性能特點(diǎn)和作用說明

康明斯柴油機(jī)活塞環(huán)的介紹說明

 

摘要：活塞環(huán)是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，康明斯大部分柴油發(fā)電機(jī)活塞環(huán)是具有三道氣環(huán)和一道油環(huán)。活塞環(huán)是布置在汽缸壁和活塞之間的金屬密封件，用于從曲柄箱密封燃燒室，并便于從活塞到汽缸的熱傳遞。活塞環(huán)的其它功能是用來防止?jié)櫥恍枰挠蛷那湟苿?dòng)到燃燒室并在汽缸孔表面上提供均勻的燃油膜。為此，活塞環(huán)必須保持接觸汽缸和活塞。徑向接觸通常通過活塞環(huán)的固有彈簧力實(shí)現(xiàn)。活塞環(huán)還被用作旋轉(zhuǎn)軸的金屬密封件，并還用作收縮和膨脹密封件。活塞環(huán)的密封性能對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的工作效率、排放性能和壽命都有著重要的影響。

 

一、活塞環(huán)類別和布置

 

      活塞環(huán)分為氣環(huán)和油環(huán)，其中氣環(huán)用于對(duì)活塞和缸套之間進(jìn)行密封，防止燃燒室內(nèi)的高溫燃?xì)馔ㄟ^活塞和缸套之間的縫隙泄漏，使盡可能少的燃?xì)庑孤┲燎S箱內(nèi)；油環(huán)用于對(duì)缸套上的潤滑油進(jìn)行刮擦控制，將多余的潤滑油刮到曲軸箱內(nèi)，同時(shí)保證適量的潤滑油留在缸套內(nèi)表面，使其對(duì)缸套和氣環(huán)之間的相對(duì)滑動(dòng)面進(jìn)行潤滑。

1、第一道氣環(huán)

      氣環(huán)通常設(shè)置多道，靠近燃燒室的第一道氣環(huán)的工作環(huán)境最為惡劣，因此將第一道氣環(huán)采用扭曲環(huán)，使第一道氣環(huán)的外周壁與缸套良好接觸，在活塞上行時(shí)，第一道氣環(huán)外周壁上的最高點(diǎn)與缸套保持線性接觸，從而保證第一道氣環(huán)的密封效果，且在第一道氣環(huán)上行時(shí)起到良好的布油效果。但實(shí)際工作過程中，第一道氣環(huán)的周向變形不均勻，使活塞上安裝活塞環(huán)的環(huán)槽、活塞環(huán)底面以及活塞外圓面的磨損更加嚴(yán)重，尤其是第一道氣環(huán)的開口處，氣體壓力較高，活塞環(huán)的扭曲變形較大，特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間接近大修壽命時(shí)，活塞環(huán)的頂面尖角極易與缸套內(nèi)表面接觸，造成活塞環(huán)上行時(shí)將缸套上的機(jī)油刮到燃燒室中，造成機(jī)油油耗增加，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致活塞出現(xiàn)拉缸現(xiàn)象。

      康明斯柴油發(fā)電機(jī)第一道氣環(huán)由可鍛鑄鐵制成，斷面為梯形，與氣缸接觸的環(huán)表面為筒形并鍍鉻。這種環(huán)為筒面梯形環(huán)，如圖1所示，其主要特點(diǎn)是活塞環(huán)的外圈表面制成凸圓弧形。運(yùn)轉(zhuǎn)良好的活塞環(huán)，使用后的環(huán)周表面多呈現(xiàn)圓弧形，所以新環(huán)也可加工成這樣的形狀。筒面梯形環(huán)的優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)活塞上下運(yùn)行時(shí)都可以形成楔形油膜，保證良好的潤滑；環(huán)面和缸壁是圓弧接觸，能很好地適應(yīng)活塞擺動(dòng)；環(huán)與氣缸接觸面極小，有利于密封；工作時(shí)環(huán)隙變化，環(huán)與環(huán)槽的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可防止環(huán)積炭結(jié)膠，密封性好 ，耐磨，壽命長。

