新聞主題	活塞環的結構設計、位置布局和質量選配方法

 

摘要：活塞環的密封作用能夠減少氣缸和活塞之間的熱量傳輸，提高柴油機的熱效率。在活塞的工作過程中，燃燒室內的高溫氣體會通過活塞向氣缸壁傳遞熱能，導致活塞和氣缸壁的溫度升高。而活塞環能夠作為熱傳導路徑的一部分，將部分熱量傳遞到氣缸壁，從而減少活塞的熱量負荷，降低活塞的溫度。這樣不僅可以減少活塞的熱脹冷縮，提高密封性能，還能夠降低活塞的摩擦和磨損，延長活塞環的使用壽命。為了改善柴油發電機活塞環的工作條件，使活塞環與汽缸更好地走合，有些活塞環采用了不同的斷面，在安裝時要特別注意。活塞環與活塞一樣，分標準尺寸和加大尺寸的，在選用時環的尺寸級別應與活塞的尺寸級別一致。

 

一、活塞環的設計原則

 

1、活塞環設計要求

      根據活塞環的作用和工作條件，活塞環的設計應滿足如下要求：

（1）有適當的彈力，以利初始密封；

（2）有較高的機械強度和熱穩定性好；

（3）易磨合且有足夠的耐磨性和抗結膠能力；

（4）加工工藝簡單，成本低廉。

       活塞環設計采用彈性彎曲理論，綜合考慮環裝入活塞的張開應力和環在氣缸中的工作應力。根據這些應力的最佳比例和環材料的強度和彈性模量，實際環的自由狀態開口距離為2.5～3.5倍的環徑向厚度，環直徑/徑向厚度之比在22～34之間。

2、油環的設計

      氣環的設計原則，對于油環完全適用。設置油環的作用就是刮下缸壁上多余的機油，使缸壁上留下一層均勻分布的機油油膜，保證機器可靠工作。設計油環時應考慮到消除活塞環的“泵油作用”，主要措施是：

（1）減少油環和活塞環槽之間的端面間隙，使泵入活塞環和環槽空間的機油量減至最少，一般油環端面間隙為第一道氣環端面間隙的1/3～1/2。

（2）油環對缸壁的徑向壓力應比氣環要高，一般為0.3～0.4MPa甚至更高。這是因為油環基本上沒有環背壓力幫助密封，它的密封材料性能靠自身彈力的作用，這在設計和制造時要加以考慮。

（3）油環上開有回油孔，所以油環高度比氣環要高。

（4）油環和環槽各部分配合間隙，都比氣環要小。

（5）油環的數目為1～2個，對高速強化柴油機現大都采用一道油環。

（6）回油通路應有足夠的流通面積，回油孔面積通常要求每厘米環周長不小于0.2㎝。

（7）油道應光滑以保證回油暢通。例如在油孔或油槽處涂復聚四氟乙烯，這種材料摩擦系數小，附著雜質能力低，可避免雜質堵塞油道。

 

二、活塞環類型與形狀

 

1、活塞環布置方式

      活塞環通常由鋼材制成，具有高強度和耐磨損的特點。活塞環的結構包括上環、中環和下環，它們分別安裝在活塞環槽的不同位置。上環位于活塞環槽的最上方，中環位于上環和下環之間，下環位于活塞環槽的最下方。活塞環布置方式如圖1所示。

（1）上環

      上環是活塞環中最重要的環之一，它負責密封燃燒室和氣缸之間的空間，防止燃氣泄漏。上環的內側與活塞接觸，外側與氣缸壁接觸，通過與氣缸壁之間的摩擦力來實現密封作用。上環的設計通常采用多個溝槽和孔，以增加其密封性能。

（2）中環

       中環位于活塞環的中間位置，起到輔助密封的作用。它的設計與上環類似，但尺寸較小。中環的主要功能是減少上環與下環之間的油膜厚度，提高密封性能。同時，中環還能夠防止活塞與氣缸之間的直接接觸，減少摩擦和磨損。

（3）下環

      下環位于活塞環槽的最下方，主要負責潤滑和密封。下環通常具有較大的溝槽和孔，以便吸收和儲存潤滑油。下環與活塞環槽之間的空隙可以通過潤滑油來保持潤滑，減少摩擦。下環的設計還需要考慮到其與上環和中環之間的協調配合，以確保整個活塞環的密封性能。

      除了上環、中環和下環之外，活塞環還包括側向密封環和油控環。側向密封環位于活塞環的兩側，用于密封活塞與氣缸之間的側向空隙。油控環位于上環和中環之間，用于控制潤滑油的供給和排出，以保持正常的潤滑和密封效果。

2、活塞環形狀

（1）矩形氣環

      氣環的基本斷面形狀是矩形，如圖2所示。矩形環易于制造，應用廣泛，但其磨合性比較差，不能滿足柴油機日益強化的要求。這種普通的壓縮環可隨意安裝在氣環槽內。

（2）錐面氣環

      錐面環結構如圖3所示。這種環的工作表面制成0.5°~0.8°的錐角，使環的工作表面與缸壁的接觸面減小，可以較快地磨合。錐角還兼有刮油的作用。但錐面環的磨損較快，影響使用壽命。安裝時有棱角的一面朝下。

