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故障检修与技术维护 |
柴油机活塞磨损、破裂及配合间隙的检测方法 |
摘要：对于柴油发电机组而言发动机则是心脏，而活塞就好比是心脏的动脉，活塞作为发动机的重要零件，对柴油机的性能有着重要的影响。因此对于活塞的检测与维修就变得更为重要。为了提高对柴油发电机的认识，康明斯公司介绍了活塞的结构特点与功用，说明了活塞常见损伤部位和活塞技术状态的判断，同时对活塞的检测与维修进行简要的分析；以减少盲目更换柴油机的活塞，避免造成用户不必要的浪费。
一、活塞各部位名称与功用
活塞在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作。活塞直接与高温气体接触，瞬时温度可达2200℃以上，受热严重而散热条件很差，所以活塞工作是温度很高，顶部高速可达350~450℃，而且温度分布很不均匀。活塞顶部承受气体压力很大，特别是做功行程中压力最大，汽油发动机中压力高达3~5MPa，柴油发动机中压力高达6~9MPa，这就对活塞产生冲击，并承受侧压力的作用。活塞在气缸内以很高的速度（8~12m∕s）往复运动，且速度在不断的变化，这就产生了很大的惯性力，使活塞受到很大的附加载荷。活塞在这种恶劣的条件下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，同时受到燃气的化学腐蚀作用。活塞组成包括顶部、防漏部、销座部和裙部四大部分，其结构如图1所示。
1、顶部
活塞第一环槽以上部分称活塞顶部。顶部的形状与燃烧室有直接关系，随燃烧室不同形状各异，有平顶、凸顶和凹顶多种。柴油发电机活塞顶部多为凹的，有ω形、铲形和螺管凹坑形等。此外，有的活塞顶部还制有为防止活塞顶与气门头相碰的两个圆形浅凹坑。为便于选配和安装，在活塞顶还制有尺寸、重量分组和安装箭头等标志，同组活塞重量差不大于10g。
2、防漏部
防漏部制有环槽用以安装气环和油环，气环多为2～3道，油环多为1道。气环装在上部，下部装油环。气环数减少、环高减少可降低活塞高度和减小活塞质量，有利于内燃机转速的提高，以增加其动力性和经济性。活塞顶到第一环槽之间的环岸，叫火力岸。在此岸上制有绝热环槽，用以减小此部与缸壁间隙，增加节流以达到减轻第一道环的热负荷和机械负荷、缩短火岸的高度的效果;绝热环槽的作用是改变热传导路线以减轻第一道环的热负荷，在高强化柴油发电机的活塞第一环槽中铸有高镍铸铁环架，以提高活塞使用寿命。
3、销座部
用以装配活塞销，将活塞受力传给连杆。为降低活塞销与座孔的压力，减轻磨损，这部分支承面要尽量大些，也就是孔径与支承长度要大些，销座与顶部用加强筋相连。活塞销结构外观如图2所示。
4、裙部（导向部）
在活塞往复运动中起导向作用，并承受侧压力。目前，一些汽油机为防止活塞换向时产生拍击和磨损，使活塞销孔中心线与活塞轴线不相交，向侧压方向偏移1～2 mm。因此，这种活塞安装时，要注意安装方向标志。
活塞在工作中由于裙部受侧压力、销座承受活塞轴向力、销座金属零件易受热后变形等都易使活塞裙部变椭圆形，沿销轴方向直径增大，侧压力方向直径变小。如不采取措施，活塞在工作时将拉伤缸壁，甚至卡缸。汽油机活塞在其裙部开有梯形或门形切口，其横向切口作用为切断热流、减少裙部受热膨胀;纵向切口在裙部变形时留有膨胀余地。另外，有很多活塞将销座孔周围制成凹陷形，作为膨胀余地，也有将活塞制成椭圆的，其长轴为侧压方向，短轴为销轴方向，这种活塞也叫椭圆活塞。有的活塞铸入恒范钢片使裙部与销座相连，恒范钢片热膨胀系数很小，可使活塞与汽缸配合间隙减小。为防止活塞裙部与曲轴平衡块相碰，沿活塞销方向将销座以下裙部切除。这样，还可降低摩擦阻力和减轻重量。这种活塞也称鞍形活塞或拖鞋形活塞。活塞由于沿高度方向受热不同，膨胀量亦不同，因此，常将活塞制成上、下直径不一的锥形。
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图1 活塞结构图 |
图2 活塞销三维建模图 |
二、活塞损伤的原因
