康明斯动力（深圳）有限公司

 

新闻主题	活塞组件复检和防止变形的措施

 

摘要：活塞是发动机的“中枢”，除了身处恶劣的工作环境外，它还是发动机中最忙碌的一个，不断地进行着从下止点到上止点、从上止点到下止点的往复运动，完成发动机主要的吸气、压缩、作功、排气工作过程。活塞技术状态的好坏对发动机工作性能影响很大，因此，在柴油发动机的活塞组件装配完成，应对其各部位进行安装质量复检，康明斯公司并在本文中提出了改进措施。

 

一、活塞的工作条件和结构

 

      活塞的主要作用是承受气缸中可燃混合气燃烧产生的压力，并将此力通过活塞销和连杆传给曲轴。此外，活塞还与气缸盖、气缸壁共同组成燃烧室。整个活塞可分为顶部、环槽部和裙部共三个部分，如图1所示。活塞顶为第一道环槽上表面至活塞顶部分，是燃烧室的组成部分，常制成不同的形状，活塞顶的形状与选用的燃烧室形状有关。ω燃烧室型活塞外观如图2所示。

由于活塞顶部直接与高温燃气接触，活塞受周期性变化的气体压力和惯性力的作用，且散热及润滑条件差，因此要求活塞具有：

（1）足够的强度和刚度，特别是活塞环槽区域要求有较大的强度，以免活塞环被击碎。

（2）较小的质量，以保持较小的惯性力。

（3）耐热的活塞顶及弹性的活塞裙。

（4）良好的导热性和合理的热膨胀性，以便有合理的安装间隙。

（5）活塞与气缸壁间有较小的摩擦系数。

 

图1  活塞剖面图

图2  ω燃烧室型活塞侧视图

 

二、活塞装配后复检

 

       活塞使用过程中常见磨损部位如图1所示，其中，磨损最大的地方是活塞环槽，其中第一环槽的下平面往往磨损最严重。环槽磨损后，槽的断面变成梯形，侧隙变大使气缸的气密性变差，并且还会加重泵油作用，引起“窜油”和“窜气”。因此，在将所有各缸的活塞组件装妥后，应进行再一次复检步骤。

1、气缸压缩余隙的测量

（1）气缸压缩余隙值代表压缩容积，又称压缩室高度。每一种型号的柴油机必有它的压缩室高度值，在总装中必须保持其规定值，才能使各缸的压缩容积保持一致。

（2）压缩室高度值可以从固定件和运动件的装配尺寸链的计算来求得。

（3）在实际测量中，目前已采用如下的方法。将所有运动部件全部装入机器内部，但调整垫片可暂时不装。转动曲轴，使活塞处于上死点位置，用一专用量具测量两个尺寸a及b，a与b之差值即为设计中规定必检的压缩余隙值c。亦可直接用平尺及钢尺测量而获得c值。根据各缸的测量结果，选配好每缸的调整垫片，使其c值均符合图纸的规定值，以保持每缸的压缩余隙值基本一致，从而能有相互接近的压缩比和压缩容积。

 

图1  活塞组常见磨损和损坏部位

柴油机气缸压缩余隙的测量

 

2、运动部件的校中

      所有运动部件装入机内后，各部分的装配间隙均应调整在规定的范围内，所有的连接螺栓按要求进行拧紧或液压上紧，这时在未装入活塞环的状态下，应进行活塞在气缸内的校中工作，作最后的安装配合测量检查，查明活塞与气缸、滑块与导板之间的相对位置是否正确。

（1）校中的工艺方法

① 转动曲轴（如图3所示），使活塞移动到近上死点位置（如图4所示）。在活塞杆的外圆表面上，分相互垂直的两个截面，用框形水平仪检查活塞杆的中心线是否在垂直状态，如有歪斜，可用木楔插入活塞头与气缸套之间，调整其左右前后位置，确使活塞杆中心线处于垂直状态。

② 按要求的部位，对活塞与气缸之间的四周间隙进行测量，一般只测量沿柴油机纵向和横向相互垂直的四个部位，且沿活塞裙部的上下外圆部位，同时要测量滑块与导板工作平面的间隙，以及与侧向挡板的间隙。将这两部分的数据分别填入表格内，进行比较。

