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性能特點和作用說明 |
柴油發(fā)電機活塞環(huán)對材料性能的技術(shù)要求 |
摘要：柴油發(fā)電機活塞環(huán)是具有彈性的金屬開口圓環(huán)，按其功用不同可分為氣環(huán)和油環(huán)兩種。安裝在活塞頭部上端的是2、4道氣環(huán)，下端的是1、2道油環(huán)。活塞環(huán)工作時受到氣缸中高溫、高壓燃氣的作用，溫度較高（尤其是第一環(huán)，溫度可達600K）。活塞環(huán)在氣缸內(nèi)做高速運動，加上高溫下部分機油出現(xiàn)變質(zhì)，使活塞環(huán)的潤滑條件變差，難以保證液體潤滑，磨損嚴重。由于活塞環(huán)是柴油發(fā)動機中工作環(huán)境惡劣、使用壽命最短的零件之一。因此，要求活塞環(huán)彈性好，強度高、耐磨損。
一、活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)
活塞環(huán)是活塞與氣缸之間的密封裝置（如圖1所示），它起到密封氣缸的作用，防止燃燒室內(nèi)燃氣泄漏，同時也能保持活塞在氣缸內(nèi)的運動穩(wěn)定。活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由多個環(huán)組成，每個環(huán)都有其特定的功能和位置。活塞環(huán)通常由鋼材制成，具有高強度和耐磨損的特點。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。如圖2所示，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。
1、氣環(huán)
氣環(huán)的功用是保證活塞與汽缸壁之間的密封，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)傳給汽缸壁（因活塞頭部并不接觸汽缸壁），再由外部的冷卻介質(zhì)帶走。
（1）工作原理
工作原理如圖3所示。第一道氣環(huán)除了隨活塞沿汽缸壁作高速往復(fù)直線運動外，還受到高溫和高壓燃氣的壓力以及潤滑條件差等因素的影響，從而使氣環(huán)的力學(xué)性能降低，彈性下降，而且會引起潤滑油的炭化，甚至可能造成拉缸和漏氣。因此要求氣環(huán)應(yīng)有足夠的彈力，才能使環(huán)的四周緊貼在汽缸壁上，這時高壓燃氣就不可能通過氣環(huán)與汽缸壁之間的接觸面漏出。而作用在環(huán)上端面的燃氣，使環(huán)緊壓在活塞環(huán)槽中，使下端面與環(huán)槽緊貼。進入環(huán)的內(nèi)側(cè)面與環(huán)槽之間的燃氣，其壓力向外，使環(huán)更加貼緊汽缸壁。因此利用氣環(huán)本身的彈力和燃氣的壓力，即可阻止高壓燃氣的泄漏。
活塞環(huán)通常采用優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵或合金鑄鐵制成。為了提高第一道氣環(huán)的工作性能，提高其耐磨性，常在第一道氣環(huán)的表面鍍上多孔性鉻層或鉬層。近年來，第一道氣環(huán)也有用球墨鑄鐵或鋼制成的。在自由狀態(tài)下，環(huán)的外徑略大于汽缸直徑，裝入汽缸后，活塞環(huán)產(chǎn)生彈力壓緊在汽缸壁上，開口處應(yīng)保留一定的間隙（稱為端隙或開口間隙，柴油機活塞環(huán)的開口間隙通為0.4~0.8mm)，以防止活塞環(huán)受熱膨脹時卡死在汽缸中。活塞環(huán)裝入環(huán)槽后，在高度方向也應(yīng)有一定的間隙（稱為側(cè)隙，柴油機活塞環(huán)的側(cè)隙通常為0.08~0.16mm）。當活塞環(huán)安裝在活塞上時，應(yīng)按規(guī)定將各環(huán)的開口處互相錯開120°~180°，并且活塞環(huán)開口應(yīng)與活塞銷座孔錯開45°以上，以防活塞環(huán)裝入汽缸后產(chǎn)生漏氣現(xiàn)象。
（2）氣環(huán)的密封機理
封氣原理如4所示。活塞環(huán)有一個切口，且在自由狀態(tài)下不是圓環(huán)形，其外形尺寸比氣缸的內(nèi)徑大些，因此，它隨活塞一起裝入氣缸后，便產(chǎn)生彈力而緊貼在氣缸壁上。活塞環(huán)在燃氣壓力作用下，壓緊在環(huán)槽的下端面上，于是燃氣便繞流到環(huán)的背面，并發(fā)生膨脹，其壓力下降。同時，燃氣壓力對環(huán)背的作用力使活塞環(huán)更緊地貼在氣缸壁上。壓力已有所降低的燃氣，從第一道氣環(huán)的切口漏到第二道氣環(huán)的上平面時，又把這道氣環(huán)壓貼在第二環(huán)槽的下端面上，于是，燃氣又繞流到這個環(huán)的背面，再發(fā)生膨脹，其壓力又進一步降低。
如此繼續(xù)進行下去，從最后一道氣環(huán)漏出來的燃氣，其壓力和流速已經(jīng)大大減小，因而泄漏的燃氣量也就很少了。因此，為數(shù)很少的幾道切口相互錯開的氣環(huán)所構(gòu)成的“迷宮式”封氣裝置，就足以對氣缸中的高壓燃氣進行有效的密封。
2、油環(huán)
