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柴油發(fā)電機組活塞連桿組結(jié)構(gòu)和作用

 

導(dǎo)讀：  康明斯柴油發(fā)電機的活塞連桿組是將活塞承受的氣體壓力通過連桿傳給曲軸，并將活塞的直線往復(fù)運動變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運動輸出機械能。活塞組由活塞、活塞環(huán)、活塞銷、活塞銷卡簧等組成，它與連桿結(jié)合在一起，組成了活塞連桿組。活塞連桿組是柴油機中至關(guān)重要的部件之一，它實現(xiàn)了燃氣壓力到機械能的轉(zhuǎn)化，為發(fā)動機的動力輸出提供了基礎(chǔ)。因此，了解活塞連桿組的組成和工作原理對于理解柴油發(fā)動機的工作原理非常重要。

 

一、活塞連桿組的作用

       活塞連桿組的功用是推動柴油機運轉(zhuǎn)，將機械能轉(zhuǎn)化為熱能，供給柴油發(fā)電機燃料消耗和產(chǎn)生動力。在活塞連桿組的工作過程中，活塞和連桿的運動狀態(tài)需要精確控制，以確保發(fā)動機的正常運轉(zhuǎn)。此外，活塞和連桿的材質(zhì)、尺寸和重量也會對發(fā)動機的性能產(chǎn)生影響。其基本結(jié)構(gòu)和外觀如圖1、圖2所示。具體來說，活塞連桿組的作用如下：

1、 提供動力

      活塞連桿組通過曲軸旋轉(zhuǎn)將機械能轉(zhuǎn)化為熱能，供給柴油發(fā)電機引擎產(chǎn)生動力。

2、 維持曲軸旋轉(zhuǎn)

      活塞連桿組將動力傳遞給曲軸，使曲軸旋轉(zhuǎn)，進而驅(qū)動柴油機轉(zhuǎn)動。

3、控制燃燒過程

       在燃燒室內(nèi)，活塞連桿組通過控制燃燒過程，使燃料在缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生能量，進而產(chǎn)生動力。

      活塞連桿組是柴油機中至關(guān)重要的一組組件，不僅為柴油發(fā)電機提供了動力，還維持著柴油發(fā)電機正常運行的安全性和穩(wěn)定性。

 

圖1 活塞連桿組零件構(gòu)成

圖2 活塞連桿組三維立體圖

 

二、活塞

 

      活塞的作用是與汽缸、汽缸蓋共同組成燃燒室，并通過活塞銷和連桿向曲軸傳遞機械能。它可分為頂部和裙部兩部分。

1、活塞頂部

      它是燃燒室的組成部分，當柴油發(fā)電機工作時，非增壓型的直接承受約5800、8800kPa，增壓型的約8000、12000kPa的爆發(fā)壓力和瞬間高溫的作用，整個活塞溫度分布又極不均勻，并進行不等速的高速直線運行，因此，活塞強度要高、導(dǎo)熱性要好、熱膨脹系數(shù)要小。根據(jù)承受壓力分成多種形狀，如圖3、圖4所示。

 

圖3 活塞平頂和凸頂形狀

圖4 活塞凹頂和成型頂形狀圖

2、活塞環(huán)槽部

      活塞頂部圓周還切有數(shù)道環(huán)槽，上部的2一3道環(huán)槽是安放氣環(huán)用的，目的是防氣漏入曲軸箱，并將活塞吸收的熱量經(jīng)活塞環(huán)傳給汽缸壁。下部的1、2道環(huán)槽是安放刮油環(huán)用的，在環(huán)槽的底面上裝鉆有許多徑向小孔，使油環(huán)從汽缸壁上刮下來的多余潤滑油經(jīng)小孔流回油底殼活塞裙部：環(huán)槽以下部分稱裙部，它用來引導(dǎo)活塞在汽缸內(nèi)作直線運動，并把連桿的側(cè)向力傳給汽缸壁。

3、活塞裙部

     活塞裙部有活塞銷孔，供安裝活塞銷并連接連桿。銷孔內(nèi)設(shè)有環(huán)槽，供安裝彈性卡環(huán)以便用來防止活塞銷在工作中發(fā)生軸向竄動。活塞裙部要求具有足夠的承壓面積，又要保持與汽缸壁的最佳間隙，間隙過大會使密封性變差和發(fā)生敲擊現(xiàn)象，過小則易刮傷缸壁甚至發(fā)生咬缸現(xiàn)象。活塞頂部設(shè)有各種各樣的凹坑，其形狀是根據(jù)燃燒室型式及混合氣形成方式而設(shè)計的，一方面避免氣門與活塞頂部碰撞，另一方面使可燃混合氣的形成更有利，燃燒過程更加完善。

 

圖5 活塞彎曲變形狀態(tài)

圖6 活塞擠壓變形狀態(tài)

圖7 活塞裙部變形狀態(tài)

 

 

