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活塞環(huán)類別、布置、結(jié)構(gòu)尺寸和形狀設(shè)計(jì)
發(fā)布時間:2023-12-23 19:04:53  ▏閱讀:

 

性能特點(diǎn)和作用說明

康明斯柴油機(jī)活塞環(huán)的介紹說明

 

摘要:活塞環(huán)是柴油發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件,康明斯大部分柴油發(fā)電機(jī)活塞環(huán)是具有三道氣環(huán)和一道油環(huán)。活塞環(huán)是布置在汽缸壁和活塞之間的金屬密封件,用于從曲柄箱密封燃燒室,并便于從活塞到汽缸的熱傳遞?;钊h(huán)的其它功能是用來防止?jié)櫥恍枰挠蛷那湟苿拥饺紵也⒃谄卓妆砻嫔咸峁┚鶆虻娜加湍ぁ榇?,活塞環(huán)必須保持接觸汽缸和活塞。徑向接觸通常通過活塞環(huán)的固有彈簧力實(shí)現(xiàn)?;钊h(huán)還被用作旋轉(zhuǎn)軸的金屬密封件,并還用作收縮和膨脹密封件?;钊h(huán)的密封性能對柴油發(fā)電機(jī)的工作效率、排放性能和壽命都有著重要的影響。

 

一、活塞環(huán)類別和布置

 

      活塞環(huán)分為氣環(huán)和油環(huán),其中氣環(huán)用于對活塞和缸套之間進(jìn)行密封,防止燃燒室內(nèi)的高溫燃?xì)馔ㄟ^活塞和缸套之間的縫隙泄漏,使盡可能少的燃?xì)庑孤┲燎S箱內(nèi);油環(huán)用于對缸套上的潤滑油進(jìn)行刮擦控制,將多余的潤滑油刮到曲軸箱內(nèi),同時保證適量的潤滑油留在缸套內(nèi)表面,使其對缸套和氣環(huán)之間的相對滑動面進(jìn)行潤滑。

1、第一道氣環(huán)

      氣環(huán)通常設(shè)置多道,靠近燃燒室的第一道氣環(huán)的工作環(huán)境最為惡劣,因此將第一道氣環(huán)采用扭曲環(huán),使第一道氣環(huán)的外周壁與缸套良好接觸,在活塞上行時,第一道氣環(huán)外周壁上的最高點(diǎn)與缸套保持線性接觸,從而保證第一道氣環(huán)的密封效果,且在第一道氣環(huán)上行時起到良好的布油效果。但實(shí)際工作過程中,第一道氣環(huán)的周向變形不均勻,使活塞上安裝活塞環(huán)的環(huán)槽、活塞環(huán)底面以及活塞外圓面的磨損更加嚴(yán)重,尤其是第一道氣環(huán)的開口處,氣體壓力較高,活塞環(huán)的扭曲變形較大,特別是在發(fā)動機(jī)運(yùn)行時間接近大修壽命時,活塞環(huán)的頂面尖角極易與缸套內(nèi)表面接觸,造成活塞環(huán)上行時將缸套上的機(jī)油刮到燃燒室中,造成機(jī)油油耗增加,嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致活塞出現(xiàn)拉缸現(xiàn)象。

      康明斯柴油發(fā)電機(jī)第一道氣環(huán)由可鍛鑄鐵制成,斷面為梯形,與氣缸接觸的環(huán)表面為筒形并鍍鉻。這種環(huán)為筒面梯形環(huán),如圖1所示,其主要特點(diǎn)是活塞環(huán)的外圈表面制成凸圓弧形。運(yùn)轉(zhuǎn)良好的活塞環(huán),使用后的環(huán)周表面多呈現(xiàn)圓弧形,所以新環(huán)也可加工成這樣的形狀。筒面梯形環(huán)的優(yōu)點(diǎn)是:當(dāng)活塞上下運(yùn)行時都可以形成楔形油膜,保證良好的潤滑;環(huán)面和缸壁是圓弧接觸,能很好地適應(yīng)活塞擺動;環(huán)與氣缸接觸面極小,有利于密封;工作時環(huán)隙變化,環(huán)與環(huán)槽的相對運(yùn)動可防止環(huán)積炭結(jié)膠,密封性好 ,耐磨,壽命長。

