故障檢修與技術(shù)維護

康明斯柴油發(fā)電機的活塞銷(xiāo)檢驗及修理

 

摘要：活塞是發(fā)動(dòng)機中最重要的零部件之一，工作中要承受周期性熱負荷和機械負荷沖擊，活塞的工作狀態(tài)直接決定著(zhù)發(fā)動(dòng)機的使用壽命。高溫、高壓的工作環(huán)境使承載最大機械應力的活塞銷(xiāo)孔部位面臨著(zhù)更大的考驗?；钊N(xiāo)座部位工作溫度在200℃左右，活塞銷(xiāo)與活塞銷(xiāo)孔之間的磨擦還產(chǎn)生著(zhù)高溫負荷。因此有必要對活塞銷(xiāo)進(jìn)行檢查和維修。

 

一、活塞銷(xiāo)的作用和材料結構

 

       活塞銷(xiāo)是裝在活塞裙部的圓柱形銷(xiāo)子，其中部穿過(guò)柴油發(fā)電機連桿小頭孔，用來(lái)連接活塞和連桿，把活塞承受的氣體作用力傳給連桿。為了減輕重量，康明斯柴油發(fā)電機的活塞銷(xiāo)一般用優(yōu)質(zhì)合金鋼制造，并作成空心。

1、活塞銷(xiāo)的功用及工作條件

      一般國內使用的活塞銷(xiāo)孔內會(huì )有臺階或者凹槽，還有一種是實(shí)心活塞銷(xiāo)。國外使用的活塞銷(xiāo)內孔是直的。活塞銷(xiāo)用來(lái)連接活塞和連桿，并將活塞承受的力傳給連桿或相反?；钊N(xiāo)在高溫條件下承受很大的周期性沖擊負荷，且由于活塞銷(xiāo)在銷(xiāo)孔內擺動(dòng)角度不大，難以形成潤滑油膜，因此潤滑條件較差。為此活塞銷(xiāo)必須有足夠的剛度、強度和耐磨性，質(zhì)量盡可能小，銷(xiāo)與銷(xiāo)孔應該有適當的配合間隙和良好的表面質(zhì)量。在一般情況下，活塞銷(xiāo)的剛度尤為重要，如果活塞銷(xiāo)發(fā)生彎曲變形，可能使活塞銷(xiāo)座損壞。

2、塞銷(xiāo)材料及結構

      活塞銷(xiāo)的材料一般為低碳鋼或低碳合金鋼，如20、20Mn、15Cr、20Cr或20MnV等。外表面滲碳淬硬，再經(jīng)精磨和拋光等精加工。這樣既提高了表面硬度和耐磨性，又保證有較高的強度和沖擊韌性。

      活塞銷(xiāo)的結構形狀很簡(jiǎn)單，基本上是一個(gè)厚壁空心圓柱。其內孔形狀有圓柱形、兩段截錐形和組合形。圓柱形孔加工容易，但活塞銷(xiāo)的質(zhì)量較大；兩段截錐形孔的活塞銷(xiāo)質(zhì)量較小，且因為活塞銷(xiāo)所受的彎矩在其中部最大，所以接近于等強度梁，但錐孔加工較難。

 

圖1 柴油機活塞銷(xiāo)立體結構圖

圖2  柴油機活塞銷(xiāo)剖視結構圖

 

3、活塞銷(xiāo)座孔

      活塞銷(xiāo)座孔的作用是安裝活塞銷(xiāo)，并將氣體的壓力傳給連桿?；钊N(xiāo)座孔位于活塞的中部，為厚壁圓筒狀結構，通常有加強筋與活塞內壁相連，以提高其剛度。兩座孔外端加工有卡環(huán)槽，用來(lái)安裝卡環(huán)，以限制活塞銷(xiāo)的軸向竄動(dòng)。銷(xiāo)座孔有很高的加工精度，并且與活塞銷(xiāo)分組選配，以達到更高精度的配合，銷(xiāo)座孔的尺寸分組通常用色漆標于銷(xiāo)座下方的外表面。為了銷(xiāo)座孔的潤滑，有些銷(xiāo)座上鉆有收集潤滑油的小孔。

 

圖3  康明斯活塞銷(xiāo)孔和活塞銷(xiāo)位置圖

圖4  柴油機活塞結構示意圖

 

      隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機性能的日益提高，活塞所承受的燃氣壓力和慣性力不斷增大，作為支承部分的銷(xiāo)孔負荷顯著(zhù)增加，在最高燃燒壓力下，活塞銷(xiāo)軸和銷(xiāo)孔都會(huì )會(huì )發(fā)生彎曲變形，銷(xiāo)孔處的應力分布主要取決于活塞銷(xiāo)與銷(xiāo)孔兩者之間的變形是否相適應。理想的狀態(tài)是活塞銷(xiāo)與銷(xiāo)孔變形一致，這樣不會(huì )產(chǎn)生應力集中。

      目前最佳解決方案還是通過(guò)改變銷(xiāo)孔的幾何結構來(lái)改善應力分布情況，降低銷(xiāo)孔內側應力集中，提高活塞的承載能力。

 

二、活塞銷(xiāo)的檢測和修理

 

      發(fā)動(dòng)機在使用中有的會(huì )出現活塞銷(xiāo)異響的故障。如果活塞銷(xiāo)異響嚴重會(huì )損壞活塞銷(xiāo)襯套，加大連桿軸瓦和曲軸連桿軸頸的磨損，磨損到最嚴重時(shí)，會(huì )拉斷活塞銷(xiāo)或連桿頂部，打壞氣缸體，千萬(wàn)不能等閑視之。

1、活塞銷(xiāo)磨損的測量

      測量柴油機活塞銷(xiāo)的磨損程度，應用柴油發(fā)電機的專(zhuān)用工具千分尺進(jìn)行測量。測量時(shí)要測三個(gè)部位：兩頭和中間。每一部位所測得的任意兩相互垂直直徑之差即為該部位的失圓度；三個(gè)部位上所測得的最大直徑與最小直徑之差即為錐形度；其失圓度及錐形度一般不應大于0.005mm。活塞銷(xiāo)的檢查項目有活塞外徑的測量和活塞銷(xiāo)孔的測量。

（1）活塞銷(xiāo)的外徑測量。

（2）測量每個(gè)活塞的銷(xiāo)孔直徑。

（3）計算活塞銷(xiāo)與活塞銷(xiāo)孔的間隙，必要時(shí)更換活塞或活塞銷(xiāo)。

2、修復

（1）磨損檢驗

      當徑向磨損大于0.5mm時(shí)，必須更換。當徑向磨損小于0.5mm時(shí)，可采用鍍鉻或鐓粗的方法修復（鐓：沖壓金屬板使其變形，不加熱叫冷鐓，加熱叫熱鐓）。

（2）活塞銷(xiāo)裂紋檢驗

      方法是先將活塞銷(xiāo)清洗干凈，然后用放大鏡觀(guān)察，必要時(shí)可用磁力探傷法檢查。如有裂紋、表面脫落或銹蝕嚴重等均應更換。

3、活塞銷(xiāo)與銷(xiāo)座孔的修配

      活塞銷(xiāo)除標準尺寸外，還有四級加大修理尺寸：+0.08mm、+0.12mm、+0.25mm、+0.20mm。選配時(shí)應根據銷(xiāo)孔磨損以后的內徑，選用近似于內徑的加大活塞銷(xiāo)（一般比銷(xiāo)孔的內徑大0.025一0.05mm）。如選用最大一級的加大活塞銷(xiāo)配合時(shí)仍感松曠，則應重選活塞。柴油發(fā)電機大修時(shí)，因選配的活塞是新的，因此活塞銷(xiāo)應選配標準的，以便給小修時(shí)留有更換的余地。新選配的活塞銷(xiāo)錐形度和失圓度應不超過(guò)0.005mm，表面粗糙度不低于0.16～0.32μm，對多缸柴油發(fā)電機而言，各缸的活塞銷(xiāo)質(zhì)量相差不得超過(guò)10g?；钊N(xiāo)與銷(xiāo)座孔，在常溫（15一25℃）下，應有0.025mm，的過(guò)盈量。

4、活塞銷(xiāo)與銷(xiāo)座孔的技術(shù)要求

      在常溫下應有微量過(guò)盈（一般為0.025、0.04mm），加溫到75、85℃時(shí)又有微量間隙，使活塞銷(xiāo)能在銷(xiāo)座孔內轉動(dòng)，而冷卻后，活塞裙部橢圓變形，即長(cháng)軸縮短（與活塞銷(xiāo)軸線(xiàn)相垂直方向）、短軸伸長(cháng)（活塞銷(xiāo)軸線(xiàn)方向），其變化均不應超過(guò)0.04mm。這一點(diǎn)，是活塞銷(xiāo)與銷(xiāo)座孔修配的關(guān)鍵。若配合太緊，機油進(jìn)不去，使活塞銷(xiāo)的潤滑變壞，加劇磨損，甚至會(huì )產(chǎn)生卡缸現象；若配合太松，會(huì )使活塞銷(xiāo)在活塞往復運動(dòng)中撞擊活塞和連桿襯套，磨損加劇，嚴重時(shí)會(huì )出現活塞銷(xiāo)折斷或竄出，造成事故。