二、活塞環(huán)

 

      活塞環(huán)主要作用是保持活塞與汽缸壁之間的密封，將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。傳統(tǒng)活塞環(huán)安裝在發(fā)動機氣缸套里后，開口的兩個端面有一定的閉口間隙，這個間隙雖小，但可以說是一個完全敞開的通道。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)（又稱密封環(huán)）和油環(huán)（又稱刮油環(huán)）兩種。安裝示意圖如圖8所示。

1、氣環(huán)

      氣環(huán)的作用是密封活塞與汽缸之間的間隙，防止燃燒室中的高溫、高壓燃氣竄入曲軸箱內(nèi)，并將活塞所吸收的熱量傳給汽缸壁及冷卻介質(zhì)。它安裝于活塞上部的2、3道環(huán)槽內(nèi)。氣環(huán)有多種不同的斷面形狀，分別是矩形環(huán)、錐形環(huán)、桶面環(huán)、扭曲環(huán)和梯形環(huán)，如圖9所示。

2、油環(huán)

      油環(huán)的作用是刮除汽缸上多余的潤滑油，防止?jié)櫥透Z入燃燒室，并將潤滑油油膜沿汽缸壁均勻分布，增強潤滑效果。它安裝于活塞下部1、2道環(huán)槽內(nèi)。活塞環(huán)要承受高速往復(fù)運動的摩擦力，使用的材料必須具有良好的耐磨性、耐熱性、導(dǎo)熱性、彈性和韌性。

      活塞環(huán)在自由的狀態(tài)下是比汽缸內(nèi)徑大的開口環(huán)，它是在壓緊的狀態(tài)隨同活塞裝于汽缸內(nèi)，依靠本身的彈性作用貼緊缸壁，實現(xiàn)其功能。活塞環(huán)開口處留有的間隙應(yīng)適中，如開口過刁、在高溫工作環(huán)境下因無膨脹余地而會造成咬死現(xiàn)象，而開口過大則會造成漏氣。柴油發(fā)電機活塞環(huán)開口間隙一般為0~4、0~8mm。

 

圖8  活塞環(huán)安裝示意圖

圖9  活塞環(huán)氣環(huán)斷面形狀圖

 

三、活塞銷

 

1、工作條件

      活塞銷通常采用低碳鋼或合金鋼加工制成空心圓柱形，表面經(jīng)過滲碳淬火處理增加其強度。安裝時活塞銷的中部穿過連桿小端孔的襯套，其兩端支撐在活塞裙部的銷座孔中，并用卡簧進行軸向定位，防止軸向竄動而刮傷汽缸壁。活塞銷是將活塞與連桿鉸接的中空短銷，作用在活塞上的氣體力和往復(fù)慣性力完全通過活塞銷傳遞給曲軸。活塞銷在較高的溫度下要承受很大的周期性沖擊負載，而且潤滑條件較差，所以不但要求活塞銷應(yīng)有足夠高的強度和剛度，要求它有耐沖擊和良好的表面耐磨性能。活塞銷與連桿小端襯套和銷座孔為間隙配合，這樣工作時可緩慢轉(zhuǎn)動，使磨損均勻，提高其疲勞強度。

2、材質(zhì)要求

 

      連桿是活塞連桿組中最重要的部件之一，它連接著活塞和曲軸，是將活塞的往復(fù)運動轉(zhuǎn)換為曲軸的旋轉(zhuǎn)運動的關(guān)鍵組成部分。連桿的形狀通常是I形或H形，由鑄鐵或鋁合金制成。在柴油機工作時，活塞的上下運動會帶動連桿旋轉(zhuǎn)，從而將汽缸內(nèi)的燃氣能轉(zhuǎn)換為曲軸的旋轉(zhuǎn)能，實現(xiàn)柴油機的動力輸出。

      連桿一般由小頭、桿身和大頭三部分組成。連桿一般由中碳鋼或合金鋼彈壓而成。連桿小端與活塞銷相連，工作時與銷之間有相對運動，小頭孔中有襯套（青銅）。在連桿的小端和襯套上鉆有小孔（油道），用來潤滑小端和活塞銷。

1、連桿桿身

      連桿桿身通常作成工字型斷面，以求增加其強度和剛度。在其中間有油潤滑油道。

2、連桿大頭

      連桿大頭與曲軸的曲柄銷相連，大頭一般作剖分式的，被分開的部分稱為連桿蓋，接特制的連桿螺栓緊固在連桿的大頭上。連桿蓋與連桿大頭是組合搪孔，為了防止裝配錯誤，在同一側(cè)有配對記號。大頭孔表面有很高的光潔度，以便與連桿軸瓦緊密貼合。連桿大頭還銑有定位坑，連桿的大端還有油孔。

       連桿大頭在柴油機上受力大，其大頭直徑較大，超過氣缸的直徑，采用斜切口，一般與連桿軸線成30~60℃夾角。

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