2、第二道氣環(huán)

      康明斯柴油發(fā)電機(jī)第二道氣環(huán)由球墨鑄鐵制成,斷面為梯形扭曲面,環(huán)外表面有2°錐角,。 這種環(huán)工作時扭曲,扭曲后環(huán)與環(huán)槽上下側(cè)面為線接觸。其特點(diǎn)是,密封性好,并可減輕對環(huán)槽的沖擊;環(huán)扭曲后,以底棱邊和缸壁接觸,再加上環(huán)外面呈錐形,這就能改善磨合狀況并使活塞下行時刮油作用良好,活塞上行時易于在氣缸壁上行程油膜,從而提高其耐磨性。除此外,還具有上述梯形環(huán)的優(yōu)點(diǎn)。

3、第三道氣環(huán)

      康明斯柴油發(fā)電機(jī)第三道氣環(huán)的材料亦為球墨鑄鐵,斷面為梯形扭曲面,與港幣接觸面呈2°錐角。在安裝上述活塞環(huán)時,都需特別注意,切勿裝反,否則會引起機(jī)油消耗量劇增。氣環(huán)上標(biāo)有記號或“TOP”字樣的活塞環(huán),安裝時應(yīng)將記號或“TOP”的一面朝向活塞頂,不可裝反。

4、第四道環(huán)

      康明斯柴油發(fā)電機(jī)第四道環(huán)是油環(huán),為合金鑄鐵制成,兩面有較大的倒角,與缸壁相接觸的環(huán)外表面鍍鉻,在油環(huán)的內(nèi)面安裝有螺旋彈簧脹圈。這種環(huán)可提高環(huán)的徑向壓力,保證油環(huán)與氣缸壁之間均勻而穩(wěn)定的貼合,特別是當(dāng)環(huán)外圓磨損時,彈力不會急劇下降,所以加強(qiáng)了刮油的能力及工作耐久性。兩件組合或刮油環(huán)裝上后,脹圈的開口于油環(huán)的開口應(yīng)當(dāng)相隔180°。安裝活塞環(huán)時,各活塞環(huán)開口不得對準(zhǔn)活塞銷軸線方向,并且應(yīng)相互錯開。

      一般常見的油環(huán)均采用鋼帶組合式結(jié)構(gòu),如圖2所示,由上、下兩片刮片環(huán)及中置的襯環(huán)組成。刮片環(huán)和襯環(huán)為配合熱脹冷縮作用,均采用斷開式結(jié)構(gòu),其中襯環(huán)采用波形鋼結(jié)構(gòu),上下波紋的內(nèi)緣形成臺階狀的抵凸,刮片環(huán)內(nèi)緣與襯環(huán)抵凸相抵。當(dāng)油環(huán)卡入活塞油環(huán)槽,隨活塞放置入汽缸中后,襯環(huán)的波形結(jié)構(gòu)形成彈性形變,通過抵凸的支撐作用將刮片環(huán)緊抵在汽缸壁上。當(dāng)活塞向上運(yùn)動時,刮片環(huán)從下面帶油,潤滑汽缸壁;當(dāng)活塞為向下運(yùn)動時,刮片環(huán)將多余的油從汽缸壁刮下,襯環(huán)的波形結(jié)構(gòu)形成的通路可保障通油的順暢。

 

活塞環(huán)示意圖-康明斯柴油發(fā)電機(jī)組.png

圖1 活塞環(huán)的氣環(huán)示意圖

活塞環(huán)油環(huán)零件圖-康明斯柴油發(fā)年級組.png

圖2 活塞環(huán)的油環(huán)示意圖

 

二、活塞環(huán)的形狀設(shè)計(jì)

 

