故障檢修與技術維護

活塞環參數要求、斷裂原因和預防措施

 

摘要：柴油機活塞環斷裂是在柴油機運行中存在的一個常見故障，其影響了柴油機的正常運行和使用壽命。而活塞環的斷裂又有多種原因，包括材料質量不合格、安裝不當、潤滑不良、滲油、過度磨損和溫度過高等因素。為了預防柴油機活塞環的斷裂，可以采取一系列的預防措施，包括選擇優質材料、嚴格控制安裝質量、加強潤滑管理、提高密封性、合理安排工作時間和控制溫度等方面的措施。只有加強對活塞環的管理和維護，才能更好地提高柴油機的可靠性和使用壽命。

 

一、活塞環相關參數及性能

 

      活塞環是活塞與缸體之間的密封件，它的尺寸和質量直接影響整個發動機的性能和壽命。目前國內常用的活塞環標準主要有qc/t 39-1992和qc/t 275-2008兩種。qc/t 39-1992標準適用于鑄鐵活塞環，包括防滑環、斜面環、標準矩形環和特殊矩形環等。

1、彈力

      彈力活塞環實現自張并建立密封面的關鍵參數。

（1）彈力過小則密封面不易建立，壓縮氣體、高溫燃氣易泄漏造成整機功率下降；另一方面，彈力過小還會造成機油上竄，導致較高的機油消耗。

（2）彈力過大易導致摩擦面機油過少，油膜厚度過小，甚至油膜破裂，導致磨損加劇；另一方面，彈力過大其摩擦功損耗大，導致整機功率下降。

（3）活塞環彈力有徑向和切向彈力兩種，二者互為關聯，且一一對應。

2、閉口間隙

       閉口間隙活塞環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上，較小的閉口間隙有利于密封氣體和降低機油消耗；

（2）閉口間隙過小將導致環卡死而失去功效；閉口間隙過大將導致較大的氣體泄漏和機油消耗。

 

圖1  活塞環彈力示意圖

圖2  活塞環閉口間隙示意圖

 

3、自由開口

      自由開口是活塞環自由狀態下開口兩端間的距離。

（1）自由開口過小，其安裝應力大，不利于活塞環安裝。

（2）自由開口過大，其工作應力大，不利于活塞環工作。

4、環高

（1）較大的環高其剛性好，但慣性力大，但不利于實現環的理想運動。

（2）較小的環高慣性力小，但其剛性較差。

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

5、徑向厚度

（1）徑向厚度過大，背隙變小，環作徑向振動時易與活塞槽干涉，同時環體柔性下降，對缸套的順應性降低。

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

 

圖3  活塞環自由開口間隙示意圖

圖4  活塞環環高和徑向厚度尺寸示意圖

 

6、錐度

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

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

（3）錐度過小，接近于矩形環，起不到錐面環應有的作用。

7、桶面度

      桶面度是指在軸向一定測量范圍內，環外圓最高點至最低點之間的徑向距離。

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

（2）桶面形狀有利于形成油楔，大大提高了潤滑性能。

（3）桶面度過小則接近于矩形環，起不到桶面環應有的作用。

（4）桶面度過大則不易形成油楔潤滑，并導致向上刮油，加大機油消耗。

 

圖5  活塞環斷面錐度示意圖

圖6  活塞環斷面桶面度示意圖

 

二、活塞環斷裂原因

 

    柴油發電機上活塞環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。造成活塞環斷裂的原因可歸納為：使用不當，活塞、缸套、連桿的影響，材料問題和制造質量問題等。但更重要的是活塞環的選配與安裝不當，破壞了活塞環良好的工作條件而使活塞環斷裂。

1、活塞環材質問題

      正品件出現這種可能性極小，通常由于副產件（也就是假冒偽劣產品）導致。

（1）材質差

      康明斯活塞環材質不符合要求，抗彎強度差。活塞環的材料經歷了普通灰鑄鐵、高合金鑄鐵、球墨鑄鐵到鋼質的發展過程。若某種成分超標（特別是硫）會導致活塞環抗彎強度差，容易斷裂。環表面處理層過厚，抗疲勞性差，也容易斷裂。

① 合金鑄鐵式活塞環

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

② 多元合金鑄鐵式活塞環

      金相組織結構如圖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械性能。

③ 球墨鑄鐵式活塞環

      金相組織結構如圖9所示。鑄鐵中的石墨呈球狀，材料的機械性能，如彈性模量、抗彎強度得到較大提高。

④ 鋼質式活塞環

      金相組織結構如圖10所示。具有很高的彈性模量和抗彎強度，對其表面進行鍍鉻、噴鉬、氮化等處理，其耐磨性得到大幅度提高。

（2）制造問題

      康明斯活塞環制造質量問題，主要是硬度、韌性和彈力不合適。這些都是導致活塞環易斷的重要原因。當然還有活塞環高度的一致性掌握不嚴格或裝入缸套后圓度、平面度、環的尺寸公差、形狀公差掌握不嚴格等也會導致活塞環斷裂。根據維修人員的統計，因忽視活塞環的正確選配、安裝造成斷裂的約占1/3多。因而注意活塞環的正確選配與安裝是減少活塞環斷裂、提高其使用壽命的重要環節。

 

圖7  合金鑄鐵活塞環金相組織

圖8  多元合金鑄鐵活塞環金相組織

圖9  球墨鑄鐵活塞環金相組織

圖10  鋼質活塞環金相組織

 

