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活塞環(huán)的磨損量計算、規律及質(zhì)量檢驗方法 |
摘要：汽缸活塞組是發(fā)動(dòng)機的心臟，特別是活塞環(huán)其技術(shù)狀況變壞或出現故障，不僅影響發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性和經(jīng)濟性，而且將縮短柴油發(fā)電機使用壽命。近年來(lái)，伴隨柴油機的高輸出功率化和高性能化，活塞環(huán)類(lèi)滑動(dòng)部件的使用環(huán)境越發(fā)嚴苛，要求具有良好的耐磨損性、抗劃性的滑動(dòng)部件。在使用過(guò)程中，活塞環(huán)的主要故障均是由于零部件磨損、燒蝕、結膠、積炭等原因引起的，尤其是零部件的磨損，是造成密封性下降的主要因素?？得魉构驹诒疚慕榻B了活塞環(huán)的分類(lèi)及其作用，同時(shí)闡明了活塞環(huán)磨損規律和原因分析，最后為此提出了改良后的活塞環(huán)安裝方式。
一、活塞環(huán)的概述
活塞環(huán)是發(fā)動(dòng)機曲柄連桿機構活塞連桿組中的一個(gè)零部件，活塞環(huán)的三個(gè)環(huán)主要分為兩類(lèi)，根據活塞環(huán)的發(fā)揮的作用及所處的位置分為氣環(huán)(壓縮環(huán))和油環(huán)，其結構和作用如圖1所示。
1、氣環(huán)的作用和密封原理
（1）作用
氣環(huán)作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。
（2）原理
如圖3所示?；钊h(huán)在自由狀態(tài)下，其直徑比氣缸直徑大。當環(huán)徑向壓縮隨活塞一起裝入氣缸后，便產(chǎn)生徑向彈力F0，使之與汽缸壁壓緊，形成了第一密封面，其壓緊力為FA 。氣缸中壓力為PZ的高壓氣體不能從次密封面下竄，便進(jìn)入側隙和背隙，作用在環(huán)側面上的氣體壓力P1把活塞環(huán)壓緊在環(huán)槽的下端面上，形成第二個(gè)密封面，其壓緊力為FB背壓力P2則使環(huán)更緊地壓在氣缸壁上。燃氣使環(huán)對缸壁和槽側的壓緊作用稱(chēng)為氣環(huán)的第二次密封。有了兩個(gè)密封面的密封，通常只有開(kāi)口處是唯一的漏氣通道。但由于開(kāi)口間隙很小，并互相按一定位置錯開(kāi)，形成一個(gè)迷宮式封氣路線(xiàn)，起到一個(gè)氣體節流的作用。
2、油環(huán)的作用
油環(huán)作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。油環(huán)分為普通油環(huán)和組合油環(huán)兩種。
3、活塞環(huán)“三隙”
活塞環(huán)裝入氣缸后其兩端之間應有端隙（開(kāi)口間隙），與環(huán)槽間應有側隙和背隙，統稱(chēng)為活塞環(huán)的“三隙”。如圖4所示。
（1）端隙
活塞環(huán)端隙是指活塞環(huán)隨活塞裝入氣缸后，環(huán)在上止點(diǎn)時(shí)環(huán)的兩端頭的間隙。這個(gè)間隙防止環(huán)受熱膨脹卡死在環(huán)槽內（第一道氣環(huán)0.25—0.45mm，其余氣環(huán)0.20—0.40mm） 。
（2）側隙
活塞環(huán)配置在環(huán)槽內上下面的間隙，這個(gè)間隙防止環(huán)卡死在環(huán)槽內（0.03—0.07mm） 。
（3）背隙
活塞環(huán)在工作時(shí)靠燃燒時(shí)的高壓氣體進(jìn)入背間隙對活塞環(huán)產(chǎn)生壓力，來(lái)加強活塞環(huán)與氣缸工作面的密封作用（0—0.35mm）。
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圖1 活塞環(huán)三環(huán)結構示意圖 |
圖2 活塞環(huán)的作用 |
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圖3 活塞環(huán)氣環(huán)的密封原理 |
圖4 活塞環(huán)端隙、側隙和背隙示意圖 |
二、活塞環(huán)磨損規律