通常活塞上裝有1~2道油環(huán)。采用兩道油環(huán)時，下面一道多安裝在活塞裙部的下端。無論活塞下行還是上行，油環(huán)都可以將氣缸壁上多余的機油刮下來經(jīng)活塞上的回油孔流回油底殼。目前廣泛應(yīng)用的是組合式油環(huán)。組合式油環(huán)通常由三個刮油鋼片和兩個彈性襯環(huán)組成，軸向襯環(huán)夾裝在第二與第三刮油鋼片之間，徑向襯環(huán)使三片刮油鋼片緊貼在氣缸壁上。油環(huán)的作用如下：
（1）布油潤滑∶將機油均勻地刮配到氣缸壁上。
（2）刮油∶將多余的機油刮下，回流到油底殼。
（3）輔助密封∶輔助密封氣體。
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圖1 柴油機活塞環(huán)零件圖 |
圖2 柴油機活塞環(huán)結(jié)構(gòu)圖 |
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圖3 柴油機活塞環(huán)工作原理 |
圖4 活塞環(huán)的斷面形狀及各環(huán)間隙處的氣體壓力 |
二、活塞環(huán)一般技術(shù)要求
1、化學(xué)成分與金相
活塞環(huán)廣泛使用各種牌號得鑄鐵。材質(zhì)就是活塞環(huán)機械性能與使用壽命得基礎(chǔ)，因此在規(guī)定范圍內(nèi)合理調(diào)整材料成分比例、嚴格控制造型與澆鑄工藝來確保活塞環(huán)具有符合設(shè)計要求得最佳金相組織。金相組織結(jié)構(gòu)如圖5所示。
2、熱處理
采用適當?shù)脽崽幚矸椒ǎ哉{(diào)整活塞環(huán)得金相組織及消除加工應(yīng)力。
3、剛度
活塞環(huán)就是一個剛度差得彈性零件，加工時必須合理安排工藝流程、注意裝夾方法，以保證加工時工件具有足夠得剛度，達到尺寸、形狀與粗糙度要求。
4、保護端面
活塞環(huán)兩個端面就是重要得工藝基準面，也就是零件工作面，有較高得平度與粗糙要求。在加工流程中應(yīng)注意清潔、保護端面、防止碰傷。
5 、型線設(shè)計
為保證活塞環(huán)具有合理得缸壁壓力分布，采用恰當形狀曲線凸輪，仿形制造模具及加工外圓面就是十分重要得。
6、 消除應(yīng)力
活塞環(huán)應(yīng)力曲線如圖6所示。為保證形狀精度要求，加工中應(yīng)采取合理得刀具角度與切削量，以減少加工殘留應(yīng)力，并采用熱處理方法消除應(yīng)力。
7、性能與壽命
各種表面處理與處理前后得加工成為提高活塞環(huán)性能與壽命得重要工藝手段。
8、 加工設(shè)備與檢測手段
由于活塞環(huán)形狀結(jié)構(gòu)得復(fù)雜性與多樣化，尺寸精度又有較高得要求，同時生產(chǎn)批量一般較大，最好采用工序集中得高效率、高精度得自動與半自動專用設(shè)備以及檢測手段。
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圖5 活塞環(huán)材料金相組織結(jié)構(gòu) |
圖6 活塞環(huán)材料應(yīng)力曲線圖 |
三、活塞環(huán)材料要求和功能
1、性能要求
（1）強度
抗彎強度就是活塞環(huán)受力折斷時得計算應(yīng)力，它就是衡量強度高低得一個參數(shù)。活塞環(huán)在安裝與工作中，均受著彎曲應(yīng)力，如抗彎強度達不到一定得值，則易于折斷。為適應(yīng)發(fā)動機強化得發(fā)展，為了減少活塞環(huán)與缸壁摩擦所損耗得功率，在設(shè)計時，往往要求活塞環(huán)高度盡可能薄，但同時又要保證活塞環(huán)有足夠得彈力，這就對材料提出更高得抗彎強度要求;同時，為防止折斷，對材料得堅韌性亦也一定要求，所以采用抗彎強度比灰鑄鐵、大得多得球墨鑄鐵、半可鍛鑄鐵、蠕墨鑄鐵等材料有發(fā)展趨勢（見表1）。
表1 活塞環(huán)強度性能參數(shù)
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種類
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抗彎強度 MPa
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單體鑄造活塞環(huán)
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392～450
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筒體鑄造活塞環(huán)
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480～520
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可鍛、半可鍛鑄鐵環(huán)
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600~950
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球墨鑄鐵環(huán)