2、人為因素影響

      柴油發電機的使用因素造成活塞環的斷裂是多方面的，分析起來主要有以下幾點：

① 柴油發電機長期超轉速、超負荷運轉，會使發動機過熱而導致機油潤滑不良、活塞環槽積碳嚴重而造成活塞環早期磨損、卡滯而斷裂。

② 柴油發電機各缸供油量和供油時間不均勻，將會使部分汽缸燃燒過程惡化，形成積碳或嚴重的后燃，造成活塞頂溫度過高，導致活塞環受熱負荷的影響而發生熱疲勞斷裂。

③ 活塞環槽上積碳太多，發動機修理時對活塞環槽中的積碳未徹底清理，活塞環放入環槽中發生扭曲，在工作過程中活塞環因受交變的扭曲載荷的作用而斷裂。

④ 裝配時，活塞銷與銅套、連桿瓦與軸頸的徑向配合間隙不符合要求，配合間隙過大或使用中的磨損導致此間隙過大，使活塞環工作中受到沖擊振動而使活塞環斷裂。

⑤ 活塞環裝配到汽缸環槽中是要留有一定的開口間隙，為的是消除工作中活塞環的受熱膨脹，如果此間隙留得過小，活塞環受熱易發生頂死，導致環在開口部位的對側斷裂。

3、活塞連桿組的影響

（1）活塞的影響。

      活塞對活塞環斷裂影響最大的是環槽的形狀、尺寸。在實際應用中出現以下情況：

① 活塞環安裝于活塞環槽中，活塞環既隨活塞沿汽缸壁作上下運動，又相對于活塞環槽作扭轉運動，長期工作后，活塞環槽易被磨損呈喇叭形，使活塞環工作時彎曲、扭轉變形增大而發生斷裂。

② 活塞環與活塞環槽端面留有一定的端間隙，防止活塞環受熱膨脹卡死在環槽中，但如果這個間隙過大，會加劇活塞環在環槽內的振動，這樣既不利于密封氣體，又有可能由于振動而使環疲勞斷裂。

（2）缸套的影響。

       缸套造成活塞環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，導致汽缸套中心線與曲軸中心線不垂直，導致活塞在汽缸內運動向一側傾斜，導致活塞環在汽缸內受力不均，而產生疲勞斷裂。

② 汽缸套使用一定時間后，因磨損而產生變形，造成活塞環在缸套中上下運動時，受不規則力作用產生疲勞斷裂。

③ 缸套使用一定時間后，缸套上部會因積碳結成一圈凸緣，或缸套上部由于磨損而形成臺階時，在發動機大修時沒有消除這種臺階，工作中活塞環與此臺階接觸會受到沖擊而引起斷裂。

（3）連桿的影響。

      造成活塞環斷裂的連桿因素是連桿的彎曲和扭轉變形。由于連桿變形破壞了活塞在汽缸中的運動規律，從而導致活塞環受到過大沖擊而斷裂。

 

三、活塞環預防措施

 

1、選擇優質材料

       在選用活塞環時，應該選擇質量良好的材料，確保活塞環能夠在高溫高壓下具有良好的抗磨損和抗疲勞性能。

2、嚴格控制安裝質量

       以上分析了活塞環的斷裂是由多方面因素引起的，其中重要的一點是活塞環的選配和安裝不正確。在安裝活塞環時，應該嚴格按照操作規程進行，杜絕安裝不當的現象，確保活塞環的安裝質量。安裝活塞環時要注意以下事項：

（1）大修更換活塞環時，要一組一組更換，不能只更換其中幾只。

（2）安裝前應仔細檢查活塞、缸套、活塞環等相關部件的精度，清除活塞環槽中的積碳，消除汽缸套的積碳或磨損臺階，活塞環放入汽缸和活塞環槽中的端間隙、側間隙、背間隙等指標要符合要求。

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

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

（5）安裝活塞環時，將連桿放在臺鉗上使總成保持在水平位置，如圖12所示。

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

（7）安裝活塞環時，“TOP”標記應朝向活塞頂部，如圖14所示。為確保正確安裝，活塞環上標記了頂部方向。控油環為對稱設計，可以安裝在兩者中任一方向。

3、加強潤滑管理

      柴油機的潤滑系統應該進行定期維護和保養，確保潤滑油質量良好，潤滑油供應充足，加強對潤滑管理的重視。

4、提高密封性

      柴油機的密封性對于活塞環的保護非常重要，要加強對柴油機密封性的檢查和維護，杜絕潤滑油滲漏的現象。

5、合理安排工作時間

      要根據柴油機的工作條件和要求，合理安排工作時間，避免過度磨損活塞環。

6、控制溫度

      柴油機在工作時要注意控制溫度，防止溫度過高導致活塞環材料的塑性變形和蠕變現象。

 

圖11  活塞環安裝專用工具	圖12  柴油機活塞與連桿組裝示意圖
圖13  柴油機活塞控油環的截面圖	圖14  柴油機活塞環安裝標記

 

總結：

      柴油發電機上的活塞環是一種極為重要的零件，它不僅阻止高溫燃燒氣體的下竄，保證柴油發電機一定的動力性和經濟性，防止潤滑油的變質，而且還能阻止潤滑油上竄，刮掉缸壁上多余的潤滑油，保證活塞與缸壁有良好的潤滑條件，減少機油的消耗。活塞環又是活塞頂熱量傳遞的重要零件，對維持活塞頂必要的工作溫度，防止活塞頂過熱損壞起著關鍵性作用。活塞環斷裂是柴油發電機常見故障之一，其主要原因是活塞環的選配與安裝不當，破壞了活塞環良好的工作條件而使活塞環斷裂。當然造成活塞環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斷裂的常見原因解析及其預防措施內容。

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