③ 再转动曲轴，使活塞移动至近下死点位置，重复① 和② 的操作，作出第二次的测量记录。根据上、下死点测量所得到的数据，作必要的调整和修整，就可获得满意的校中质量。

      目前柴油机活塞在气缸内的校中已广泛采用一次测量校中法，只须使活塞的位置处于气缸中部，即曲柄销颈的位置处于左右的水平位置，按上述的校中步骤进行，经调整或修整即可完成校中工作。

（2）活塞在气缸内的校中的要求

① 在未装活塞环的条件下，活塞在上、下死点位置时，活塞裙部与气缸内孔的最小间隙应不小于总间隙的30%;

② 活塞在气缸内沿柴油机纵向方向的任何位置时的倾斜不宜过大。柴油机的活塞在气缸内允许倾斜，每米不应超过0.10mm，超过此值时应设法予以修整；

③ 活塞在气缸内沿柴油机纵向允许平行地偏在一边，当向另一边撬动活塞、连杆时，其偏移量应能立即转移到另一边。如不能转移，或迅速弹回，则要检查其原因，并予以消除。

 

图3  柴油机盘车工具（转动曲轴）

图4  活塞压缩行程上止点位置

 

3、活塞在气缸内的失中形式及其消除方法

      在柴油机制造或修理时，活塞等运动件在校中过程中，往往会出现沿柴油机纵向和横向的失中状态，有时纵向横向失中结合在一起发生。现归纳如下。

（1）纵向失中

      纵向失中主要是由于连杆、十字头、活塞杆等弯曲或十字头的上活塞杆安装面与十字头轴线不平行以及活塞杆上的十字头安装面与活塞杆轴线不垂直等原因造成的倾斜。若倾斜不大，而活塞与气缸套之间的纵向间隙不合适，则是可以通过调整垫片来调整滑板条与机架小导板的间隙进行调节。

（2）横向失中

      所谓横向失中，主要是由导板工作平面与气缸轴线不平行而引起的活塞在气缸内的左右方向上的倾斜造成的。对于修理的柴油机，应作周密的检查工作，它很可能是滑块或导板的磨损所引起的，这时就应采用修拂方法和增减垫片来解决。

3、活塞上死点的确定

      当指针定位时，首先应转动曲轴，使活塞移动至上死点位置，然后将指针指向该缸的上死点刻度。测定活塞是否在上死点的位置有两种方法：

（1）活塞顶部测量

      用百分表安放在气缸套上部表面，当活塞接近最高位置前，把百分表的触头与活塞顶部接触，继续缓慢地正车转动曲轴，使活塞继续上升，直至百分表指针刚开始返回原点为止，作好记录，并重复几次。必要时还可以倒车方向转动曲轴，如活塞的最高位置读数与正车时的读数相等，这时的位置便是活塞上死点位置；

（2）机架导轨测量

      在十字头滑块的上方，将磁性划针盘吸附在附近的地方，使其百分表的触头与滑块的最高点接触，按同一方向转动曲轴，滑块继续上升，反复数次，可求出滑块移动上升的最高点，这就是活塞上死点位置。

（3）其他方法

      多缸柴油机一般只须找出第一缸或第六缸的活塞上死点，之后就将指针对准飞轮上相对应的上死点刻度，并在固定指针的地方钻铰定位销孔，配妥定位销并装妥它，备作下一次拆装时能有精确的位置。

      有时会碰到这样一个问题，即当飞轮装在柴油机上必须再刻划每缸活塞的上死点位置标记，此时应按下述方法来确定活塞上死点位置，先将活塞转至上死点附近，测量活塞顶部到气缸套端面的距离a，这时在对准指针的飞轮平面上作一临时标记，一般用划针划一条短线。

      然后继续转动曲轴，使活塞经过它的最高点后向下移动，移至一定距离b（活塞顶部至气缸套端面距离），使b=a，在飞轮平面上指针所指的地方再划上一根临时短线。在这两根短线之间，求出它们的平分点，这点就是该缸活塞的上死点位置刻度。用同样方法，可找出其余各缸活塞的上死点位置刻度线。

