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故障检修与技术维护 |
活塞环和销孔的磨损检查、铰削及维修方法 |
摘要：活塞组件是保持燃烧室良好密封的关键零件，它们在高温高压气体作用下沿气缸壁作高速往复运动，以带动曲轴旋转。因此，在柴油机各运动机件中，活塞和活塞环是最容易磨损的零件之一，活塞销是受力最大的零件之一。因此，不管是什么级别的修理，只要分解到活塞组件，均需进行一般性检查，以判断活塞组件技术状态是否完好，要不要更换。测量部位包括测深孔内径、小孔内径、窄槽宽度、外径、槽宽、两孔距、深度、厚度、圆度、锥度、同轴度、直线度、平面度、平行度、垂直度、通气度和密封性等。
一、活塞组件的一般性检查
活塞和活塞环是保持燃烧室良好密封的关键零件，它们在高温高压气体作用下沿气缸壁作高速往复运动，以带动曲轴旋转。因此，在柴油机各运动机件中，活塞和活塞环是最容易磨损的零件之一。因此，不管是常规检查、保养，还是中修或大修，只要分解到活塞组件，均需进行一般性检查，它主要有以下几个方面。
1、活塞组件的分解
按照分解顺序拆下气缸体后，可从柴油机上取下活塞连杆组，如图1所示。首先用尖嘴钳施力夹住活塞销挡圈槽内的挡圈，将其取出。然后用螺丝刀或尖嘴钳从另一个方向推出活塞销，小心取出活塞，此时要细心，不要损坏活塞的工作表面。通常情况下，活塞销能被轻轻推出。如果活塞销由于销孔变形等原因难以取出时，不要用锤子施力冲击，更不能向连杆施加横向力，避免造成连杆弯曲变形。正确的方法是：先用干净的布头垫在活塞下面，防止活塞销挡圈等零件掉入曲轴箱内，然后用活塞销专用拆卸工具顶出活塞销。倘若没有活塞销专用拆卸工具，可在被顶出的一侧持一适当工具预先顶在活塞销座处，再用小圆杆顶住活塞销，用手锤轻轻敲击活塞销，直至其脱离活塞销孔。
2、拆卸活塞环
轻轻张开活塞环开口，直至活塞环内圈大于活塞外径，从开口的相反方向取出第一和第二道活塞环。因为活塞环材料较脆容易折断，所以操作时要谨慎，最后取出油环组件。活塞环组件是重要的运动摩擦副零件，应注意配对存放。
3、清除活塞表面积碳
活塞组件分解后，根据不同情况分别予以清洗或清洁处理。活塞顶部有积碳，需要用不尖锐的竹器刮片或非金属刮片小心去除，有条件时，可用专用清洗剂清洗。活塞环槽内的积碳，可使用同机型的废旧活塞环清除，但注意不要划伤活塞表面。
4、检查活塞表面的磨损情况
检查活塞外表面是否有擦伤和划痕。如果活塞裙部呈白色，说明该活塞磨损较轻微，可以继续使用。倘若活塞表面有浅皮或轻微划伤，而裙部有1/3处呈黑色，其表面有丝缕状的磨痕，可用400”砂纸研磨修复，再测量其它相关尺寸，没有超过使用极限尺寸后，可以继续使用。如果活塞裙部有1/2以上呈黑色，则表明活塞磨损严重，应修理或更换。
检查活塞环槽是否有偏磨，如果磨损严重，则予以更换。同时还应注意检查油环槽内的回油孔是否通畅。因为，如油环刮下来的润滑油不能通过环槽内的回油孔下泄，就会造成润滑油上窜导致烧机油故障。否则，用高压空气清扫。
5、检测活塞直径
将活塞平放在工作台面上，持千分尺在与活塞销呈90°方向的活塞裙部下端的指定位置测定活塞外径，如图2所示。对于活塞裙部的指定位置，应参照各机型柴油发电机使用维修手册的规定。测量完活塞直径后，再计算气缸直径尺寸，小于使用极限值必须予以更换。与活塞的配合间隙若大于使用极限值，应更换或修理。
6、检测活塞环闭口间隙