      接觸面積不小于75％。這是因為接觸面積太小，單位面積承受載荷上升，加速磨損，影響松緊度，機器壽命下降。活塞銷(xiāo)與銷(xiāo)座孔的配合，是通過(guò)對活塞銷(xiāo)座孔的搪削或鉸削完成的。餃削銷(xiāo)座孔時(shí)，應選用長(cháng)刃鉸刀，使兩個(gè)銷(xiāo)座孔能同時(shí)進(jìn)行鉸削，以保證兩孔的同心度。

 

圖5  活塞銷(xiāo)外徑檢查

圖6  活塞銷(xiāo)孔示意圖

 

三、活塞銷(xiāo)裂紋檢修案例

 

1、原因分析

      某柴油機故障案例中，該活塞銷(xiāo)的裂紋貫穿整個(gè)活塞銷(xiāo)試樣，在活塞銷(xiāo)的中間內孔中和邊緣的油孔中均存在大小不一的裂紋，最長(cháng)的裂紋幾乎貫穿了活塞銷(xiāo)的整個(gè)內表面。將最長(cháng)的裂紋沿縱向打開(kāi)，該裂紋為明顯的疲勞裂紋，疲勞裂紋源在油孔內表面上，并以此為圓心呈貝文線(xiàn)狀向中心孔擴展。疲勞擴展區較大，為明顯的疲勞裂紋擴展形式。垂直于裂紋經(jīng)線(xiàn)切割取樣，試樣經(jīng)拋光后的裂紋形態(tài)長(cháng)約2.6 mm，尾部尖銳，為明顯的淬火裂紋。

2、金相檢驗

      沿試樣芯部縱向磨削拋光后，在顯微鏡下觀(guān)察，其非金屬夾雜物級別根據GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物顯微評定方法》，評為A2.0，B0，CO，D0。對試樣經(jīng)4%的硝酸酒精溶液浸蝕后，裂紋源處金相組織如圖4所示。裂紋處無(wú)脫碳，裂紋處金相組織為馬氏體+少量鐵素體。

      試樣表面組織為馬氏體，表面無(wú)脫碳。試樣基體組織為索氏體+鐵素體。對試樣進(jìn)行磨拋再經(jīng)4%的硝酸酒精溶液浸蝕后，裂紋處無(wú)脫碳，裂紋處金相組織均為索氏體+鐵素體。經(jīng)檢測，活塞銷(xiāo)表面滲碳層組織為回火馬氏體，晶粒度較細。

3、硬度檢測

      經(jīng)檢測，活塞銷(xiāo)表面滲碳層有效硬化層深1.59 mm，表面硬度為：HRC59、HRC59、HRC60，在技術(shù)要求規定的HRC58～63之內。

4、分析與探討

（1）鋼中非金屬夾雜物檢測表明，主要夾雜物為A類(lèi)(硫化物類(lèi))，但級別較高，說(shuō)明活塞銷(xiāo)的材質(zhì)不良。

（2）該活塞銷(xiāo)的開(kāi)裂為疲勞裂紋擴展所造成的，疲勞裂紋源于內孔的內表面。

（3）該活塞銷(xiāo)裂紋處無(wú)明顯的氧化脫碳現象，并且活塞銷(xiāo)內孔的裂紋細長(cháng)、尾部尖銳，因此該裂紋為典型的淬火裂紋。

 

總結：

      活塞銷(xiāo)是氣缸總成的一個(gè)關(guān)鍵連接件，是裝在活塞裙部的圓柱形銷(xiāo)子。它的中部穿過(guò)連桿小頭孔，用來(lái)連接活塞和連桿，其作用是把活塞承受的氣體作用力傳給連桿，或使連桿小頭帶動(dòng)活塞一起運動(dòng)。因此在設計活塞銷(xiāo)時(shí)，不僅要具有足夠強的機械強度和耐磨性，還要有較強的疲勞強度。

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