2、第二道氣環(huán)

      康明斯柴油發(fā)電機(jī)第二道氣環(huán)由球墨鑄鐵制成，斷面為梯形扭曲面，環(huán)外表面有2°錐角，。 這種環(huán)工作時(shí)扭曲，扭曲后環(huán)與環(huán)槽上下側(cè)面為線接觸。其特點(diǎn)是，密封性好，并可減輕對(duì)環(huán)槽的沖擊；環(huán)扭曲后，以底棱邊和缸壁接觸，再加上環(huán)外面呈錐形，這就能改善磨合狀況并使活塞下行時(shí)刮油作用良好，活塞上行時(shí)易于在氣缸壁上行程油膜，從而提高其耐磨性。除此外，還具有上述梯形環(huán)的優(yōu)點(diǎn)。

3、第三道氣環(huán)

      康明斯柴油發(fā)電機(jī)第三道氣環(huán)的材料亦為球墨鑄鐵，斷面為梯形扭曲面，與港幣接觸面呈2°錐角。在安裝上述活塞環(huán)時(shí)，都需特別注意，切勿裝反，否則會(huì)引起機(jī)油消耗量劇增。氣環(huán)上標(biāo)有記號(hào)或“TOP”字樣的活塞環(huán)，安裝時(shí)應(yīng)將記號(hào)或“TOP”的一面朝向活塞頂，不可裝反。

4、第四道環(huán)

      康明斯柴油發(fā)電機(jī)第四道環(huán)是油環(huán)，為合金鑄鐵制成，兩面有較大的倒角，與缸壁相接觸的環(huán)外表面鍍鉻，在油環(huán)的內(nèi)面安裝有螺旋彈簧脹圈。這種環(huán)可提高環(huán)的徑向壓力，保證油環(huán)與氣缸壁之間均勻而穩(wěn)定的貼合，特別是當(dāng)環(huán)外圓磨損時(shí)，彈力不會(huì)急劇下降，所以加強(qiáng)了刮油的能力及工作耐久性。兩件組合或刮油環(huán)裝上后，脹圈的開口于油環(huán)的開口應(yīng)當(dāng)相隔180°。安裝活塞環(huán)時(shí)，各活塞環(huán)開口不得對(duì)準(zhǔn)活塞銷軸線方向，并且應(yīng)相互錯(cuò)開。

      一般常見的油環(huán)均采用鋼帶組合式結(jié)構(gòu)，如圖2所示，由上、下兩片刮片環(huán)及中置的襯環(huán)組成。刮片環(huán)和襯環(huán)為配合熱脹冷縮作用，均采用斷開式結(jié)構(gòu)，其中襯環(huán)采用波形鋼結(jié)構(gòu)，上下波紋的內(nèi)緣形成臺(tái)階狀的抵凸，刮片環(huán)內(nèi)緣與襯環(huán)抵凸相抵。當(dāng)油環(huán)卡入活塞油環(huán)槽，隨活塞放置入汽缸中后，襯環(huán)的波形結(jié)構(gòu)形成彈性形變，通過抵凸的支撐作用將刮片環(huán)緊抵在汽缸壁上。當(dāng)活塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，刮片環(huán)從下面帶油，潤滑汽缸壁；當(dāng)活塞為向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，刮片環(huán)將多余的油從汽缸壁刮下，襯環(huán)的波形結(jié)構(gòu)形成的通路可保障通油的順暢。

 

圖1 活塞環(huán)的氣環(huán)示意圖

圖2 活塞環(huán)的油環(huán)示意圖

 

二、活塞環(huán)的形狀設(shè)計(jì)

 

