故障檢修與技術(shù)維護(hù)

活塞環(huán)的故障案例和測量方法

 

摘要：活塞環(huán)故障是柴油機常見故障之一。活塞環(huán)在工作時，由于受高溫的作用和磨損的影響，其彈力逐漸減弱，開口間隙加大尤其是環(huán)的開口兩側(cè)彈力下降嚴(yán)重，使得氣缸密封性變差，出現(xiàn)漏氣和竄機油現(xiàn)象，影響柴油機組的動力性和經(jīng)濟性。康明斯通過維修的典型案例，對大量的用戶投訴的柴油機組故障進(jìn)行分析研究，結(jié)果表明很多不良癥狀并非由活塞環(huán)質(zhì)量缺陷引起。而是由于其他原因引發(fā)。康明斯公司就一些常見的癥狀及現(xiàn)象進(jìn)行舉例分析說明。

 

一、活塞環(huán)常用工具

 

1、拆卸工具

      活塞環(huán)是發(fā)動機的重要密封零件，隨著發(fā)動機向高壓縮比、高輸出功率、低排放和長壽命的方向發(fā)展，使活塞承受熱負(fù)荷和機械負(fù)荷的能力不斷增強，而發(fā)動機在工作的過程中，活塞環(huán)與套缸之間長時間摩擦容易造成活塞環(huán)磨損，另外也會因為活塞環(huán)潤滑不良而產(chǎn)生“拉缸”現(xiàn)象，從而導(dǎo)致活塞環(huán)被破壞。活塞環(huán)磨損或破壞后需要及時更換新的活塞環(huán)，而更換新的活塞環(huán)需要先對已磨損或破壞的活塞環(huán)進(jìn)行拆卸，然后安裝新的活塞環(huán)。

      發(fā)動機活塞環(huán)的拆卸工具（如圖1所示）包括手柄、壓蓋板、圓弧導(dǎo)向塊和定位爪，壓蓋板有四塊，每互相平行固定的兩塊為一組，每組壓蓋板之間形成容納圓弧導(dǎo)向塊的通道，壓蓋板的前端面為與活塞環(huán)配合的圓弧形；每組壓蓋板上均設(shè)有定位爪。在使用時，將兩個定位爪遠(yuǎn)離壓蓋板的端面抵在活塞環(huán)的開口端面上，按壓兩手柄使兩定位爪張開撐開活塞環(huán)開口，從而取出活塞環(huán)。

 2、測量間隙工具

      柴油機運轉(zhuǎn)時活塞在氣缸中做往復(fù)運動，活塞上裝有彈性的活塞環(huán)與氣缸接觸。活塞環(huán)從上到下一般分為頂環(huán)、氣封環(huán)和刮油環(huán)。活塞環(huán)裝到氣缸中后其切口位置會存在搭口間隙。技術(shù)上對這個間隙的大小規(guī)定既不能太大，也不能太小。活塞環(huán)搭口間隙太大會造成漏氣，降低氣缸效率；活塞在運動過程中產(chǎn)生的熱量會使活塞環(huán)熱脹，如果活塞環(huán)搭口間隙太小，活塞環(huán)會在氣缸中脹死損壞氣缸。因此搭扣間隙的測量十分重要。

     柴油機用活塞環(huán)間隙簡易測量環(huán)規(guī)，如圖2所示，環(huán)規(guī)包括帶缺口的支撐底座和垂直于支撐底座設(shè)置的測量部。支撐底座為平板，平板為圓環(huán)狀，從支撐底座的圓環(huán)狀平板的上表面垂直的向上凸起形成測量部，測量部的內(nèi)徑與待測發(fā)動機的缸徑相同，在測量部的上端面或內(nèi)壁面上設(shè)置測量刻度，測量環(huán)規(guī)上設(shè)置一定角度的缺口，便于活塞環(huán)的取放和便口徑的測量。

 

圖1 活塞環(huán)拆卸工具

圖2 活塞環(huán)間隙測量環(huán)規(guī)

 

二、活塞環(huán)間隙檢查方法

 

