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活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、位置布局和質(zhì)量選配方法
發(fā)布時(shí)間:2022-06-19 16:28:03  ▏閱讀:

 

新聞主題

活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、位置布局和質(zhì)量選配方法

 

摘要:活塞環(huán)的密封作用能夠減少氣缸和活塞之間的熱量傳輸,提高柴油機(jī)的熱效率。在活塞的工作過程中,燃燒室內(nèi)的高溫氣體會(huì)通過活塞向氣缸壁傳遞熱能,導(dǎo)致活塞和氣缸壁的溫度升高。而活塞環(huán)能夠作為熱傳導(dǎo)路徑的一部分,將部分熱量傳遞到氣缸壁,從而減少活塞的熱量負(fù)荷,降低活塞的溫度。這樣不僅可以減少活塞的熱脹冷縮,提高密封性能,還能夠降低活塞的摩擦和磨損,延長(zhǎng)活塞環(huán)的使用壽命。為了改善柴油發(fā)電機(jī)活塞環(huán)的工作條件,使活塞環(huán)與汽缸更好地走合,有些活塞環(huán)采用了不同的斷面,在安裝時(shí)要特別注意?;钊h(huán)與活塞一樣,分標(biāo)準(zhǔn)尺寸和加大尺寸的,在選用時(shí)環(huán)的尺寸級(jí)別應(yīng)與活塞的尺寸級(jí)別一致。

 

一、活塞環(huán)的設(shè)計(jì)原則

 

1、活塞環(huán)設(shè)計(jì)要求

      根據(jù)活塞環(huán)的作用和工作條件,活塞環(huán)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下要求:

(1)有適當(dāng)?shù)膹椓?,以利初始密封?/span>

(2)有較高的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性好;

(3)易磨合且有足夠的耐磨性和抗結(jié)膠能力;

(4)加工工藝簡(jiǎn)單,成本低廉。

       活塞環(huán)設(shè)計(jì)采用彈性彎曲理論,綜合考慮環(huán)裝入活塞的張開應(yīng)力和環(huán)在氣缸中的工作應(yīng)力。根據(jù)這些應(yīng)力的最佳比例和環(huán)材料的強(qiáng)度和彈性模量,實(shí)際環(huán)的自由狀態(tài)開口距離為2.5~3.5倍的環(huán)徑向厚度,環(huán)直徑/徑向厚度之比在22~34之間。

2、油環(huán)的設(shè)計(jì)

      氣環(huán)的設(shè)計(jì)原則,對(duì)于油環(huán)完全適用。設(shè)置油環(huán)的作用就是刮下缸壁上多余的機(jī)油,使缸壁上留下一層均勻分布的機(jī)油油膜,保證機(jī)器可靠工作。設(shè)計(jì)油環(huán)時(shí)應(yīng)考慮到消除活塞環(huán)的“泵油作用”,主要措施是:

(1)減少油環(huán)和活塞環(huán)槽之間的端面間隙,使泵入活塞環(huán)和環(huán)槽空間的機(jī)油量減至最少,一般油環(huán)端面間隙為第一道氣環(huán)端面間隙的1/3~1/2。

(2)油環(huán)對(duì)缸壁的徑向壓力應(yīng)比氣環(huán)要高,一般為0.3~0.4MPa甚至更高。這是因?yàn)橛铜h(huán)基本上沒有環(huán)背壓力幫助密封,它的密封材料性能靠自身彈力的作用,這在設(shè)計(jì)和制造時(shí)要加以考慮。

(3)油環(huán)上開有回油孔,所以油環(huán)高度比氣環(huán)要高。

(4)油環(huán)和環(huán)槽各部分配合間隙,都比氣環(huán)要小。

(5)油環(huán)的數(shù)目為1~2個(gè),對(duì)高速?gòu)?qiáng)化柴油機(jī)現(xiàn)大都采用一道油環(huán)。

(6)回油通路應(yīng)有足夠的流通面積,回油孔面積通常要求每厘米環(huán)周長(zhǎng)不小于0.2㎝。

(7)油道應(yīng)光滑以保證回油暢通。例如在油孔或油槽處涂復(fù)聚四氟乙烯,這種材料摩擦系數(shù)小,附著雜質(zhì)能力低,可避免雜質(zhì)堵塞油道。

 

二、活塞環(huán)類型與形狀

 

