故障檢修與技術(shù)維護(hù)

活塞環(huán)的故障案例和測(cè)量方法

 

摘要：活塞環(huán)故障是柴油機(jī)常見故障之一。活塞環(huán)在工作時(shí)，由于受高溫的作用和磨損的影響，其彈力逐漸減弱，開口間隙加大尤其是環(huán)的開口兩側(cè)彈力下降嚴(yán)重，使得氣缸密封性變差，出現(xiàn)漏氣和竄機(jī)油現(xiàn)象，影響柴油機(jī)組的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。康明斯通過維修的典型案例，對(duì)大量的用戶投訴的柴油機(jī)組故障進(jìn)行分析研究，結(jié)果表明很多不良癥狀并非由活塞環(huán)質(zhì)量缺陷引起。而是由于其他原因引發(fā)。康明斯公司就一些常見的癥狀及現(xiàn)象進(jìn)行舉例分析說(shuō)明。

 

一、活塞環(huán)常用工具

 

1、拆卸工具

      活塞環(huán)是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要密封零件，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)向高壓縮比、高輸出功率、低排放和長(zhǎng)壽命的方向發(fā)展，使活塞承受熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷的能力不斷增強(qiáng)，而發(fā)動(dòng)機(jī)在工作的過程中，活塞環(huán)與套缸之間長(zhǎng)時(shí)間摩擦容易造成活塞環(huán)磨損，另外也會(huì)因?yàn)榛钊h(huán)潤(rùn)滑不良而產(chǎn)生“拉缸”現(xiàn)象，從而導(dǎo)致活塞環(huán)被破壞。活塞環(huán)磨損或破壞后需要及時(shí)更換新的活塞環(huán)，而更換新的活塞環(huán)需要先對(duì)已磨損或破壞的活塞環(huán)進(jìn)行拆卸，然后安裝新的活塞環(huán)。

      發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)的拆卸工具（如圖1所示）包括手柄、壓蓋板、圓弧導(dǎo)向塊和定位爪，壓蓋板有四塊，每互相平行固定的兩塊為一組，每組壓蓋板之間形成容納圓弧導(dǎo)向塊的通道，壓蓋板的前端面為與活塞環(huán)配合的圓弧形；每組壓蓋板上均設(shè)有定位爪。在使用時(shí)，將兩個(gè)定位爪遠(yuǎn)離壓蓋板的端面抵在活塞環(huán)的開口端面上，按壓兩手柄使兩定位爪張開撐開活塞環(huán)開口，從而取出活塞環(huán)。

 2、測(cè)量間隙工具

      柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)活塞在氣缸中做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞上裝有彈性的活塞環(huán)與氣缸接觸。活塞環(huán)從上到下一般分為頂環(huán)、氣封環(huán)和刮油環(huán)。活塞環(huán)裝到氣缸中后其切口位置會(huì)存在搭口間隙。技術(shù)上對(duì)這個(gè)間隙的大小規(guī)定既不能太大，也不能太小。活塞環(huán)搭口間隙太大會(huì)造成漏氣，降低氣缸效率；活塞在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的熱量會(huì)使活塞環(huán)熱脹，如果活塞環(huán)搭口間隙太小，活塞環(huán)會(huì)在氣缸中脹死損壞氣缸。因此搭扣間隙的測(cè)量十分重要。

     柴油機(jī)用活塞環(huán)間隙簡(jiǎn)易測(cè)量環(huán)規(guī)，如圖2所示，環(huán)規(guī)包括帶缺口的支撐底座和垂直于支撐底座設(shè)置的測(cè)量部。支撐底座為平板，平板為圓環(huán)狀，從支撐底座的圓環(huán)狀平板的上表面垂直的向上凸起形成測(cè)量部，測(cè)量部的內(nèi)徑與待測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的缸徑相同，在測(cè)量部的上端面或內(nèi)壁面上設(shè)置測(cè)量刻度，測(cè)量環(huán)規(guī)上設(shè)置一定角度的缺口，便于活塞環(huán)的取放和便口徑的測(cè)量。

 

圖1 活塞環(huán)拆卸工具

圖2 活塞環(huán)間隙測(cè)量環(huán)規(guī)

 

二、活塞環(huán)間隙檢查方法

 

