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性能特點(diǎn)和作用說(shuō)明 |
柴油機活塞環(huán)分類(lèi)及作用 |
摘要：活塞環(huán)是具有彈性的金屬開(kāi)口圓環(huán)，按其功用不同可分為氣環(huán)和油環(huán)種。安裝在活塞頭部上端的是2～4道氣環(huán)，下端的是1～2道油環(huán)。氣環(huán)的作用是保證柴油發(fā)電機氣缸與活塞間的密封性，防止漏氣，并且要把活塞頂部吸收的大部分熱量傳給氣缸壁，由冷卻水帶走；油環(huán)起布油和刮油的作用，下行時(shí)刮除氣缸壁上多余的機油，上行時(shí)在氣缸壁上鋪涂一層均勻的油膜。這樣既可以防止機油竄入氣缸中燃燒掉，又可以減少活塞與氣缸壁的摩擦阻力。此外，油環(huán)還能起到輔助封氣的作用。
一、活塞環(huán)作用
活塞環(huán)所處位置和參數示例如圖1、圖2所示?；钊h(huán)的主要作用有以下幾個(gè)方面：
1、密封作用
活塞環(huán)安裝在活塞上，與氣缸壁之間形成一定的密封間隙。當活塞在氣缸內上下運動(dòng)時(shí)，活塞環(huán)能夠有效地密封活塞與氣缸之間的間隙，防止燃燒室內的燃氣和潤滑油進(jìn)入活塞與氣缸之間，從而保證燃燒室的密封性能，提高發(fā)動(dòng)機的工作效率。
2、導向作用
活塞環(huán)能夠起到引導作用，使活塞在氣缸內的上下運動(dòng)更加穩定。它們與氣缸壁的摩擦力可以確?；钊跉飧變鹊能壽E準確無(wú)誤，避免活塞偏離軌道，從而保證發(fā)動(dòng)機正常運轉。
3、冷卻作用
活塞環(huán)能夠幫助將活塞上的熱量傳遞給氣缸壁，從而實(shí)現散熱?；钊诠ぷ鬟^(guò)程中會(huì )受到高溫燃氣的沖擊，如果沒(méi)有活塞環(huán)的輔助散熱作用，活塞可能會(huì )過(guò)熱變形，甚至導致發(fā)動(dòng)機故障。
4、減震作用
活塞環(huán)能夠減少活塞與氣缸之間的沖擊和振動(dòng)，使發(fā)動(dòng)機運行更加平穩?；钊谶\動(dòng)過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生慣性力和壓縮力，活塞環(huán)的存在可以減少這些力對氣缸的沖擊，降低發(fā)動(dòng)機的振動(dòng)和噪音。
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圖1 活塞環(huán)所在部位示意圖 |
圖2 活塞環(huán)結構設計參數示意圖 |
二、氣環(huán)結構和形狀
氣環(huán)的功用是保證活塞與氣缸壁之間的密封，防止活塞上部的高壓氣體漏入曲軸箱。當密封不良時(shí)，壓縮沖程中的氣體漏出較多，使壓縮終了的壓力降低，對于柴油機會(huì )造成啟動(dòng)困難。高溫燃氣漏入曲軸箱還會(huì )使活塞溫度升高，機油因受熱而氧化變質(zhì)。除密封作用外，氣環(huán)還起傳熱作用?；钊敳克盏臒崃?，大部分要通過(guò)氣環(huán)傳給氣缸壁（因活塞頭部并不接觸氣缸壁），再由外部的冷卻介質(zhì)帶走。
1、氣環(huán)密封原理