（3）扭曲氣環

      扭曲環結構如圖4所示。扭曲環的內圓上邊緣或外圓下邊緣切去一部分，形成臺階形斷面。這種斷面內外不對稱，環裝人汽缸受到壓縮后，在不對稱內力的作用下，產生明顯的斷面傾斜，使環的外表面形成上小下大的錐面。這就減小了環與缸壁的接觸面積，使環易于磨合，并具有向下刮油的作用。而且環的上下端面與環槽的上下端面在相應的地方接觸，既增加密封性，又可防止活塞環在槽內上下竄動而造成泵油和磨損。這種環目前使用較廣泛。安裝扭曲環時，必須注意其上下方向，不能裝反，內切口要朝上，外切口要朝下。

（4）梯形氣環

      在一些熱負荷較大的柴油機上，為了提高氣環的抗結焦能力，常采用梯形環，如圖5所示。這種環的端面與環槽的配合間隙隨活塞在側向力作用下作橫向擺動而改變，能將環槽中的積炭擠碎，防止活塞環結膠卡住。這種環同普通氣環一樣可隨意安裝。

（5）桶面氣環

      桶面環結構如圖6所示。它的工作表面呈凸圓弧形，其上下方向均與汽缸壁呈楔形，易于磨合，潤滑性能好，密封性強。這種環已普遍用于強化柴油機上。這種環同普通的壓縮環一樣，可隨意安裝在氣環槽內。

 

圖1  活塞環位置布置方式	圖2  活塞環斷面矩形狀示例圖
圖3  活塞環斷面錐形狀示例圖	圖4  活塞環斷面扭曲形狀示例圖
圖5  活塞環斷面梯形狀示例圖	圖6  活塞環斷面桶面形狀示例圖

 

三、活塞環的質量選配

 

      活塞環的選配以氣缸的修理尺寸為依據，同一臺柴油機應選用與氣缸和活塞修理尺寸等級相同的活塞環。為確保活塞環與活塞環槽、氣缸壁的良好配合，在選配活塞環時，應進行活塞環的彈力檢驗。活塞環的彈力是保證氣缸密封性的主要條件之一。活塞環的彈力是建立背壓的首要條件，也是保證氣缸密封性的必要條件。彈力過大使環的磨損加劇；彈力過弱， 氣缸密封性能變差，燃料消耗增加，積炭嚴重。

1、活塞環的彈力檢驗

      檢驗活塞環的彈力是指活塞環的端隙達到規定值時作用在活塞環上的徑向力。活塞環的彈力是建立背壓的首要條件，也是保證氣缸密封性的必要條件。彈力過大使環的磨損加劇;彈力過小，氣缸密封性變差，導致燃料和潤滑油消耗增加，燃燒室積炭嚴重，柴油機動力性和經濟性降低。

      活塞環的彈力檢驗如圖7所示。檢驗時，把活塞環置于施壓架5和彈力檢驗儀底座1之間，使活塞環的開口間隙放置在水平位置，沿秤桿移動活動量塊，使活塞環開口間隙壓縮至標準數值，此時，可由量塊在秤桿上的位置讀出作用于活塞環上的力，即為活塞環的彈力。彈力應符合各機型的規定要求。

2、活塞環漏光的檢驗

      活塞環漏光檢驗旨在檢測活塞環外圓表面與氣缸壁的接觸與密封程度，其目的是避免漏光度過大使活塞環與氣缸壁的接觸面積減小，造成漏氣和竄油隱患。檢查方法是將活塞環平放在氣缸內，在活塞環的下邊放一個發光的燈泡，活塞環上面放一塊蓋板，蓋住環的內圓，如圖8所示。漏光縫隙一般不得超過0.03mm。漏光弧長在圓周上一處不得大于30°，同一環上的漏光長度總和不超過60°，在環端開口處左右30"范圍內不允許有漏光現象。

 

圖7  活塞環的彈力檢驗圖

圖8  活塞環漏光檢驗圖

 

總結：

      除上述作用外，活塞環還具有導熱作用，能夠快速將活塞上部的熱量傳遞到活塞環，從而實現活塞上、下部的溫度均衡。活塞上、下部的溫度均衡能夠減少活塞的熱應力，避免因溫度差異引起的活塞變形和破裂，提高活塞的使用壽命。目前，作為改善柴油機用活塞環等滑動部件的耐磨損性及抗劃性的方法，例如，在柴油發電機用的活塞環中，在其滑動面實施PVD被膜或氮化處理層等表面處理。這些表面處理中，特別是PVD被膜呈現優異的耐磨損性，因此，作為對在嚴苛的運轉條件下使用的活塞環進行的表面處理被廣泛地實際應用。

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