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故障检查与技术维护 |
柴油发电机组活塞环的常见磨损形式和三隙检验 |
摘要：活塞环在高温高压和高速的条件下工作，第一道活塞环的工作条件最为困难，长期以来，活塞环一直是发动机上使用寿命最短的零件。 活塞环工作时受到气缸中高温高压燃气的作用，温度很高，第一道活塞环的温度高达600K；活塞环在气缸内随活塞一起作高速运动，加上高温下机油可能变质，使环的润滑条件变坏，难以保证良好的润滑，如果使用、维护及装配不当，常造成活塞环损坏，直接影响柴油发电机的使用可靠性和寿命。
一、活塞环组合
由两个活塞环叠合在一起构成的组合式活塞环，两活塞环的各自截面分别为梯形，其斜面处叠合后的整体截面为方形，两活塞环的开口错位叠合；其一表面镀铬处理改善耐磨性能，另一个由于不断磨损且可补偿磨损造成的侧隙变化，从而延长活塞环的使用寿命。
1、活塞环组合要求
活塞环的组合结构如图1所示，在强化发动机中特别重要，一般要求如下：
（1）第一环要加倍强化，因为它工作条件最差，对窜气、窜油均有重大影响。第一环要求避免发生逆倒角的情况。
（2）中间环的情况在二冲程和四冲程柴油机中是不同的。二冲程柴油机的第二环，甚至全部压缩环与第一环都是相似的。这是因为二冲程的活塞环经过气口时，工作条件不利。四冲程柴油机的第二环的工作条件不很厉害，尺寸多较第一环薄一些。在高速发动机上主要还是防窜油的作用，端面要求贴合承压，为此，多要求扭曲环，对高增压高平均有效压力的发动机上，第二环有采用高强度材料的趋向。
（3）在高速发动机中由于要缩短活塞长度，油环一般趋向于用一个，此时强化油环结构是有必要的。
（4）在目前强化发动机中不论油环、或压缩环，均要起密封和刮油双重作用，所以在组合时要考虑它们之间的配合。
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图1 组合式活塞环开口间隙示意图 |
图2 柴油机活塞环密封原理图 |
2、活塞环数目
不同结构和功能的活塞环通过适当的结合，安装在活塞各环槽内，以适应不同的用途。活塞环数目实际上是按照发动机的型式，缸径大小和转速高低等不同情况来确定。
3、环的安排
四冲程发动机，有压缩环（气环）和油环。绝大多数都放在活塞销座以上的位置，压缩环在上，油环在下。有时为了加强刮油效果，也常把一个油环放在活塞销座以下的裙部上。气环在自由状态下的外圆直径略大于气缸直径，随活塞装入气缸后便产生弹力而紧贴在气缸壁上，形成第一密封面，使气体不能从活塞环外圆表面与缸壁之间通过，因而当少量气体窜入环槽内，形成背压力作用在活塞环的背面，加强了第一密封面的密封作用。同时，将活塞环向下压紧环槽下端面，形成第二密封面，使其密封性能显著提高(图2)。气缸内的燃气漏入曲轴箱的主要通路是活塞环的切口。一般将2～3道气环的切口相互错开形成“迷宫式”封气装置，用以对气缸中的高压燃气进行有效的密封。
4、环肩厚度
环肩（岸）厚度就是活塞环径向厚度，在铝合金活塞中大都和活塞环的高度相等，如图3所示。在铸铁或钢活塞中取值1～1.2mm，高速发动机通常为3～5mm。为保证活塞环槽间隙壁的静力强度和疲劳强度，环肩槽根部的圆角半径R不应小于0.4～0.5mm。活塞环槽隔壁的外圆边沿圆角R=0.2～0.3mm。活塞环背上必须制出倒角(1.2～0.4)mm×45°，以保证和环槽的正确配合。
5、环槽
（1）环和环槽的背面间隙计算
气环有效背隙=0.003d+0.25（mm）
油环有效背隙=0.003d+0.75（mm）
油气环具有双重作用，通常按气环选用背隙。背隙位置如图4所示。
（2）活塞环槽直径计算
槽底直径=d-（2α+0.006 d+0.50）(mm)
槽底直径=d-（2α+0.006 d+1.50）(mm)
