故障檢修與技術(shù)維護(hù)

活塞環(huán)參數(shù)要求、斷裂原因和預(yù)防措施

 

摘要：柴油機(jī)活塞環(huán)斷裂是在柴油機(jī)運(yùn)行中存在的一個(gè)常見故障，其影響了柴油機(jī)的正常運(yùn)行和使用壽命。而活塞環(huán)的斷裂又有多種原因，包括材料質(zhì)量不合格、安裝不當(dāng)、潤(rùn)滑不良、滲油、過(guò)度磨損和溫度過(guò)高等因素。為了預(yù)防柴油機(jī)活塞環(huán)的斷裂，可以采取一系列的預(yù)防措施，包括選擇優(yōu)質(zhì)材料、嚴(yán)格控制安裝質(zhì)量、加強(qiáng)潤(rùn)滑管理、提高密封性、合理安排工作時(shí)間和控制溫度等方面的措施。只有加強(qiáng)對(duì)活塞環(huán)的管理和維護(hù)，才能更好地提高柴油機(jī)的可靠性和使用壽命。

 

一、活塞環(huán)相關(guān)參數(shù)及性能

 

      活塞環(huán)是活塞與缸體之間的密封件，它的尺寸和質(zhì)量直接影響整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和壽命。目前國(guó)內(nèi)常用的活塞環(huán)標(biāo)準(zhǔn)主要有qc/t 39-1992和qc/t 275-2008兩種。qc/t 39-1992標(biāo)準(zhǔn)適用于鑄鐵活塞環(huán)，包括防滑環(huán)、斜面環(huán)、標(biāo)準(zhǔn)矩形環(huán)和特殊矩形環(huán)等。

1、彈力

      彈力活塞環(huán)實(shí)現(xiàn)自張并建立密封面的關(guān)鍵參數(shù)。

（1）彈力過(guò)小則密封面不易建立，壓縮氣體、高溫燃?xì)庖仔孤┰斐烧麢C(jī)功率下降；另一方面，彈力過(guò)小還會(huì)造成機(jī)油上竄，導(dǎo)致較高的機(jī)油消耗。

（2）彈力過(guò)大易導(dǎo)致摩擦面機(jī)油過(guò)少，油膜厚度過(guò)小，甚至油膜破裂，導(dǎo)致磨損加劇；另一方面，彈力過(guò)大其摩擦功損耗大，導(dǎo)致整機(jī)功率下降。

（3）活塞環(huán)彈力有徑向和切向彈力兩種，二者互為關(guān)聯(lián)，且一一對(duì)應(yīng)。

2、閉口間隙

       閉口間隙活塞環(huán)在名義缸徑中兩開口端之間的距離。

（1）在考慮熱膨脹因素基礎(chǔ)上，較小的閉口間隙有利于密封氣體和降低機(jī)油消耗；

（2）閉口間隙過(guò)小將導(dǎo)致環(huán)卡死而失去功效；閉口間隙過(guò)大將導(dǎo)致較大的氣體泄漏和機(jī)油消耗。

 

圖1  活塞環(huán)彈力示意圖

圖2  活塞環(huán)閉口間隙示意圖

 

3、自由開口

      自由開口是活塞環(huán)自由狀態(tài)下開口兩端間的距離。

（1）自由開口過(guò)小，其安裝應(yīng)力大，不利于活塞環(huán)安裝。

（2）自由開口過(guò)大，其工作應(yīng)力大，不利于活塞環(huán)工作。

4、環(huán)高

（1）較大的環(huán)高其剛性好，但慣性力大，但不利于實(shí)現(xiàn)環(huán)的理想運(yùn)動(dòng)。

（2）較小的環(huán)高慣性力小，但其剛性較差。

（3）環(huán)高偏大則其側(cè)隙小，因熱膨脹或積碳作用，易造成環(huán)卡死而失去功效；環(huán)高偏小則其側(cè)隙大，易造成氣體泄漏和機(jī)油上竄。

5、徑向厚度

（1）徑向厚度過(guò)大，背隙變小，環(huán)作徑向振動(dòng)時(shí)易與活塞槽干涉，同時(shí)環(huán)體柔性下降，對(duì)缸套的順應(yīng)性降低。

（2）徑向厚度過(guò)小，背隙增大，泄漏通道面積增大，密封性能降低，同時(shí)熱流通道面積變小，不利于熱傳導(dǎo)。

 

圖3  活塞環(huán)自由開口間隙示意圖

圖4  活塞環(huán)環(huán)高和徑向厚度尺寸示意圖

 