      活塞環(huán)的間隙分為三隙，即端隙、側(cè)隙和背隙，分布位置如圖3所示。

1、活塞環(huán)的背面間隙

      活塞環(huán)的背面間隙（也叫徑向間隙）是指將活塞環(huán)裝在活塞槽內(nèi)，再將活塞裝入氣缸后活塞環(huán)的內(nèi)圓面與活塞環(huán)槽底之間的間隙，一般用活塞槽深與環(huán)厚之差來(lái)表示，推薦參考值在0-0.75mm范圍。一般經(jīng)驗(yàn)作法是將活塞環(huán)裝入環(huán)槽內(nèi)，如低于環(huán)岸，能轉(zhuǎn)動(dòng)自如又無(wú)澀滯感覺為適宜。

（1）背隙的失效模式：

① 背隙過小，則活塞環(huán)容易和活塞槽底部接觸，在工作中容易導(dǎo)致活塞環(huán)折斷，活塞環(huán)折斷后導(dǎo)致拉缸事故的發(fā)生。

② 活塞環(huán)背隙過大，則建立背面壓力困難，造成活塞環(huán)密封效果不好，導(dǎo)致漏氣量增加或者燒機(jī)油事故的發(fā)生。

（2）背隙的測(cè)量：

      活塞環(huán)背隙目前尚無(wú)較好的檢測(cè)工具進(jìn)行檢測(cè)，一般是用活塞槽深度減去活塞環(huán)徑向厚度之值近似表示。

 

圖3 活塞環(huán)三隙位置示意圖

圖4 活塞環(huán)背隙檢查示意圖（就機(jī)法）

 

 

2、活塞環(huán)的閉口間隙

      所謂活塞環(huán)的閉口間隙（也叫端隙）是將活塞環(huán)放入直徑為氣缸基本直徑的環(huán)規(guī)內(nèi)，開口兩端的最窄距離（如圖1）。因內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，活塞環(huán)也會(huì)隨之膨脹，閉口間隙的存在，能有效防止活塞環(huán)因熱膨脹而產(chǎn)生抵口導(dǎo)致拉缸的事故的發(fā)生。

（1）閉口間隙的失效模式：

① 閉口間隙過小：

      較小的閉口間隙有利于密封氣體和降低機(jī)油消耗，但是閉口間隙過小(亦即超過最小閉口間隙值時(shí))會(huì)導(dǎo)致活塞環(huán)卡死而失去功效，甚至折斷而使活塞環(huán)喪失功能，導(dǎo)致拉缸的事故，因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)一定要考慮活塞環(huán)的最小間隙。

② 閉口間隙過大：

      閉口間隙過大會(huì)使工作時(shí)活塞環(huán)的開口處仍有較大的間隙，這個(gè)較大的間隙會(huì)增大氣體泄漏量通道并且使機(jī)油在此處上竄至燃燒室，從而導(dǎo)致竄氣和燒機(jī)油事故。有試驗(yàn)表明一道環(huán)閉口間隙與漏氣量存在圖3的關(guān)系，二道環(huán)的閉口間隙與機(jī)油耗存在圖4的關(guān)系。

（2）閉口間隙的測(cè)量

      閉口間隙的測(cè)量方法如圖4所示，通常用楔形規(guī)或者厚薄規(guī)在內(nèi)徑等于基本直徑的環(huán)規(guī)中測(cè)量，測(cè)量力約為1N.m,同時(shí)環(huán)規(guī)應(yīng)滿足d1。在批量檢測(cè)時(shí)目前國(guó)內(nèi)較為先進(jìn)的方法是自動(dòng)間隙測(cè)量機(jī)，該間隙測(cè)量機(jī)是利用光電技術(shù)對(duì)活塞環(huán)開口工作間隙實(shí)現(xiàn)非接觸式光電轉(zhuǎn)換，用單片機(jī)對(duì)開口電信號(hào)運(yùn)算，處理和控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送料、檢測(cè)、分選等工步，該檢測(cè)設(shè)備能夠按活塞環(huán)閉口間隙大小將工件自動(dòng)分成負(fù)超差、合格和正超差三種分別存放，該方法檢測(cè)效率較高，而且可靠性較好。

● 允許的環(huán)閉口間隙：

– 矩形壓縮環(huán) ：0.20-0.35毫米（0.007-0.014英寸）

– 錐形壓縮環(huán) ：0.35-0.50毫米（0.014-0.020英寸）

– 刮油環(huán) ：0.20-0.90毫米（0.007-0.036英寸）

 