      活塞環(huán)的設(shè)計(jì)要素可以從材料、斷面形狀等方面來進(jìn)行分析、參數(shù)選擇、方案對(duì)比。

1、活塞環(huán)的斷面形狀

      活塞環(huán)斷面形狀的設(shè)計(jì)是活塞環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要組成部分。活塞環(huán)的斷面形狀應(yīng)能滿足密封性好、迅速磨合、刮油能力強(qiáng)的要求。斷面形狀設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單確定經(jīng)緯尺寸，發(fā)展到根據(jù)不同位置、不同環(huán)別以及該環(huán)所期望側(cè)重的功能等綜合選擇斷面形狀。氣環(huán)常用的主要斷面形狀有矩形、梯形、錐面形、扭曲形和桶面形等，如圖3所示。油環(huán)常用的主要斷面形狀有外階梯形、鼻形、內(nèi)撐彈簧形等。現(xiàn)就內(nèi)撐彈簧組合油環(huán)體斷面有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)作一簡(jiǎn)述。

（1）徑向厚度（環(huán)體徑向厚度）

      由于環(huán)體徑向厚度不受彈力的約束，為了減小環(huán)的安裝和工作應(yīng)力，并提高環(huán)的順應(yīng)性，徑向厚度取3～5mm為宜。

（2）刮油邊高度

      刮油邊高度定義是油環(huán)外圓面與缸壁接觸的軸向高度。當(dāng)平均徑向壓力確定后，刮油邊高度和切向彈力成正比，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，環(huán)高＜4mm刮油邊高度按0.5±0.1mm；環(huán)高＞4mm，刮油邊高度按0.6±0.1mm為宜。

（3）集油槽深度和槽底壁厚

      為保證環(huán)體本身有足夠強(qiáng)度，又有足夠的存油，并滿足回油暢通的要求對(duì)集油槽深度和槽底壁厚有一定的設(shè)計(jì)范圍，根據(jù)環(huán)磨損達(dá)到最大允許值時(shí)，開口間隙允許增大2～2.5mm,則半徑方向的磨損量為0.30～0.40。據(jù)有關(guān)資料介紹，環(huán)磨損達(dá)到極限值時(shí)，油槽半徑方向最小間隙為0.20mm，因此，集油槽深度為0.7～0.8mm個(gè)別可達(dá)0.9mm，槽底壁厚一般按1.5～2mm設(shè)計(jì)，具體尺寸由組合徑向厚度和彈簧外徑而定。

（4）回油孔高度和長度孔數(shù)

      回油孔高度理論上要求在滿足環(huán)的機(jī)械強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，有足夠的機(jī)油通道即可，但還必須滿足工藝上的要求，一般選用0.8、1.0、1.2、1.5。孔數(shù)按GB/T1149.7—94規(guī)定選用或產(chǎn)品圖紙要求。

（5）內(nèi)槽圓弧半徑

      內(nèi)槽圓弧半徑一般比內(nèi)撐體外徑大0.1～0.15mm，圓弧形狀為Ｕ形。

2、活塞環(huán)的切口形狀

      活塞環(huán)的切口形狀主要有三種：直切口、斜切口和搭疊式切口，如圖4所示。活塞環(huán)安裝時(shí)應(yīng)使各種切口相互錯(cuò)開以減少漏氣量。

（1）直切口

      直切口如圖4（a）所示，加工簡(jiǎn)單，得到廣泛應(yīng)用。

（2）斜切口

      斜切口如圖4（b）所示，與直切口相比，其實(shí)際間隙比較小，這樣氣體泄漏通道也相應(yīng)變小了。切口斜角一般在30º～60º之間，通常以45º居多，也得到廣泛應(yīng)用。

（3）階梯形切口

     階梯形切口 如圖4（c）所示，階梯形切口的密封性好，但工藝性較差；

（3）帶防轉(zhuǎn)銷釘槽的切口

      如圖4（d）所示，是活塞環(huán)的帶防轉(zhuǎn)銷釘槽的切口示意圖。壓配在活塞環(huán)槽中的銷釘，是用來防止活塞環(huán)在工作中繞活塞中心線轉(zhuǎn)動(dòng)的。