6、錐度

（1）環(huán)外圓與氣缸線接觸，接觸壓力大，有利于初期磨合，由于錐角的存在，上行時(shí)有利于布油，下行時(shí)有利于刮油。

（2）錐度過(guò)大，接觸壓力過(guò)高，其磨損加快。另一方面背壓作用變小，不利于密封。

（3）錐度過(guò)小，接近于矩形環(huán)，起不到錐面環(huán)應(yīng)有的作用。

7、桶面度

      桶面度是指在軸向一定測(cè)量范圍內(nèi)，環(huán)外圓最高點(diǎn)至最低點(diǎn)之間的徑向距離。

（1）桶面環(huán)外圓與缸套內(nèi)圓呈線接觸狀態(tài)，接觸壓力高，密封能力強(qiáng)，并可加快初期磨合，以及適應(yīng)活塞的擺動(dòng)。

（2）桶面形狀有利于形成油楔，大大提高了潤(rùn)滑性能。

（3）桶面度過(guò)小則接近于矩形環(huán)，起不到桶面環(huán)應(yīng)有的作用。

（4）桶面度過(guò)大則不易形成油楔潤(rùn)滑，并導(dǎo)致向上刮油，加大機(jī)油消耗。

 

圖5  活塞環(huán)斷面錐度示意圖

圖6  活塞環(huán)斷面桶面度示意圖

 

二、活塞環(huán)斷裂原因

 

    柴油發(fā)電機(jī)上活塞環(huán)在工作中因多種原因而損壞，最常見的損壞除磨損外，斷裂是常見損壞形式。造成活塞環(huán)斷裂的原因可歸納為：使用不當(dāng)，活塞、缸套、連桿的影響，材料問(wèn)題和制造質(zhì)量問(wèn)題等。但更重要的是活塞環(huán)的選配與安裝不當(dāng)，破壞了活塞環(huán)良好的工作條件而使活塞環(huán)斷裂。

1、活塞環(huán)材質(zhì)問(wèn)題

      正品件出現(xiàn)這種可能性極小，通常由于副產(chǎn)件（也就是假冒偽劣產(chǎn)品）導(dǎo)致。

（1）材質(zhì)差

      康明斯活塞環(huán)材質(zhì)不符合要求，抗彎強(qiáng)度差。活塞環(huán)的材料經(jīng)歷了普通灰鑄鐵、高合金鑄鐵、球墨鑄鐵到鋼質(zhì)的發(fā)展過(guò)程。若某種成分超標(biāo)（特別是硫）會(huì)導(dǎo)致活塞環(huán)抗彎強(qiáng)度差，容易斷裂。環(huán)表面處理層過(guò)厚，抗疲勞性差，也容易斷裂。

① 合金鑄鐵式活塞環(huán)

       金相組織結(jié)構(gòu)如圖7所示。鑄鐵加入鎢、釩、鈦或鉻、銅等合金成份，提高了材料的機(jī)械性能和耐磨性，同時(shí)，合金鑄鐵中的片狀石墨類似于固體潤(rùn)滑劑，抗拉缸能力強(qiáng)。

② 多元合金鑄鐵式活塞環(huán)

      金相組織結(jié)構(gòu)如圖8所示。鑄鐵加入鎢、鎳、鉬、鉻等十幾種合金元素，大大提高了材料的耐磨性和機(jī)械性能。

③ 球墨鑄鐵式活塞環(huán)

      金相組織結(jié)構(gòu)如圖9所示。鑄鐵中的石墨呈球狀，材料的機(jī)械性能，如彈性模量、抗彎強(qiáng)度得到較大提高。

④ 鋼質(zhì)式活塞環(huán)

      金相組織結(jié)構(gòu)如圖10所示。具有很高的彈性模量和抗彎強(qiáng)度，對(duì)其表面進(jìn)行鍍鉻、噴鉬、氮化等處理，其耐磨性得到大幅度提高。

（2）制造問(wèn)題

      康明斯活塞環(huán)制造質(zhì)量問(wèn)題，主要是硬度、韌性和彈力不合適。這些都是導(dǎo)致活塞環(huán)易斷的重要原因。當(dāng)然還有活塞環(huán)高度的一致性掌握不嚴(yán)格或裝入缸套后圓度、平面度、環(huán)的尺寸公差、形狀公差掌握不嚴(yán)格等也會(huì)導(dǎo)致活塞環(huán)斷裂。根據(jù)維修人員的統(tǒng)計(jì)，因忽視活塞環(huán)的正確選配、安裝造成斷裂的約占1/3多。因而注意活塞環(huán)的正確選配與安裝是減少活塞環(huán)斷裂、提高其使用壽命的重要環(huán)節(jié)。

 