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900~1300
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（2） 硬度
活塞環(huán)材料得硬度在一定程度上反映了材料得耐磨性。活塞環(huán)工作時，它與氣缸壁摩擦面之間不可避免地會有夾雜物，盡管輸入得油與空氣均經(jīng)過濾清，這些夾雜物仍然起著研磨劑得作用，形成磨料磨損。故需硬度高、抗磨料磨損能力強得材料，但硬度過高，不僅加工困難而且易于拉缸、同時，與其相匹配得氣缸套，對硬度也提出了限制。因此，JB/T 51105—1999規(guī)定了硬度允許范圍與同一片環(huán)得硬度差值，見表2。
表2 活塞環(huán)硬度性能參數(shù)
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種類
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硬度
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同一片環(huán)上得硬度差
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合金鑄鐵環(huán)
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環(huán)直徑≤150mm
環(huán)直徑＞150mm
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98~108HRB
94~105HRB
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≤3HRB
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可鍛、半可鍛鑄鐵環(huán)及球墨鑄鐵環(huán)
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98~110HRB
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按產(chǎn)品圖樣規(guī)定
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鋼環(huán)
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經(jīng)淬火、回火處理環(huán)
冷軋材料環(huán)
不銹鋼環(huán)
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400～580HV
≥367HV
按產(chǎn)品圖樣規(guī)定
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≤40HV
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2、活塞環(huán)的功能
（1）密封功能
如圖7所示。在壓縮和膨脹沖程，活塞環(huán)對由上而下的氣體起密封作用，其中第一道環(huán)密封約80—90%的氣體，第二道環(huán)密封約10—20%的氣體，油環(huán)密封約5%的氣體。
（2）導(dǎo)熱功能
如圖8所示。活塞上約70%的熱量是經(jīng)活塞環(huán)端面導(dǎo)入缸套的，其中，第一道及第二道環(huán)對導(dǎo)熱起主導(dǎo)作用，從而確保活塞熱平衡。
（3）控油功能
如圖9所示。將飛濺或噴射到缸壁上的機油均勻地布在氣缸壁上，并將多余的機油刮下，刮下的機油經(jīng)活塞與缸套間隙、活塞油槽泄油孔回流至曲軸箱。其中油環(huán)控制約70—90%的機油，氣環(huán)控制約10—20%的機油。
（4）支撐功能
如圖10所示。活塞、活塞環(huán)作同步往復(fù)運動時，活塞對活塞環(huán)施加一較大的正壓力，即往復(fù)慣性力。當曲柄連桿對活塞產(chǎn)生側(cè)壓力而欲使活塞偏擺時，活塞環(huán)因正壓力作用對活塞施加一摩擦反作用力，從而對活塞起支撐作用。
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圖7 活塞環(huán)密封功能示意圖 |
圖8 活塞環(huán)導(dǎo)熱功能示意圖 |
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圖9 活塞環(huán)控油功能示意圖 |
圖10 活塞環(huán)支撐功能示意圖 |
四、活塞環(huán)的性能計算
1、徑向壓力
活塞環(huán)在自由狀態(tài)下不是圓形，其曲率半徑沿環(huán)周各點是變化的，且大于氣缸半徑，只有當裝入氣缸后方成為正圓形。環(huán)裝入氣缸前的形狀稱為自由狀態(tài)，環(huán)的自由狀態(tài)決定環(huán)裝入氣缸后的徑向壓力分布。徑向壓力分布大致可分為：均勻分布（等壓環(huán)）、梨形分布（高點環(huán)）和蘋果型分布（低點環(huán)）三種。
