故障檢修與技術(shù)維護

柴油機活塞磨損、破裂及配合間隙的檢測方法

 

摘要：對于柴油發(fā)電機組而言發(fā)動(dòng)機則是心臟，而活塞就好比是心臟的動(dòng)脈，活塞作為發(fā)動(dòng)機的重要零件，對柴油機的性能有著(zhù)重要的影響。因此對于活塞的檢測與維修就變得更為重要。為了提高對柴油發(fā)電機的認識，康明斯公司介紹了活塞的結構特點(diǎn)與功用，說(shuō)明了活塞常見(jiàn)損傷部位和活塞技術(shù)狀態(tài)的判斷，同時(shí)對活塞的檢測與維修進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析；以減少盲目更換柴油機的活塞，避免造成用戶(hù)不必要的浪費。

一、活塞各部位名稱(chēng)與功用

 

      活塞在高溫、高壓、高速、潤滑不良的條件下工作?；钊苯优c高溫氣體接觸，瞬時(shí)溫度可達2200℃以上，受熱嚴重而散熱條件很差，所以活塞工作是溫度很高，頂部高速可達350~450℃，而且溫度分布很不均勻?；钊敳砍惺軞怏w壓力很大，特別是做功行程中壓力最大，汽油發(fā)動(dòng)機中壓力高達3~5MPa，柴油發(fā)動(dòng)機中壓力高達6~9MPa，這就對活塞產(chǎn)生沖擊，并承受側壓力的作用?；钊跉飧變纫院芨叩乃俣龋?~12m∕s）往復運動(dòng)，且速度在不斷的變化，這就產(chǎn)生了很大的慣性力，使活塞受到很大的附加載荷?；钊谶@種惡劣的條件下工作，會(huì )產(chǎn)生變形并加速磨損，還會(huì )產(chǎn)生附加載荷和熱應力，同時(shí)受到燃氣的化學(xué)腐蝕作用。活塞組成包括頂部、防漏部、銷(xiāo)座部和裙部四大部分，其結構如圖1所示。

1、頂部

     活塞第一環(huán)槽以上部分稱(chēng)活塞頂部。頂部的形狀與燃燒室有直接關(guān)系，隨燃燒室不同形狀各異，有平頂、凸頂和凹頂多種。柴油發(fā)電機活塞頂部多為凹的，有ω形、鏟形和螺管凹坑形等。此外，有的活塞頂部還制有為防止活塞頂與氣門(mén)頭相碰的兩個(gè)圓形淺凹坑。為便于選配和安裝，在活塞頂還制有尺寸、重量分組和安裝箭頭等標志，同組活塞重量差不大于10g。

2、防漏部

     防漏部制有環(huán)槽用以安裝氣環(huán)和油環(huán)，氣環(huán)多為2～3道，油環(huán)多為1道。氣環(huán)裝在上部，下部裝油環(huán)。氣環(huán)數減少、環(huán)高減少可降低活塞高度和減小活塞質(zhì)量，有利于內燃機轉速的提高，以增加其動(dòng)力性和經(jīng)濟性?；钊數降谝画h(huán)槽之間的環(huán)岸，叫火力岸。在此岸上制有絕熱環(huán)槽，用以減小此部與缸壁間隙，增加節流以達到減輕第一道環(huán)的熱負荷和機械負荷、縮短火岸的高度的效果;絕熱環(huán)槽的作用是改變熱傳導路線(xiàn)以減輕第一道環(huán)的熱負荷，在高強化柴油發(fā)電機的活塞第一環(huán)槽中鑄有高鎳鑄鐵環(huán)架，以提高活塞使用壽命。

3、銷(xiāo)座部

    用以裝配活塞銷(xiāo)，將活塞受力傳給連桿。為降低活塞銷(xiāo)與座孔的壓力，減輕磨損，這部分支承面要盡量大些，也就是孔徑與支承長(cháng)度要大些，銷(xiāo)座與頂部用加強筋相連?；钊N(xiāo)結構外觀(guān)如圖2所示。

4、裙部（導向部）

    在活塞往復運動(dòng)中起導向作用，并承受側壓力。目前，一些汽油機為防止活塞換向時(shí)產(chǎn)生拍擊和磨損，使活塞銷(xiāo)孔中心線(xiàn)與活塞軸線(xiàn)不相交，向側壓方向偏移1～2 mm。因此，這種活塞安裝時(shí)，要注意安裝方向標志。

