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活塞環(huán)斷裂影響因素、參數(shù)要求和預(yù)防措施
發(fā)布時(shí)間:2022-02-04 17:23:59  ▏閱讀:

 

故障檢修與技術(shù)維護(hù)

活塞環(huán)參數(shù)要求、斷裂原因和預(yù)防措施

 

摘要:柴油機(jī)活塞環(huán)斷裂是在柴油機(jī)運(yùn)行中存在的一個(gè)常見(jiàn)故障,其影響了柴油機(jī)的正常運(yùn)行和使用壽命。而活塞環(huán)的斷裂又有多種原因,包括材料質(zhì)量不合格、安裝不當(dāng)、潤(rùn)滑不良、滲油、過(guò)度磨損和溫度過(guò)高等因素。為了預(yù)防柴油機(jī)活塞環(huán)的斷裂,可以采取一系列的預(yù)防措施,包括選擇優(yōu)質(zhì)材料、嚴(yán)格控制安裝質(zhì)量、加強(qiáng)潤(rùn)滑管理、提高密封性、合理安排工作時(shí)間和控制溫度等方面的措施。只有加強(qiáng)對(duì)活塞環(huán)的管理和維護(hù),才能更好地提高柴油機(jī)的可靠性和使用壽命。

 

一、活塞環(huán)相關(guān)參數(shù)及性能

 

      活塞環(huán)是活塞與缸體之間的密封件,它的尺寸和質(zhì)量直接影響整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和壽命。目前國(guó)內(nèi)常用的活塞環(huán)標(biāo)準(zhǔn)主要有qc/t 39-1992和qc/t 275-2008兩種。qc/t 39-1992標(biāo)準(zhǔn)適用于鑄鐵活塞環(huán),包括防滑環(huán)、斜面環(huán)、標(biāo)準(zhǔn)矩形環(huán)和特殊矩形環(huán)等。

1、彈力

      彈力活塞環(huán)實(shí)現(xiàn)自張并建立密封面的關(guān)鍵參數(shù)。

(1)彈力過(guò)小則密封面不易建立,壓縮氣體、高溫燃?xì)庖仔孤┰斐烧麢C(jī)功率下降;另一方面,彈力過(guò)小還會(huì)造成機(jī)油上竄,導(dǎo)致較高的機(jī)油消耗。

(2)彈力過(guò)大易導(dǎo)致摩擦面機(jī)油過(guò)少,油膜厚度過(guò)小,甚至油膜破裂,導(dǎo)致磨損加劇;另一方面,彈力過(guò)大其摩擦功損耗大,導(dǎo)致整機(jī)功率下降。

(3)活塞環(huán)彈力有徑向和切向彈力兩種,二者互為關(guān)聯(lián),且一一對(duì)應(yīng)。

2、閉口間隙

       閉口間隙活塞環(huán)在名義缸徑中兩開(kāi)口端之間的距離。

(1)在考慮熱膨脹因素基礎(chǔ)上,較小的閉口間隙有利于密封氣體和降低機(jī)油消耗;

(2)閉口間隙過(guò)小將導(dǎo)致環(huán)卡死而失去功效;閉口間隙過(guò)大將導(dǎo)致較大的氣體泄漏和機(jī)油消耗。

 

活塞環(huán)彈力示意圖.png

圖1  活塞環(huán)彈力示意圖

活塞環(huán)閉口間隙示意圖.png

圖2  活塞環(huán)閉口間隙示意圖

 

3、自由開(kāi)口

      自由開(kāi)口是活塞環(huán)自由狀態(tài)下開(kāi)口兩端間的距離。

(1)自由開(kāi)口過(guò)小,其安裝應(yīng)力大,不利于活塞環(huán)安裝。

(2)自由開(kāi)口過(guò)大,其工作應(yīng)力大,不利于活塞環(huán)工作。

4、環(huán)高

(1)較大的環(huán)高其剛性好,但慣性力大,但不利于實(shí)現(xiàn)環(huán)的理想運(yùn)動(dòng)。

(2)較小的環(huán)高慣性力小,但其剛性較差。

(3)環(huán)高偏大則其側(cè)隙小,因熱膨脹或積碳作用,易造成環(huán)卡死而失去功效;環(huán)高偏小則其側(cè)隙大,易造成氣體泄漏和機(jī)油上竄。

