新聞主題	活塞環的磨損量計算、規律及質量檢驗方法

 

摘要：汽缸活塞組是發動機的心臟，特別是活塞環其技術狀況變壞或出現故障，不僅影響發動機的動力性和經濟性，而且將縮短柴油發電機使用壽命。近年來，伴隨柴油機的高輸出功率化和高性能化，活塞環類滑動部件的使用環境越發嚴苛，要求具有良好的耐磨損性、抗劃性的滑動部件。在使用過程中，活塞環的主要故障均是由于零部件磨損、燒蝕、結膠、積炭等原因引起的，尤其是零部件的磨損，是造成密封性下降的主要因素。康明斯公司在本文介紹了活塞環的分類及其作用，同時闡明了活塞環磨損規律和原因分析，最后為此提出了改良后的活塞環安裝方式。

 

一、活塞環的概述

 

      活塞環是發動機曲柄連桿機構活塞連桿組中的一個零部件，活塞環的三個環主要分為兩類，根據活塞環的發揮的作用及所處的位置分為氣環(壓縮環)和油環，其結構和作用如圖1所示。

1、氣環的作用和密封原理

（1）作用

      氣環作用是保證活塞與氣缸壁之間的密封，防止活塞上部的高壓氣體漏入曲軸箱。當密封不良時，壓縮沖程中的氣體漏出較多，使壓縮終了的壓力降低，對于柴油機會造成啟動困難。高溫燃氣漏入曲軸箱還會使活塞溫度升高，機油因受熱而氧化變質。除密封作用外，氣環還起傳熱作用。活塞頂部所吸收的熱量，大部分要通過氣環傳給氣缸壁（因活塞頭部并不接觸氣缸壁），再由外部的冷卻介質帶走。

（2）原理

      如圖3所示。活塞環在自由狀態下，其直徑比氣缸直徑大。當環徑向壓縮隨活塞一起裝入氣缸后，便產生徑向彈力F0，使之與汽缸壁壓緊，形成了第一密封面，其壓緊力為FA 。氣缸中壓力為PZ的高壓氣體不能從次密封面下竄，便進入側隙和背隙，作用在環側面上的氣體壓力P1把活塞環壓緊在環槽的下端面上，形成第二個密封面，其壓緊力為FB背壓力P2則使環更緊地壓在氣缸壁上。燃氣使環對缸壁和槽側的壓緊作用稱為氣環的第二次密封。有了兩個密封面的密封，通常只有開口處是唯一的漏氣通道。但由于開口間隙很小，并互相按一定位置錯開，形成一個迷宮式封氣路線，起到一個氣體節流的作用。

2、油環的作用

      油環作用是將氣缸表面多余的潤滑油刮下，不讓它竄入燃燒室，同時使氣缸壁上潤滑油均勻分布，改善活塞組的潤滑條件。油環位于氣環的下面，其工作溫度和燃氣壓力相對較低，而油環為了有效地刮油，又要求有較高的壓力壓向氣缸壁。因此，油環一方面本身的彈力較大，同時又盡可能地減小環與氣缸壁的接觸面，以增強單位面積的接觸壓力。油環分為普通油環和組合油環兩種。

3、活塞環“三隙”

      活塞環裝入氣缸后其兩端之間應有端隙（開口間隙），與環槽間應有側隙和背隙，統稱為活塞環的“三隙”。如圖4所示。

（1）端隙

      活塞環端隙是指活塞環隨活塞裝入氣缸后，環在上止點時環的兩端頭的間隙。這個間隙防止環受熱膨脹卡死在環槽內（第一道氣環0.25—0.45mm，其余氣環0.20—0.40mm）  。

（2）側隙

      活塞環配置在環槽內上下面的間隙，這個間隙防止環卡死在環槽內（0.03—0.07mm）  。

（3）背隙

      活塞環在工作時靠燃燒時的高壓氣體進入背間隙對活塞環產生壓力，來加強活塞環與氣缸工作面的密封作用（0—0.35mm）。

 

圖1  活塞環三環結構示意圖	圖2  活塞環的作用
圖3  活塞環氣環的密封原理	圖4  活塞環端隙、側隙和背隙示意圖

 

