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活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、位置布局和質(zhì)量選配方法 |
摘要：活塞環(huán)的密封作用能夠減少氣缸和活塞之間的熱量傳輸，提高柴油機(jī)的熱效率。在活塞的工作過(guò)程中，燃燒室內(nèi)的高溫氣體會(huì)通過(guò)活塞向氣缸壁傳遞熱能，導(dǎo)致活塞和氣缸壁的溫度升高。而活塞環(huán)能夠作為熱傳導(dǎo)路徑的一部分，將部分熱量傳遞到氣缸壁，從而減少活塞的熱量負(fù)荷，降低活塞的溫度。這樣不僅可以減少活塞的熱脹冷縮，提高密封性能，還能夠降低活塞的摩擦和磨損，延長(zhǎng)活塞環(huán)的使用壽命。為了改善柴油發(fā)電機(jī)活塞環(huán)的工作條件，使活塞環(huán)與汽缸更好地走合，有些活塞環(huán)采用了不同的斷面，在安裝時(shí)要特別注意?；钊h(huán)與活塞一樣，分標(biāo)準(zhǔn)尺寸和加大尺寸的，在選用時(shí)環(huán)的尺寸級(jí)別應(yīng)與活塞的尺寸級(jí)別一致。
一、活塞環(huán)的設(shè)計(jì)原則
1、活塞環(huán)設(shè)計(jì)要求
根據(jù)活塞環(huán)的作用和工作條件，活塞環(huán)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下要求：
（1）有適當(dāng)?shù)膹椓?，以利初始密封?/span>
（2）有較高的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性好；
（3）易磨合且有足夠的耐磨性和抗結(jié)膠能力；
（4）加工工藝簡(jiǎn)單，成本低廉。
活塞環(huán)設(shè)計(jì)采用彈性彎曲理論，綜合考慮環(huán)裝入活塞的張開(kāi)應(yīng)力和環(huán)在氣缸中的工作應(yīng)力。根據(jù)這些應(yīng)力的最佳比例和環(huán)材料的強(qiáng)度和彈性模量，實(shí)際環(huán)的自由狀態(tài)開(kāi)口距離為2.5～3.5倍的環(huán)徑向厚度，環(huán)直徑/徑向厚度之比在22～34之間。
2、油環(huán)的設(shè)計(jì)
氣環(huán)的設(shè)計(jì)原則，對(duì)于油環(huán)完全適用。設(shè)置油環(huán)的作用就是刮下缸壁上多余的機(jī)油，使缸壁上留下一層均勻分布的機(jī)油油膜，保證機(jī)器可靠工作。設(shè)計(jì)油環(huán)時(shí)應(yīng)考慮到消除活塞環(huán)的“泵油作用”，主要措施是：
（1）減少油環(huán)和活塞環(huán)槽之間的端面間隙，使泵入活塞環(huán)和環(huán)槽空間的機(jī)油量減至最少，一般油環(huán)端面間隙為第一道氣環(huán)端面間隙的1/3～1/2。
（2）油環(huán)對(duì)缸壁的徑向壓力應(yīng)比氣環(huán)要高，一般為0.3～0.4MPa甚至更高。這是因?yàn)橛铜h(huán)基本上沒(méi)有環(huán)背壓力幫助密封，它的密封材料性能靠自身彈力的作用，這在設(shè)計(jì)和制造時(shí)要加以考慮。
（3）油環(huán)上開(kāi)有回油孔，所以油環(huán)高度比氣環(huán)要高。
（4）油環(huán)和環(huán)槽各部分配合間隙，都比氣環(huán)要小。
（5）油環(huán)的數(shù)目為1～2個(gè)，對(duì)高速?gòu)?qiáng)化柴油機(jī)現(xiàn)大都采用一道油環(huán)。
（6）回油通路應(yīng)有足夠的流通面積，回油孔面積通常要求每厘米環(huán)周長(zhǎng)不小于0.2㎝。
（7）油道應(yīng)光滑以保證回油暢通。例如在油孔或油槽處涂復(fù)聚四氟乙烯，這種材料摩擦系數(shù)小，附著雜質(zhì)能力低，可避免雜質(zhì)堵塞油道。
二、活塞環(huán)類型與形狀
1、活塞環(huán)布置方式
活塞環(huán)通常由鋼材制成，具有高強(qiáng)度和耐磨損的特點(diǎn)。活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)包括上環(huán)、中環(huán)和下環(huán)，它們分別安裝在活塞環(huán)槽的不同位置。上環(huán)位于活塞環(huán)槽的最上方，中環(huán)位于上環(huán)和下環(huán)之間，下環(huán)位于活塞環(huán)槽的最下方?；钊h(huán)布置方式如圖1所示。