      活塞環(huán)的間隙分為三隙，即端隙、側(cè)隙和背隙，分布位置如圖3所示。

1、活塞環(huán)的背面間隙

      活塞環(huán)的背面間隙（也叫徑向間隙）是指將活塞環(huán)裝在活塞槽內(nèi)，再將活塞裝入氣缸后活塞環(huán)的內(nèi)圓面與活塞環(huán)槽底之間的間隙，一般用活塞槽深與環(huán)厚之差來表示，推薦參考值在0-0.75mm范圍。一般經(jīng)驗作法是將活塞環(huán)裝入環(huán)槽內(nèi)，如低于環(huán)岸，能轉(zhuǎn)動自如又無澀滯感覺為適宜。

（1）背隙的失效模式：

① 背隙過小，則活塞環(huán)容易和活塞槽底部接觸，在工作中容易導(dǎo)致活塞環(huán)折斷，活塞環(huán)折斷后導(dǎo)致拉缸事故的發(fā)生。

② 活塞環(huán)背隙過大，則建立背面壓力困難，造成活塞環(huán)密封效果不好，導(dǎo)致漏氣量增加或者燒機油事故的發(fā)生。

（2）背隙的測量：

      活塞環(huán)背隙目前尚無較好的檢測工具進(jìn)行檢測，一般是用活塞槽深度減去活塞環(huán)徑向厚度之值近似表示。

 

圖3 活塞環(huán)三隙位置示意圖

圖4 活塞環(huán)背隙檢查示意圖（就機法）

 

 

2、活塞環(huán)的閉口間隙

      所謂活塞環(huán)的閉口間隙（也叫端隙）是將活塞環(huán)放入直徑為氣缸基本直徑的環(huán)規(guī)內(nèi)，開口兩端的最窄距離（如圖1）。因內(nèi)燃機運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生熱量，活塞環(huán)也會隨之膨脹，閉口間隙的存在，能有效防止活塞環(huán)因熱膨脹而產(chǎn)生抵口導(dǎo)致拉缸的事故的發(fā)生。

（1）閉口間隙的失效模式：

① 閉口間隙過小：

      較小的閉口間隙有利于密封氣體和降低機油消耗，但是閉口間隙過小(亦即超過最小閉口間隙值時)會導(dǎo)致活塞環(huán)卡死而失去功效，甚至折斷而使活塞環(huán)喪失功能，導(dǎo)致拉缸的事故，因此在實際應(yīng)用時一定要考慮活塞環(huán)的最小間隙。

② 閉口間隙過大：

      閉口間隙過大會使工作時活塞環(huán)的開口處仍有較大的間隙，這個較大的間隙會增大氣體泄漏量通道并且使機油在此處上竄至燃燒室，從而導(dǎo)致竄氣和燒機油事故。有試驗表明一道環(huán)閉口間隙與漏氣量存在圖3的關(guān)系，二道環(huán)的閉口間隙與機油耗存在圖4的關(guān)系。

（2）閉口間隙的測量

      閉口間隙的測量方法如圖4所示，通常用楔形規(guī)或者厚薄規(guī)在內(nèi)徑等于基本直徑的環(huán)規(guī)中測量，測量力約為1N.m,同時環(huán)規(guī)應(yīng)滿足d1。在批量檢測時目前國內(nèi)較為先進(jìn)的方法是自動間隙測量機，該間隙測量機是利用光電技術(shù)對活塞環(huán)開口工作間隙實現(xiàn)非接觸式光電轉(zhuǎn)換，用單片機對開口電信號運算，處理和控制，實現(xiàn)自動送料、檢測、分選等工步，該檢測設(shè)備能夠按活塞環(huán)閉口間隙大小將工件自動分成負(fù)超差、合格和正超差三種分別存放，該方法檢測效率較高，而且可靠性較好。

● 允許的環(huán)閉口間隙：

– 矩形壓縮環(huán) ：0.20-0.35毫米（0.007-0.014英寸）

– 錐形壓縮環(huán) ：0.35-0.50毫米（0.014-0.020英寸）

– 刮油環(huán) ：0.20-0.90毫米（0.007-0.036英寸）

 