氣環(huán)，特別是第一道氣環(huán)，除了隨活塞沿氣缸壁做高速往復直線(xiàn)運動(dòng)外，還受到高溫和高壓燃氣的壓力以及潤滑條件差等因素的影響，從而使氣環(huán)的力學(xué)性能降低，彈性下降，而且會(huì )引起潤滑油的炭化，甚至可能造成拉缸和漏氣。因此要求氣環(huán)應有足夠的彈力，才能使環(huán)的四周緊貼在氣缸壁上，這時(shí)高壓燃氣就不可能通過(guò)氣環(huán)與氣缸壁之間的接觸面漏出。而作用在環(huán)上端面的燃氣，使環(huán)緊壓在活塞環(huán)槽中，使下端面與環(huán)槽緊貼。進(jìn)入環(huán)的內側面與環(huán)槽之間的燃氣，其壓力向外，使環(huán)更加貼緊氣缸壁。因此利用氣環(huán)本身的彈力和燃氣的壓力，即可阻止高壓燃氣的泄漏。
（1）第一密封面：
如圖2所示，活塞環(huán)在自由狀態(tài)下，其外圓直徑略大于汽缸內徑，裝入汽缸后，產(chǎn)生一定彈力F，與缸壁壓緊，形成密封面。
（2）第二封面：
活塞環(huán)與環(huán)槽側面密封的壓緊力是氣體壓力、慣性力和摩擦力代數和，在做功與壓縮行程時(shí)，氣體壓力使活塞環(huán)被壓緊在環(huán)槽下側面形成第二封面。
2、活塞環(huán)材質(zhì)
活塞環(huán)通常采用優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵或合金鑄鐵制成。為了提高第一道氣環(huán)的工作性能，提高其耐磨性，常在第一道氣環(huán)的表面鍍上多孔性鉻層或鉬層。近年來(lái)，第一道氣環(huán)也有用球墨鑄鐵或鋼制成的。在自由狀態(tài)下，環(huán)的外徑略大于氣缸直徑，裝入氣缸后，活塞環(huán)產(chǎn)生彈力壓緊在氣缸壁上，開(kāi)口處應保留一定的間隙（稱(chēng)為端隙或開(kāi)口間隙，柴油機活塞環(huán)的開(kāi)口間隙通常為0.4～0.8mm），以防止活塞環(huán)受熱膨脹時(shí)卡死在氣缸中?；钊h(huán)裝入環(huán)槽后，在高度方向也應有一定的間隙（稱(chēng)為側隙，柴油機活塞環(huán)的側隙通常為0.08～0.16mm）。當活塞環(huán)安裝在活塞上時(shí)，應按規定將各環(huán)的開(kāi)口處互相錯開(kāi)120°～180°，并且活塞環(huán)開(kāi)口應與活塞銷(xiāo)座孔錯開(kāi)45°以上，以防活塞環(huán)裝入氣缸后產(chǎn)生漏氣現象。
3、氣環(huán)形狀
為了改善活塞環(huán)的工作條件，使活塞環(huán)與氣缸更好地磨合，有些活塞環(huán)采用了不同的斷面，在安裝時(shí)要特別注意。
氣環(huán)的基本斷面形狀是矩形［圖4（a）］。矩形環(huán)易于制造，應用廣泛，但其磨合性比較差，不能滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機日益強化的要求。這種普通的壓縮環(huán)可隨意安裝在氣環(huán)槽內。
有的發(fā)動(dòng)機采用錐面環(huán)結構［圖4（b）（c）］。這種環(huán)的工作表面制成0.5°～1.5°的錐角，使環(huán)的工作表面與缸壁的接觸面減小，可以較快地磨合。錐角還兼有刮油的作用。但錐面環(huán)的磨損較快，影響使用壽命。安裝時(shí)有棱角的一面朝下。
有些柴油發(fā)動(dòng)機采用扭曲環(huán)［圖4（d）（e）］。扭曲環(huán)的內圓上邊緣或外圓下邊緣切去一部分，形成臺階形斷面。這種斷面內外不對稱(chēng)，環(huán)裝入氣缸受到壓縮后，在不對稱(chēng)內力的作用下，產(chǎn)生明顯的斷面傾斜，使環(huán)的外表面形成上小下大的錐面。這就減小了環(huán)與缸壁的接觸面積，使環(huán)易于磨合，并具有向下刮油的作用。而且環(huán)的上下端面與環(huán)槽的上下端面在相應的地方接觸，既增加密封性，又可防止活塞環(huán)在槽內上下竄動(dòng)而造成泵油和磨損。這種環(huán)目前使用較廣泛。安裝扭曲環(huán)時(shí)，必須注意其上下方向，不能裝反，內切口要朝上，外切口要朝下。
