故障檢修與技術維護

柴油機活塞磨損、破裂及配合間隙的檢測方法

 

摘要：對于柴油發電機組而言發動機則是心臟，而活塞就好比是心臟的動脈，活塞作為發動機的重要零件，對柴油機的性能有著重要的影響。因此對于活塞的檢測與維修就變得更為重要。為了提高對柴油發電機的認識，康明斯公司介紹了活塞的結構特點與功用，說明了活塞常見損傷部位和活塞技術狀態的判斷，同時對活塞的檢測與維修進行簡要的分析；以減少盲目更換柴油機的活塞，避免造成用戶不必要的浪費。

一、活塞各部位名稱與功用

 

      活塞在高溫、高壓、高速、潤滑不良的條件下工作。活塞直接與高溫氣體接觸，瞬時溫度可達2200℃以上，受熱嚴重而散熱條件很差，所以活塞工作是溫度很高，頂部高速可達350~450℃，而且溫度分布很不均勻。活塞頂部承受氣體壓力很大，特別是做功行程中壓力最大，汽油發動機中壓力高達3~5MPa，柴油發動機中壓力高達6~9MPa，這就對活塞產生沖擊，并承受側壓力的作用。活塞在氣缸內以很高的速度（8~12m∕s）往復運動，且速度在不斷的變化，這就產生了很大的慣性力，使活塞受到很大的附加載荷。活塞在這種惡劣的條件下工作，會產生變形并加速磨損，還會產生附加載荷和熱應力，同時受到燃氣的化學腐蝕作用。活塞組成包括頂部、防漏部、銷座部和裙部四大部分，其結構如圖1所示。

1、頂部

     活塞第一環槽以上部分稱活塞頂部。頂部的形狀與燃燒室有直接關系，隨燃燒室不同形狀各異，有平頂、凸頂和凹頂多種。柴油發電機活塞頂部多為凹的，有ω形、鏟形和螺管凹坑形等。此外，有的活塞頂部還制有為防止活塞頂與氣門頭相碰的兩個圓形淺凹坑。為便于選配和安裝，在活塞頂還制有尺寸、重量分組和安裝箭頭等標志，同組活塞重量差不大于10g。

2、防漏部

     防漏部制有環槽用以安裝氣環和油環，氣環多為2～3道，油環多為1道。氣環裝在上部，下部裝油環。氣環數減少、環高減少可降低活塞高度和減小活塞質量，有利于內燃機轉速的提高，以增加其動力性和經濟性。活塞頂到第一環槽之間的環岸，叫火力岸。在此岸上制有絕熱環槽，用以減小此部與缸壁間隙，增加節流以達到減輕第一道環的熱負荷和機械負荷、縮短火岸的高度的效果;絕熱環槽的作用是改變熱傳導路線以減輕第一道環的熱負荷，在高強化柴油發電機的活塞第一環槽中鑄有高鎳鑄鐵環架，以提高活塞使用壽命。

3、銷座部

    用以裝配活塞銷，將活塞受力傳給連桿。為降低活塞銷與座孔的壓力，減輕磨損，這部分支承面要盡量大些，也就是孔徑與支承長度要大些，銷座與頂部用加強筋相連。活塞銷結構外觀如圖2所示。

4、裙部（導向部）

    在活塞往復運動中起導向作用，并承受側壓力。目前，一些汽油機為防止活塞換向時產生拍擊和磨損，使活塞銷孔中心線與活塞軸線不相交，向側壓方向偏移1～2 mm。因此，這種活塞安裝時，要注意安裝方向標志。

    活塞在工作中由于裙部受側壓力、銷座承受活塞軸向力、銷座金屬零件易受熱后變形等都易使活塞裙部變橢圓形，沿銷軸方向直徑增大，側壓力方向直徑變小。如不采取措施，活塞在工作時將拉傷缸壁，甚至卡缸。汽油機活塞在其裙部開有梯形或門形切口，其橫向切口作用為切斷熱流、減少裙部受熱膨脹;縱向切口在裙部變形時留有膨脹余地。另外，有很多活塞將銷座孔周圍制成凹陷形，作為膨脹余地，也有將活塞制成橢圓的，其長軸為側壓方向，短軸為銷軸方向，這種活塞也叫橢圓活塞。有的活塞鑄入恒范鋼片使裙部與銷座相連，恒范鋼片熱膨脹系數很小，可使活塞與汽缸配合間隙減小。為防止活塞裙部與曲軸平衡塊相碰，沿活塞銷方向將銷座以下裙部切除。這樣，還可降低摩擦阻力和減輕重量。這種活塞也稱鞍形活塞或拖鞋形活塞。活塞由于沿高度方向受熱不同，膨脹量亦不同，因此，常將活塞制成上、下直徑不一的錐形。

 

圖1  活塞結構圖

圖2  活塞銷三維建模圖

 

二、活塞損傷的原因

 

