康明斯动力（深圳）有限公司

 

故障检修与技术维护

活塞环参数要求、断裂原因和预防措施

 

摘要：柴油机活塞环断裂是在柴油机运行中存在的一个常见故障，其影响了柴油机的正常运行和使用寿命。而活塞环的断裂又有多种原因，包括材料质量不合格、安装不当、润滑不良、渗油、过度磨损和温度过高等因素。为了预防柴油机活塞环的断裂，可以采取一系列的预防措施，包括选择优质材料、严格控制安装质量、加强润滑管理、提高密封性、合理安排工作时间和控制温度等方面的措施。只有加强对活塞环的管理和维护，才能更好地提高柴油机的可靠性和使用寿命。

 

一、活塞环相关参数及性能

 

      活塞环是活塞与缸体之间的密封件，它的尺寸和质量直接影响整个发动机的性能和寿命。目前国内常用的活塞环标准主要有qc/t 39-1992和qc/t 275-2008两种。qc/t 39-1992标准适用于铸铁活塞环，包括防滑环、斜面环、标准矩形环和特殊矩形环等。

1、弹力

      弹力活塞环实现自张并建立密封面的关键参数。

（1）弹力过小则密封面不易建立，压缩气体、高温燃气易泄漏造成整机功率下降；另一方面，弹力过小还会造成机油上窜，导致较高的机油消耗。

（2）弹力过大易导致摩擦面机油过少，油膜厚度过小，甚至油膜破裂，导致磨损加剧；另一方面，弹力过大其摩擦功损耗大，导致整机功率下降。

（3）活塞环弹力有径向和切向弹力两种，二者互为关联，且一一对应。

2、闭口间隙

       闭口间隙活塞环在名义缸径中两开口端之间的距离。

（1）在考虑热膨胀因素基础上，较小的闭口间隙有利于密封气体和降低机油消耗；

（2）闭口间隙过小将导致环卡死而失去功效；闭口间隙过大将导致较大的气体泄漏和机油消耗。

 

图1  活塞环弹力示意图

图2  活塞环闭口间隙示意图

 

3、自由开口

      自由开口是活塞环自由状态下开口两端间的距离。

（1）自由开口过小，其安装应力大，不利于活塞环安装。

（2）自由开口过大，其工作应力大，不利于活塞环工作。

4、环高

（1）较大的环高其刚性好，但惯性力大，但不利于实现环的理想运动。

（2）较小的环高惯性力小，但其刚性较差。

（3）环高偏大则其侧隙小，因热膨胀或积碳作用，易造成环卡死而失去功效；环高偏小则其侧隙大，易造成气体泄漏和机油上窜。

5、径向厚度

（1）径向厚度过大，背隙变小，环作径向振动时易与活塞槽干涉，同时环体柔性下降，对缸套的顺应性降低。

（2）径向厚度过小，背隙增大，泄漏通道面积增大，密封性能降低，同时热流通道面积变小，不利于热传导。

 

图3  活塞环自由开口间隙示意图

图4  活塞环环高和径向厚度尺寸示意图

 

6、锥度

（1）环外圆与气缸线接触，接触压力大，有利于初期磨合，由于锥角的存在，上行时有利于布油，下行时有利于刮油。

（2）锥度过大，接触压力过高，其磨损加快。另一方面背压作用变小，不利于密封。

（3）锥度过小，接近于矩形环，起不到锥面环应有的作用。

7、桶面度

      桶面度是指在轴向一定测量范围内，环外圆最高点至最低点之间的径向距离。

（1）桶面环外圆与缸套内圆呈线接触状态，接触压力高，密封能力强，并可加快初期磨合，以及适应活塞的摆动。

（2）桶面形状有利于形成油楔，大大提高了润滑性能。

（3）桶面度过小则接近于矩形环，起不到桶面环应有的作用。

（4）桶面度过大则不易形成油楔润滑，并导致向上刮油，加大机油消耗。

 

图5  活塞环断面锥度示意图

图6  活塞环断面桶面度示意图

 

二、活塞环断裂原因

 

