新聞主題	活塞環(huán)的磨損量計算、規(guī)律及質(zhì)量檢驗方法

 

摘要：汽缸活塞組是發(fā)動機的心臟，特別是活塞環(huán)其技術(shù)狀況變壞或出現(xiàn)故障，不僅影響發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性，而且將縮短柴油發(fā)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(huán)類滑動部件的使用環(huán)境越發(fā)嚴(yán)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(huán)的主要故障均是由于零部件磨損、燒蝕、結(jié)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(huán)的分類及其作用，同時闡明了活塞環(huán)磨損規(guī)律和原因分析，最后為此提出了改良后的活塞環(huán)安裝方式。

 

一、活塞環(huán)的概述

 

      活塞環(huán)是發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)活塞連桿組中的一個零部件，活塞環(huán)的三個環(huán)主要分為兩類，根據(jù)活塞環(huán)的發(fā)揮的作用及所處的位置分為氣環(huán)(壓縮環(huán))和油環(huán)，其結(jié)構(gòu)和作用如圖1所示。

1、氣環(huán)的作用和密封原理

（1）作用

      氣環(huán)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(dāng)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?xì)饴┤肭S箱還會使活塞溫度升高，機油因受熱而氧化變質(zhì)。除密封作用外，氣環(huán)還起傳熱作用。活塞頂部所吸收的熱量，大部分要通過氣環(huán)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(zhì)帶走。

（2）原理

      如圖3所示。活塞環(huán)在自由狀態(tài)下，其直徑比氣缸直徑大。當(dāng)環(huán)徑向壓縮隨活塞一起裝入氣缸后，便產(chǎn)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(cè)隙和背隙，作用在環(huán)側(cè)面上的氣體壓力P1把活塞環(huán)壓緊在環(huán)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(huán)更緊地壓在氣缸壁上。燃?xì)馐弓h(huán)對缸壁和槽側(cè)的壓緊作用稱為氣環(huán)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(jié)流的作用。

2、油環(huán)的作用

      油環(huán)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(huán)位于氣環(huán)的下面，其工作溫度和燃?xì)鈮毫ο鄬^低，而油環(huán)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(huán)一方面本身的彈力較大，同時又盡可能地減小環(huán)與氣缸壁的接觸面，以增強單位面積的接觸壓力。油環(huán)分為普通油環(huán)和組合油環(huán)兩種。

3、活塞環(huán)“三隙”

      活塞環(huán)裝入氣缸后其兩端之間應(yīng)有端隙（開口間隙），與環(huán)槽間應(yīng)有側(cè)隙和背隙，統(tǒng)稱為活塞環(huán)的“三隙”。如圖4所示。

（1）端隙

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

（2）側(cè)隙

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

（3）背隙

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

 

圖1  活塞環(huán)三環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖	圖2  活塞環(huán)的作用
圖3  活塞環(huán)氣環(huán)的密封原理	圖4  活塞環(huán)端隙、側(cè)隙和背隙示意圖

 

 

二、活塞環(huán)磨損規(guī)律

 

      汽缸活塞環(huán)的磨損主要是活塞環(huán)受高溫高壓燃?xì)獾淖饔茫钊鶑?fù)運動的沖擊和潤滑不良所致，汽缸活塞環(huán)的磨損速度很快，造成活塞環(huán)的彈性逐漸減弱，在正常工作條件下，活塞環(huán)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(zhì)的機械雜質(zhì)，因此對汽缸活塞環(huán)的磨損規(guī)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(shù)、磨粒特性系數(shù)和區(qū)域形狀系數(shù)；

N——曲軸轉(zhuǎn)速，r/min；

S——活塞行程，m；

P_c——活塞環(huán)表面平均壓力，MPa；

H_b——零件硬度；

r——磨料顆粒的當(dāng)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(shù)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(shù)。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(fā)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(huán)對應(yīng)的汽缸位置）。

 

三、活塞環(huán)質(zhì)量檢驗

 

      活塞環(huán)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(nèi)壓力。為確保發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)，活塞環(huán)的檢驗是必不可少的。活塞環(huán)的檢驗項目如下：