圖5 活塞環(huán)閉口間隙示意圖

圖6 活塞環(huán)端隙檢查

 

3、活塞環(huán)的側(cè)面間隙

      活塞環(huán)的側(cè)面間隙（也叫軸向間隙）是指活塞環(huán)軸向兩端面與活塞環(huán)槽上、下側(cè)面之間的間隙。

（1）側(cè)面間隙的失效模式：

① 側(cè)隙過小

      側(cè)隙過小則活塞環(huán)槽因活塞環(huán)產(chǎn)生的熱膨脹或積炭容易使活塞環(huán)卡死在活塞環(huán)槽中。

② 側(cè)隙過大

       側(cè)隙過大則活塞環(huán)的漏氣通道增加，氣密性下降；在環(huán)槽內(nèi)的上下運動幅度加大，叩擊作用加劇，導(dǎo)致活塞環(huán)兩端面或活塞槽側(cè)面的磨損均將增大；過大的側(cè)隙會導(dǎo)致活塞環(huán)泵油作用加劇，機油進(jìn)入燃燒室，導(dǎo)致燒機油。

（2）側(cè)隙的測量：

      測量時，將活塞環(huán)放入環(huán)槽內(nèi)，用厚薄規(guī)測量，如圖5、圖6所示。

● 允許的活塞環(huán)槽中留有的垂直間隙（側(cè)隙）：

– 矩形壓縮環(huán)：0.015-0.070毫米（0.0006-0.0028英寸）；

– 錐形壓縮環(huán) ：0.03-0.07毫米（0.001-0.002英寸） ；

– 刮油環(huán) ：0.04-0.12毫米（在0.0016-0.0048英寸）。

 

圖5 活塞環(huán)側(cè)隙檢查示意圖（方法1）

圖6 活塞環(huán)側(cè)隙檢查示意圖（方法2）

 

三、活塞環(huán)常見故障

 

1、機油消耗高

（1）癥狀：耗機油；功率損失；

（2）現(xiàn)象：活塞環(huán)陷在活塞槽里；油環(huán)外表面磨損加速活塞裙部接觸不良，油環(huán)外觀如圖7所示。

（3）故障原因：燃燒溫度高。連桿彎曲或小端襯套沒有對正，曲軸端部浮動太大。

（4）解決方法：確保康明斯柴油機組進(jìn)氣系統(tǒng)不泄漏；確保空燃比正確；更換損壞的部件。檢查康明斯柴油機組連桿，并對正連桿小端位置，作必要的調(diào)整。

2、活塞環(huán)早期磨損

（1）癥狀：柴油機功率下降，耗機油；油耗增加；柴油機通氣口可能排出煙霧。

（2）現(xiàn)象：活塞環(huán)磨損或活塞環(huán)局部咬死，磨損現(xiàn)象如圖8所示。

（3）故障原因：冷卻不充分，氣缸表面溫度過高；潤滑不足，尤其是在柴油機磨合期，進(jìn)氣系統(tǒng)濾清效果不佳；氣缸孔也變形。

（4）解決方法：修補氣缸內(nèi)孔損壞部位；更換活塞環(huán)，必要時更換活塞；確保整個柴油機潤滑系統(tǒng)充分工作（檢查機油泵、機油濾清器等）；檢查缸套，必要時更換；檢查進(jìn)氣系統(tǒng)，特別是空氣濾清器；按照制造商建議的程序觀察運轉(zhuǎn)情況。

 

圖7  油環(huán)示意圖

圖8  活塞環(huán)磨損位置圖

 

3、柴油機“竄氣”

（1）癥狀：某康明斯發(fā)電機組運行2000小時，排氣管往外噴油、竄氣，機油消耗大。

① 現(xiàn)象：第一道環(huán)側(cè)面磨損嚴(yán)重，活塞的第一道槽的上梯角為6°10′，下梯角為8°10′（不符合圖紙要求），1.5mm處的槽高過窄。活塞環(huán)槽位置如圖9所示。