圖7  合金鑄鐵活塞環(huán)金相組織

圖8  多元合金鑄鐵活塞環(huán)金相組織

圖9  球墨鑄鐵活塞環(huán)金相組織

圖10  鋼質(zhì)活塞環(huán)金相組織

 

2、人為因素影響

      柴油發(fā)電機(jī)的使用因素造成活塞環(huán)的斷裂是多方面的，分析起來(lái)主要有以下幾點(diǎn)：

① 柴油發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期超轉(zhuǎn)速、超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱而導(dǎo)致機(jī)油潤(rùn)滑不良、活塞環(huán)槽積碳嚴(yán)重而造成活塞環(huán)早期磨損、卡滯而斷裂。

② 柴油發(fā)電機(jī)各缸供油量和供油時(shí)間不均勻，將會(huì)使部分汽缸燃燒過(guò)程惡化，形成積碳或嚴(yán)重的后燃，造成活塞頂溫度過(guò)高，導(dǎo)致活塞環(huán)受熱負(fù)荷的影響而發(fā)生熱疲勞斷裂。

③ 活塞環(huán)槽上積碳太多，發(fā)動(dòng)機(jī)修理時(shí)對(duì)活塞環(huán)槽中的積碳未徹底清理，活塞環(huán)放入環(huán)槽中發(fā)生扭曲，在工作過(guò)程中活塞環(huán)因受交變的扭曲載荷的作用而斷裂。

④ 裝配時(shí)，活塞銷與銅套、連桿瓦與軸頸的徑向配合間隙不符合要求，配合間隙過(guò)大或使用中的磨損導(dǎo)致此間隙過(guò)大，使活塞環(huán)工作中受到?jīng)_擊振動(dòng)而使活塞環(huán)斷裂。

⑤ 活塞環(huán)裝配到汽缸環(huán)槽中是要留有一定的開口間隙，為的是消除工作中活塞環(huán)的受熱膨脹，如果此間隙留得過(guò)小，活塞環(huán)受熱易發(fā)生頂死，導(dǎo)致環(huán)在開口部位的對(duì)側(cè)斷裂。

3、活塞連桿組的影響

（1）活塞的影響。

      活塞對(duì)活塞環(huán)斷裂影響最大的是環(huán)槽的形狀、尺寸。在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)以下情況：

① 活塞環(huán)安裝于活塞環(huán)槽中，活塞環(huán)既隨活塞沿汽缸壁作上下運(yùn)動(dòng)，又相對(duì)于活塞環(huán)槽作扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，長(zhǎng)期工作后，活塞環(huán)槽易被磨損呈喇叭形，使活塞環(huán)工作時(shí)彎曲、扭轉(zhuǎn)變形增大而發(fā)生斷裂。

② 活塞環(huán)與活塞環(huán)槽端面留有一定的端間隙，防止活塞環(huán)受熱膨脹卡死在環(huán)槽中，但如果這個(gè)間隙過(guò)大，會(huì)加劇活塞環(huán)在環(huán)槽內(nèi)的振動(dòng)，這樣既不利于密封氣體，又有可能由于振動(dòng)而使環(huán)疲勞斷裂。

（2）缸套的影響。

       缸套造成活塞環(huán)斷裂的因素是安裝中的歪斜，造成磨損不均勻。有以下幾種情況：

① 由于曲軸安裝座孔同軸度超差、主軸瓦配合間隙不合要求、曲軸彎曲變形等，導(dǎo)致汽缸套中心線與曲軸中心線不垂直，導(dǎo)致活塞在汽缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)向一側(cè)傾斜，導(dǎo)致活塞環(huán)在汽缸內(nèi)受力不均，而產(chǎn)生疲勞斷裂。

② 汽缸套使用一定時(shí)間后，因磨損而產(chǎn)生變形，造成活塞環(huán)在缸套中上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，受不規(guī)則力作用產(chǎn)生疲勞斷裂。

③ 缸套使用一定時(shí)間后，缸套上部會(huì)因積碳結(jié)成一圈凸緣，或缸套上部由于磨損而形成臺(tái)階時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)大修時(shí)沒有消除這種臺(tái)階，工作中活塞環(huán)與此臺(tái)階接觸會(huì)受到?jīng)_擊而引起斷裂。

（3）連桿的影響。

      造成活塞環(huán)斷裂的連桿因素是連桿的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。由于連桿變形破壞了活塞在汽缸中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而導(dǎo)致活塞環(huán)受到過(guò)大沖擊而斷裂。

 

三、活塞環(huán)預(yù)防措施

 

