新聞主題	活塞環(huán)的磨損量計算、規(guī)律及質(zhì)量檢驗方法

 

摘要：汽缸活塞組是發(fā)動機的心臟，特別是活塞環(huán)其技術(shù)狀況變壞或出現(xiàn)故障，不僅影響發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性，而且將縮短柴油發(fā)電機使用壽命。近年來，伴隨柴油機的高輸出功率化和高性能化，活塞環(huán)類滑動部件的使用環(huán)境越發(fā)嚴苛，要求具有良好的耐磨損性、抗劃性的滑動部件。在使用過程中，活塞環(huán)的主要故障均是由于零部件磨損、燒蝕、結(jié)膠、積炭等原因引起的，尤其是零部件的磨損，是造成密封性下降的主要因素?？得魉构驹诒疚慕榻B了活塞環(huán)的分類及其作用，同時闡明了活塞環(huán)磨損規(guī)律和原因分析，最后為此提出了改良后的活塞環(huán)安裝方式。

 

一、活塞環(huán)的概述

 

      活塞環(huán)是發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)活塞連桿組中的一個零部件，活塞環(huán)的三個環(huán)主要分為兩類，根據(jù)活塞環(huán)的發(fā)揮的作用及所處的位置分為氣環(huán)(壓縮環(huán))和油環(huán)，其結(jié)構(gòu)和作用如圖1所示。

1、氣環(huán)的作用和密封原理

（1）作用

      氣環(huán)作用是保證活塞與氣缸壁之間的密封，防止活塞上部的高壓氣體漏入曲軸箱。當密封不良時，壓縮沖程中的氣體漏出較多，使壓縮終了的壓力降低，對于柴油機會造成啟動困難。高溫燃氣漏入曲軸箱還會使活塞溫度升高，機油因受熱而氧化變質(zhì)。除密封作用外，氣環(huán)還起傳熱作用。活塞頂部所吸收的熱量，大部分要通過氣環(huán)傳給氣缸壁（因活塞頭部并不接觸氣缸壁），再由外部的冷卻介質(zhì)帶走。

（2）原理

      如圖3所示?；钊h(huán)在自由狀態(tài)下，其直徑比氣缸直徑大。當環(huán)徑向壓縮隨活塞一起裝入氣缸后，便產(chǎn)生徑向彈力F0，使之與汽缸壁壓緊，形成了第一密封面，其壓緊力為FA 。氣缸中壓力為PZ的高壓氣體不能從次密封面下竄，便進入側(cè)隙和背隙，作用在環(huán)側(cè)面上的氣體壓力P1把活塞環(huán)壓緊在環(huán)槽的下端面上，形成第二個密封面，其壓緊力為FB背壓力P2則使環(huán)更緊地壓在氣缸壁上。燃氣使環(huán)對缸壁和槽側(cè)的壓緊作用稱為氣環(huán)的第二次密封。有了兩個密封面的密封，通常只有開口處是唯一的漏氣通道。但由于開口間隙很小，并互相按一定位置錯開，形成一個迷宮式封氣路線，起到一個氣體節(jié)流的作用。

2、油環(huán)的作用

      油環(huán)作用是將氣缸表面多余的潤滑油刮下，不讓它竄入燃燒室，同時使氣缸壁上潤滑油均勻分布，改善活塞組的潤滑條件。油環(huán)位于氣環(huán)的下面，其工作溫度和燃氣壓力相對較低，而油環(huán)為了有效地刮油，又要求有較高的壓力壓向氣缸壁。因此，油環(huán)一方面本身的彈力較大，同時又盡可能地減小環(huán)與氣缸壁的接觸面，以增強單位面積的接觸壓力。油環(huán)分為普通油環(huán)和組合油環(huán)兩種。

3、活塞環(huán)“三隙”

      活塞環(huán)裝入氣缸后其兩端之間應有端隙（開口間隙），與環(huán)槽間應有側(cè)隙和背隙，統(tǒng)稱為活塞環(huán)的“三隙”。如圖4所示。

（1）端隙

      活塞環(huán)端隙是指活塞環(huán)隨活塞裝入氣缸后，環(huán)在上止點時環(huán)的兩端頭的間隙。這個間隙防止環(huán)受熱膨脹卡死在環(huán)槽內(nèi)（第一道氣環(huán)0.25—0.45mm，其余氣環(huán)0.20—0.40mm）  。

（2）側(cè)隙

      活塞環(huán)配置在環(huán)槽內(nèi)上下面的間隙，這個間隙防止環(huán)卡死在環(huán)槽內(nèi)（0.03—0.07mm）  。

（3）背隙

      活塞環(huán)在工作時靠燃燒時的高壓氣體進入背間隙對活塞環(huán)產(chǎn)生壓力，來加強活塞環(huán)與氣缸工作面的密封作用（0—0.35mm）。

 