圖5 活塞環(huán)閉口間隙示意圖

圖6 活塞環(huán)端隙檢查

 

3、活塞環(huán)的側(cè)面間隙

      活塞環(huán)的側(cè)面間隙（也叫軸向間隙）是指活塞環(huán)軸向兩端面與活塞環(huán)槽上、下側(cè)面之間的間隙。

（1）側(cè)面間隙的失效模式：

① 側(cè)隙過小

      側(cè)隙過小則活塞環(huán)槽因活塞環(huán)產(chǎn)生的熱膨脹或積炭容易使活塞環(huán)卡死在活塞環(huán)槽中。

② 側(cè)隙過大

       側(cè)隙過大則活塞環(huán)的漏氣通道增加，氣密性下降；在環(huán)槽內(nèi)的上下運(yùn)動(dòng)幅度加大，叩擊作用加劇，導(dǎo)致活塞環(huán)兩端面或活塞槽側(cè)面的磨損均將增大；過大的側(cè)隙會(huì)導(dǎo)致活塞環(huán)泵油作用加劇，機(jī)油進(jìn)入燃燒室，導(dǎo)致燒機(jī)油。

（2）側(cè)隙的測(cè)量：

      測(cè)量時(shí)，將活塞環(huán)放入環(huán)槽內(nèi)，用厚薄規(guī)測(cè)量，如圖5、圖6所示。

● 允許的活塞環(huán)槽中留有的垂直間隙（側(cè)隙）：

– 矩形壓縮環(huán)：0.015-0.070毫米（0.0006-0.0028英寸）；

– 錐形壓縮環(huán) ：0.03-0.07毫米（0.001-0.002英寸） ；

– 刮油環(huán) ：0.04-0.12毫米（在0.0016-0.0048英寸）。

 

圖5 活塞環(huán)側(cè)隙檢查示意圖（方法1）

圖6 活塞環(huán)側(cè)隙檢查示意圖（方法2）

 

三、活塞環(huán)常見故障

 

1、機(jī)油消耗高

（1）癥狀：耗機(jī)油；功率損失；

（2）現(xiàn)象：活塞環(huán)陷在活塞槽里；油環(huán)外表面磨損加速活塞裙部接觸不良，油環(huán)外觀如圖7所示。

（3）故障原因：燃燒溫度高。連桿彎曲或小端襯套沒有對(duì)正，曲軸端部浮動(dòng)太大。

（4）解決方法：確保康明斯柴油機(jī)組進(jìn)氣系統(tǒng)不泄漏；確保空燃比正確；更換損壞的部件。檢查康明斯柴油機(jī)組連桿，并對(duì)正連桿小端位置，作必要的調(diào)整。

2、活塞環(huán)早期磨損

（1）癥狀：柴油機(jī)功率下降，耗機(jī)油；油耗增加；柴油機(jī)通氣口可能排出煙霧。

（2）現(xiàn)象：活塞環(huán)磨損或活塞環(huán)局部咬死，磨損現(xiàn)象如圖8所示。

（3）故障原因：冷卻不充分，氣缸表面溫度過高；潤(rùn)滑不足，尤其是在柴油機(jī)磨合期，進(jìn)氣系統(tǒng)濾清效果不佳；氣缸孔也變形。

（4）解決方法：修補(bǔ)氣缸內(nèi)孔損壞部位；更換活塞環(huán)，必要時(shí)更換活塞；確保整個(gè)柴油機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)充分工作（檢查機(jī)油泵、機(jī)油濾清器等）；檢查缸套，必要時(shí)更換；檢查進(jìn)氣系統(tǒng)，特別是空氣濾清器；按照制造商建議的程序觀察運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

 

圖7  油環(huán)示意圖

圖8  活塞環(huán)磨損位置圖

 

3、柴油機(jī)“竄氣”

（1）癥狀：某康明斯發(fā)電機(jī)組運(yùn)行2000小時(shí)，排氣管往外噴油、竄氣，機(jī)油消耗大。

① 現(xiàn)象：第一道環(huán)側(cè)面磨損嚴(yán)重，活塞的第一道槽的上梯角為6°10′，下梯角為8°10′（不符合圖紙要求），1.5mm處的槽高過窄。活塞環(huán)槽位置如圖9所示。