1、活塞環(huán)布置方式

      活塞環(huán)通常由鋼材制成,具有高強(qiáng)度和耐磨損的特點(diǎn)。活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)包括上環(huán)、中環(huán)和下環(huán),它們分別安裝在活塞環(huán)槽的不同位置。上環(huán)位于活塞環(huán)槽的最上方,中環(huán)位于上環(huán)和下環(huán)之間,下環(huán)位于活塞環(huán)槽的最下方?;钊h(huán)布置方式如圖1所示。

(1)上環(huán)

      上環(huán)是活塞環(huán)中最重要的環(huán)之一,它負(fù)責(zé)密封燃燒室和氣缸之間的空間,防止燃?xì)庑孤?。上環(huán)的內(nèi)側(cè)與活塞接觸,外側(cè)與氣缸壁接觸,通過與氣缸壁之間的摩擦力來實(shí)現(xiàn)密封作用。上環(huán)的設(shè)計(jì)通常采用多個(gè)溝槽和孔,以增加其密封性能。

(2)中環(huán)

       中環(huán)位于活塞環(huán)的中間位置,起到輔助密封的作用。它的設(shè)計(jì)與上環(huán)類似,但尺寸較小。中環(huán)的主要功能是減少上環(huán)與下環(huán)之間的油膜厚度,提高密封性能。同時(shí),中環(huán)還能夠防止活塞與氣缸之間的直接接觸,減少摩擦和磨損。

(3)下環(huán)

      下環(huán)位于活塞環(huán)槽的最下方,主要負(fù)責(zé)潤(rùn)滑和密封。下環(huán)通常具有較大的溝槽和孔,以便吸收和儲(chǔ)存潤(rùn)滑油。下環(huán)與活塞環(huán)槽之間的空隙可以通過潤(rùn)滑油來保持潤(rùn)滑,減少摩擦。下環(huán)的設(shè)計(jì)還需要考慮到其與上環(huán)和中環(huán)之間的協(xié)調(diào)配合,以確保整個(gè)活塞環(huán)的密封性能。

      除了上環(huán)、中環(huán)和下環(huán)之外,活塞環(huán)還包括側(cè)向密封環(huán)和油控環(huán)。側(cè)向密封環(huán)位于活塞環(huán)的兩側(cè),用于密封活塞與氣缸之間的側(cè)向空隙。油控環(huán)位于上環(huán)和中環(huán)之間,用于控制潤(rùn)滑油的供給和排出,以保持正常的潤(rùn)滑和密封效果。

2、活塞環(huán)形狀

(1)矩形氣環(huán)

      氣環(huán)的基本斷面形狀是矩形,如圖2所示。矩形環(huán)易于制造,應(yīng)用廣泛,但其磨合性比較差,不能滿足柴油機(jī)日益強(qiáng)化的要求。這種普通的壓縮環(huán)可隨意安裝在氣環(huán)槽內(nèi)。

(2)錐面氣環(huán)

      錐面環(huán)結(jié)構(gòu)如圖3所示。這種環(huán)的工作表面制成0.5°~0.8°的錐角,使環(huán)的工作表面與缸壁的接觸面減小,可以較快地磨合。錐角還兼有刮油的作用。但錐面環(huán)的磨損較快,影響使用壽命。安裝時(shí)有棱角的一面朝下。

(3)扭曲氣環(huán)

      扭曲環(huán)結(jié)構(gòu)如圖4所示。扭曲環(huán)的內(nèi)圓上邊緣或外圓下邊緣切去一部分,形成臺(tái)階形斷面。這種斷面內(nèi)外不對(duì)稱,環(huán)裝人汽缸受到壓縮后,在不對(duì)稱內(nèi)力的作用下,產(chǎn)生明顯的斷面傾斜,使環(huán)的外表面形成上小下大的錐面。這就減小了環(huán)與缸壁的接觸面積,使環(huán)易于磨合,并具有向下刮油的作用。而且環(huán)的上下端面與環(huán)槽的上下端面在相應(yīng)的地方接觸,既增加密封性,又可防止活塞環(huán)在槽內(nèi)上下竄動(dòng)而造成泵油和磨損。這種環(huán)目前使用較廣泛。安裝扭曲環(huán)時(shí),必須注意其上下方向,不能裝反,內(nèi)切口要朝上,外切口要朝下。

(4)梯形氣環(huán)

      在一些熱負(fù)荷較大的柴油機(jī)上,為了提高氣環(huán)的抗結(jié)焦能力,常采用梯形環(huán),如圖5所示。這種環(huán)的端面與環(huán)槽的配合間隙隨活塞在側(cè)向力作用下作橫向擺動(dòng)而改變,能將環(huán)槽中的積炭擠碎,防止活塞環(huán)結(jié)膠卡住。這種環(huán)同普通氣環(huán)一樣可隨意安裝。