用活塞头部将活塞环推入气缸中，并保持活塞环的水平状态（应装在磨损量最小的气缸下部）。持塞尺片测量活塞环的闭口间隙，如果大于使用极限值，应予以更换。
7、检查活塞销孔
持内径百分表测量活塞销孔的内径。测量时，应在x、y方向上测量，将测量的最大值作为活塞销孔的内径，若大于使用极限值，应予以更换。
8、检测活塞销外径
在活塞销和连杆小头摩擦的3个不同位置，如图3所示；测量活塞销的外径，如图4所示。如果小于使用极限值，应更换活塞销。测量时，活塞销孔的内径尺寸减去活塞销的外径尺寸即可得出其配合间隙的大小，若超过使用极限值，应更换。此外，在测量四冲程柴油机活塞销外径时，应结合测量连杆小头孔的尺寸，将连杆小头孔的内径减去活塞销的外径，即可得出配合间隙。如果超过使用极限值，应更换。
9、检查活塞销挡圈
一般情况下，挡圈使用一次后，再次装配时应更换。如果手中没有需要更换的配件，可以通过观察挡圈在自由状态下的直径及是否变形等情况，倘若自由状态下的直径大于活塞销孔直径3mm以上，且挡圈四周没有明显的变形和挤压伤痕等缺陷，可以继续使用，否则应更换。
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图1 活塞组件拆卸示意图 |
图2 活塞外径测定方法（千分尺） |
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图3 活塞销外径测量示意图 |
图4 活塞销外径和长度测量位置点 |
二、活塞的常规修理
对于在以上检查过程中不符合技术要求的零件，有的已经损坏，需要更换。而有的没有完全损坏，但也没有达到使用极限值，可以根据情况适当修复。
1、活塞的修磨
有部分活塞由于柴油机吸入了少量的灰尘和细微杂质，使其裙部和气缸内壁产生了轻微的拉毛和擦痕，测量活塞裙部尺寸没有超过使用极限值，可用600～800*的砂纸摩擦修整。
2、活塞销孔的铰削
活塞销分为全浮式和半浮式两种结构，其位置如图5所示。如果活塞销孔经过测量已经磨损过量，新的活塞销放进去松旷，说明该活塞已经不能继续使用，测量方法如图6所示。由于部分制造厂生产的活塞配件，销孔留有一定的加工余量。当更换新活塞时，应先用活塞销试配一下，在确认活塞销孔需铰削后，可按以下工艺流程进行铰削：
（1）根据活塞销孔的实际尺寸，选择合适规格的活络铰刀，以保证两孔的同轴度。将活络铰刀夹在台钳上，调整铰刀，使刀片上端露出活塞销孔，最好用0～25 mm的外径千分尺测量铰刀的最大刃口，以便于控制其铰削量。
（2）铰削时，两只手扶稳活塞均匀轻压施力，按顺时针方向旋转。当活塞销下方与刀片下端接近平齐时，两手仍按顺时针方向朝着上方同时提起，使活塞从铰刀脱出，避免铰偏或起棱。调换活塞方向，重铰一次。一般每次的铰削量以0.02～0.04 mm（铝合金活塞）为宜。然后，将活络铰刀上的调整螺母旋转60°~90°，为防止铰削量过大，应用活塞销试配，当接近配合要求时，铰削量要减小。只要用手指能将活塞销推到销孔的1/3处时，则停止铰削。
（3）对销和孔是过渡配合的活塞，在铰削完后，还应热装试验。先测量活塞的裙部尺寸，然后将活塞放入机油中加热到100~120℃，并保温15 min左右，取出活塞迅速将活塞销装入销孔中，待零件完全冷却后，再次测量活塞裙部尺寸的变化情况，其活塞裙部的圆度不得大于0.03mm。若超过，均属配合过紧，可再略加铰削。销和孔为过渡配合的，装配时，应将活塞加温至80℃左右，再装入活塞销。
3、检修活塞销