（1）等壓環(huán)
等壓環(huán)從自由狀態(tài)變到工作狀態(tài)后，沿環(huán)周的徑向壓力是均勻分布，即P=const。等壓環(huán)由于使用后磨損等原因，環(huán)周壓力分布惡化，在開口處的徑向壓力急劇下降，所以使用壽命短，一般使用于二沖程中速發(fā)動機。
（2）高點環(huán)
高點環(huán)開口處的徑向壓力高于平均徑向壓力，可達3：1。能提高環(huán)開口端的減震能力，耐磨性和氣密封好。現(xiàn)代高速四沖程柴油發(fā)動機廣泛應(yīng)用高點環(huán)。
（2）低點環(huán)
低點環(huán)主要用于二沖程柴油機和大型柴油機，開口處的徑向壓力低于平均徑向壓力，以防止環(huán)端跳入氣口使環(huán)折斷，或者是為了矯正熱變形的影響，以保證均勻貼合。
2、工作狀態(tài)下活塞環(huán)的閉口間隙
閉口間隙一般按GB/T1149選取，或按產(chǎn)品圖紙要求而定，但最小間隙必須大于下式計算值。
S=πdαΔt(mm)....................（公式1）
式中：d—缸徑，mm；
α—熱膨脹系數(shù)，合金鑄鐵按α=1.1×10/℃；
Δt—溫差，氣環(huán)為100℃，油環(huán)為80℃
3、切向彈力
切向彈力是在環(huán)的切口處徑向厚度中點上沿切線方向施加力，使環(huán)從自由開口尺寸壓縮到閉口間隙時所需的力。尺寸系列的切向彈力值僅適用于平均彈性模量E=100000 N/mm材料（即非調(diào)質(zhì)鑄鐵環(huán)）。鍍鉻或噴鉬活塞環(huán)的切向彈力修正系數(shù)為推薦值的0.9倍。
Ft=｛E·h（m-S）/14.14(d/α-1)｝K·K1（kgf）....................（公式2）
式中：E—彈性模量，kgf/mm；
h—環(huán)高，mm；
m—自由開口，mm；
S—閉口間隙，mm；
d—缸徑，mm；
α—徑向厚度，mm；
K斷面減弱系數(shù)；
K1—表面處理對彈力減弱系數(shù)。鍍鉻環(huán)一般取8%～11%，球鐵環(huán)取8%，合金鑄鐵對鉻層厚度小于0.12 mm，徑向彈力小于3kgf的取11%，其余均取10%。
活塞環(huán)設(shè)計時，首先確定切向彈力，然后再決定環(huán)的自由開口尺寸。高速發(fā)動機活塞環(huán)設(shè)計通常用改變環(huán)的徑向厚度方法來調(diào)節(jié)環(huán)的彈力。
4、平均比壓
比壓P是活塞環(huán)設(shè)計的重要參數(shù)之一，比壓選擇適合與否，將直接影響活塞環(huán)的密封性、摩擦損失、耐磨性。比壓過高，磨損加劇導(dǎo)致缸套磨損嚴重；比壓過低，環(huán)密封性差，最終導(dǎo)致燒機油，加劇磨損，抗振性差，易產(chǎn)生斷環(huán)。一般選擇原則：合金鑄鐵為1.5～2kgf/cm，球墨鑄鐵為1.5～2.5kgf/cm。
P=2 Ft/hd....................（公式3）
式中：h—環(huán)外圓面與氣缸壁的接觸高度，等于刮片數(shù)量與刮片高度的乘積，mm；
Ft—切向彈力，N；
d—缸徑，mm。
5、自由開口尺寸
自由開口尺寸指在自由狀態(tài)下，環(huán)開口兩端徑向中點的弦距。它的大小既要滿足活塞環(huán)彈力的要求，又要滿足工作應(yīng)力和安裝應(yīng)力的要求，m值過大，工作應(yīng)力較大，會造成較大的彈性消失，m值過小，會產(chǎn)生較大的安裝應(yīng)力造成斷環(huán)，或過度變形失去圓度。
一般合金鑄鐵氣環(huán)和整體油環(huán)m/d=13～14%，最大不超過16%；球鐵環(huán)m/d=8～11%，最大不超過12%；內(nèi)撐彈簧組合油環(huán)比相應(yīng)平環(huán)小4-5mm。
6、活塞環(huán)的工作應(yīng)力和安裝應(yīng)力
工作應(yīng)力：
σ=｛E·α（m-S）｝/2.35（d-α）....................（公式4）
安裝應(yīng)力：
σ=｛Eα(8α-m)｝/2.35（d-α）....................（公式5）
式中：E—彈性模量，㎏f/mm；
α—徑向厚度，mm；
m—自由開口尺寸，mm；
S—閉口間隙，mm；
d—缸徑，mm。
按有關(guān)標準規(guī)定，合金鑄鐵σ＜25㎏f/mm，球墨鑄鐵σ＜40㎏f/mm，但實際σ值可大于上述值，合金鑄鐵為30㎏f/mm，球墨鑄鐵為50㎏f/mm。合金鑄鐵σ≤50㎏f/mm，球墨鑄鐵σ≤80㎏f/mm。
總結(jié)：
活塞環(huán)的密封作用能夠減少氣缸和活塞之間的泄漏，從而提高發(fā)動機的壓縮比。在活塞的壓縮行程中，活塞環(huán)緊密貼住氣缸套壁，防止高壓氣體從氣缸間隙中泄漏出去。這樣能夠提高氣缸內(nèi)的壓力，增加燃燒室的壓縮效果，使燃燒更加充分，提高燃油的利用率。同時，密封作用還可以防止?jié)櫥蛷幕钊喜恳绯觯瑴p少摩擦和磨損，提高發(fā)動機的壽命。
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