1、外表檢查

（1）檢查活塞環(huán)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(huán)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(guī)檢查活塞環(huán)的側(cè)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(huán)平正地放入氣缸內(nèi)，用活塞頂部把它推平，在氣缸下部放置一發(fā)亮的燈泡，在活塞環(huán)上 放一直徑略小于汽缸內(nèi)徑、能蓋住活塞環(huán)內(nèi)圓的蓋板，然后從氣缸上部觀察漏光處及漏光處對應(yīng)的圓心角。一般要求活塞環(huán)局部漏光度每處不大于25°；最大漏光縫隙不大于0.03mm，每環(huán)漏光處不超過兩個，每環(huán)總漏光度不大于45°；在活塞環(huán)開口處30°范圍內(nèi)不允許有漏光現(xiàn)象。

3、壓縮強度檢查

      如圖6（b）所示。將活塞環(huán)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(huán)開口的垂直方向施加壓力，使開口達到規(guī)定的端隙時在活塞環(huán)直徑方向施用的作用力。活塞環(huán)的彈力也可用活塞環(huán)檢驗儀檢驗。

4、硬度檢查

      使用硬度計測量活塞環(huán)的硬度，以確定其材質(zhì)是否合格。

注意：整體鑄鐵油環(huán)不宜測定硬度值，因為油槽油孔的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致不能準(zhǔn)確測出硬度值。對于環(huán)高低于1.5mm的鑄鐵環(huán)，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(yīng)添加一定剛度的墊片，將環(huán)樣放置在墊片上測試(墊片應(yīng)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(huán)被壓斷。

5、磨損檢查

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

      以上是活塞環(huán)檢驗項目的一些基本內(nèi)容，具體檢驗項目和方法還需根據(jù)不同的活塞環(huán)類型和使用條件進行調(diào)整。

 

圖5  活塞環(huán)側(cè)隙和端隙測量示意圖

圖6  活塞環(huán)漏光度和彈力檢測

 

四、活塞環(huán)典型故障案例

 

1、活塞環(huán)常見故障

（1）磨損

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

（2） 斷裂

      活塞環(huán)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(dǎo)致斷裂。此時，活塞環(huán)無法充分貼合缸壁，從而影響氣缸的密封性，導(dǎo)致漏氣、燃燒不充分等問題。

（3）卡死

      在發(fā)動機高溫高壓環(huán)境下，活塞環(huán)容易因積碳或者油膜破裂而卡死，導(dǎo)致活塞環(huán)與缸壁摩擦增大，磨損加劇，進而影響發(fā)動機的正常運轉(zhuǎn)。

（4）燒蝕

      當(dāng)發(fā)動機長期高速行駛或者機油不及時更換時，活塞環(huán)容易出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致活塞環(huán)與缸壁之間出現(xiàn)過大的間隙，進而影響氣缸的密封性，使發(fā)動機的動力下降。

（5）燒機油

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

      活塞環(huán)失效引起的常見故障現(xiàn)象如圖7所示，當(dāng)然活塞環(huán)的選擇對故障影響也很重要。氣環(huán)應(yīng)該選用密封效果較好的扭曲環(huán)和耐磨損的鍍鉻環(huán) ，油環(huán)盡量選用組合環(huán) （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(xiàn)象。

 

圖7  活塞環(huán)失效引起的故障現(xiàn)象

圖8  活塞油環(huán)斷面形狀

 

2、活塞環(huán)裝配方法的改進

      活塞環(huán)在安裝時，必須使用專業(yè)工具（如圖9所示）。應(yīng)注意其安裝方向，環(huán)開口方向印有標(biāo)記（圓點、字母）的方向，裝配時此環(huán)面朝上（活塞頂部）方向，如圖10所示。

（1）氣環(huán)安裝

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

（2）油環(huán)安裝

      同樣的道理 ，在安裝油環(huán)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(fā)電機燒排機油的現(xiàn)象。

      根據(jù)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(fā)電機連續(xù)工作 1500～2000h 沒有發(fā)現(xiàn)燒排機油的現(xiàn)象 ，可使活塞環(huán)的使用壽命提高 2～3 倍 ，效果是很理想的。

 

圖9 活塞環(huán)安裝示意圖

圖10  活塞環(huán)的安裝方向

 

總結(jié)：

      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(biāo)，通過相應(yīng)的診斷方法來判斷其技術(shù)狀況的變化。主要評價指標(biāo)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(biāo)、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(nèi)潤滑油中金屬顆粒的含量等。其中對發(fā)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(guān)汽缸活塞組磨損的全部信息。

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