      活塞作為柴油機的重要運動件之一，它所處的工作條件相當嚴酷，即高溫、高負荷、高速運動、潤滑不良和冷卻困難等，使其成為柴油機改進的重大障礙之一。隨著柴油機技術水平的提高，高速大負載柴油機的研制和運用，使活塞處于一個更嚴酷的工作環境中，活塞就不可避免的成為柴油機強化的首要障礙。柴油機在運轉時，活塞工作在高負荷環境中。首先，活塞受氣體壓力、慣性力和側向力的作用，氣體壓力和慣性力的方向和大小都是變化的，這就引起了活塞內應力的極度不均勻，容易引起材料的疲勞破壞。其次，活塞在徑向和高度方向上的受熱不均勻，引起內部附加極大的熱應力，這也是活塞疲勞破壞的主要原因之一。

      此外，活塞的不同部位還承受著局部力的作用，受力區域如圖3所示。活塞環岸作用著氣體壓力和活塞的慣性力，活塞在上止點搖擺使活塞上下邊緣遭到沖擊。而且由于活塞形狀復雜，各部分金屬分布不均勻，在不同的直徑方向，活塞的剛度是不同的，在不同的剛度之間，軸線方向上，活塞的熱變形和熱應力是不同的，活塞的受力和內應力也是極度不均勻的。也就導致活塞的加速損壞。

1、活塞頂部燒蝕的原因

       活塞燒蝕呈現在活塞頂部，輕者有疏松狀麻坑，重者有局部燒熔現象。活塞頂面燒蝕將導致高溫燃氣竄入曲軸箱，加速潤滑油的氧化變質、氣缸密封性變差、壓縮比下降、燃油燃燒過程變壞、柴油機的動力性和經濟性下降;嚴重時活塞開裂破碎，損壞缸套、連桿、曲軸、機體等零部件。

      活塞頂部燒蝕的原因主要是不正常燃燒造成的，使頂部接受過多熱量或者是活塞環卡死和斷環故障之后再大負荷情況下運轉而燒頂的。當活塞冷卻不良時，在活塞頂上如噴嘴油束對應區域，以及頂部突出的形狀如活塞頂部W形凹坑等處產生局部過熱，當溫度超過一定值后，金屬表面出現燒蝕。燒蝕較輕的活塞，允許繼續使用，燒蝕嚴重時必須更換。

2、配合間隙不當

      配合間隙不當主要原因是由于新機裝配不當或舊機維修不當引起的。活塞與氣缸的配合間隙應嚴格按照柴油發動機使用說明書的規定配合，間隙過大，會使柴油發動機冷起動困難，冷機時會發出敲缸聲，同時功率下降。間隙過小（如圖4所示），則會引起拉缸、脹缸等故障。

 

圖3  氣缸磨損現象原理圖

圖4  活塞與氣缸的配合間隙過小

 

3、活塞外表面磨損的原因

      活塞裙部是起導向作用的，活塞裙部與缸壁間的磨損是不可避免的，隨著使用時間的增長，二者間隙不斷增大，當大到一定程度，將出現敲缸現象。磨損原因就是材質不好，熱膨脹系數太高，高溫的情況下造成漲缸。這個部位是飛濺式潤滑的，機油好壞也是關鍵。長時間高溫高速的情況下應該讓柴油機適當地休息冷卻。在選配活塞銷時，若銷與銷孔配合過盈太大，活塞在氣缸里工作時會出現反橢圓現象，同樣會引起敲缸和竄機油等現象的發生。

4、活塞環槽磨損的原因

      活塞環槽磨損主要是由于環槽中相對運動引起的；其次是燃燒室高溫使活塞頭和環槽變形，材料性能下降，環與環槽之間的油膜破壞，環槽磨損更加嚴重。磨損現象如圖5所示。

      環槽磨損使其與環的配合間隙增大，活塞環的密封性下降，產生漏氣、壓縮壓力和爆發壓力性能降低和進入環背面燃氣增多，高壓燃氣將環壓向缸壁致使環容易折斷。環槽磨損使環槽截面形狀由矩形變為梯形或出現磨臺，且以第一、二道環槽為重為快，一般活塞環槽的磨損量在0.01mm/kh以內為正常。

5、活塞裂紋和破裂的原因

（1）活塞頭觸火面裂紋現象

      活塞頭觸火面產生裂紋是指在活塞頂面產生的徑向或圓周向裂紋、起吊孔邊緣裂紋及第一道環槽根部裂紋。

      活塞頭部裂紋主要是熱應力引起的，同時還有機械應力的作用。柴油機運轉時，活塞頂部溫度分布不均勻。頂面中央或邊緣溫度最高，鑄鋼活塞可達450℃；鋁活塞可達300~375℃，頂面冷卻側及第一道活塞環槽的溫度一般在200左右。在正常工作條件下，活塞頭部各處存在著溫差應力和高壓燃氣作用的機械應力等，而且這些應力又都是周期性的；當噴油定時不正，燃油霧化不良或火焰接觸活塞頂面時就會造成局部過燃，引起過大的熱應力；當柴油機超負荷運轉或活塞頂部冷卻不充分時也會引起熱應力。過大的熱應力會引起裂紋。柴油機頻繁啟動，停車也會引起熱疲勞裂紋。