5、徑向厚度

(1)徑向厚度過(guò)大,背隙變小,環(huán)作徑向振動(dòng)時(shí)易與活塞槽干涉,同時(shí)環(huán)體柔性下降,對(duì)缸套的順應(yīng)性降低。

(2)徑向厚度過(guò)小,背隙增大,泄漏通道面積增大,密封性能降低,同時(shí)熱流通道面積變小,不利于熱傳導(dǎo)。

 

活塞環(huán)自由開(kāi)口間隙示意圖.png

圖3  活塞環(huán)自由開(kāi)口間隙示意圖

活塞環(huán)環(huán)高和徑向厚度尺寸示意圖.png

圖4  活塞環(huán)環(huán)高和徑向厚度尺寸示意圖

 

6、錐度

(1)環(huán)外圓與氣缸線(xiàn)接觸,接觸壓力大,有利于初期磨合,由于錐角的存在,上行時(shí)有利于布油,下行時(shí)有利于刮油。

(2)錐度過(guò)大,接觸壓力過(guò)高,其磨損加快。另一方面背壓作用變小,不利于密封。

(3)錐度過(guò)小,接近于矩形環(huán),起不到錐面環(huán)應(yīng)有的作用。

7、桶面度

      桶面度是指在軸向一定測(cè)量范圍內(nèi),環(huán)外圓最高點(diǎn)至最低點(diǎn)之間的徑向距離。

(1)桶面環(huán)外圓與缸套內(nèi)圓呈線(xiàn)接觸狀態(tài),接觸壓力高,密封能力強(qiáng),并可加快初期磨合,以及適應(yīng)活塞的擺動(dòng)。

(2)桶面形狀有利于形成油楔,大大提高了潤(rùn)滑性能。

(3)桶面度過(guò)小則接近于矩形環(huán),起不到桶面環(huán)應(yīng)有的作用。

(4)桶面度過(guò)大則不易形成油楔潤(rùn)滑,并導(dǎo)致向上刮油,加大機(jī)油消耗。

 

活塞環(huán)斷面錐度示意圖.png

圖5  活塞環(huán)斷面錐度示意圖

活塞環(huán)斷面桶面度示意圖.png

圖6  活塞環(huán)斷面桶面度示意圖

 

二、活塞環(huán)斷裂原因

 

    柴油發(fā)電機(jī)上活塞環(huán)在工作中因多種原因而損壞,最常見(jiàn)的損壞除磨損外,斷裂是常見(jiàn)損壞形式。造成活塞環(huán)斷裂的原因可歸納為:使用不當(dāng),活塞、缸套、連桿的影響,材料問(wèn)題和制造質(zhì)量問(wèn)題等。但更重要的是活塞環(huán)的選配與安裝不當(dāng),破壞了活塞環(huán)良好的工作條件而使活塞環(huán)斷裂。

1、活塞環(huán)材質(zhì)問(wèn)題

      正品件出現(xiàn)這種可能性極小,通常由于副產(chǎn)件(也就是假冒偽劣產(chǎn)品)導(dǎo)致。

(1)材質(zhì)差

      康明斯活塞環(huán)材質(zhì)不符合要求,抗彎強(qiáng)度差。活塞環(huán)的材料經(jīng)歷了普通灰鑄鐵、高合金鑄鐵、球墨鑄鐵到鋼質(zhì)的發(fā)展過(guò)程。若某種成分超標(biāo)(特別是硫)會(huì)導(dǎo)致活塞環(huán)抗彎強(qiáng)度差,容易斷裂。環(huán)表面處理層過(guò)厚,抗疲勞性差,也容易斷裂。

① 合金鑄鐵式活塞環(huán)