在一些熱負荷較大的柴油機上，為了提高氣環(huán)的抗結焦能力，常采用梯形環(huán)［圖3（f）］。這種環(huán)的端面與環(huán)槽的配合間隙隨活塞在側向力作用下做橫向擺動(dòng)而改變，能將環(huán)槽中的積炭擠碎，防止活塞環(huán)結膠卡住。這種環(huán)同普通氣環(huán)一樣可隨意安裝。
還有一種形式的氣環(huán)-桶面環(huán)［圖4（g）］，它的工作表面呈凸圓弧形，其上下方向均與氣缸壁呈楔形，易于磨合，潤滑性能好，密封性強。這種環(huán)已普遍用于強化柴油機上。這種環(huán)同普通的壓縮環(huán)一樣，可隨意安裝在氣環(huán)槽內。
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圖3 活塞氣環(huán)密封原理 |
圖4 柴油發(fā)電機活塞環(huán)氣環(huán)的斷面形狀 |
三、油環(huán)的作用和類(lèi)型
油環(huán)的功用是將氣缸表面多余的潤滑油刮下，不讓它竄入燃燒室，同時(shí)使氣缸壁上潤滑油均勻分布，改善活塞組的潤滑條件。油環(huán)位于氣環(huán)的下面，其工作溫度和燃氣壓力相對較低，而油環(huán)為了有效地刮油，又要求有較高的壓力壓向氣缸壁。因此，油環(huán)一方面本身的彈力較大，同時(shí)又盡可能地減小環(huán)與氣缸壁的接觸面，以增強單位面積的接觸壓力。
1、油環(huán)的類(lèi)型
油環(huán)分為整體式油環(huán)和組合式油環(huán)兩種，如圖5所示。
（1）整體式油環(huán)
整體式油環(huán)的斷面形狀如圖6所示。其結構形式與矩形斷面氣環(huán)相似，所不同的是在環(huán)的外圓柱面中間有一道凹槽，在凹槽底部加工出很多穿通的排油小孔。當活塞運動(dòng)時(shí)，氣缸壁上多余的潤滑油就被油環(huán)刮下，經(jīng)油環(huán)上的排油孔和活塞上的回油孔流回曲軸箱。一般柴油機的油環(huán)多采用如圖6（f）所示的結構。這種環(huán)可任意安裝。
有些柴油機的油環(huán)，在工作表面的單向或雙向、同向或反向倒出錐角［如圖6（a）～（c）所示］，以提高油環(huán)的刮油能力。安裝時(shí)（a）和（c）可以任意安裝，（b）要使有錐角的一面朝上。
有的柴油機將油環(huán)工作表面加工成鼻形［如圖6（d）所示］，其刮油能力更好。還有一些柴油機將兩片單獨的油環(huán)裝在同一環(huán)槽內［如圖6（e）所示］，這種油環(huán)的作用不僅能使回油通道增大，而且由于兩個(gè)環(huán)片彼此獨立運動(dòng)，較能適應氣缸的不均勻磨損和活塞擺動(dòng)。安裝時(shí)，以上兩種環(huán)都要使有錐角的一面朝上。
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圖5 活塞環(huán)油環(huán)的分類(lèi) |
圖6 整體式油環(huán)的斷面形狀 |
（2）組合式油環(huán)