式中，α—活塞环径向厚度，mm；d—气缸直径或环的公称直径，mm。
（3）侧面间隙
刮油环与气环通常按相同的侧面间隙，侧隙位置如图4所示。
6、活塞环槽护圈
铝合金活塞的环槽，特别是第一环槽，由于承受高温高压气体的作用，其材料硬度显著降低，变得不耐磨。为了提高环槽的耐磨性，可在第一环槽（有时包括第二环槽）上镶嵌上各种形状的耐热护圈。为了避免环槽镶圈在运动时发生松动，以及防止中间产生龟裂、剥落，要求使用热膨胀系数与合金相近的材料。一般采用镍奥氏体铸铁或锰奥氏体铸铁。
环槽护圈大部分都用于铸铝活塞中。通常应用A1-Fin法的结合工艺，其工艺过程是：将环槽护圈喷丸、清洗、去油迹锈斑及烘干后，放入加热铝槽中渗铝，渗铝厚度约为0.001～0.005mm，然后放在铝活塞铸模中与铝活塞一起浇铸。预先渗铝，使护圈和活塞材料依靠互相扩散形成金属分子结合（中间层系多种化合物，其主体为FeAl，中间层厚度约为0.02～0.03 mm），防止两种金属接合面剥离。
采用铸铝活塞的强化柴油机，也可以采用护圈，但需将护圈表面做得粗糙，形成许多坑，以使活塞在铝合金和护圈之间形成牢固的机械结合。缸径大于100mm的高速柴油机已被广泛采用，环槽寿命可提高3～10倍。
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图3 活塞环环肩（径向）厚度 |
图4 柴油机活塞环间隙示意图 |
二、活塞环常见损坏和磨损
1、偏向磨损
（1）特点：
活塞环上下端面与环槽的磨损较小，单侧或在圆周面上有厚度不均匀磨损；活塞环滑动面上因粘着磨损而产生纵向划痕；活塞环与活塞顶部有窜气的痕迹。
（2）原因：
活塞在气缸中的位置不正。其主要影响因素有：新机或大修后的柴油发电机磨合不足；气缸套因受热不均而局部变形以及气缸套装入缸体位置不正；连杆弯曲、扭曲严重；曲轴轴向间隙过大等。
2、过度磨损
（1）特点：
活塞环上下端面有周向划伤且磨损严重，活塞环发乌；滑动面四周有细小的纵向划痕；油环及活塞环槽回油孔周围有大量油泥。
（2）原因：
造成活塞环过度磨损的直接原因是运行管理以及维护、保养不当。主要影响因素有：空气滤清器滤清质量差；润滑油型号不合要求、严重污染，润滑不良；燃料中有水或杂质较多；喷油器喷油质量差；柴油发电机经常在大负荷、低温状态下工作。
3、工作面擦伤
（1）特点：
活塞环单侧或周向接触面上有纵向沟槽；接触面发生金属剥离以及纵向大面积严重划伤。工作面擦伤与粘环现象往往同时存在。
（2）原因：
造成活塞环擦伤的直接原因是活塞环与气缸间的油膜遭到破坏，主要影响因素有：活塞与气缸配合间隙过小；柴油发电机长期在高温状态下工作；装配气缸套或紧定缸盖的方法不当而引起气缸套变形；润滑油不足或污染严重；柴油发电机不正常燃烧。
4、折断
（1）特点：
第一道气环以及油环断裂较多；活塞环工作面有条纹状拉痕现象；断口经常发生在开口两侧的高位区。
（2）原因：
造成活塞环断裂有环本身质量的原因，也有其他原因。主要影响因素有：柴油发电机工作过热，因热膨胀致使开口端相碰造成折断；过度磨损、偏磨；选用的机油粘度过小或过大；活塞环选配、安装方法不正确；活塞环与气缸之间的配合间隙过小。
5、活塞环黏结
（1）特点：
活塞环与活塞环槽处有大量的油泥、积炭和胶质、活塞环滑动面上呈现擦亮的光泽；活塞环弹力不足，尤其是气环更为严重；活塞环滑动面上有纵向严重划痕。
（2）原因：
造成粘环的直接原因是活塞环被油泥堆积物、积炭黏结、以及活塞环变形卡滞所致，其主要影响因素有；活塞环及环槽严重变形，活塞环侧隙、背隙过小，使环卡死在环槽内；柴油发电机过热或经常超载工作，使润滑油产生高温胶质；润滑油污染严重、润滑油质量差、润滑油上窜；喷油器喷油质量差及经常爆燃等。
三、活塞环质量的检验