1、選擇優(yōu)質(zhì)材料

       在選用活塞環(huán)時(shí)，應(yīng)該選擇質(zhì)量良好的材料，確保活塞環(huán)能夠在高溫高壓下具有良好的抗磨損和抗疲勞性能。

2、嚴(yán)格控制安裝質(zhì)量

       以上分析了活塞環(huán)的斷裂是由多方面因素引起的，其中重要的一點(diǎn)是活塞環(huán)的選配和安裝不正確。在安裝活塞環(huán)時(shí)，應(yīng)該嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行，杜絕安裝不當(dāng)?shù)默F(xiàn)象，確保活塞環(huán)的安裝質(zhì)量。安裝活塞環(huán)時(shí)要注意以下事項(xiàng)：

（1）大修更換活塞環(huán)時(shí)，要一組一組更換，不能只更換其中幾只。

（2）安裝前應(yīng)仔細(xì)檢查活塞、缸套、活塞環(huán)等相關(guān)部件的精度，清除活塞環(huán)槽中的積碳，消除汽缸套的積碳或磨損臺(tái)階，活塞環(huán)放入汽缸和活塞環(huán)槽中的端間隙、側(cè)間隙、背間隙等指標(biāo)要符合要求。

（3）安裝活塞環(huán)要使用專用安裝卡鉗、錐度套等工具，以免造成活塞環(huán)的扭曲變形，如圖11所示。

（4）每個(gè)活塞環(huán)的開口都不得與活塞銷或任何其他活塞環(huán)的開口對(duì)齊。 如果活塞環(huán)的開口定位不正確，活塞環(huán)就不能正確密封。

（5）安裝活塞環(huán)時(shí)，將連桿放在臺(tái)鉗上使總成保持在水平位置，如圖12所示。

（6）安裝控油環(huán)時(shí)，必須使脹環(huán)的開口與控油環(huán)的開口成 180°。不要重疊襯環(huán)的兩端。如圖13所示。

（7）安裝活塞環(huán)時(shí)，“TOP”標(biāo)記應(yīng)朝向活塞頂部，如圖14所示。為確保正確安裝，活塞環(huán)上標(biāo)記了頂部方向。控油環(huán)為對(duì)稱設(shè)計(jì)，可以安裝在兩者中任一方向。

3、加強(qiáng)潤(rùn)滑管理

      柴油機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)應(yīng)該進(jìn)行定期維護(hù)和保養(yǎng)，確保潤(rùn)滑油質(zhì)量良好，潤(rùn)滑油供應(yīng)充足，加強(qiáng)對(duì)潤(rùn)滑管理的重視。

4、提高密封性

      柴油機(jī)的密封性對(duì)于活塞環(huán)的保護(hù)非常重要，要加強(qiáng)對(duì)柴油機(jī)密封性的檢查和維護(hù)，杜絕潤(rùn)滑油滲漏的現(xiàn)象。

5、合理安排工作時(shí)間

      要根據(jù)柴油機(jī)的工作條件和要求，合理安排工作時(shí)間，避免過(guò)度磨損活塞環(huán)。

6、控制溫度

      柴油機(jī)在工作時(shí)要注意控制溫度，防止溫度過(guò)高導(dǎo)致活塞環(huán)材料的塑性變形和蠕變現(xiàn)象。

 

圖11  活塞環(huán)安裝專用工具	圖12  柴油機(jī)活塞與連桿組裝示意圖
圖13  柴油機(jī)活塞控油環(huán)的截面圖	圖14  柴油機(jī)活塞環(huán)安裝標(biāo)記

 

總結(jié)：

      柴油發(fā)電機(jī)上的活塞環(huán)是一種極為重要的零件，它不僅阻止高溫燃燒氣體的下竄，保證柴油發(fā)電機(jī)一定的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，防止?jié)櫥偷淖冑|(zhì)，而且還能阻止?jié)櫥蜕细Z，刮掉缸壁上多余的潤(rùn)滑油，保證活塞與缸壁有良好的潤(rùn)滑條件，減少機(jī)油的消耗。活塞環(huán)又是活塞頂熱量傳遞的重要零件，對(duì)維持活塞頂必要的工作溫度，防止活塞頂過(guò)熱損壞起著關(guān)鍵性作用。活塞環(huán)斷裂是柴油發(fā)電機(jī)常見故障之一，其主要原因是活塞環(huán)的選配與安裝不當(dāng)，破壞了活塞環(huán)良好的工作條件而使活塞環(huán)斷裂。當(dāng)然造成活塞環(huán)斷裂還有其他很多原因，以上所述就是康明斯公司講述的活塞環(huán)斷裂的常見原因解析及其預(yù)防措施內(nèi)容。

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