還有的發(fā)動(dòng)機采用一種鋼片組合式油環(huán)，它是有幾片薄鋼片狀的片簧（刮片）和波紋形的襯簧共放在一個(gè)油環(huán)槽中的，如圖7 所示。它是由三片片簧和兩個(gè)襯簧（一個(gè)軸向、一個(gè)徑向）組成，兩片片簧放在軸向襯簧上面，一片放在軸向襯簧下面，軸向襯簧用以保證環(huán)與環(huán)槽間的側隙。徑向襯簧放在環(huán)槽底部，安裝時(shí)幾片片簧的開(kāi)口應互相錯開(kāi)。通常，這種環(huán)的片簧采用合金鋼制成，與缸壁接觸的外圓表面采用鍍鉻處理。
鋼片組合式油環(huán)的摩擦件（片簧）與彈力件分開(kāi)，能避免磨損后彈力減弱而引起刮油能力下降的情況，同時(shí)又具有雙片油環(huán)的特點(diǎn)。
目前，在高速內燃發(fā)動(dòng)機上廣泛采用在整體式油環(huán)內裝螺旋彈簧的漲圈油環(huán)（如圖8所示），這種油環(huán)的作用與鋼片組合式油環(huán)相似，制造安裝也比較方便。
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圖7 鋼片組合式油環(huán) |
圖8 彈簧漲圈油環(huán) |
2、刮油和泵油作用
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圖9 活塞油環(huán)的刮油原理示意圖 |
圖10 活塞油環(huán)的泵油原理示意圖 |
四、活塞環(huán)檢查方法
將新舊環(huán)的自由開(kāi)口間隙相比較， 若舊環(huán)自由開(kāi)口間隙小， 則有塑性變形， 彈力下降（如圖11所示）。也可將被檢驗的舊環(huán)和新環(huán)上下側立在一起， 用手在環(huán)上施加力， 如果舊環(huán)的開(kāi)口相碰， 而新環(huán)的開(kāi)口還有相當的間隙， 就表示舊環(huán)彈力不夠， 應更換。
1、活塞環(huán)的失效檢查
活塞環(huán)在工作時(shí)，由于受高溫、高壓和潤滑條件差的影響，其磨損失效往往要比氣缸達到磨損極限快。由于活塞環(huán)最初不能與氣缸壁表面完全密合，磨合磨損較快。經(jīng)過(guò)磨合磨損后，形成光滑的鏡面，活塞環(huán)轉入運行磨損，則磨損速度減慢。隨后活塞與氣缸壁的間隙逐漸增大，活塞傾斜也增大，活塞環(huán)形成不規則的磨損，彈力下降，密封性能減弱，潤滑油膜不能防止漏竄氣體的侵入，從而加速了磨損。
活塞環(huán)除正常磨損失效外，還有斷裂損壞。除發(fā)動(dòng)機大修時(shí)更換外，在兩次大修之間，氣缸最大磨損每100mm；缸徑達到0.18~0.22mm 時(shí)，也應更換活塞環(huán)，以改善發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性能。
2、活塞環(huán)的選配及檢測
活塞環(huán)在安裝時(shí)應留有一定的端隙、側隙和背隙，以防活塞環(huán)受熱后脹死在環(huán)槽內或卡死在氣缸內，造成損壞。在發(fā)動(dòng)機大修時(shí)應更換活塞環(huán)，更換時(shí)應按照氣缸的修理級別選用與氣缸、活塞同一修理級別的活塞環(huán)。在維護或小修中，如需更換活塞環(huán)時(shí)，選用的活塞環(huán)修理尺寸級別應與被更換的活塞環(huán)相同。不允許使用加大級別的活塞環(huán)通過(guò)銼銷(xiāo)開(kāi)口端面的方法，來(lái)代替較小級別的活塞環(huán)使用。
為了保證活塞環(huán)與活塞環(huán)槽及氣缸的良好配合，在選配活塞環(huán)時(shí)，還應進(jìn)行下列檢驗。其中任何一項不符合要求時(shí)，均應重新選配。
① 活塞環(huán)彈力的檢驗