（1）上環(huán)
上環(huán)是活塞環(huán)中最重要的環(huán)之一，它負(fù)責(zé)密封燃燒室和氣缸之間的空間，防止燃?xì)庑孤?。上環(huán)的內(nèi)側(cè)與活塞接觸，外側(cè)與氣缸壁接觸，通過(guò)與氣缸壁之間的摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)密封作用。上環(huán)的設(shè)計(jì)通常采用多個(gè)溝槽和孔，以增加其密封性能。
（2）中環(huán)
中環(huán)位于活塞環(huán)的中間位置，起到輔助密封的作用。它的設(shè)計(jì)與上環(huán)類似，但尺寸較小。中環(huán)的主要功能是減少上環(huán)與下環(huán)之間的油膜厚度，提高密封性能。同時(shí)，中環(huán)還能夠防止活塞與氣缸之間的直接接觸，減少摩擦和磨損。
（3）下環(huán)
下環(huán)位于活塞環(huán)槽的最下方，主要負(fù)責(zé)潤(rùn)滑和密封。下環(huán)通常具有較大的溝槽和孔，以便吸收和儲(chǔ)存潤(rùn)滑油。下環(huán)與活塞環(huán)槽之間的空隙可以通過(guò)潤(rùn)滑油來(lái)保持潤(rùn)滑，減少摩擦。下環(huán)的設(shè)計(jì)還需要考慮到其與上環(huán)和中環(huán)之間的協(xié)調(diào)配合，以確保整個(gè)活塞環(huán)的密封性能。
除了上環(huán)、中環(huán)和下環(huán)之外，活塞環(huán)還包括側(cè)向密封環(huán)和油控環(huán)。側(cè)向密封環(huán)位于活塞環(huán)的兩側(cè)，用于密封活塞與氣缸之間的側(cè)向空隙。油控環(huán)位于上環(huán)和中環(huán)之間，用于控制潤(rùn)滑油的供給和排出，以保持正常的潤(rùn)滑和密封效果。
2、活塞環(huán)形狀
（1）矩形氣環(huán)
氣環(huán)的基本斷面形狀是矩形，如圖2所示。矩形環(huán)易于制造，應(yīng)用廣泛，但其磨合性比較差，不能滿足柴油機(jī)日益強(qiáng)化的要求。這種普通的壓縮環(huán)可隨意安裝在氣環(huán)槽內(nèi)。
（2）錐面氣環(huán)
錐面環(huán)結(jié)構(gòu)如圖3所示。這種環(huán)的工作表面制成0.5°~0.8°的錐角，使環(huán)的工作表面與缸壁的接觸面減小，可以較快地磨合。錐角還兼有刮油的作用。但錐面環(huán)的磨損較快，影響使用壽命。安裝時(shí)有棱角的一面朝下。
（3）扭曲氣環(huán)
扭曲環(huán)結(jié)構(gòu)如圖4所示。扭曲環(huán)的內(nèi)圓上邊緣或外圓下邊緣切去一部分，形成臺(tái)階形斷面。這種斷面內(nèi)外不對(duì)稱，環(huán)裝人汽缸受到壓縮后，在不對(duì)稱內(nèi)力的作用下，產(chǎn)生明顯的斷面傾斜，使環(huán)的外表面形成上小下大的錐面。這就減小了環(huán)與缸壁的接觸面積，使環(huán)易于磨合，并具有向下刮油的作用。而且環(huán)的上下端面與環(huán)槽的上下端面在相應(yīng)的地方接觸，既增加密封性，又可防止活塞環(huán)在槽內(nèi)上下竄動(dòng)而造成泵油和磨損。這種環(huán)目前使用較廣泛。安裝扭曲環(huán)時(shí)，必須注意其上下方向，不能裝反，內(nèi)切口要朝上，外切口要朝下。
（4）梯形氣環(huán)
在一些熱負(fù)荷較大的柴油機(jī)上，為了提高氣環(huán)的抗結(jié)焦能力，常采用梯形環(huán)，如圖5所示。這種環(huán)的端面與環(huán)槽的配合間隙隨活塞在側(cè)向力作用下作橫向擺動(dòng)而改變，能將環(huán)槽中的積炭擠碎，防止活塞環(huán)結(jié)膠卡住。這種環(huán)同普通氣環(huán)一樣可隨意安裝。
（5）桶面氣環(huán)
桶面環(huán)結(jié)構(gòu)如圖6所示。它的工作表面呈凸圓弧形，其上下方向均與汽缸壁呈楔形，易于磨合，潤(rùn)滑性能好，密封性強(qiáng)。這種環(huán)已普遍用于強(qiáng)化柴油機(jī)上。這種環(huán)同普通的壓縮環(huán)一樣，可隨意安裝在氣環(huán)槽內(nèi)。
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圖1 活塞環(huán)位置布置方式 |