      活塞環(huán)的設(shè)計(jì)要素可以從材料、斷面形狀等方面來進(jìn)行分析、參數(shù)選擇、方案對比。

1、活塞環(huán)的斷面形狀

      活塞環(huán)斷面形狀的設(shè)計(jì)是活塞環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要組成部分?;钊h(huán)的斷面形狀應(yīng)能滿足密封性好、迅速磨合、刮油能力強(qiáng)的要求。斷面形狀設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)的簡單確定經(jīng)緯尺寸,發(fā)展到根據(jù)不同位置、不同環(huán)別以及該環(huán)所期望側(cè)重的功能等綜合選擇斷面形狀。氣環(huán)常用的主要斷面形狀有矩形、梯形、錐面形、扭曲形和桶面形等,如圖3所示。油環(huán)常用的主要斷面形狀有外階梯形、鼻形、內(nèi)撐彈簧形等?,F(xiàn)就內(nèi)撐彈簧組合油環(huán)體斷面有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)作一簡述。

(1)徑向厚度(環(huán)體徑向厚度)

      由于環(huán)體徑向厚度不受彈力的約束,為了減小環(huán)的安裝和工作應(yīng)力,并提高環(huán)的順應(yīng)性,徑向厚度取3~5mm為宜。

(2)刮油邊高度

      刮油邊高度定義是油環(huán)外圓面與缸壁接觸的軸向高度。當(dāng)平均徑向壓力確定后,刮油邊高度和切向彈力成正比,根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),環(huán)高<4mm刮油邊高度按0.5±0.1mm;環(huán)高>4mm,刮油邊高度按0.6±0.1mm為宜。

(3)集油槽深度和槽底壁厚

      為保證環(huán)體本身有足夠強(qiáng)度,又有足夠的存油,并滿足回油暢通的要求對集油槽深度和槽底壁厚有一定的設(shè)計(jì)范圍,根據(jù)環(huán)磨損達(dá)到最大允許值時,開口間隙允許增大2~2.5mm,則半徑方向的磨損量為0.30~0.40。據(jù)有關(guān)資料介紹,環(huán)磨損達(dá)到極限值時,油槽半徑方向最小間隙為0.20mm,因此,集油槽深度為0.7~0.8mm個別可達(dá)0.9mm,槽底壁厚一般按1.5~2mm設(shè)計(jì),具體尺寸由組合徑向厚度和彈簧外徑而定。

(4)回油孔高度和長度孔數(shù)

      回油孔高度理論上要求在滿足環(huán)的機(jī)械強(qiáng)度的基礎(chǔ)上,有足夠的機(jī)油通道即可,但還必須滿足工藝上的要求,一般選用0.8、1.0、1.2、1.5。孔數(shù)按GB/T1149.7—94規(guī)定選用或產(chǎn)品圖紙要求。

(5)內(nèi)槽圓弧半徑

      內(nèi)槽圓弧半徑一般比內(nèi)撐體外徑大0.1~0.15mm,圓弧形狀為U形。

2、活塞環(huán)的切口形狀

      活塞環(huán)的切口形狀主要有三種:直切口、斜切口和搭疊式切口,如圖4所示。活塞環(huán)安裝時應(yīng)使各種切口相互錯開以減少漏氣量。

(1)直切口

      直切口圖4(a)所示,加工簡單,得到廣泛應(yīng)用。

(2)斜切口

      斜切口圖4(b)所示,與直切口相比,其實(shí)際間隙比較小,這樣氣體泄漏通道也相應(yīng)變小了。切口斜角一般在30º~60º之間,通常以45º居多,也得到廣泛應(yīng)用。

(3)階梯形切口

     階梯形切口 圖4(c)所示,階梯形切口的密封性好,但工藝性較差;

(3)帶防轉(zhuǎn)銷釘槽的切口

      如圖4(d)所示,是活塞環(huán)的帶防轉(zhuǎn)銷釘槽的切口示意圖。壓配在活塞環(huán)槽中的銷釘,是用來防止活塞環(huán)在工作中繞活塞中心線轉(zhuǎn)動的。