汽缸活塞環(huán)的磨損主要是活塞環(huán)受高溫高壓燃氣的作用，活塞往復運動(dòng)的沖擊和潤滑不良所致，汽缸活塞環(huán)的磨損速度很快，造成活塞環(huán)的彈性逐漸減弱，在正常工作條件下，活塞環(huán)與汽缸套壁面之間存在一層很薄的潤滑油膜，但該油膜的厚度尚未能將2個(gè)工作表面分隔開(kāi)，同時(shí)在潤滑油中還有磨料性質(zhì)的機械雜質(zhì)，因此對汽缸活塞環(huán)的磨損規律可按磨料磨損模型描述。其磨損率為
δ=120KNSPcmHb-m（r-hc）jqt..........................（公式1）
式中，K=k1k2k3，k1，k2，k3分別為材料表面特性系數、磨粒特性系數和區域形狀系數；
N——曲軸轉速，r/min；
S——活塞行程，m；
Pc——活塞環(huán)表面平均壓力，MPa；
Hb——零件硬度；
r——磨料顆粒的當量曲率半徑，μm；
hc——為平均油膜厚度，μm；
q——潤滑油中磨粒的重量濃度；指數m =（3/4β）? j = （q/4β）- ½.t =1-（3/4β），通常由試驗確定，其中β為表面粗糙度參數。一般可取β=1.9，K=1.447×10-8，可計算得m =0.39，j=0.68，t=0.61。
因此該類(lèi)汽缸活塞組在正常工作條件下的磨損率計算式為：
δ=1.736×10-6NSPc0.4-+Hp-0.4（r-hc）0.68q0.61..........................（公式2）
柴油發(fā)電機運行時(shí)間t后的磨損量W為：
W=1.736×10-6NSPc0.4Hb-0.4（r-hc）0.68q0.61t..........................（公式3）
一般r=5.8μm?q1=0.24×10-2，q2=0.5×10-2。由潤滑特性分析得：hc2=2.75μm，h2=4.15μm，Pc1=0.44MPa，Pc2=0.26MPa，（1，2分別表示第一、二道環(huán)對應的汽缸位置）。
三、活塞環(huán)質(zhì)量檢驗
活塞環(huán)是柴油機中的一個(gè)重要部件，主要用于密封氣缸和控制氣缸內壓力。為確保發(fā)動(dòng)機正常運轉，活塞環(huán)的檢驗是必不可少的?；钊h(huán)的檢驗項目如下：
1、外表檢查
（1）檢查活塞環(huán)表面是否有裂紋、變形、磨損、腐蝕等情況。
（2）使用千分尺或顯微鏡檢查活塞環(huán)的直徑、厚度、彎曲度等尺寸是否符合要求。
（3）如圖5所示。使用厚薄規檢查活塞環(huán)的側隙和端隙是否符合要求。
2、漏光度檢查
如圖6（a）所示。將活塞環(huán)平正地放入氣缸內，用活塞頂部把它推平，在氣缸下部放置一發(fā)亮的燈泡，在活塞環(huán)上 放一直徑略小于汽缸內徑、能蓋住活塞環(huán)內圓的蓋板，然后從氣缸上部觀(guān)察漏光處及漏光處對應的圓心角。一般要求活塞環(huán)局部漏光度每處不大于25°；最大漏光縫隙不大于0.03mm，每環(huán)漏光處不超過(guò)兩個(gè)，每環(huán)總漏光度不大于45°；在活塞環(huán)開(kāi)口處30°范圍內不允許有漏光現象。
3、壓縮強度檢查
如圖6（b）所示。將活塞環(huán)壓縮至一定程度后測量其壓縮強度，以判斷其耐久性。具體方法是在活塞環(huán)開(kāi)口的垂直方向施加壓力，使開(kāi)口達到規定的端隙時(shí)在活塞環(huán)直徑方向施用的作用力?；钊h(huán)的彈力也可用活塞環(huán)檢驗儀檢驗。
4、硬度檢查
使用硬度計測量活塞環(huán)的硬度，以確定其材質(zhì)是否合格。
注意：整體鑄鐵油環(huán)不宜測定硬度值，因為油槽油孔的結構，導致不能準確測出硬度值。對于環(huán)高低于1.5mm的鑄鐵環(huán)，測量硬度的工作臺面中心不能有凹坑，如有凹坑則測量時(shí)應添加一定剛度的墊片，將環(huán)樣放置在墊片上測試(墊片應有較好的平行度，其表面粗糙度在Ra0.8μm以下)，否則測定的硬度值會(huì )偏低，可能低 1~2個(gè)HRB單位，甚至環(huán)被壓斷。
5、磨損檢查
將活塞環(huán)安裝在一個(gè)模擬氣缸的測試機上，通過(guò)測量活塞環(huán)在運動(dòng)過(guò)程中的磨損量來(lái)判斷其壽命。
以上是活塞環(huán)檢驗項目的一些基本內容，具體檢驗項目和方法還需根據不同的活塞環(huán)類(lèi)型和使用條件進(jìn)行調整。
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圖5 活塞環(huán)側隙和端隙測量示意圖 |
圖6 活塞環(huán)漏光度和彈力檢測 |
四、活塞環(huán)典型故障案例