 

圖3  活塞環(huán)的斷面形狀示意圖

圖4  活塞環(huán)的切口形狀示意圖

 

三、活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)尺寸

 

1、徑向厚度

      徑向厚度指環(huán)內(nèi)、外圓之間的徑向距離。一般由缸徑和活塞環(huán)槽底深度而定，此參數(shù)的大小直接影響活塞環(huán)的彈力、應(yīng)力以及柴油機(jī)的性能。總的說徑向厚度α小，則平均彈力就小，散熱比較困難，顯然對(duì)高速發(fā)動(dòng)機(jī)是不利的。近來，隨發(fā)動(dòng)機(jī)的高速化，環(huán)的徑向厚度趨向于加大，對(duì)改善活塞傳熱，提高環(huán)的彈力、剛度是有利的，但若徑向厚度過大，工作和安裝時(shí)應(yīng)力大，易折斷，同時(shí)對(duì)氣缸橫向變形的適應(yīng)性較差。因此規(guī)定缸徑d與徑向厚度α的比值應(yīng)在一定的范圍內(nèi)，一般d/α=22～28，曲線如圖5所示。

2、環(huán)高

      環(huán)高是環(huán)兩端面沿其軸線方向的最大公稱尺寸。活塞環(huán)的高度不宜過高，原因如下：

（1）能較好地適應(yīng)氣缸的不均勻磨損和變形，可以避免棱緣集中負(fù)荷，從而提高環(huán)的抗粘著能力；

（2）使活塞組往復(fù)質(zhì)量和結(jié)構(gòu)尺寸減少，活塞環(huán)槽磨損減少；

（3）使環(huán)背和環(huán)槽間的空間變小，環(huán)背壓力容易建立起來，提高了二次密封效能；

（4）發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦功率損失小，氣缸套的磨損將顯著下降；

（5）磨合快。

      事物都是一分為二。環(huán)高過小，將使活塞工作穩(wěn)定性變差，從而可能引起活塞環(huán)與氣缸壁之間表面接觸應(yīng)力集中，破壞缸壁油膜導(dǎo)致拉缸的可能。還可能導(dǎo)致磨料磨損增加（見圖6）易于折斷、散熱能力差等。這些都是要在設(shè)計(jì)時(shí)加以權(quán)衡的。但是，對(duì)于高速發(fā)動(dòng)機(jī)而言，減少環(huán)高是活塞環(huán)發(fā)展的總趨勢(shì)，存在問題可以從材料及表面處理，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面努力克服的。對(duì)于小功率柴油機(jī)，一般氣環(huán)環(huán)高h(yuǎn)=2～4mm，近來還出現(xiàn)環(huán)高h(yuǎn)=1.5mm的實(shí)例。

圖5  柴油機(jī)活塞環(huán)變化曲線

圖6  活塞環(huán)高度和開口間隙關(guān)系曲線

 

總結(jié)：

      活塞環(huán)是一種安裝在活塞上的環(huán)形零件，其作用是密封活塞與氣缸之間的間隙，防止燃燒室內(nèi)的燃?xì)夂蜐櫥瓦M(jìn)入活塞與氣缸之間，同時(shí)還能防止氣缸內(nèi)的壓縮空氣和爆炸產(chǎn)生的高溫燃?xì)庑孤┑角S箱中。綜上所述，活塞環(huán)作為一種密封件，在柴油機(jī)中起著密封和導(dǎo)熱作用。它的密封性能能夠減少氣缸和活塞之間的泄漏，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比；導(dǎo)熱作用能夠減少活塞的熱負(fù)荷，降低溫度和摩擦；同時(shí)還能夠保護(hù)活塞和氣缸壁，延長發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。因此，康明斯活塞環(huán)在柴油發(fā)電機(jī)中扮演著不可或缺的重要角色。

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