② 故障原因：由于活塞槽角度及不符合技術(shù)要求，引起活塞環(huán)的側(cè)面潤(rùn)滑狀況不好，環(huán)的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)加劇，造成環(huán)側(cè)面異常磨損，而竄油、竄氣。

③ 解決方法：更換活塞，確保活塞環(huán)槽的參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。

（2）癥狀：某康明斯發(fā)電機(jī)組裝機(jī)12天，竄油、竄氣。

① 現(xiàn)象：第一道氣環(huán)外圓鉻層有熔坑，嚴(yán)重熔著拉缸。鉻基陶瓷復(fù)合鍍層的活塞環(huán)如圖10所示。

② 故障原因：通常第一道氣環(huán)外圓面鍍有鉻基陶瓷復(fù)合鍍層。鉻基陶瓷復(fù)合鍍層中陶瓷微粒含量高達(dá)5-6％。因柴油機(jī)長(zhǎng)期超負(fù)荷工作，燃燒溫度過高，造成活塞環(huán)燒熔；活塞油冷卻噴管發(fā)生故障（限于有這種裝置的柴油機(jī)），導(dǎo)致活塞環(huán)損壞甚至活塞裙部逐漸咬死；柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)故障，如冷卻液泄漏，循環(huán)不暢。

③ 解決辦法：檢查燃油供給系統(tǒng)；確保柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)工作正常。修補(bǔ)或更換損壞的氣缸零部件。嚴(yán)格按修理手冊(cè)要求調(diào)整柴油機(jī)。

 

圖9  活塞與活塞環(huán)槽圖示

圖10  鉻基陶瓷復(fù)合鍍層的活塞環(huán)第一道氣環(huán)位置圖

 

4、活塞環(huán)斷裂

（1）癥狀：耗機(jī)油；功率損失；

（2）現(xiàn)象：活塞環(huán)表面斷裂（注意斷裂的角度）

（3）故障原因：燃燒室壓力過高；點(diǎn)火提前角設(shè)置過大；壓縮比增大。

（4）解決方法：找到原因并加以修理；更換損壞的部件。

5、柴油機(jī)噪音大

（1）癥狀：柴油機(jī)噪音大，機(jī)油耗增加。

（2）現(xiàn)象：活塞銷孔旁的活塞裙部腐蝕，氣缸受損。

（3）故障原因：卡環(huán)安裝不當(dāng)；裝了舊的卡環(huán)；末端壓力通過活塞銷傳輸，可能與連桿位置不正、曲軸軸頸變細(xì)或曲軸軸向間隙過剩有關(guān)；活塞銷孔積聚外來(lái)雜質(zhì)。

（4）解決方法：檢查、糾正任何連桿或小頭軸套的不正確位置尺寸；檢查、糾正過剩的曲軸軸頸尺寸及軸向間隙；更換損壞的活塞和缸套總成；確保活塞銷及卡環(huán)位置正確。

 

總結(jié)：

      活塞環(huán)是柴油機(jī)燃燒室的組成零件之一，它的功用可歸納為，密封燃燒室、散出活塞熱量和調(diào)節(jié)氣缸潤(rùn)滑。活塞環(huán)要實(shí)現(xiàn)這些功用，必須與氣缸壁緊貼，這就要求環(huán)具有足夠的彈力和符合要求的貼合。環(huán)的彈力不足和貼合不良會(huì)引起密封性下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因環(huán)的“壓入”而竄氣；同時(shí)貼合不良也不利益活塞散熱和調(diào)節(jié)氣缸潤(rùn)滑（油環(huán)）的作用。柴油機(jī)工作時(shí)，活塞環(huán)處在高溫高壓以及潤(rùn)滑極其困難的條件下，特別第一道環(huán)。這一方面使環(huán)和缸套遭受強(qiáng)烈的摩擦和磨損，使環(huán)彈性減弱和貼合不良，環(huán)的工作性能惡化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起拉缸、斷環(huán)。另一方面，環(huán)及環(huán)槽在高溫下受熱膨脹，若環(huán)的間隙（搭口間隙、天地間隙等）調(diào)整不當(dāng)，也將引起氣缸密封不良，環(huán)的卡阻、頂死，使柴油機(jī)工作性能和使用壽命下降。

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