5、活塞组件的复装

      用臂距差量表复测一次全部的曲柄臂距差，再次将活塞组件吊出，装进各缸的活塞环，检查活塞环的切向热胀间隙和轴向环槽间隙。同时将活塞杆的填料函全部装妥。经清洗并涂上润滑油的活塞组件吊入气缸套内，活塞环在进入气缸套之前，应将各环的搭口错开，使相邻的两道环错开180°，并借助活塞环的导向套，慢慢地落入气缸套内。

 

三、活塞改良措施

 

      为了使柴油发电机活塞各部分，特别是裙部，在各种工作情况下与缸壁的配合间隙都尽可能保持在一定范围内，康明斯公司在不同系列的柴油发电机活塞在结构上采取了与变形相适应或控制尽可能小的变形等一些措施。

1、活塞头部的直径呈上小下大的阶梯形或截锥形，且头部直径小于裙部，直径一般差0.5-0.9mm。

2、活塞裙部呈上小下大的截锥形。

      在垂直于销座孔轴线方向上，裙部下端与上端的直径称为柴油发电机活塞裙部的锥度，也笼统称为柴油发电机活塞的锥度。

3、柴油发电机活塞裙部沿圆周方向近似椭圆形，成为椭圆柴油发电机活塞。

      椭圆的长轴在垂直于销座孔轴线的方向，即侧压力面方向。一般椭圆柴油发电机活塞是裙部下端长轴最大，它与同一横截面短轴的直径差称为柴油发电机活塞裙部的椭圆度，也笼统称为柴油发电机活塞的椭圆度。

      以上三项结构措施，是与柴油发电机活塞的热变形及侧压力变形相适应，使柴油发电机活塞在工作温度下变成接近于正圆柱形，从而获得均匀的配合间隙。 

4、活塞裙部沿销座外端面在铸造时凹陷0.5-1mm，使销座两端有充分的膨胀余地，不会与缸壁接触。

5、裙部开有绝热槽和膨胀槽。

      在裙部受侧压力较小的面，开有“T”形或“∏”槽。位置如图5、图6所示。

（1）其中横槽叫绝热槽，它开在头部最下一道油环槽中或裙部上边沿，其作用是减少头部热量向裙部传导，从而减少裙部的热膨胀；另外，它还可增强油环槽的回油能力。

（2）竖槽叫膨胀槽，其作用是使裙部具有一定的弹性和热态时起补偿作用，使柴油发电机活塞在装配间隙较小的情况下热膨胀时，不致卡缸。

6、双金属活塞

        在柴油发电机铝合金活塞裙部或销座孔内嵌铸入钢片，以减小柴油发电机活塞裙部的膨胀量。这是目前国内外所广泛采用的一种措施。

 

图5  锥形裙部活塞膨胀槽

图6  其他类型活塞膨胀槽

 

 

总结：

      活塞组件装配方法首先要清洗活塞组件及气缸套内孔，用吊具将活塞组件吊起，此时活塞环暂不装入，检查活塞杆下端平面应平整，将活塞组件吊入气缸套内，落到十字头的平面上，用0.03mm塞尺检查活塞杆与十字头的连接面，绝不允许插入，如有缝隙出现，必须周密检查连接面有无机械杂质或毛刺夹在表面。如仍有缝隙，应更进一步详细检查，疵病必须排除。发动机工作时，活塞裙部受侧压力与缸套摩擦而自然磨损；冷却不良，润滑不良，空气、柴油、机油不净，含杂质多会加速活塞裙部的磨损；活塞与缸套装配间隙过大或过小，易造成活塞裙部推力面的严重磨损；因连杆弯曲使活塞呈过度的单面磨损。活塞裙部外表面磨损后，裙部直径减小，活塞与气缸的间隙增大，活塞横截面产生圆度误差、纵截面产生圆柱度误差。这些都直接影响活塞的工作性能和柴油机的功率。

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