塞各部分，特別是裙部，在各種工作情況下與缸壁的配合間隙都盡可能保持在一定范圍內，康明斯公司在不同系列的柴油發電機活塞在結構上采取了與變形相適應或控制盡可能小的變形等一些措施。

1、活塞頭部的直徑呈上小下大的階梯形或截錐形，且頭部直徑小于裙部，直徑一般差0.5-0.9mm。

2、活塞裙部呈上小下大的截錐形。

      在垂直于銷座孔軸線方向上，裙部下端與上端的直徑稱為柴油發電機活塞裙部的錐度，也籠統稱為柴油發電機活塞的錐度。

3、柴油發電機活塞裙部沿圓周方向近似橢圓形，成為橢圓柴油發電機活塞。

      橢圓的長軸在垂直于銷座孔軸線的方向，即側壓力面方向。一般橢圓柴油發電機活塞是裙部下端長軸最大，它與同一橫截面短軸的直徑差稱為柴油發電機活塞裙部的橢圓度，也籠統稱為柴油發電機活塞的橢圓度。

      以上三項結構措施，是與柴油發電機活塞的熱變形及側壓力變形相適應，使柴油發電機活塞在工作溫度下變成接近于正圓柱形，從而獲得均勻的配合間隙。 

4、活塞裙部沿銷座外端面在鑄造時凹陷0.5-1mm，使銷座兩端有充分的膨脹余地，不會與缸壁接觸。

5、裙部開有絕熱槽和膨脹槽。

      在裙部受側壓力較小的面，開有“T”形或“∏”槽。位置如圖5、圖6所示。

（1）其中橫槽叫絕熱槽，它開在頭部最下一道油環槽中或裙部上邊沿，其作用是減少頭部熱量向裙部傳導，從而減少裙部的熱膨脹；另外，它還可增強油環槽的回油能力。

（2）豎槽叫膨脹槽，其作用是使裙部具有一定的彈性和熱態時起補償作用，使柴油發電機活塞在裝配間隙較小的情況下熱膨脹時，不致卡缸。

6、雙金屬活塞

        在柴油發電機鋁合金活塞裙部或銷座孔內嵌鑄入鋼片，以減小柴油發電機活塞裙部的膨脹量。這是目前國內外所廣泛采用的一種措施。

 

圖5  錐形裙部活塞膨脹槽

圖6  其他類型活塞膨脹槽

 

 

總結：

      活塞組件裝配方法首先要清洗活塞組件及氣缸套內孔，用吊具將活塞組件吊起，此時活塞環暫不裝入，檢查活塞桿下端平面應平整，將活塞組件吊入氣缸套內，落到十字頭的平面上，用0.03mm塞尺檢查活塞桿與十字頭的連接面，絕不允許插入，如有縫隙出現，必須周密檢查連接面有無機械雜質或毛刺夾在表面。如仍有縫隙，應更進一步詳細檢查，疵病必須排除。發動機工作時，活塞裙部受側壓力與缸套摩擦而自然磨損；冷卻不良，潤滑不良，空氣、柴油、機油不凈，含雜質多會加速活塞裙部的磨損；活塞與缸套裝配間隙過大或過小，易造成活塞裙部推力面的嚴重磨損；因連桿彎曲使活塞呈過度的單面磨損。活塞裙部外表面磨損后，裙部直徑減小，活塞與氣缸的間隙增大，活塞橫截面產生圓度誤差、縱截面產生圓柱度誤差。這些都直接影響活塞的工作性能和柴油機的功率。

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