活塞作为柴油机的重要运动件之一，它所处的工作条件相当严酷，即高温、高负荷、高速运动、润滑不良和冷却困难等，使其成为柴油机改进的重大障碍之一。随着柴油机技术水平的提高，高速大负载柴油机的研制和运用，使活塞处于一个更严酷的工作环境中，活塞就不可避免的成为柴油机强化的首要障碍。柴油机在运转时，活塞工作在高负荷环境中。首先，活塞受气体压力、惯性力和侧向力的作用，气体压力和惯性力的方向和大小都是变化的，这就引起了活塞内应力的极度不均匀，容易引起材料的疲劳破坏。其次，活塞在径向和高度方向上的受热不均匀，引起内部附加极大的热应力，这也是活塞疲劳破坏的主要原因之一。
此外，活塞的不同部位还承受着局部力的作用，受力区域如图3所示。活塞环岸作用着气体压力和活塞的惯性力，活塞在上止点摇摆使活塞上下边缘遭到冲击。而且由于活塞形状复杂，各部分金属分布不均匀，在不同的直径方向，活塞的刚度是不同的，在不同的刚度之间，轴线方向上，活塞的热变形和热应力是不同的，活塞的受力和内应力也是极度不均匀的。也就导致活塞的加速损坏。
1、活塞顶部烧蚀的原因
活塞烧蚀呈现在活塞顶部，轻者有疏松状麻坑，重者有局部烧熔现象。活塞顶面烧蚀将导致高温燃气窜入曲轴箱，加速润滑油的氧化变质、气缸密封性变差、压缩比下降、燃油燃烧过程变坏、柴油机的动力性和经济性下降;严重时活塞开裂破碎，损坏缸套、连杆、曲轴、机体等零部件。
活塞顶部烧蚀的原因主要是不正常燃烧造成的，使顶部接受过多热量或者是活塞环卡死和断环故障之后再大负荷情况下运转而烧顶的。当活塞冷却不良时，在活塞顶上如喷嘴油束对应区域，以及顶部突出的形状如活塞顶部W形凹坑等处产生局部过热，当温度超过一定值后，金属表面出现烧蚀。烧蚀较轻的活塞，允许继续使用，烧蚀严重时必须更换。
2、配合间隙不当
配合间隙不当主要原因是由于新机装配不当或旧机维修不当引起的。活塞与气缸的配合间隙应严格按照柴油发动机使用说明书的规定配合，间隙过大，会使柴油发动机冷起动困难，冷机时会发出敲缸声，同时功率下降。间隙过小（如图4所示），则会引起拉缸、胀缸等故障。
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图3 气缸磨损现象原理图 |
图4 活塞与气缸的配合间隙过小 |
3、活塞外表面磨损的原因
活塞裙部是起导向作用的，活塞裙部与缸壁间的磨损是不可避免的，随着使用时间的增长，二者间隙不断增大，当大到一定程度，将出现敲缸现象。磨损原因就是材质不好，热膨胀系数太高，高温的情况下造成涨缸。这个部位是飞溅式润滑的，机油好坏也是关键。长时间高温高速的情况下应该让柴油机适当地休息冷却。在选配活塞销时，若销与销孔配合过盈太大，活塞在气缸里工作时会出现反椭圆现象，同样会引起敲缸和窜机油等现象的发生。
4、活塞环槽磨损的原因
活塞环槽磨损主要是由于环槽中相对运动引起的；其次是燃烧室高温使活塞头和环槽变形，材料性能下降，环与环槽之间的油膜破坏，环槽磨损更加严重。磨损现象如图5所示。
环槽磨损使其与环的配合间隙增大，活塞环的密封性下降，产生漏气、压缩压力和爆发压力性能降低和进入环背面燃气增多，高压燃气将环压向缸壁致使环容易折断。环槽磨损使环槽截面形状由矩形变为梯形或出现磨台，且以第一、二道环槽为重为快，一般活塞环槽的磨损量在0.01mm/kh以内为正常。
5、活塞裂纹和破裂的原因
（1）活塞头触火面裂纹现象
活塞头触火面产生裂纹是指在活塞顶面产生的径向或圆周向裂纹、起吊孔边缘裂纹及第一道环槽根部裂纹。
活塞头部裂纹主要是热应力引起的，同时还有机械应力的作用。柴油机运转时，活塞顶部温度分布不均匀。顶面中央或边缘温度最高，铸钢活塞可达450℃；铝活塞可达300~375℃，顶面冷却侧及第一道活塞环槽的温度一般在200左右。在正常工作条件下，活塞头部各处存在着温差应力和高压燃气作用的机械应力等，而且这些应力又都是周期性的；当喷油定时不正，燃油雾化不良或火焰接触活塞顶面时就会造成局部过燃，引起过大的热应力；当柴油机超负荷运转或活塞顶部冷却不充分时也会引起热应力。过大的热应力会引起裂纹。柴油机频繁启动，停车也会引起热疲劳裂纹。