    活塞在工作中由于裙部受側壓力、銷(xiāo)座承受活塞軸向力、銷(xiāo)座金屬零件易受熱后變形等都易使活塞裙部變橢圓形，沿銷(xiāo)軸方向直徑增大，側壓力方向直徑變小。如不采取措施，活塞在工作時(shí)將拉傷缸壁，甚至卡缸。汽油機活塞在其裙部開(kāi)有梯形或門(mén)形切口，其橫向切口作用為切斷熱流、減少裙部受熱膨脹;縱向切口在裙部變形時(shí)留有膨脹余地。另外，有很多活塞將銷(xiāo)座孔周?chē)瞥砂枷菪?，作為膨脹余地，也有將活塞制成橢圓的，其長(cháng)軸為側壓方向，短軸為銷(xiāo)軸方向，這種活塞也叫橢圓活塞。有的活塞鑄入恒范鋼片使裙部與銷(xiāo)座相連，恒范鋼片熱膨脹系數很小，可使活塞與汽缸配合間隙減小。為防止活塞裙部與曲軸平衡塊相碰，沿活塞銷(xiāo)方向將銷(xiāo)座以下裙部切除。這樣，還可降低摩擦阻力和減輕重量。這種活塞也稱(chēng)鞍形活塞或拖鞋形活塞?；钊捎谘馗叨确较蚴軣岵煌?，膨脹量亦不同，因此，常將活塞制成上、下直徑不一的錐形。

 

圖1  活塞結構圖

圖2  活塞銷(xiāo)三維建模圖

 

二、活塞損傷的原因

 

      活塞作為柴油機的重要運動(dòng)件之一，它所處的工作條件相當嚴酷，即高溫、高負荷、高速運動(dòng)、潤滑不良和冷卻困難等，使其成為柴油機改進(jìn)的重大障礙之一。隨著(zhù)柴油機技術(shù)水平的提高，高速大負載柴油機的研制和運用，使活塞處于一個(gè)更嚴酷的工作環(huán)境中，活塞就不可避免的成為柴油機強化的首要障礙。柴油機在運轉時(shí)，活塞工作在高負荷環(huán)境中。首先，活塞受氣體壓力、慣性力和側向力的作用，氣體壓力和慣性力的方向和大小都是變化的，這就引起了活塞內應力的極度不均勻，容易引起材料的疲勞破壞。其次，活塞在徑向和高度方向上的受熱不均勻，引起內部附加極大的熱應力，這也是活塞疲勞破壞的主要原因之一。

      此外，活塞的不同部位還承受著(zhù)局部力的作用，受力區域如圖3所示?；钊h(huán)岸作用著(zhù)氣體壓力和活塞的慣性力，活塞在上止點(diǎn)搖擺使活塞上下邊緣遭到?jīng)_擊。而且由于活塞形狀復雜，各部分金屬分布不均勻，在不同的直徑方向，活塞的剛度是不同的，在不同的剛度之間，軸線(xiàn)方向上，活塞的熱變形和熱應力是不同的，活塞的受力和內應力也是極度不均勻的。也就導致活塞的加速損壞。

1、活塞頂部燒蝕的原因

       活塞燒蝕呈現在活塞頂部，輕者有疏松狀麻坑，重者有局部燒熔現象?；钊斆鏌g將導致高溫燃氣竄入曲軸箱，加速潤滑油的氧化變質(zhì)、氣缸密封性變差、壓縮比下降、燃油燃燒過(guò)程變壞、柴油機的動(dòng)力性和經(jīng)濟性下降;嚴重時(shí)活塞開(kāi)裂破碎，損壞缸套、連桿、曲軸、機體等零部件。

      活塞頂部燒蝕的原因主要是不正常燃燒造成的，使頂部接受過(guò)多熱量或者是活塞環(huán)卡死和斷環(huán)故障之后再大負荷情況下運轉而燒頂的。當活塞冷卻不良時(shí)，在活塞頂上如噴嘴油束對應區域，以及頂部突出的形狀如活塞頂部W形凹坑等處產(chǎn)生局部過(guò)熱，當溫度超過(guò)一定值后，金屬表面出現燒蝕。燒蝕較輕的活塞，允許繼續使用，燒蝕嚴重時(shí)必須更換。

2、配合間隙不當

      配合間隙不當主要原因是由于新機裝配不當或舊機維修不當引起的?；钊c氣缸的配合間隙應嚴格按照柴油發(fā)動(dòng)機使用說(shuō)明書(shū)的規定配合，間隙過(guò)大，會(huì )使柴油發(fā)動(dòng)機冷起動(dòng)困難，冷機時(shí)會(huì )發(fā)出敲缸聲，同時(shí)功率下降。間隙過(guò)?。ㄈ鐖D4所示），則會(huì )引起拉缸、脹缸等故障。

 