活塞環(huán)的彈力是保證氣缸密封性的主要條件之一，一般在彈力檢驗儀上進(jìn)行檢驗。檢驗時(shí)把活塞環(huán)放在彈力檢驗儀上，使環(huán)的開(kāi)口處于水平位置，移動(dòng)檢驗儀上的量塊，把活塞的開(kāi)口間隙壓縮到標準值，觀(guān)察秤桿上的質(zhì)量，應符合技術(shù)要求。
② 活塞環(huán)漏光度的檢驗
將活塞環(huán)平放在已鏜磨好的氣缸內，用活塞頂部推平活塞環(huán)。在活塞環(huán)上蓋一個(gè)比缸徑略小的硬紙板做成的遮光板，在氣缸下部放置燈光照明。觀(guān)察活塞環(huán)外圓與氣缸壁之間是否漏光，用塞尺和量角器測量其漏光度，應符合技術(shù)要求——開(kāi)口處左右對應圓心角30°范圍內不允許漏光；同一活塞環(huán)上漏光不應多于兩處，每處漏光弧長(cháng)所對應的圓心角不得超過(guò)25°；同一活塞環(huán)上漏光弧長(cháng)所對應的圓心角總和不超過(guò)45°，漏光縫隙不大于0.03mm。
③ 活塞環(huán)端隙的檢驗
將活塞環(huán)放在氣缸內，用活塞頂將活塞環(huán)推正。用塞尺插入活塞環(huán)開(kāi)口處進(jìn)行測量，其間隙值應符合以下要求：康明斯6BTA5.9發(fā)動(dòng)機：第一道氣環(huán)0.40~0.70mm；第二道氣環(huán)0.25~0.55mm，油環(huán)0.25~0.55mm。
④ 活塞環(huán)側隙的檢查
檢查時(shí)，將環(huán)放在環(huán)槽內，使活塞環(huán)圍繞槽轉動(dòng)一圈，環(huán)在環(huán)槽內應能自由轉動(dòng)，即無(wú)阻滯現象。如圖12所示，用塞尺測量側隙，應符合以下要求：康明斯6BTA5.9發(fā)動(dòng)機（最大側隙）：第一道環(huán)槽0.115mm，第二道環(huán)槽0.13mm，油環(huán)環(huán)槽0.085mm。側隙過(guò)大、過(guò)小都應重新選配。
⑤ 活塞環(huán)背隙的檢查
將活塞環(huán)放入環(huán)槽內，活塞環(huán)的寬度應低于活塞環(huán)槽岸；用深度游標卡尺測量時(shí)，環(huán)槽深度與環(huán)的寬度之差即為環(huán)的背隙，一般為0~0.35mm。背隙過(guò)大或過(guò)小，都應重新選配。目前由于制造工藝比較先進(jìn)，一般活塞環(huán)的側隙和背隙都符合要求，修理廠(chǎng)很少檢查活塞環(huán)的側隙和背隙。
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圖11 用新舊對比法檢查活塞環(huán) |
圖12 活塞環(huán)側隙檢查方法示意圖 |
總結：
活塞環(huán)通常由金屬材料制成，如鑄鐵、鋁合金等。它們具有高強度、耐磨損和耐高溫的特點(diǎn)，能夠承受活塞在運動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的高壓和高溫環(huán)境?；钊h(huán)是發(fā)動(dòng)機中非常重要的密封元件，它具有密封、導向、冷卻和減震等多種功能，直接影響著(zhù)發(fā)動(dòng)機的性能和壽命。因此，在發(fā)動(dòng)機的設計和制造過(guò)程中，需要嚴格控制活塞環(huán)的質(zhì)量和安裝精度，以保證發(fā)動(dòng)機的正常運行和可靠性。
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