如果活塞销外表没有任何伤痕和磨损痕迹，只要测量其外径不超过使用极限值，均可继续使用，常用机型的活塞销尺寸见表2。对部分外表有轻微拉伤或烧伤痕迹的活塞销，可以用800*细砂纸轻轻打磨，且边旋转边打磨，直至烧伤痕迹消失。如果经过修磨不能消除伤痕，只有更换新的活塞销。
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图5 柴油机活塞销和销孔位置图 |
图6 活塞销孔径和外径、间隙测量 |
三、活塞环检修
1、锉修活塞环端口
活塞环是运动摩擦副零件，如果已经超过使用极限值，必须更换。通常活塞环除了有标准尺寸外，有的生产厂家提供了加大级的修理尺寸，每一级加大0.25 mm，其尺寸标准一般都在包装盒内。经过镗缸修理的气缸，应选用同一级别的活塞环与之相配合。若是更换新环，要检查端口间隙。如果闭口间隙太小，柴油机工作时受热膨胀，其开口部分可能会顶到一起，极易导致涨缸故障。因此，当检查到闭口间隙不符合该机型使用说明书标准值时，要锉修端口，其操作方法，如图7所示，在锉修过程中必须经常检查，防止端口间隙过大。常用机型活塞环开口间隙可参考使用说明书。通常情况下，活塞环的最小开口间隙取值为0.0038×D（D为气缸直径），使用极限值为（0.0038×D）×2.5。经过锉修的开口应平整，开口合拢不能有偏斜的现象，更不允许有外喇叭口。锉修后，应去掉端口间的毛刺，并作0.2～0.3 mm的圆弧倒角。
2、检测环槽侧隙
锉修好的活塞环经清洗干净后，还必须检查活塞环的侧隙磨损量是否符合标准，如图8所示。先将活塞环放在环槽内作四周转动，在不发卡、不呆滞的情况下，用塞尺规测量其间隙。
修理发电机组时，如果说明书没有详细说明，一般可用经验值作为参考。活塞环和活塞环槽的经验值为：缸径≤60mm，水冷机取≤0.03 mm，风冷机取≤0.04mm，使用极限值为0.10mm；缸径≥60mm，水冷机取≤0.04 mm，风冷机取≤0.05 mm，使用极限值为0.12 mm。如果活塞环与活塞环槽之间最宽处和最狭处相差大于0.05mm时，说明环槽已严重变形，应更换活塞。
如活塞环在清洁的环槽内转动时有发卡现象，或测量其侧隙小于0.02 mm时，应修磨。修磨时，可将活塞环放在铺有400*～600*细砂纸的平板上，用手均匀施压，往复运动和旋转运动相结合，运动轨迹呈“8”字形，且边磨边转动活塞环的方向，同时过一会儿要测量一下环的高度，避免磨得过多，直至符合标准值为止。
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图7 柴油机活塞环端口锉修 |
图8 柴油机活塞环槽磨损示意图 |
四、活塞组件的针对性检查
针对性检查，是指柴油机出现故障或怀疑存在某种故障时，对其总成或分解后进行的针对性检查。
1、活塞压缩高度的检测
由于各型柴油机的压缩比和承载的热负荷不同，即使是直径相同的活塞，在相关尺寸上也是有差别的。其中，活塞的压缩高度是活塞零件中的一个重要尺寸，它会影响柴油机的压缩比和点火提前角。因此，更换活塞时一定要测量活塞的压缩高度。
2、检查活塞头部跳动
活塞头部一般比活塞裙部小约0.3～0.4 mm，主要是考虑到活塞顶部燃烧膨胀温度较高的缘故。如果活塞头部相对于裙部跳动过大，会引起活塞在换向时与气缸壁相碰，从而引发异响。为此，应利用活塞下部的定位止口测量。
在活塞的结构中，活塞裙部的下口有一个车出的止口，这是活塞加工的基准。可车制一个平行块规连同活塞件靠在一垂直块的侧面，将磁性百分表搁在活塞头部（即第一道活塞环槽以上的外圆面）的最高点上不动，此时用手转动平行块规（连同活塞）1周以上，并注意观察百分表指针的读数值。若活塞头部的跳动值超过0.05 mm，则说明该活塞明显存在加工缺陷，应予以更换。