圖2 活塞環(huán)斷面矩形狀示例圖 |
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圖3 活塞環(huán)斷面錐形狀示例圖 |
圖4 活塞環(huán)斷面扭曲形狀示例圖 |
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圖5 活塞環(huán)斷面梯形狀示例圖 |
圖6 活塞環(huán)斷面桶面形狀示例圖 |
三、活塞環(huán)的質(zhì)量選配
活塞環(huán)的選配以氣缸的修理尺寸為依據(jù)，同一臺(tái)柴油機(jī)應(yīng)選用與氣缸和活塞修理尺寸等級(jí)相同的活塞環(huán)。為確保活塞環(huán)與活塞環(huán)槽、氣缸壁的良好配合，在選配活塞環(huán)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行活塞環(huán)的彈力檢驗(yàn)?；钊h(huán)的彈力是保證氣缸密封性的主要條件之一?；钊h(huán)的彈力是建立背壓的首要條件，也是保證氣缸密封性的必要條件。彈力過(guò)大使環(huán)的磨損加劇；彈力過(guò)弱， 氣缸密封性能變差，燃料消耗增加，積炭嚴(yán)重。
1、活塞環(huán)的彈力檢驗(yàn)
檢驗(yàn)活塞環(huán)的彈力是指活塞環(huán)的端隙達(dá)到規(guī)定值時(shí)作用在活塞環(huán)上的徑向力。活塞環(huán)的彈力是建立背壓的首要條件，也是保證氣缸密封性的必要條件。彈力過(guò)大使環(huán)的磨損加劇;彈力過(guò)小，氣缸密封性變差，導(dǎo)致燃料和潤(rùn)滑油消耗增加，燃燒室積炭嚴(yán)重，柴油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性降低。
活塞環(huán)的彈力檢驗(yàn)如圖7所示。檢驗(yàn)時(shí)，把活塞環(huán)置于施壓架5和彈力檢驗(yàn)儀底座1之間，使活塞環(huán)的開(kāi)口間隙放置在水平位置，沿秤桿移動(dòng)活動(dòng)量塊，使活塞環(huán)開(kāi)口間隙壓縮至標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，此時(shí)，可由量塊在秤桿上的位置讀出作用于活塞環(huán)上的力，即為活塞環(huán)的彈力。彈力應(yīng)符合各機(jī)型的規(guī)定要求。
2、活塞環(huán)漏光的檢驗(yàn)
活塞環(huán)漏光檢驗(yàn)旨在檢測(cè)活塞環(huán)外圓表面與氣缸壁的接觸與密封程度，其目的是避免漏光度過(guò)大使活塞環(huán)與氣缸壁的接觸面積減小，造成漏氣和竄油隱患。檢查方法是將活塞環(huán)平放在氣缸內(nèi)，在活塞環(huán)的下邊放一個(gè)發(fā)光的燈泡，活塞環(huán)上面放一塊蓋板，蓋住環(huán)的內(nèi)圓，如圖8所示。漏光縫隙一般不得超過(guò)0.03mm。漏光弧長(zhǎng)在圓周上一處不得大于30°，同一環(huán)上的漏光長(zhǎng)度總和不超過(guò)60°，在環(huán)端開(kāi)口處左右30"范圍內(nèi)不允許有漏光現(xiàn)象。
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圖7 活塞環(huán)的彈力檢驗(yàn)圖 |
圖8 活塞環(huán)漏光檢驗(yàn)圖 |
總結(jié)：
除上述作用外，活塞環(huán)還具有導(dǎo)熱作用，能夠快速將活塞上部的熱量傳遞到活塞環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)活塞上、下部的溫度均衡。活塞上、下部的溫度均衡能夠減少活塞的熱應(yīng)力，避免因溫度差異引起的活塞變形和破裂，提高活塞的使用壽命。目前，作為改善柴油機(jī)用活塞環(huán)等滑動(dòng)部件的耐磨損性及抗劃性的方法，例如，在柴油發(fā)電機(jī)用的活塞環(huán)中，在其滑動(dòng)面實(shí)施PVD被膜或氮化處理層等表面處理。這些表面處理中，特別是PVD被膜呈現(xiàn)優(yōu)異的耐磨損性，因此，作為對(duì)在嚴(yán)苛的運(yùn)轉(zhuǎn)條件下使用的活塞環(huán)進(jìn)行的表面處理被廣泛地實(shí)際應(yīng)用。
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