 

二、活塞環磨損規律

 

      汽缸活塞環的磨損主要是活塞環受高溫高壓燃氣的作用，活塞往復運動的沖擊和潤滑不良所致，汽缸活塞環的磨損速度很快，造成活塞環的彈性逐漸減弱，在正常工作條件下，活塞環與汽缸套壁面之間存在一層很薄的潤滑油膜，但該油膜的厚度尚未能將2個工作表面分隔開，同時在潤滑油中還有磨料性質的機械雜質，因此對汽缸活塞環的磨損規律可按磨料磨損模型描述。其磨損率為

δ=120KNSP_c^mHb^-m（r-h_c）^jq^t..........................（公式1）

式中，K=k₁k₂k₃，k₁，k₂，k₃分別為材料表面特性系數、磨粒特性系數和區域形狀系數；

N——曲軸轉速，r/min；

S——活塞行程，m；

P_c——活塞環表面平均壓力，MPa；

H_b——零件硬度；

r——磨料顆粒的當量曲率半徑，μm；

hc——為平均油膜厚度，μm；

q——潤滑油中磨粒的重量濃度；指數m =（3/4β）? j = （q/4β）- ½.t =1-（3/4β），通常由試驗確定，其中β為表面粗糙度參數。一般可取β=1.9，K=1.447×10^-8，可計算得m =0.39，j=0.68，t=0.61。

      因此該類汽缸活塞組在正常工作條件下的磨損率計算式為：

δ=1.736×10^-6NSP_c^0.4-+Hp^-0.4（r-hc）^0.68q^0.61..........................（公式2）

      柴油發電機運行時間t后的磨損量W為：

W=1.736×10^-6NSPc^0.4H_b^-0.4（r-h_c）^0.68q^0.61t..........................（公式3）

      一般r=5.8μm?q₁=0.24×10^-2，q₂=0.5×10^-2。由潤滑特性分析得：h_c2=2.75μm，h₂=4.15μm，P_c1=0.44MPa，P_c2=0.26MPa，（1，2分別表示第一、二道環對應的汽缸位置）。

 

三、活塞環質量檢驗

 

      活塞環是柴油機中的一個重要部件，主要用于密封氣缸和控制氣缸內壓力。為確保發動機正常運轉，活塞環的檢驗是必不可少的。活塞環的檢驗項目如下：

1、外表檢查

（1）檢查活塞環表面是否有裂紋、變形、磨損、腐蝕等情況。

（2）使用千分尺或顯微鏡檢查活塞環的直徑、厚度、彎曲度等尺寸是否符合要求。

（3）如圖5所示。使用厚薄規檢查活塞環的側隙和端隙是否符合要求。

2、漏光度檢查

     如圖6（a）所示。將活塞環平正地放入氣缸內，用活塞頂部把它推平，在氣缸下部放置一發亮的燈泡，在活塞環上 放一直徑略小于汽缸內徑、能蓋住活塞環內圓的蓋板，然后從氣缸上部觀察漏光處及漏光處對應的圓心角。一般要求活塞環局部漏光度每處不大于25°；最大漏光縫隙不大于0.03mm，每環漏光處不超過兩個，每環總漏光度不大于45°；在活塞環開口處30°范圍內不允許有漏光現象。

3、壓縮強度檢查

      如圖6（b）所示。將活塞環壓縮至一定程度后測量其壓縮強度，以判斷其耐久性。具體方法是在活塞環開口的垂直方向施加壓力，使開口達到規定的端隙時在活塞環直徑方向施用的作用力。活塞環的彈力也可用活塞環檢驗儀檢驗。

4、硬度檢查

      使用硬度計測量活塞環的硬度，以確定其材質是否合格。

注意：整體鑄鐵油環不宜測定硬度值，因為油槽油孔的結構，導致不能準確測出硬度值。對于環高低于1.5mm的鑄鐵環，測量硬度的工作臺面中心不能有凹坑，如有凹坑則測量時應添加一定剛度的墊片，將環樣放置在墊片上測試(墊片應有較好的平行度，其表面粗糙度在Ra0.8μm以下)，否則測定的硬度值會偏低，可能低 1~2個HRB單位，甚至環被壓斷。

