故障檢查與技術維護

柴油發電機組活塞環的常見磨損形式和三隙檢驗

 

 摘要：活塞環在高溫高壓和高速的條件下工作，第一道活塞環的工作條件最為困難，長期以來，活塞環一直是發動機上使用壽命最短的零件。 活塞環工作時受到氣缸中高溫高壓燃氣的作用，溫度很高，第一道活塞環的溫度高達600K；活塞環在氣缸內隨活塞一起作高速運動，加上高溫下機油可能變質，使環的潤滑條件變壞，難以保證良好的潤滑，如果使用、維護及裝配不當，常造成活塞環損壞，直接影響柴油發電機的使用可靠性和壽命。

 

一、活塞環組合

 

      由兩個活塞環疊合在一起構成的組合式活塞環，兩活塞環的各自截面分別為梯形，其斜面處疊合后的整體截面為方形，兩活塞環的開口錯位疊合；其一表面鍍鉻處理改善耐磨性能，另一個由于不斷磨損且可補償磨損造成的側隙變化，從而延長活塞環的使用壽命。

1、活塞環組合要求

      活塞環的組合結構如圖1所示，在強化發動機中特別重要，一般要求如下：

（1）第一環要加倍強化，因為它工作條件最差，對竄氣、竄油均有重大影響。第一環要求避免發生逆倒角的情況。

（2）中間環的情況在二沖程和四沖程柴油機中是不同的。二沖程柴油機的第二環，甚至全部壓縮環與第一環都是相似的。這是因為二沖程的活塞環經過氣口時，工作條件不利。四沖程柴油機的第二環的工作條件不很厲害，尺寸多較第一環薄一些。在高速發動機上主要還是防竄油的作用，端面要求貼合承壓，為此，多要求扭曲環，對高增壓高平均有效壓力的發動機上，第二環有采用高強度材料的趨向。

（3）在高速發動機中由于要縮短活塞長度，油環一般趨向于用一個，此時強化油環結構是有必要的。

（4）在目前強化發動機中不論油環、或壓縮環，均要起密封和刮油雙重作用，所以在組合時要考慮它們之間的配合。

 

圖1  組合式活塞環開口間隙示意圖

圖2  柴油機活塞環密封原理圖

 

2、活塞環數目

      不同結構和功能的活塞環通過適當的結合，安裝在活塞各環槽內，以適應不同的用途。活塞環數目實際上是按照發動機的型式，缸徑大小和轉速高低等不同情況來確定。

3、環的安排

      四沖程發動機，有壓縮環（氣環）和油環。絕大多數都放在活塞銷座以上的位置，壓縮環在上，油環在下。有時為了加強刮油效果，也常把一個油環放在活塞銷座以下的裙部上。氣環在自由狀態下的外圓直徑略大于氣缸直徑，隨活塞裝入氣缸后便產生彈力而緊貼在氣缸壁上，形成第一密封面，使氣體不能從活塞環外圓表面與缸壁之間通過，因而當少量氣體竄入環槽內，形成背壓力作用在活塞環的背面，加強了第一密封面的密封作用。同時，將活塞環向下壓緊環槽下端面，形成第二密封面，使其密封性能顯著提高(圖2)。氣缸內的燃氣漏入曲軸箱的主要通路是活塞環的切口。一般將2～3道氣環的切口相互錯開形成“迷宮式”封氣裝置，用以對氣缸中的高壓燃氣進行有效的密封。

4、環肩厚度

      環肩（岸）厚度就是活塞環徑向厚度，在鋁合金活塞中大都和活塞環的高度相等，如圖3所示。在鑄鐵或鋼活塞中取值1～1.2mm，高速發動機通常為3～5mm。為保證活塞環槽間隙壁的靜力強度和疲勞強度，環肩槽根部的圓角半徑R不應小于0.4～0.5mm。活塞環槽隔壁的外圓邊沿圓角R=0.2～0.3mm。活塞環背上必須制出倒角(1.2～0.4)mm×45°，以保證和環槽的正確配合。

5、環槽

（1）環和環槽的背面間隙計算

氣環有效背隙=0.003d+0.25（mm）

油環有效背隙=0.003d+0.75（mm）

      油氣環具有雙重作用，通常按氣環選用背隙。背隙位置如圖4所示。

（2）活塞環槽直徑計算

槽底直徑=d-（2α+0.006 d+0.50）(mm)

槽底直徑=d-（2α+0.006 d+1.50）(mm)