 

活塞環(huán)的斷面形狀示意圖.png

圖3  活塞環(huán)的斷面形狀示意圖

活塞環(huán)的切口形狀示意圖.png

圖4  活塞環(huán)的切口形狀示意圖

 

三、活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)尺寸

 

1、徑向厚度

      徑向厚度指環(huán)內(nèi)、外圓之間的徑向距離。一般由缸徑和活塞環(huán)槽底深度而定,此參數(shù)的大小直接影響活塞環(huán)的彈力、應(yīng)力以及柴油機(jī)的性能??偟恼f徑向厚度α小,則平均彈力就小,散熱比較困難,顯然對高速發(fā)動機(jī)是不利的。近來,隨發(fā)動機(jī)的高速化,環(huán)的徑向厚度趨向于加大,對改善活塞傳熱,提高環(huán)的彈力、剛度是有利的,但若徑向厚度過大,工作和安裝時應(yīng)力大,易折斷,同時對氣缸橫向變形的適應(yīng)性較差。因此規(guī)定缸徑d與徑向厚度α的比值應(yīng)在一定的范圍內(nèi),一般d/α=22~28,曲線如圖5所示。

2、環(huán)高

      環(huán)高是環(huán)兩端面沿其軸線方向的最大公稱尺寸?;钊h(huán)的高度不宜過高,原因如下:

(1)能較好地適應(yīng)氣缸的不均勻磨損和變形,可以避免棱緣集中負(fù)荷,從而提高環(huán)的抗粘著能力;

(2)使活塞組往復(fù)質(zhì)量和結(jié)構(gòu)尺寸減少,活塞環(huán)槽磨損減少;

(3)使環(huán)背和環(huán)槽間的空間變小,環(huán)背壓力容易建立起來,提高了二次密封效能;

(4)發(fā)動機(jī)摩擦功率損失小,氣缸套的磨損將顯著下降;

(5)磨合快。

      事物都是一分為二。環(huán)高過小,將使活塞工作穩(wěn)定性變差,從而可能引起活塞環(huán)與氣缸壁之間表面接觸應(yīng)力集中,破壞缸壁油膜導(dǎo)致拉缸的可能。還可能導(dǎo)致磨料磨損增加(見圖6)易于折斷、散熱能力差等。這些都是要在設(shè)計(jì)時加以權(quán)衡的。但是,對于高速發(fā)動機(jī)而言,減少環(huán)高是活塞環(huán)發(fā)展的總趨勢,存在問題可以從材料及表面處理,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面努力克服的。對于小功率柴油機(jī),一般氣環(huán)環(huán)高h(yuǎn)=2~4mm,近來還出現(xiàn)環(huán)高h(yuǎn)=1.5mm的實(shí)例。


柴油機(jī)活塞環(huán)變化曲線.png

圖5  柴油機(jī)活塞環(huán)變化曲線

活塞環(huán)高度和開口間隙關(guān)系曲線.png

圖6  活塞環(huán)高度和開口間隙關(guān)系曲線

 

總結(jié):

      活塞環(huán)是一種安裝在活塞上的環(huán)形零件,其作用是密封活塞與氣缸之間的間隙,防止燃燒室內(nèi)的燃?xì)夂蜐櫥瓦M(jìn)入活塞與氣缸之間,同時還能防止氣缸內(nèi)的壓縮空氣和爆炸產(chǎn)生的高溫燃?xì)庑孤┑角S箱中。綜上所述,活塞環(huán)作為一種密封件,在柴油機(jī)中起著密封和導(dǎo)熱作用。它的密封性能能夠減少氣缸和活塞之間的泄漏,提高發(fā)動機(jī)的壓縮比;導(dǎo)熱作用能夠減少活塞的熱負(fù)荷,降低溫度和摩擦;同時還能夠保護(hù)活塞和氣缸壁,延長發(fā)動機(jī)的壽命。因此,康明斯活塞環(huán)在柴油發(fā)電機(jī)中扮演著不可或缺的重要角色。


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