3、检测活塞壁厚
活塞裙部是紧靠气缸壁上下运动的，因此，要求活塞裙部的两侧面的壁厚均匀（相差不超过0.20 mm）。这样，柴油机工作后，活塞裙部紧靠气缸壁两侧的热膨胀才会保持一致。测量时，可以使用游标卡尺测量。
4、检测活塞顶部厚度
活塞的顶部厚度是承受燃烧爆炸压力的部位，其顶部厚度尺寸非常重要，如果厚度尺寸过小，活塞顶部极易在高温、高压环境下受热膨胀变形。测量时，可以利用活塞销孔为中心测量，有条件时，车制一个中间带孔（便于游标卡尺的测量爪伸入）的平行块规测量。用活塞的总高度减去活塞底部至活塞顶内腔的尺寸，就可得到活塞顶的厚度。如果活塞顶厚度小于2.5 mm，最好不要装配使用。其步骤是使用活塞环槽磨损量规（零件号 3824846）和152 至177mm的千分尺检查顶部环槽（压缩环）。当活塞温度在 21°C时，分别在相隔 90 度的两个位置测量顶部和第二环槽（跨棒距法），如图9所示。
5、检测活塞环槽宽度和底径（即深度）
在柴油机工作过程中，活塞环与活塞环槽上下两侧面相接触，如果环槽过宽或过窄，都会对活塞环的自由运动和密封性能产生一定的影响。而活塞环在作径向运动时，其活塞环槽的底径与活塞环的内径又必须留有一定的间隙（即活塞环的背隙）。因此，应对活塞环槽的宽度和底径分别测量。
（1）检测活塞环槽宽度
可用一新活塞环插入所要检测的活塞环槽内。然后持塞尺片插入活塞环与环槽之间，检测其间隙，如图10所示。如果测量的侧隙过大，说明活塞环槽宽度磨损严重，已超过使用极限值，应更换活塞。
（2）检测活塞环槽底径（即深度）
由于活塞环槽宽度只有1 mm，一般测量卡尺伸不进去，可将活塞环外圆嵌入活塞环槽底部，活塞环沉入环槽内的数值即为其背隙，气环背隙值为DK+0.5，油环背隙值为DK+1.5。其中，D为气缸直径；K为常数，铝合金活塞取0.006、铸铁活塞取0.004。考虑到实际测量比较困难，建议找一段长度约为150 mm的电线，剥去外皮，取电线中间的线径为活塞环背隙值相近的铜芯线（约0.40～50mm），一头弯成与活塞环槽底径相同的圆弧状，先垫在环槽内。然后，将活塞环外圆抵到预先垫在环槽内的铜芯线上，如果环的内侧面正好与活塞外圆面相平，测量垫在环槽内的铜芯线尺寸即可。倘若环的内侧面高于活塞外圆面，可取出环槽内的铜芯线，用小锤轻轻均匀拍打，使铜芯线直径变细，测量其直径后，放入环槽内，再按以上方法检验，直至环的内侧面与活塞外圆面正好齐平。如果检查结果正常，还需将活塞环沿着活塞环槽的四周滚动一圈，如发现其背隙值有大有小，即可判定为活塞环槽底径与裙部外径不同心。若活塞环与环槽的背隙值差超过0.30mm，应更换活塞。
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图9 柴油机活塞环槽测量 |
图10 活塞环油环槽宽度测量 |
总结：
在柴油机各运动机件中，活塞和活塞环（气环、油环）是最容易磨损的零件之一，活塞销是受力最大的零件之一。因此在柴油机活塞组件更换时一定要进行相关的检测，根据判定标准进行判断是否需要更换相关组件。另外，售后维修出现的故障现象往往十分复杂，应由简单到复杂的逻辑进行排查和维修，从而节约维修时间，提高维修效率。
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