式中，α—活塞環徑向厚度，mm；d—氣缸直徑或環的公稱直徑，mm。

（3）側面間隙

      刮油環與氣環通常按相同的側面間隙，側隙位置如圖4所示。

6、活塞環槽護圈

      鋁合金活塞的環槽，特別是第一環槽，由于承受高溫高壓氣體的作用，其材料硬度顯著降低，變得不耐磨。為了提高環槽的耐磨性，可在第一環槽（有時包括第二環槽）上鑲嵌上各種形狀的耐熱護圈。為了避免環槽鑲圈在運動時發生松動，以及防止中間產生龜裂、剝落，要求使用熱膨脹系數與合金相近的材料。一般采用鎳奧氏體鑄鐵或錳奧氏體鑄鐵。

      環槽護圈大部分都用于鑄鋁活塞中。通常應用A1-Fin法的結合工藝，其工藝過程是：將環槽護圈噴丸、清洗、去油跡銹斑及烘干后，放入加熱鋁槽中滲鋁，滲鋁厚度約為0.001～0.005mm，然后放在鋁活塞鑄模中與鋁活塞一起澆鑄。預先滲鋁，使護圈和活塞材料依靠互相擴散形成金屬分子結合（中間層系多種化合物，其主體為FeAl，中間層厚度約為0.02～0.03 mm），防止兩種金屬接合面剝離。

      采用鑄鋁活塞的強化柴油機，也可以采用護圈，但需將護圈表面做得粗糙，形成許多坑，以使活塞在鋁合金和護圈之間形成牢固的機械結合。缸徑大于100mm的高速柴油機已被廣泛采用，環槽壽命可提高3～10倍。

 

圖3  活塞環環肩（徑向）厚度

圖4  柴油機活塞環間隙示意圖

 

二、活塞環常見損壞和磨損

 

1、偏向磨損

（1）特點：

      活塞環上下端面與環槽的磨損較小，單側或在圓周面上有厚度不均勻磨損；活塞環滑動面上因粘著磨損而產生縱向劃痕；活塞環與活塞頂部有竄氣的痕跡。

（2）原因：

      活塞在氣缸中的位置不正。其主要影響因素有：新機或大修后的柴油發電機磨合不足；氣缸套因受熱不均而局部變形以及氣缸套裝入缸體位置不正；連桿彎曲、扭曲嚴重；曲軸軸向間隙過大等。

2、過度磨損

（1）特點：

      活塞環上下端面有周向劃傷且磨損嚴重，活塞環發烏；滑動面四周有細小的縱向劃痕；油環及活塞環槽回油孔周圍有大量油泥。

（2）原因：

      造成活塞環過度磨損的直接原因是運行管理以及維護、保養不當。主要影響因素有：空氣濾清器濾清質量差；潤滑油型號不合要求、嚴重污染，潤滑不良；燃料中有水或雜質較多；噴油器噴油質量差；柴油發電機經常在大負荷、低溫狀態下工作。

3、工作面擦傷

（1）特點：

      活塞環單側或周向接觸面上有縱向溝槽；接觸面發生金屬剝離以及縱向大面積嚴重劃傷。工作面擦傷與粘環現象往往同時存在。

（2）原因：

      造成活塞環擦傷的直接原因是活塞環與氣缸間的油膜遭到破壞，主要影響因素有：活塞與氣缸配合間隙過小；柴油發電機長期在高溫狀態下工作；裝配氣缸套或緊定缸蓋的方法不當而引起氣缸套變形；潤滑油不足或污染嚴重；柴油發電機不正常燃燒。  

4、折斷

（1）特點：

      第一道氣環以及油環斷裂較多；活塞環工作面有條紋狀拉痕現象；斷口經常發生在開口兩側的高位區。

（2）原因：

      造成活塞環斷裂有環本身質量的原因，也有其他原因。主要影響因素有：柴油發電機工作過熱，因熱膨脹致使開口端相碰造成折斷；過度磨損、偏磨；選用的機油粘度過小或過大；活塞環選配、安裝方法不正確；活塞環與氣缸之間的配合間隙過小。

5、活塞環黏結

（1）特點：

      活塞環與活塞環槽處有大量的油泥、積炭和膠質、活塞環滑動面上呈現擦亮的光澤；活塞環彈力不足，尤其是氣環更為嚴重；活塞環滑動面上有縱向嚴重劃痕。

（2）原因：

      造成粘環的直接原因是活塞環被油泥堆積物、積炭黏結、以及活塞環變形卡滯所致，其主要影響因素有；活塞環及環槽嚴重變形，活塞環側隙、背隙過小，使環卡死在環槽內；柴油發電機過熱或經常超載工作，使潤滑油產生高溫膠質；潤滑油污染嚴重、潤滑油質量差、潤滑油上竄；噴油器噴油質量差及經常爆燃等。