（2）活塞冷却侧裂纹现象
活塞顶面裂纹还会因为冷却不充分，活塞顶面散热不良所致。例如水冷活塞冷却侧结垢严重或活塞顶面积碳严重时就会使活塞局部过热，导致裂纹。通常，结垢层或积碳层超过0.5mm时，加强冷却水的定时处理等维修保养工作。活塞顶面的起吊孔边缘和第一道环槽根部就会因应力集中产生裂纹。
（3）活塞销孔裂纹现象
活塞销孔裂纹现象如图6所示。由于活塞销弯曲、刚度不足或销座顺应性不良，将在活塞销孔内端出现应力集中，引起疲劳裂纹。裂纹从销孔上表面开始，并沿着销座的纵向平面延展。在使用中出现这种损伤，往往是由于活塞和活塞销的材质、制造或装配不当造成的。
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图5 活塞环槽检查 |
图6 活塞销孔破裂现象 |
三、活塞技术状态检测
在换用新活塞时，一些维修工不是根据活塞的磨损程度来决定，而是在更换汽缸套时便将活塞报废。其实这是一种偷懒和浪费行为，正确做法是在处理决定前，应对活塞作详细的检查再决定是否更换活塞。首先用观察法检查活塞有无严重的机械损伤，如裂纹、环槽塌边、挡圈沟槽崩落及工作表面是否有深的刮痕等，然后再作以下检查。
1、活塞顶部烧蚀检测方法
活塞顶部烧蚀的程度可用活塞顶部样板和塞尺进行测量。测量时，将样板置于活塞顶部，用塞尺测量样板与活塞顶部之间的最大间隙t 。测量时，还应使样板绕活塞轴线转动，每转45º角测量一次，取其中最大值t 。当t超过15mm时应换新活塞。
2、活塞外表面的检测方法
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；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。用外径千分尺、游标卡尺测量活塞的上部、中部和裙部的外径，如图7所示。测量每一测量点的横截面上互相垂直的两个之间：首尾方向和左右舷方向。将测量值记录在表格中，计算出每个横截面的圆度、纵截面的圆柱度，以其中最大值与说明书或标准比较，以确定活塞的磨损程度。
3、活塞环槽磨损的检测方法
环槽磨损程度是利用样板和塞尺测量环槽高度的变化来确定的。样板是以新活塞的环槽高度为准制作的，也可以用一只新活塞环作为样板。测量时，将样板水平插入环槽并紧贴环槽下端面，用塞尺测量环与环糟上端面之间的距离，即活塞环与环槽的配合间隙，如图8所示。测量值与说明书比较，当测量值超过极限值时，说明环槽严重磨损，应予以修复。
4、活塞裂纹和破裂的检测方法
活塞顶面冷却侧、筒状活塞的活塞销座处产生裂纹是很常见的，主要是由于过大的机械应力引起的，同时还会由于设计不良、材质不佳和毛坯制作缺陷等在这些部位存在应力集中而加速裂纹的产生。
活塞裂纹可通过观察或者着色探伤进行检查。钢质。铝质活塞的顶部裂纹较轻，可采用焊补工艺修理，钢质活塞顶部裂纹严重时采用局部更换。活塞环槽根部裂纹、活塞上穿透性裂纹及无法修理的冷却侧裂纹则应将及时更换。
5、活塞销座孔的检查
与缸套的检查相似，用内径千分表在两边销孔长度上各取两个截面，在每个截面上取互相垂直的两个方向（即上下受力方向与水平方向）位置，然后计算出圆度和圆柱度。
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图7 用千分尺检测活塞外径 |
图8 活塞环间隙测量示意图 |
总结：
柴油发电机活塞的功用是承受燃气燃烧所释放的爆发压力，并将此压力通过活塞销、连杆、曲轴和飞轮对外做功。同时还具有封闭汽缸，形成燃烧室，吸入、压缩和排出气体，传出部分热量，以及将活塞的侧向力传给汽缸壁等功能。活塞顶部与高温高压气体直接接触，活塞在汽缸中做高速往复运动，润滑条件差，是柴油发电机最容易损坏的零件之一。我们需要对活塞有一个初步的认知，知道它的结构特点与功用，了解活塞常见损伤的特点，以及如何正确判断活塞是否可以继续使用，并要对活塞损坏的原因进行分析，以免相同的故障再次发生。
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