    柴油发电机上活塞环在工作中因多种原因而损坏，最常见的损坏除磨损外，断裂是常见损坏形式。造成活塞环断裂的原因可归纳为：使用不当，活塞、缸套、连杆的影响，材料问题和制造质量问题等。但更重要的是活塞环的选配与安装不当，破坏了活塞环良好的工作条件而使活塞环断裂。

1、活塞环材质问题

      正品件出现这种可能性极小，通常由于副产件（也就是假冒伪劣产品）导致。

（1）材质差

      康明斯活塞环材质不符合要求，抗弯强度差。活塞环的材料经历了普通灰铸铁、高合金铸铁、球墨铸铁到钢质的发展过程。若某种成分超标（特别是硫）会导致活塞环抗弯强度差，容易断裂。环表面处理层过厚，抗疲劳性差，也容易断裂。

① 合金铸铁式活塞环

       金相组织结构如图7所示。铸铁加入钨、钒、钛或铬、铜等合金成份，提高了材料的机械性能和耐磨性，同时，合金铸铁中的片状石墨类似于固体润滑剂，抗拉缸能力强。

② 多元合金铸铁式活塞环

      金相组织结构如图8所示。铸铁加入钨、镍、钼、铬等十几种合金元素，大大提高了材料的耐磨性和机械性能。

③ 球墨铸铁式活塞环

      金相组织结构如图9所示。铸铁中的石墨呈球状，材料的机械性能，如弹性模量、抗弯强度得到较大提高。

④ 钢质式活塞环

      金相组织结构如图10所示。具有很高的弹性模量和抗弯强度，对其表面进行镀铬、喷钼、氮化等处理，其耐磨性得到大幅度提高。

（2）制造问题

      康明斯活塞环制造质量问题，主要是硬度、韧性和弹力不合适。这些都是导致活塞环易断的重要原因。当然还有活塞环高度的一致性掌握不严格或装入缸套后圆度、平面度、环的尺寸公差、形状公差掌握不严格等也会导致活塞环断裂。根据维修人员的统计，因忽视活塞环的正确选配、安装造成断裂的约占1/3多。因而注意活塞环的正确选配与安装是减少活塞环断裂、提高其使用寿命的重要环节。

 

图7  合金铸铁活塞环金相组织

图8  多元合金铸铁活塞环金相组织

图9  球墨铸铁活塞环金相组织

图10  钢质活塞环金相组织

 

2、人为因素影响

      柴油发电机的使用因素造成活塞环的断裂是多方面的，分析起来主要有以下几点：

① 柴油发电机长期超转速、超负荷运转，会使发动机过热而导致机油润滑不良、活塞环槽积碳严重而造成活塞环早期磨损、卡滞而断裂。

② 柴油发电机各缸供油量和供油时间不均匀，将会使部分汽缸燃烧过程恶化，形成积碳或严重的后燃，造成活塞顶温度过高，导致活塞环受热负荷的影响而发生热疲劳断裂。

③ 活塞环槽上积碳太多，发动机修理时对活塞环槽中的积碳未彻底清理，活塞环放入环槽中发生扭曲，在工作过程中活塞环因受交变的扭曲载荷的作用而断裂。

④ 装配时，活塞销与铜套、连杆瓦与轴颈的径向配合间隙不符合要求，配合间隙过大或使用中的磨损导致此间隙过大，使活塞环工作中受到冲击振动而使活塞环断裂。

⑤ 活塞环装配到汽缸环槽中是要留有一定的开口间隙，为的是消除工作中活塞环的受热膨胀，如果此间隙留得过小，活塞环受热易发生顶死，导致环在开口部位的对侧断裂。

3、活塞连杆组的影响

（1）活塞的影响。

      活塞对活塞环断裂影响最大的是环槽的形状、尺寸。在实际应用中出现以下情况：

① 活塞环安装于活塞环槽中，活塞环既随活塞沿汽缸壁作上下运动，又相对于活塞环槽作扭转运动，长期工作后，活塞环槽易被磨损呈喇叭形，使活塞环工作时弯曲、扭转变形增大而发生断裂。

② 活塞环与活塞环槽端面留有一定的端间隙，防止活塞环受热膨胀卡死在环槽中，但如果这个间隙过大，会加剧活塞环在环槽内的振动，这样既不利于密封气体，又有可能由于振动而使环疲劳断裂。