三、活塞環質量的檢驗

 

      活塞環的三隙是指端隙、側隙和背隙。一般來講，活塞環的三隙是上環大于下環，柴油機環大于汽油機環。在檢驗活塞環的三隙前，應先檢查其包裝情況以確定其安裝的部位，因為有的發動機的活塞環是以包裝的紙色標記識別，有的則以每一缸的活塞環按順序包裝，即使結構相同的活塞環也不能弄混，因為環的安裝位置不同，其三隙也不相同。

1、活塞環端隙

      活塞環端隙是指活塞環置于的氣缸內，在環的開口處呈現的間隙，也就開口間隙。端隙過大，影響氣缸的密封性；端隙過小，活塞環受熱膨脹易卡死在氣缸內。檢測方法有兩種，具體如下：

（1）如圖5所示，將活塞環從柴油機氣缸內拆卸出來，然后用游標卡尺兩卡爪分別卡在活塞環兩端口進行測量。

（2）測量活塞環端隙時，用活塞將活塞環推入氣缸內，使活塞環的平面與氣缸口面平行，然后用塞尺測量活塞環的端隙，如圖6所示。若端隙大于規定值，應另選活塞環；若小于規定值，可對環口一端加以銼修。銼削時應注意只能銼修一端環口，環口應平整，并應邊銼邊量。然后去掉毛刺，以防止刮傷氣缸。

 

圖5  活塞環開口間隙檢測

圖6  活塞環端隙測量圖

 

2、活塞環側隙

      活塞環側隙即活塞環在環槽內的上下間隙。側隙過大將影響活塞環的密封作用；過小則可能使活塞環卡死在環槽內，造成拉缸現象。檢查時，將活塞環放入環槽內，用塞尺按圖7所示的方法測量。其經驗方法是∶活塞環在其槽內，能沿槽轉動自如，且無松曠感覺為宜。側隙過大需重新更換；側隙過小，可將活塞環放在平板的砂布上研磨。

3、活塞環背隙

      活塞環背隙是指活塞環裝入氣缸后，活塞環背面與活塞環槽底部之間的間隙。為了測量方便，通常以槽深和環寬之差表示。背隙的作用是建立背壓，儲存積炭和防止活塞工作時膨脹過大擠斷活塞環而設置的。測量時，將環落入環槽底，再用深度游標卡尺測出環外圓柱面沉入環岸的數值，該值一般為0～0. 35mm。背隙過小，應更換活塞。

4、活塞環上下端面平行度的檢查

      檢測活塞環平面度主要靠目測，可持高倍放大鏡觀測活塞環的上、下平面（尤其是下平面）是否與活塞環槽有均勻貼合的印跡。如貼合極不均勻，存在明顯斷線或有斷斷續續現象，應予更換。若條件具備，可將活塞環放置在玻璃板上，持磁性百分表測頭擱置在活塞環一平面上。百分表不動，將活塞環作順時針或逆時針方向的緩慢轉動，此時注意觀察百分表指針的數值，若在0.02 mm以內，基本合格。倘若超過0.03 mm，則說明活塞環翹曲嚴重，是活塞環與環槽接觸不均勻的主要原因，可在平板上研磨或更換新環。

5、檢測活塞環彈力

      彈力測量儀由測定缸，被測活塞環，千分表，觸頭，觸針，外加載荷，觸針支架構成，其特征是被測活塞環安裝在測定缸內，且被測活塞環的兩個斷面垂直測定缸的內圓面，觸頭與千分表構成一體，觸頭靠住被測活塞環的內圓面，以能加減載荷的觸針靠住被測活塞環的外圓，一旦觸頭受被測活塞環內圓面擠壓時千分表指針會擺動，此時在保持被測活塞環的變位量為定值的條件下，測定外加載荷的大小即表示被測活塞環上該點彈力的大小。

      沒有專用測量儀測量環彈力時，可將在用活塞環（或新環）握在手掌心，并反復向里握，使環的兩端口靠近數次后，如其自由開口間隙與試驗前對比沒有變化，即可判定合格。若相差10％以上，說明其彈力下降，應更換。

 

圖7  活塞環側隙測量圖

圖8  活塞環彈力檢查

 

 總結：

      活塞環是柴油發電機的關鍵零部件之一，密封作用是活塞環的功能之一，密封不好產生燃油泄漏，引起壓縮不足，功率下降，導致熱功率下降，嚴重情況下漏氣破壞了缸套與活塞之間的油膜，使之干摩擦易引起發動機拉缸故障，而活塞環間隙是影響活塞環密封程度好壞的關鍵因素之一，因此控制合理的活塞環的間隙是非常重要的。

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