1、活塞環(huán)常見(jiàn)故障
（1）磨損
由于活塞環(huán)與缸壁長(cháng)期摩擦，容易造成磨損，導致間隙過(guò)大，進(jìn)而影響氣缸的密封性，降低發(fā)動(dòng)機的壓縮比，導致動(dòng)力下降，燃油消耗增加。
（2） 斷裂
活塞環(huán)彈性較大，但長(cháng)期使用后會(huì )逐漸失去彈性，使其易受冷熱變形影響，導致斷裂。此時(shí)，活塞環(huán)無(wú)法充分貼合缸壁，從而影響氣缸的密封性，導致漏氣、燃燒不充分等問(wèn)題。
（3）卡死
在發(fā)動(dòng)機高溫高壓環(huán)境下，活塞環(huán)容易因積碳或者油膜破裂而卡死，導致活塞環(huán)與缸壁摩擦增大，磨損加劇，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機的正常運轉。
（4）燒蝕
當發(fā)動(dòng)機長(cháng)期高速行駛或者機油不及時(shí)更換時(shí)，活塞環(huán)容易出現燒蝕現象，導致活塞環(huán)與缸壁之間出現過(guò)大的間隙，進(jìn)而影響氣缸的密封性，使發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力下降。
（5）燒機油
缸套、活塞配合的間隙不符合標準 ，使缸套與環(huán)之間出現早期磨損 ，而使環(huán)的邊間隙和端間隙加大 ，密封效果變差。活塞環(huán)開(kāi)口鄰近或開(kāi)口重疊 ，特別是油環(huán)口的重疊 ，致使機油上竄外溢。
活塞環(huán)失效引起的常見(jiàn)故障現象如圖7所示，當然活塞環(huán)的選擇對故障影響也很重要。氣環(huán)應該選用密封效果較好的扭曲環(huán)和耐磨損的鍍鉻環(huán) ，油環(huán)盡量選用組合環(huán) （形狀如圖8所示），除增強密封性 ，還加強了布油和刮油能力 ，減少燒排機油的現象。
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圖7 活塞環(huán)失效引起的故障現象 |
圖8 活塞油環(huán)斷面形狀 |
2、活塞環(huán)裝配方法的改進(jìn)
活塞環(huán)在安裝時(shí)，必須使用專(zhuān)業(yè)工具（如圖9所示）。應注意其安裝方向，環(huán)開(kāi)口方向印有標記（圓點(diǎn)、字母）的方向，裝配時(shí)此環(huán)面朝上（活塞頂部）方向，如圖10所示。
（1）氣環(huán)安裝
在實(shí)際操作 ，將三道氣環(huán)的開(kāi)口呈 180°安裝 ，使第一道環(huán)口與第三道環(huán)口在同一直線(xiàn)上 ，但三道氣環(huán)開(kāi)口位置都與活塞銷(xiāo)垂直。由于第二道氣環(huán)的密封作用 ，不會(huì )使第一道氣環(huán)口進(jìn)入的氣體直接進(jìn)入到第三道氣環(huán)口處 ，這就是活塞環(huán)口呈 180°安裝的優(yōu)點(diǎn)。
（2）油環(huán)安裝
同樣的道理 ，在安裝油環(huán)時(shí)也是遵循這一原理 ， 可有效地防止缸壁上機油上竄 ，從而有效地避免柴油發(fā)電機燒排機油的現象。
根據這個(gè)活塞班安裝方法的改進(jìn) ，在修理過(guò)程中 ，通過(guò)對比試驗 ，柴油發(fā)電機連續工作 1500～2000h 沒(méi)有發(fā)現燒排機油的現象 ，可使活塞環(huán)的使用壽命提高 2～3 倍 ，效果是很理想的。
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圖9 活塞環(huán)安裝示意圖 |
圖10 活塞環(huán)的安裝方向 |
總結：
汽缸活塞組由于磨損引起的一些故障，在不解體條件下是很難進(jìn)行直接檢測的，通常做法是采用一些診斷指標，通過(guò)相應的診斷方法來(lái)判斷其技術(shù)狀況的變化。主要評價(jià)指標有通過(guò)異響來(lái)判斷汽缸活塞組磨損過(guò)大而引起的聲響指標、反映汽缸密封性的汽缸壓縮壓力、曲軸箱竄氣量、汽缸漏氣率、進(jìn)氣管真空度及分析曲軸箱內潤滑油中金屬顆粒的含量等。其中對發(fā)動(dòng)機汽缸壓力的測量和分析是最基本的手段之一，從汽缸壓力的分析中幾乎可得到有關(guān)汽缸活塞組磨損的全部信息。
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