（2）活塞冷卻側裂紋現象

      活塞頂面裂紋還會因為冷卻不充分，活塞頂面散熱不良所致。例如水冷活塞冷卻側結垢嚴重或活塞頂面積碳嚴重時就會使活塞局部過熱，導致裂紋。通常，結垢層或積碳層超過0.5mm時，加強冷卻水的定時處理等維修保養工作。活塞頂面的起吊孔邊緣和第一道環槽根部就會因應力集中產生裂紋。

（3）活塞銷孔裂紋現象

      活塞銷孔裂紋現象如圖6所示。由于活塞銷彎曲、剛度不足或銷座順應性不良，將在活塞銷孔內端出現應力集中，引起疲勞裂紋。裂紋從銷孔上表面開始，并沿著銷座的縱向平面延展。在使用中出現這種損傷，往往是由于活塞和活塞銷的材質、制造或裝配不當造成的。 

 

圖5  活塞環槽檢查

圖6  活塞銷孔破裂現象

 

三、活塞技術狀態檢測

 

    在換用新活塞時，一些維修工不是根據活塞的磨損程度來決定，而是在更換汽缸套時便將活塞報廢。其實這是一種偷懶和浪費行為，正確做法是在處理決定前，應對活塞作詳細的檢查再決定是否更換活塞。首先用觀察法檢查活塞有無嚴重的機械損傷，如裂紋、環槽塌邊、擋圈溝槽崩落及工作表面是否有深的刮痕等，然后再作以下檢查。

1、活塞頂部燒蝕檢測方法

      活塞頂部燒蝕的程度可用活塞頂部樣板和塞尺進行測量。測量時，將樣板置于活塞頂部，用塞尺測量樣板與活塞頂部之間的最大間隙t 。測量時，還應使樣板繞活塞軸線轉動，每轉45º角測量一次，取其中最大值t 。當t超過15mm時應換新活塞。

2、活塞外表面的檢測方法

      活塞裙部外表面磨損后，裙部直徑減小，活塞與氣缸的間隙增大；橫截面產生圓度誤差、縱截面產生圓柱度誤差，這些都直接影響活塞的工作性能和柴油機的功率。用外徑千分尺、游標卡尺測量活塞的上部、中部和裙部的外徑，如圖7所示。測量每一測量點的橫截面上互相垂直的兩個之間：首尾方向和左右舷方向。將測量值記錄在表格中，計算出每個橫截面的圓度、縱截面的圓柱度，以其中最大值與說明書或標準比較，以確定活塞的磨損程度。

3、活塞環槽磨損的檢測方法

      環槽磨損程度是利用樣板和塞尺測量環槽高度的變化來確定的。樣板是以新活塞的環槽高度為準制作的，也可以用一只新活塞環作為樣板。測量時，將樣板水平插入環槽并緊貼環槽下端面，用塞尺測量環與環糟上端面之間的距離，即活塞環與環槽的配合間隙，如圖8所示。測量值與說明書比較，當測量值超過極限值時，說明環槽嚴重磨損，應予以修復。

4、活塞裂紋和破裂的檢測方法

      活塞頂面冷卻側、筒狀活塞的活塞銷座處產生裂紋是很常見的，主要是由于過大的機械應力引起的，同時還會由于設計不良、材質不佳和毛坯制作缺陷等在這些部位存在應力集中而加速裂紋的產生。

     活塞裂紋可通過觀察或者著色探傷進行檢查。鋼質。鋁質活塞的頂部裂紋較輕，可采用焊補工藝修理，鋼質活塞頂部裂紋嚴重時采用局部更換。活塞環槽根部裂紋、活塞上穿透性裂紋及無法修理的冷卻側裂紋則應將及時更換。

5、活塞銷座孔的檢查

      與缸套的檢查相似，用內徑千分表在兩邊銷孔長度上各取兩個截面，在每個截面上取互相垂直的兩個方向（即上下受力方向與水平方向）位置，然后計算出圓度和圓柱度。

 

圖7  用千分尺檢測活塞外徑

圖8  活塞環間隙測量示意圖

 

總結：

      柴油發電機活塞的功用是承受燃氣燃燒所釋放的爆發壓力，并將此壓力通過活塞銷、連桿、曲軸和飛輪對外做功。同時還具有封閉汽缸，形成燃燒室，吸入、壓縮和排出氣體，傳出部分熱量，以及將活塞的側向力傳給汽缸壁等功能。活塞頂部與高溫高壓氣體直接接觸，活塞在汽缸中做高速往復運動，潤滑條件差，是柴油發電機最容易損壞的零件之一。我們需要對活塞有一個初步的認知，知道它的結構特點與功用，了解活塞常見損傷的特點，以及如何正確判斷活塞是否可以繼續使用，并要對活塞損壞的原因進行分析，以免相同的故障再次發生。

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