（2）缸套的影响。

       缸套造成活塞环断裂的因素是安装中的歪斜，造成磨损不均匀。有以下几种情况：

① 由于曲轴安装座孔同轴度超差、主轴瓦配合间隙不合要求、曲轴弯曲变形等，导致汽缸套中心线与曲轴中心线不垂直，导致活塞在汽缸内运动向一侧倾斜，导致活塞环在汽缸内受力不均，而产生疲劳断裂。

② 汽缸套使用一定时间后，因磨损而产生变形，造成活塞环在缸套中上下运动时，受不规则力作用产生疲劳断裂。

③ 缸套使用一定时间后，缸套上部会因积碳结成一圈凸缘，或缸套上部由于磨损而形成台阶时，在发动机大修时没有消除这种台阶，工作中活塞环与此台阶接触会受到冲击而引起断裂。

（3）连杆的影响。

      造成活塞环断裂的连杆因素是连杆的弯曲和扭转变形。由于连杆变形破坏了活塞在汽缸中的运动规律，从而导致活塞环受到过大冲击而断裂。

 

三、活塞环预防措施

 

1、选择优质材料

       在选用活塞环时，应该选择质量良好的材料，确保活塞环能够在高温高压下具有良好的抗磨损和抗疲劳性能。

2、严格控制安装质量

       以上分析了活塞环的断裂是由多方面因素引起的，其中重要的一点是活塞环的选配和安装不正确。在安装活塞环时，应该严格按照操作规程进行，杜绝安装不当的现象，确保活塞环的安装质量。安装活塞环时要注意以下事项：

（1）大修更换活塞环时，要一组一组更换，不能只更换其中几只。

（2）安装前应仔细检查活塞、缸套、活塞环等相关部件的精度，清除活塞环槽中的积碳，消除汽缸套的积碳或磨损台阶，活塞环放入汽缸和活塞环槽中的端间隙、侧间隙、背间隙等指标要符合要求。

（3）安装活塞环要使用专用安装卡钳、锥度套等工具，以免造成活塞环的扭曲变形，如图11所示。

（4）每个活塞环的开口都不得与活塞销或任何其他活塞环的开口对齐。 如果活塞环的开口定位不正确，活塞环就不能正确密封。

（5）安装活塞环时，将连杆放在台钳上使总成保持在水平位置，如图12所示。

（6）安装控油环时，必须使胀环的开口与控油环的开口成 180°。不要重叠衬环的两端。如图13所示。

（7）安装活塞环时，“TOP”标记应朝向活塞顶部，如图14所示。为确保正确安装，活塞环上标记了顶部方向。控油环为对称设计，可以安装在两者中任一方向。

3、加强润滑管理

      柴油机的润滑系统应该进行定期维护和保养，确保润滑油质量良好，润滑油供应充足，加强对润滑管理的重视。

4、提高密封性

      柴油机的密封性对于活塞环的保护非常重要，要加强对柴油机密封性的检查和维护，杜绝润滑油渗漏的现象。

5、合理安排工作时间

      要根据柴油机的工作条件和要求，合理安排工作时间，避免过度磨损活塞环。

6、控制温度

      柴油机在工作时要注意控制温度，防止温度过高导致活塞环材料的塑性变形和蠕变现象。

 

图11  活塞环安装专用工具	图12  柴油机活塞与连杆组装示意图
图13  柴油机活塞控油环的截面图	图14  柴油机活塞环安装标记

 

总结：

      柴油发电机上的活塞环是一种极为重要的零件，它不仅阻止高温燃烧气体的下窜，保证柴油发电机一定的动力性和经济性，防止润滑油的变质，而且还能阻止润滑油上窜，刮掉缸壁上多余的润滑油，保证活塞与缸壁有良好的润滑条件，减少机油的消耗。活塞环又是活塞顶热量传递的重要零件，对维持活塞顶必要的工作温度，防止活塞顶过热损坏起着关键性作用。活塞环断裂是柴油发电机常见故障之一，其主要原因是活塞环的选配与安装不当，破坏了活塞环良好的工作条件而使活塞环断裂。当然造成活塞环断裂还有其他很多原因，以上所述就是康明斯公司讲述的活塞环断裂的常见原因解析及其预防措施内容。

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