② 故障原因：由于活塞槽角度及不符合技術(shù)要求，引起活塞環(huán)的側(cè)面潤滑狀況不好，環(huán)的不規(guī)則運動加劇，造成環(huán)側(cè)面異常磨損，而竄油、竄氣。

③ 解決方法：更換活塞，確保活塞環(huán)槽的參數(shù)符合設(shè)計要求。

（2）癥狀：某康明斯發(fā)電機組裝機12天，竄油、竄氣。

① 現(xiàn)象：第一道氣環(huán)外圓鉻層有熔坑，嚴(yán)重熔著拉缸。鉻基陶瓷復(fù)合鍍層的活塞環(huán)如圖10所示。

② 故障原因：通常第一道氣環(huán)外圓面鍍有鉻基陶瓷復(fù)合鍍層。鉻基陶瓷復(fù)合鍍層中陶瓷微粒含量高達(dá)5-6％。因柴油機長期超負(fù)荷工作，燃燒溫度過高，造成活塞環(huán)燒熔；活塞油冷卻噴管發(fā)生故障（限于有這種裝置的柴油機），導(dǎo)致活塞環(huán)損壞甚至活塞裙部逐漸咬死；柴油機冷卻系統(tǒng)故障，如冷卻液泄漏，循環(huán)不暢。

③ 解決辦法：檢查燃油供給系統(tǒng)；確保柴油機冷卻系統(tǒng)工作正常。修補或更換損壞的氣缸零部件。嚴(yán)格按修理手冊要求調(diào)整柴油機。

 

圖9  活塞與活塞環(huán)槽圖示

圖10  鉻基陶瓷復(fù)合鍍層的活塞環(huán)第一道氣環(huán)位置圖

 

4、活塞環(huán)斷裂

（1）癥狀：耗機油；功率損失；

（2）現(xiàn)象：活塞環(huán)表面斷裂（注意斷裂的角度）

（3）故障原因：燃燒室壓力過高；點火提前角設(shè)置過大；壓縮比增大。

（4）解決方法：找到原因并加以修理；更換損壞的部件。

5、柴油機噪音大

（1）癥狀：柴油機噪音大，機油耗增加。

（2）現(xiàn)象：活塞銷孔旁的活塞裙部腐蝕，氣缸受損。

（3）故障原因：卡環(huán)安裝不當(dāng)；裝了舊的卡環(huán)；末端壓力通過活塞銷傳輸，可能與連桿位置不正、曲軸軸頸變細(xì)或曲軸軸向間隙過剩有關(guān)；活塞銷孔積聚外來雜質(zhì)。

（4）解決方法：檢查、糾正任何連桿或小頭軸套的不正確位置尺寸；檢查、糾正過剩的曲軸軸頸尺寸及軸向間隙；更換損壞的活塞和缸套總成；確保活塞銷及卡環(huán)位置正確。

 

總結(jié)：

      活塞環(huán)是柴油機燃燒室的組成零件之一，它的功用可歸納為，密封燃燒室、散出活塞熱量和調(diào)節(jié)氣缸潤滑。活塞環(huán)要實現(xiàn)這些功用，必須與氣缸壁緊貼，這就要求環(huán)具有足夠的彈力和符合要求的貼合。環(huán)的彈力不足和貼合不良會引起密封性下降，嚴(yán)重時會因環(huán)的“壓入”而竄氣；同時貼合不良也不利益活塞散熱和調(diào)節(jié)氣缸潤滑（油環(huán)）的作用。柴油機工作時，活塞環(huán)處在高溫高壓以及潤滑極其困難的條件下，特別第一道環(huán)。這一方面使環(huán)和缸套遭受強烈的摩擦和磨損，使環(huán)彈性減弱和貼合不良，環(huán)的工作性能惡化，嚴(yán)重時會引起拉缸、斷環(huán)。另一方面，環(huán)及環(huán)槽在高溫下受熱膨脹，若環(huán)的間隙（搭口間隙、天地間隙等）調(diào)整不當(dāng)，也將引起氣缸密封不良，環(huán)的卡阻、頂死，使柴油機工作性能和使用壽命下降。

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