       金相組織結(jié)構(gòu)如圖7所示。鑄鐵加入鎢、釩、鈦或鉻、銅等合金成份,提高了材料的機(jī)械性能和耐磨性,同時(shí),合金鑄鐵中的片狀石墨類(lèi)似于固體潤(rùn)滑劑,抗拉缸能力強(qiáng)。

② 多元合金鑄鐵式活塞環(huán)

      金相組織結(jié)構(gòu)如圖8所示。鑄鐵加入鎢、鎳、鉬、鉻等十幾種合金元素,大大提高了材料的耐磨性和機(jī)械性能。

③ 球墨鑄鐵式活塞環(huán)

      金相組織結(jié)構(gòu)如圖9所示。鑄鐵中的石墨呈球狀,材料的機(jī)械性能,如彈性模量、抗彎強(qiáng)度得到較大提高。

④ 鋼質(zhì)式活塞環(huán)

      金相組織結(jié)構(gòu)如圖10所示。具有很高的彈性模量和抗彎強(qiáng)度,對(duì)其表面進(jìn)行鍍鉻、噴鉬、氮化等處理,其耐磨性得到大幅度提高。

(2)制造問(wèn)題

      康明斯活塞環(huán)制造質(zhì)量問(wèn)題,主要是硬度、韌性和彈力不合適。這些都是導(dǎo)致活塞環(huán)易斷的重要原因。當(dāng)然還有活塞環(huán)高度的一致性掌握不嚴(yán)格或裝入缸套后圓度、平面度、環(huán)的尺寸公差、形狀公差掌握不嚴(yán)格等也會(huì)導(dǎo)致活塞環(huán)斷裂。根據(jù)維修人員的統(tǒng)計(jì),因忽視活塞環(huán)的正確選配、安裝造成斷裂的約占1/3多。因而注意活塞環(huán)的正確選配與安裝是減少活塞環(huán)斷裂、提高其使用壽命的重要環(huán)節(jié)。

 

合金鑄鐵活塞環(huán)材料金相組織示意圖.png

圖7  合金鑄鐵活塞環(huán)金相組織

多元合金鑄鐵活塞環(huán)材料金相組織示意圖.png

圖8  多元合金鑄鐵活塞環(huán)金相組織

球墨鑄鐵活塞環(huán)材料金相組織示意圖.png

圖9  球墨鑄鐵活塞環(huán)金相組織

鋼質(zhì)活塞環(huán)材料金相組織示意圖.png

圖10  鋼質(zhì)活塞環(huán)金相組織

 

2、人為因素影響

      柴油發(fā)電機(jī)的使用因素造成活塞環(huán)的斷裂是多方面的,分析起來(lái)主要有以下幾點(diǎn):

① 柴油發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期超轉(zhuǎn)速、超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn),會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱而導(dǎo)致機(jī)油潤(rùn)滑不良、活塞環(huán)槽積碳嚴(yán)重而造成活塞環(huán)早期磨損、卡滯而斷裂。

② 柴油發(fā)電機(jī)各缸供油量和供油時(shí)間不均勻,將會(huì)使部分汽缸燃燒過(guò)程惡化,形成積碳或嚴(yán)重的后燃,造成活塞頂溫度過(guò)高,導(dǎo)致活塞環(huán)受熱負(fù)荷的影響而發(fā)生熱疲勞斷裂。

 活塞環(huán)槽上積碳太多,發(fā)動(dòng)機(jī)修理時(shí)對(duì)活塞環(huán)槽中的積碳未徹底清理,活塞環(huán)放入環(huán)槽中發(fā)生扭曲,在工作過(guò)程中活塞環(huán)因受交變的扭曲載荷的作用而斷裂。

 裝配時(shí),活塞銷(xiāo)與銅套、連桿瓦與軸頸的徑向配合間隙不符合要求,配合間隙過(guò)大或使用中的磨損導(dǎo)致此間隙過(guò)大,使活塞環(huán)工作中受到?jīng)_擊振動(dòng)而使活塞環(huán)斷裂。