5、磨損檢查

      將活塞環安裝在一個模擬氣缸的測試機上，通過測量活塞環在運動過程中的磨損量來判斷其壽命。

      以上是活塞環檢驗項目的一些基本內容，具體檢驗項目和方法還需根據不同的活塞環類型和使用條件進行調整。

 

圖5  活塞環側隙和端隙測量示意圖

圖6  活塞環漏光度和彈力檢測

 

四、活塞環典型故障案例

 

1、活塞環常見故障

（1）磨損

      由于活塞環與缸壁長期摩擦，容易造成磨損，導致間隙過大，進而影響氣缸的密封性，降低發動機的壓縮比，導致動力下降，燃油消耗增加。

（2） 斷裂

      活塞環彈性較大，但長期使用后會逐漸失去彈性，使其易受冷熱變形影響，導致斷裂。此時，活塞環無法充分貼合缸壁，從而影響氣缸的密封性，導致漏氣、燃燒不充分等問題。

（3）卡死

      在發動機高溫高壓環境下，活塞環容易因積碳或者油膜破裂而卡死，導致活塞環與缸壁摩擦增大，磨損加劇，進而影響發動機的正常運轉。

（4）燒蝕

      當發動機長期高速行駛或者機油不及時更換時，活塞環容易出現燒蝕現象，導致活塞環與缸壁之間出現過大的間隙，進而影響氣缸的密封性，使發動機的動力下降。

（5）燒機油

      缸套、活塞配合的間隙不符合標準 ，使缸套與環之間出現早期磨損 ，而使環的邊間隙和端間隙加大 ，密封效果變差。活塞環開口鄰近或開口重疊 ，特別是油環口的重疊 ，致使機油上竄外溢。

      活塞環失效引起的常見故障現象如圖7所示，當然活塞環的選擇對故障影響也很重要。氣環應該選用密封效果較好的扭曲環和耐磨損的鍍鉻環 ，油環盡量選用組合環 （形狀如圖8所示），除增強密封性 ，還加強了布油和刮油能力 ，減少燒排機油的現象。

 

圖7  活塞環失效引起的故障現象

圖8  活塞油環斷面形狀

 

2、活塞環裝配方法的改進

      活塞環在安裝時，必須使用專業工具（如圖9所示）。應注意其安裝方向，環開口方向印有標記（圓點、字母）的方向，裝配時此環面朝上（活塞頂部）方向，如圖10所示。

（1）氣環安裝

      在實際操作 ，將三道氣環的開口呈 180°安裝 ，使第一道環口與第三道環口在同一直線上 ，但三道氣環開口位置都與活塞銷垂直。由于第二道氣環的密封作用 ，不會使第一道氣環口進入的氣體直接進入到第三道氣環口處 ，這就是活塞環口呈 180°安裝的優點。

（2）油環安裝

      同樣的道理 ，在安裝油環時也是遵循這一原理 ， 可有效地防止缸壁上機油上竄 ，從而有效地避免柴油發電機燒排機油的現象。

      根據這個活塞班安裝方法的改進 ，在修理過程中 ，通過對比試驗 ，柴油發電機連續工作 1500～2000h 沒有發現燒排機油的現象 ，可使活塞環的使用壽命提高 2～3 倍 ，效果是很理想的。

 

圖9 活塞環安裝示意圖

圖10  活塞環的安裝方向

 

總結：

      汽缸活塞組由于磨損引起的一些故障，在不解體條件下是很難進行直接檢測的，通常做法是采用一些診斷指標，通過相應的診斷方法來判斷其技術狀況的變化。主要評價指標有通過異響來判斷汽缸活塞組磨損過大而引起的聲響指標、反映汽缸密封性的汽缸壓縮壓力、曲軸箱竄氣量、汽缸漏氣率、進氣管真空度及分析曲軸箱內潤滑油中金屬顆粒的含量等。其中對發動機汽缸壓力的測量和分析是最基本的手段之一，從汽缸壓力的分析中幾乎可得到有關汽缸活塞組磨損的全部信息。

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