活塞环的三隙是指端隙、侧隙和背隙。一般来讲，活塞环的三隙是上环大于下环，柴油机环大于汽油机环。在检验活塞环的三隙前，应先检查其包装情况以确定其安装的部位，因为有的发动机的活塞环是以包装的纸色标记识别，有的则以每一缸的活塞环按顺序包装，即使结构相同的活塞环也不能弄混，因为环的安装位置不同，其三隙也不相同。
1、活塞环端隙
活塞环端隙是指活塞环置于的气缸内，在环的开口处呈现的间隙，也就开口间隙。端隙过大，影响气缸的密封性；端隙过小，活塞环受热膨胀易卡死在气缸内。检测方法有两种，具体如下：
（1）如图5所示，将活塞环从柴油机气缸内拆卸出来，然后用游标卡尺两卡爪分别卡在活塞环两端口进行测量。
（2）测量活塞环端隙时，用活塞将活塞环推入气缸内，使活塞环的平面与气缸口面平行，然后用塞尺测量活塞环的端隙，如图6所示。若端隙大于规定值，应另选活塞环；若小于规定值，可对环口一端加以锉修。锉削时应注意只能锉修一端环口，环口应平整，并应边锉边量。然后去掉毛刺，以防止刮伤气缸。
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图5 活塞环开口间隙检测 |
图6 活塞环端隙测量图 |
2、活塞环侧隙
活塞环侧隙即活塞环在环槽内的上下间隙。侧隙过大将影响活塞环的密封作用；过小则可能使活塞环卡死在环槽内，造成拉缸现象。检查时，将活塞环放入环槽内，用塞尺按图7所示的方法测量。其经验方法是∶活塞环在其槽内，能沿槽转动自如，且无松旷感觉为宜。侧隙过大需重新更换；侧隙过小，可将活塞环放在平板的砂布上研磨。
3、活塞环背隙
活塞环背隙是指活塞环装入气缸后，活塞环背面与活塞环槽底部之间的间隙。为了测量方便，通常以槽深和环宽之差表示。背隙的作用是建立背压，储存积炭和防止活塞工作时膨胀过大挤断活塞环而设置的。测量时，将环落入环槽底，再用深度游标卡尺测出环外圆柱面沉入环岸的数值，该值一般为0～0. 35mm。背隙过小，应更换活塞。
4、活塞环上下端面平行度的检查
检测活塞环平面度主要靠目测，可持高倍放大镜观测活塞环的上、下平面（尤其是下平面）是否与活塞环槽有均匀贴合的印迹。如贴合极不均匀，存在明显断线或有断断续续现象，应予更换。若条件具备，可将活塞环放置在玻璃板上，持磁性百分表测头搁置在活塞环一平面上。百分表不动，将活塞环作顺时针或逆时针方向的缓慢转动，此时注意观察百分表指针的数值，若在0.02 mm以内，基本合格。倘若超过0.03 mm，则说明活塞环翘曲严重，是活塞环与环槽接触不均匀的主要原因，可在平板上研磨或更换新环。
5、检测活塞环弹力
弹力测量仪由测定缸，被测活塞环，千分表，触头，触针，外加载荷，触针支架构成，其特征是被测活塞环安装在测定缸内，且被测活塞环的两个断面垂直测定缸的内圆面，触头与千分表构成一体，触头靠住被测活塞环的内圆面，以能加减载荷的触针靠住被测活塞环的外圆，一旦触头受被测活塞环内圆面挤压时千分表指针会摆动，此时在保持被测活塞环的变位量为定值的条件下，测定外加载荷的大小即表示被测活塞环上该点弹力的大小。
没有专用测量仪测量环弹力时，可将在用活塞环（或新环）握在手掌心，并反复向里握，使环的两端口靠近数次后，如其自由开口间隙与试验前对比没有变化，即可判定合格。若相差10％以上，说明其弹力下降，应更换。
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图7 活塞环侧隙测量图 |
图8 活塞环弹力检查 |
总结：
活塞环是柴油发电机的关键零部件之一，密封作用是活塞环的功能之一，密封不好产生燃油泄漏，引起压缩不足，功率下降，导致热功率下降，严重情况下漏气破坏了缸套与活塞之间的油膜，使之干摩擦易引起发动机拉缸故障，而活塞环间隙是影响活塞环密封程度好坏的关键因素之一，因此控制合理的活塞环的间隙是非常重要的。
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