 活塞環(huán)裝配到汽缸環(huán)槽中是要留有一定的開(kāi)口間隙,為的是消除工作中活塞環(huán)的受熱膨脹,如果此間隙留得過(guò)小,活塞環(huán)受熱易發(fā)生頂死,導(dǎo)致環(huán)在開(kāi)口部位的對(duì)側(cè)斷裂。

3、活塞連桿組的影響

(1)活塞的影響。

      活塞對(duì)活塞環(huán)斷裂影響最大的是環(huán)槽的形狀、尺寸。在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)以下情況:

① 活塞環(huán)安裝于活塞環(huán)槽中,活塞環(huán)既隨活塞沿汽缸壁作上下運(yùn)動(dòng),又相對(duì)于活塞環(huán)槽作扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),長(zhǎng)期工作后,活塞環(huán)槽易被磨損呈喇叭形,使活塞環(huán)工作時(shí)彎曲、扭轉(zhuǎn)變形增大而發(fā)生斷裂。

② 活塞環(huán)與活塞環(huán)槽端面留有一定的端間隙,防止活塞環(huán)受熱膨脹卡死在環(huán)槽中,但如果這個(gè)間隙過(guò)大,會(huì)加劇活塞環(huán)在環(huán)槽內(nèi)的振動(dòng),這樣既不利于密封氣體,又有可能由于振動(dòng)而使環(huán)疲勞斷裂。

(2)缸套的影響。

       缸套造成活塞環(huán)斷裂的因素是安裝中的歪斜,造成磨損不均勻。有以下幾種情況:

① 由于曲軸安裝座孔同軸度超差、主軸瓦配合間隙不合要求、曲軸彎曲變形等,導(dǎo)致汽缸套中心線(xiàn)與曲軸中心線(xiàn)不垂直,導(dǎo)致活塞在汽缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)向一側(cè)傾斜,導(dǎo)致活塞環(huán)在汽缸內(nèi)受力不均,而產(chǎn)生疲勞斷裂。

② 汽缸套使用一定時(shí)間后,因磨損而產(chǎn)生變形,造成活塞環(huán)在缸套中上下運(yùn)動(dòng)時(shí),受不規(guī)則力作用產(chǎn)生疲勞斷裂。

③ 缸套使用一定時(shí)間后,缸套上部會(huì)因積碳結(jié)成一圈凸緣,或缸套上部由于磨損而形成臺(tái)階時(shí),在發(fā)動(dòng)機(jī)大修時(shí)沒(méi)有消除這種臺(tái)階,工作中活塞環(huán)與此臺(tái)階接觸會(huì)受到?jīng)_擊而引起斷裂。

(3)連桿的影響。

      造成活塞環(huán)斷裂的連桿因素是連桿的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。由于連桿變形破壞了活塞在汽缸中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,從而導(dǎo)致活塞環(huán)受到過(guò)大沖擊而斷裂。

 

三、活塞環(huán)預(yù)防措施

 

1、選擇優(yōu)質(zhì)材料

       在選用活塞環(huán)時(shí),應(yīng)該選擇質(zhì)量良好的材料,確?;钊h(huán)能夠在高溫高壓下具有良好的抗磨損和抗疲勞性能。

2、嚴(yán)格控制安裝質(zhì)量

       以上分析了活塞環(huán)的斷裂是由多方面因素引起的,其中重要的一點(diǎn)是活塞環(huán)的選配和安裝不正確。在安裝活塞環(huán)時(shí),應(yīng)該嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行,杜絕安裝不當(dāng)?shù)默F(xiàn)象,確?;钊h(huán)的安裝質(zhì)量。安裝活塞環(huán)時(shí)要注意以下事項(xiàng):

(1)大修更換活塞環(huán)時(shí),要一組一組更換,不能只更換其中幾只。

(2)安裝前應(yīng)仔細(xì)檢查活塞、缸套、活塞環(huán)等相關(guān)部件的精度,清除活塞環(huán)槽中的積碳,消除汽缸套的積碳或磨損臺(tái)階,活塞環(huán)放入汽缸和活塞環(huán)槽中的端間隙、側(cè)間隙、背間隙等指標(biāo)要符合要求。