圖3  氣缸磨損現象原理圖

圖4  活塞與氣缸的配合間隙過(guò)小

 

3、活塞外表面磨損的原因

      活塞裙部是起導向作用的，活塞裙部與缸壁間的磨損是不可避免的，隨著(zhù)使用時(shí)間的增長(cháng)，二者間隙不斷增大，當大到一定程度，將出現敲缸現象。磨損原因就是材質(zhì)不好，熱膨脹系數太高，高溫的情況下造成漲缸。這個(gè)部位是飛濺式潤滑的，機油好壞也是關(guān)鍵。長(cháng)時(shí)間高溫高速的情況下應該讓柴油機適當地休息冷卻。在選配活塞銷(xiāo)時(shí)，若銷(xiāo)與銷(xiāo)孔配合過(guò)盈太大，活塞在氣缸里工作時(shí)會(huì )出現反橢圓現象，同樣會(huì )引起敲缸和竄機油等現象的發(fā)生。

4、活塞環(huán)槽磨損的原因

      活塞環(huán)槽磨損主要是由于環(huán)槽中相對運動(dòng)引起的；其次是燃燒室高溫使活塞頭和環(huán)槽變形，材料性能下降，環(huán)與環(huán)槽之間的油膜破壞，環(huán)槽磨損更加嚴重。磨損現象如圖5所示。

      環(huán)槽磨損使其與環(huán)的配合間隙增大，活塞環(huán)的密封性下降，產(chǎn)生漏氣、壓縮壓力和爆發(fā)壓力性能降低和進(jìn)入環(huán)背面燃氣增多，高壓燃氣將環(huán)壓向缸壁致使環(huán)容易折斷。環(huán)槽磨損使環(huán)槽截面形狀由矩形變?yōu)樘菪位虺霈F磨臺，且以第一、二道環(huán)槽為重為快，一般活塞環(huán)槽的磨損量在0.01mm/kh以?xún)葹檎！?/span>

5、活塞裂紋和破裂的原因

（1）活塞頭觸火面裂紋現象

      活塞頭觸火面產(chǎn)生裂紋是指在活塞頂面產(chǎn)生的徑向或圓周向裂紋、起吊孔邊緣裂紋及第一道環(huán)槽根部裂紋。

      活塞頭部裂紋主要是熱應力引起的，同時(shí)還有機械應力的作用。柴油機運轉時(shí)，活塞頂部溫度分布不均勻。頂面中央或邊緣溫度最高，鑄鋼活塞可達450℃；鋁活塞可達300~375℃，頂面冷卻側及第一道活塞環(huán)槽的溫度一般在200左右。在正常工作條件下，活塞頭部各處存在著(zhù)溫差應力和高壓燃氣作用的機械應力等，而且這些應力又都是周期性的；當噴油定時(shí)不正，燃油霧化不良或火焰接觸活塞頂面時(shí)就會(huì )造成局部過(guò)燃，引起過(guò)大的熱應力；當柴油機超負荷運轉或活塞頂部冷卻不充分時(shí)也會(huì )引起熱應力。過(guò)大的熱應力會(huì )引起裂紋。柴油機頻繁啟動(dòng)，停車(chē)也會(huì )引起熱疲勞裂紋。

（2）活塞冷卻側裂紋現象

      活塞頂面裂紋還會(huì )因為冷卻不充分，活塞頂面散熱不良所致。例如水冷活塞冷卻側結垢嚴重或活塞頂面積碳嚴重時(shí)就會(huì )使活塞局部過(guò)熱，導致裂紋。通常，結垢層或積碳層超過(guò)0.5mm時(shí)，加強冷卻水的定時(shí)處理等維修保養工作。活塞頂面的起吊孔邊緣和第一道環(huán)槽根部就會(huì )因應力集中產(chǎn)生裂紋。

（3）活塞銷(xiāo)孔裂紋現象

      活塞銷(xiāo)孔裂紋現象如圖6所示。由于活塞銷(xiāo)彎曲、剛度不足或銷(xiāo)座順應性不良，將在活塞銷(xiāo)孔內端出現應力集中，引起疲勞裂紋。裂紋從銷(xiāo)孔上表面開(kāi)始，并沿著(zhù)銷(xiāo)座的縱向平面延展。在使用中出現這種損傷，往往是由于活塞和活塞銷(xiāo)的材質(zhì)、制造或裝配不當造成的。 

 

圖5  活塞環(huán)槽檢查

圖6  活塞銷(xiāo)孔破裂現象

 

三、活塞技術(shù)狀態(tài)檢測

 