圖1  活塞環(huán)三環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖	圖2  活塞環(huán)的作用
圖3  活塞環(huán)氣環(huán)的密封原理	圖4  活塞環(huán)端隙、側(cè)隙和背隙示意圖

 

 

二、活塞環(huán)磨損規(guī)律

 

      汽缸活塞環(huán)的磨損主要是活塞環(huán)受高溫高壓燃氣的作用，活塞往復運動的沖擊和潤滑不良所致，汽缸活塞環(huán)的磨損速度很快，造成活塞環(huán)的彈性逐漸減弱，在正常工作條件下，活塞環(huán)與汽缸套壁面之間存在一層很薄的潤滑油膜，但該油膜的厚度尚未能將2個工作表面分隔開，同時在潤滑油中還有磨料性質(zhì)的機械雜質(zhì)，因此對汽缸活塞環(huán)的磨損規(guī)律可按磨料磨損模型描述。其磨損率為

δ=120KNSP_c^mHb^-m（r-h_c）^jq^t..........................（公式1）

式中，K=k₁k₂k₃，k₁，k₂，k₃分別為材料表面特性系數(shù)、磨粒特性系數(shù)和區(qū)域形狀系數(shù)；

N——曲軸轉(zhuǎn)速，r/min；

S——活塞行程，m；

P_c——活塞環(huán)表面平均壓力，MPa；

H_b——零件硬度；

r——磨料顆粒的當量曲率半徑，μm；

hc——為平均油膜厚度，μm；

q——潤滑油中磨粒的重量濃度；指數(shù)m =（3/4β）? j = （q/4β）- ½.t =1-（3/4β），通常由試驗確定，其中β為表面粗糙度參數(shù)。一般可取β=1.9，K=1.447×10^-8，可計算得m =0.39，j=0.68，t=0.61。

      因此該類汽缸活塞組在正常工作條件下的磨損率計算式為：

δ=1.736×10^-6NSP_c^0.4-+Hp^-0.4（r-hc）^0.68q^0.61..........................（公式2）

      柴油發(fā)電機運行時間t后的磨損量W為：

W=1.736×10^-6NSPc^0.4H_b^-0.4（r-h_c）^0.68q^0.61t..........................（公式3）

      一般r=5.8μm?q₁=0.24×10^-2，q₂=0.5×10^-2。由潤滑特性分析得：h_c2=2.75μm，h₂=4.15μm，P_c1=0.44MPa，P_c2=0.26MPa，（1，2分別表示第一、二道環(huán)對應的汽缸位置）。

 

三、活塞環(huán)質(zhì)量檢驗

 

      活塞環(huán)是柴油機中的一個重要部件，主要用于密封氣缸和控制氣缸內(nèi)壓力。為確保發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)，活塞環(huán)的檢驗是必不可少的?；钊h(huán)的檢驗項目如下：

1、外表檢查

（1）檢查活塞環(huán)表面是否有裂紋、變形、磨損、腐蝕等情況。

（2）使用千分尺或顯微鏡檢查活塞環(huán)的直徑、厚度、彎曲度等尺寸是否符合要求。

（3）如圖5所示。使用厚薄規(guī)檢查活塞環(huán)的側(cè)隙和端隙是否符合要求。

2、漏光度檢查

     如圖6（a）所示。將活塞環(huán)平正地放入氣缸內(nèi)，用活塞頂部把它推平，在氣缸下部放置一發(fā)亮的燈泡，在活塞環(huán)上 放一直徑略小于汽缸內(nèi)徑、能蓋住活塞環(huán)內(nèi)圓的蓋板，然后從氣缸上部觀察漏光處及漏光處對應的圓心角。一般要求活塞環(huán)局部漏光度每處不大于25°；最大漏光縫隙不大于0.03mm，每環(huán)漏光處不超過兩個，每環(huán)總漏光度不大于45°；在活塞環(huán)開口處30°范圍內(nèi)不允許有漏光現(xiàn)象。

3、壓縮強度檢查

      如圖6（b）所示。將活塞環(huán)壓縮至一定程度后測量其壓縮強度，以判斷其耐久性。具體方法是在活塞環(huán)開口的垂直方向施加壓力，使開口達到規(guī)定的端隙時在活塞環(huán)直徑方向施用的作用力?；钊h(huán)的彈力也可用活塞環(huán)檢驗儀檢驗。

4、硬度檢查

      使用硬度計測量活塞環(huán)的硬度，以確定其材質(zhì)是否合格。

注意：整體鑄鐵油環(huán)不宜測定硬度值，因為油槽油孔的結(jié)構(gòu)，導致不能準確測出硬度值。對于環(huán)高低于1.5mm的鑄鐵環(huán)，測量硬度的工作臺面中心不能有凹坑，如有凹坑則測量時應添加一定剛度的墊片，將環(huán)樣放置在墊片上測試(墊片應有較好的平行度，其表面粗糙度在Ra0.8μm以下)，否則測定的硬度值會偏低，可能低 1~2個HRB單位，甚至環(huán)被壓斷。