(3)安裝活塞環(huán)要使用專(zhuān)用安裝卡鉗、錐度套等工具,以免造成活塞環(huán)的扭曲變形,如圖11所示。

(4)每個(gè)活塞環(huán)的開(kāi)口都不得與活塞銷(xiāo)或任何其他活塞環(huán)的開(kāi)口對(duì)齊。 如果活塞環(huán)的開(kāi)口定位不正確,活塞環(huán)就不能正確密封。

(5)安裝活塞環(huán)時(shí),將連桿放在臺(tái)鉗上使總成保持在水平位置,如圖12所示。

(6)安裝控油環(huán)時(shí),必須使脹環(huán)的開(kāi)口與控油環(huán)的開(kāi)口成 180°。不要重疊襯環(huán)的兩端。如圖13所示。

(7)安裝活塞環(huán)時(shí),“TOP”標(biāo)記應(yīng)朝向活塞頂部,如圖14所示。為確保正確安裝,活塞環(huán)上標(biāo)記了頂部方向??赜铜h(huán)為對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì),可以安裝在兩者中任一方向。

3、加強(qiáng)潤(rùn)滑管理

      柴油機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)應(yīng)該進(jìn)行定期維護(hù)和保養(yǎng),確保潤(rùn)滑油質(zhì)量良好,潤(rùn)滑油供應(yīng)充足,加強(qiáng)對(duì)潤(rùn)滑管理的重視。

4、提高密封性

      柴油機(jī)的密封性對(duì)于活塞環(huán)的保護(hù)非常重要,要加強(qiáng)對(duì)柴油機(jī)密封性的檢查和維護(hù),杜絕潤(rùn)滑油滲漏的現(xiàn)象。

5、合理安排工作時(shí)間

      要根據(jù)柴油機(jī)的工作條件和要求,合理安排工作時(shí)間,避免過(guò)度磨損活塞環(huán)。

6、控制溫度

      柴油機(jī)在工作時(shí)要注意控制溫度,防止溫度過(guò)高導(dǎo)致活塞環(huán)材料的塑性變形和蠕變現(xiàn)象。

 

活塞環(huán)安裝專(zhuān)用工具.png

圖11  活塞環(huán)安裝專(zhuān)用工具

柴油機(jī)活塞與連桿組裝示意圖.png

圖12  柴油機(jī)活塞與連桿組裝示意圖

柴油機(jī)活塞控油環(huán)的截面圖.png

圖13  柴油機(jī)活塞控油環(huán)的截面圖

柴油機(jī)活塞環(huán)安裝標(biāo)記.png

圖14  柴油機(jī)活塞環(huán)安裝標(biāo)記

 

總結(jié):

      柴油發(fā)電機(jī)上的活塞環(huán)是一種極為重要的零件,它不僅阻止高溫燃燒氣體的下竄,保證柴油發(fā)電機(jī)一定的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性,防止?jié)櫥偷淖冑|(zhì),而且還能阻止?jié)櫥蜕细Z,刮掉缸壁上多余的潤(rùn)滑油,保證活塞與缸壁有良好的潤(rùn)滑條件,減少機(jī)油的消耗。活塞環(huán)又是活塞頂熱量傳遞的重要零件,對(duì)維持活塞頂必要的工作溫度,防止活塞頂過(guò)熱損壞起著關(guān)鍵性作用。活塞環(huán)斷裂是柴油發(fā)電機(jī)常見(jiàn)故障之一,其主要原因是活塞環(huán)的選配與安裝不當(dāng),破壞了活塞環(huán)良好的工作條件而使活塞環(huán)斷裂。當(dāng)然造成活塞環(huán)斷裂還有其他很多原因,以上所述就是康明斯公司講述的活塞環(huán)斷裂的常見(jiàn)原因解析及其預(yù)防措施內(nèi)容。


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