    在換用新活塞時(shí)，一些維修工不是根據活塞的磨損程度來(lái)決定，而是在更換汽缸套時(shí)便將活塞報廢。其實(shí)這是一種偷懶和浪費行為，正確做法是在處理決定前，應對活塞作詳細的檢查再決定是否更換活塞。首先用觀(guān)察法檢查活塞有無(wú)嚴重的機械損傷，如裂紋、環(huán)槽塌邊、擋圈溝槽崩落及工作表面是否有深的刮痕等，然后再作以下檢查。

1、活塞頂部燒蝕檢測方法

      活塞頂部燒蝕的程度可用活塞頂部樣板和塞尺進(jìn)行測量。測量時(shí)，將樣板置于活塞頂部，用塞尺測量樣板與活塞頂部之間的最大間隙t 。測量時(shí)，還應使樣板繞活塞軸線(xiàn)轉動(dòng)，每轉45º角測量一次，取其中最大值t 。當t超過(guò)15mm時(shí)應換新活塞。

2、活塞外表面的檢測方法

      活塞裙部外表面磨損后，裙部直徑減小，活塞與氣缸的間隙增大；橫截面產(chǎn)生圓度誤差、縱截面產(chǎn)生圓柱度誤差，這些都直接影響活塞的工作性能和柴油機的功率。用外徑千分尺、游標卡尺測量活塞的上部、中部和裙部的外徑，如圖7所示。測量每一測量點(diǎn)的橫截面上互相垂直的兩個(gè)之間：首尾方向和左右舷方向。將測量值記錄在表格中，計算出每個(gè)橫截面的圓度、縱截面的圓柱度，以其中最大值與說(shuō)明書(shū)或標準比較，以確定活塞的磨損程度。

3、活塞環(huán)槽磨損的檢測方法

      環(huán)槽磨損程度是利用樣板和塞尺測量環(huán)槽高度的變化來(lái)確定的。樣板是以新活塞的環(huán)槽高度為準制作的，也可以用一只新活塞環(huán)作為樣板。測量時(shí)，將樣板水平插入環(huán)槽并緊貼環(huán)槽下端面，用塞尺測量環(huán)與環(huán)糟上端面之間的距離，即活塞環(huán)與環(huán)槽的配合間隙，如圖8所示。測量值與說(shuō)明書(shū)比較，當測量值超過(guò)極限值時(shí)，說(shuō)明環(huán)槽嚴重磨損，應予以修復。

4、活塞裂紋和破裂的檢測方法

      活塞頂面冷卻側、筒狀活塞的活塞銷(xiāo)座處產(chǎn)生裂紋是很常見(jiàn)的，主要是由于過(guò)大的機械應力引起的，同時(shí)還會(huì )由于設計不良、材質(zhì)不佳和毛坯制作缺陷等在這些部位存在應力集中而加速裂紋的產(chǎn)生。

     活塞裂紋可通過(guò)觀(guān)察或者著(zhù)色探傷進(jìn)行檢查。鋼質(zhì)。鋁質(zhì)活塞的頂部裂紋較輕，可采用焊補工藝修理，鋼質(zhì)活塞頂部裂紋嚴重時(shí)采用局部更換?；钊h(huán)槽根部裂紋、活塞上穿透性裂紋及無(wú)法修理的冷卻側裂紋則應將及時(shí)更換。

5、活塞銷(xiāo)座孔的檢查

      與缸套的檢查相似，用內徑千分表在兩邊銷(xiāo)孔長(cháng)度上各取兩個(gè)截面，在每個(gè)截面上取互相垂直的兩個(gè)方向（即上下受力方向與水平方向）位置，然后計算出圓度和圓柱度。

 

圖7  用千分尺檢測活塞外徑

圖8  活塞環(huán)間隙測量示意圖

 

總結：

      柴油發(fā)電機活塞的功用是承受燃氣燃燒所釋放的爆發(fā)壓力，并將此壓力通過(guò)活塞銷(xiāo)、連桿、曲軸和飛輪對外做功。同時(shí)還具有封閉汽缸，形成燃燒室，吸入、壓縮和排出氣體，傳出部分熱量，以及將活塞的側向力傳給汽缸壁等功能?；钊敳颗c高溫高壓氣體直接接觸，活塞在汽缸中做高速往復運動(dòng)，潤滑條件差，是柴油發(fā)電機最容易損壞的零件之一。我們需要對活塞有一個(gè)初步的認知，知道它的結構特點(diǎn)與功用，了解活塞常見(jiàn)損傷的特點(diǎn)，以及如何正確判斷活塞是否可以繼續使用，并要對活塞損壞的原因進(jìn)行分析，以免相同的故障再次發(fā)生。

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