5、磨損檢查

      將活塞環(huán)安裝在一個模擬氣缸的測試機上，通過測量活塞環(huán)在運動過程中的磨損量來判斷其壽命。

      以上是活塞環(huán)檢驗項目的一些基本內(nèi)容，具體檢驗項目和方法還需根據(jù)不同的活塞環(huán)類型和使用條件進行調(diào)整。

 

圖5  活塞環(huán)側(cè)隙和端隙測量示意圖

圖6  活塞環(huán)漏光度和彈力檢測

 

四、活塞環(huán)典型故障案例

 

1、活塞環(huán)常見故障

（1）磨損

      由于活塞環(huán)與缸壁長期摩擦，容易造成磨損，導致間隙過大，進而影響氣缸的密封性，降低發(fā)動機的壓縮比，導致動力下降，燃油消耗增加。

（2） 斷裂

      活塞環(huán)彈性較大，但長期使用后會逐漸失去彈性，使其易受冷熱變形影響，導致斷裂。此時，活塞環(huán)無法充分貼合缸壁，從而影響氣缸的密封性，導致漏氣、燃燒不充分等問題。

（3）卡死

      在發(fā)動機高溫高壓環(huán)境下，活塞環(huán)容易因積碳或者油膜破裂而卡死，導致活塞環(huán)與缸壁摩擦增大，磨損加劇，進而影響發(fā)動機的正常運轉(zhuǎn)。

（4）燒蝕

      當發(fā)動機長期高速行駛或者機油不及時更換時，活塞環(huán)容易出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象，導致活塞環(huán)與缸壁之間出現(xiàn)過大的間隙，進而影響氣缸的密封性，使發(fā)動機的動力下降。

（5）燒機油

      缸套、活塞配合的間隙不符合標準 ，使缸套與環(huán)之間出現(xiàn)早期磨損 ，而使環(huán)的邊間隙和端間隙加大 ，密封效果變差。活塞環(huán)開口鄰近或開口重疊 ，特別是油環(huán)口的重疊 ，致使機油上竄外溢。

      活塞環(huán)失效引起的常見故障現(xiàn)象如圖7所示，當然活塞環(huán)的選擇對故障影響也很重要。氣環(huán)應該選用密封效果較好的扭曲環(huán)和耐磨損的鍍鉻環(huán) ，油環(huán)盡量選用組合環(huán) （形狀如圖8所示），除增強密封性 ，還加強了布油和刮油能力 ，減少燒排機油的現(xiàn)象。

 

圖7  活塞環(huán)失效引起的故障現(xiàn)象

圖8  活塞油環(huán)斷面形狀

 

2、活塞環(huán)裝配方法的改進

      活塞環(huán)在安裝時，必須使用專業(yè)工具（如圖9所示）。應注意其安裝方向，環(huán)開口方向印有標記（圓點、字母）的方向，裝配時此環(huán)面朝上（活塞頂部）方向，如圖10所示。

（1）氣環(huán)安裝

      在實際操作 ，將三道氣環(huán)的開口呈 180°安裝 ，使第一道環(huán)口與第三道環(huán)口在同一直線上 ，但三道氣環(huán)開口位置都與活塞銷垂直。由于第二道氣環(huán)的密封作用 ，不會使第一道氣環(huán)口進入的氣體直接進入到第三道氣環(huán)口處 ，這就是活塞環(huán)口呈 180°安裝的優(yōu)點。

（2）油環(huán)安裝

      同樣的道理 ，在安裝油環(huán)時也是遵循這一原理 ， 可有效地防止缸壁上機油上竄 ，從而有效地避免柴油發(fā)電機燒排機油的現(xiàn)象。

      根據(jù)這個活塞班安裝方法的改進 ，在修理過程中 ，通過對比試驗 ，柴油發(fā)電機連續(xù)工作 1500～2000h 沒有發(fā)現(xiàn)燒排機油的現(xiàn)象 ，可使活塞環(huán)的使用壽命提高 2～3 倍 ，效果是很理想的。

 

圖9 活塞環(huán)安裝示意圖

圖10  活塞環(huán)的安裝方向

 

總結(jié)：

      汽缸活塞組由于磨損引起的一些故障，在不解體條件下是很難進行直接檢測的，通常做法是采用一些診斷指標，通過相應的診斷方法來判斷其技術(shù)狀況的變化。主要評價指標有通過異響來判斷汽缸活塞組磨損過大而引起的聲響指標、反映汽缸密封性的汽缸壓縮壓力、曲軸箱竄氣量、汽缸漏氣率、進氣管真空度及分析曲軸箱內(nèi)潤滑油中金屬顆粒的含量等。其中對發(fā)動機汽缸壓力的測量和分析是最基本的手段之一，從汽缸壓力的分析中幾乎可得到有關(guān)汽缸活塞組磨損的全部信息。

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