(5)桶面氣環(huán)

      桶面環(huán)結(jié)構(gòu)如圖6所示。它的工作表面呈凸圓弧形,其上下方向均與汽缸壁呈楔形,易于磨合,潤(rùn)滑性能好,密封性強(qiáng)。這種環(huán)已普遍用于強(qiáng)化柴油機(jī)上。這種環(huán)同普通的壓縮環(huán)一樣,可隨意安裝在氣環(huán)槽內(nèi)。

 

活塞環(huán)位置布置方式.png

圖1  活塞環(huán)位置布置方式

活塞環(huán)斷面矩形狀示例圖.png

圖2  活塞環(huán)斷面矩形狀示例圖

活塞環(huán)斷面錐形狀示例圖.png

圖3  活塞環(huán)斷面錐形狀示例圖

活塞環(huán)斷面扭曲形狀示例圖.png

圖4  活塞環(huán)斷面扭曲形狀示例圖

活塞環(huán)斷面梯形狀示例圖.png

圖5  活塞環(huán)斷面梯形狀示例圖

活塞環(huán)斷面桶面形狀示例圖.png

圖6  活塞環(huán)斷面桶面形狀示例圖

 

三、活塞環(huán)的質(zhì)量選配

 

      活塞環(huán)的選配以氣缸的修理尺寸為依據(jù),同一臺(tái)柴油機(jī)應(yīng)選用與氣缸和活塞修理尺寸等級(jí)相同的活塞環(huán)。為確?;钊h(huán)與活塞環(huán)槽、氣缸壁的良好配合,在選配活塞環(huán)時(shí),應(yīng)進(jìn)行活塞環(huán)的彈力檢驗(yàn)?;钊h(huán)的彈力是保證氣缸密封性的主要條件之一?;钊h(huán)的彈力是建立背壓的首要條件,也是保證氣缸密封性的必要條件。彈力過大使環(huán)的磨損加?。粡椓^弱, 氣缸密封性能變差,燃料消耗增加,積炭嚴(yán)重。

1、活塞環(huán)的彈力檢驗(yàn)

      檢驗(yàn)活塞環(huán)的彈力是指活塞環(huán)的端隙達(dá)到規(guī)定值時(shí)作用在活塞環(huán)上的徑向力?;钊h(huán)的彈力是建立背壓的首要條件,也是保證氣缸密封性的必要條件。彈力過大使環(huán)的磨損加劇;彈力過小,氣缸密封性變差,導(dǎo)致燃料和潤(rùn)滑油消耗增加,燃燒室積炭嚴(yán)重,柴油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性降低。

      活塞環(huán)的彈力檢驗(yàn)如圖7所示。檢驗(yàn)時(shí),把活塞環(huán)置于施壓架5和彈力檢驗(yàn)儀底座1之間,使活塞環(huán)的開口間隙放置在水平位置,沿秤桿移動(dòng)活動(dòng)量塊,使活塞環(huán)開口間隙壓縮至標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值,此時(shí),可由量塊在秤桿上的位置讀出作用于活塞環(huán)上的力,即為活塞環(huán)的彈力。彈力應(yīng)符合各機(jī)型的規(guī)定要求。

2、活塞環(huán)漏光的檢驗(yàn)

      活塞環(huán)漏光檢驗(yàn)旨在檢測(cè)活塞環(huán)外圓表面與氣缸壁的接觸與密封程度,其目的是避免漏光度過大使活塞環(huán)與氣缸壁的接觸面積減小,造成漏氣和竄油隱患。檢查方法是將活塞環(huán)平放在氣缸內(nèi),在活塞環(huán)的下邊放一個(gè)發(fā)光的燈泡,活塞環(huán)上面放一塊蓋板,蓋住環(huán)的內(nèi)圓,如圖8所示。漏光縫隙一般不得超過0.03mm。漏光弧長(zhǎng)在圓周上一處不得大于30°,同一環(huán)上的漏光長(zhǎng)度總和不超過60°,在環(huán)端開口處左右30"范圍內(nèi)不允許有漏光現(xiàn)象。

 

活塞環(huán)彈力檢驗(yàn)圖-柴油發(fā)電機(jī)組.png

圖7  活塞環(huán)的彈力檢驗(yàn)圖

活塞環(huán)漏光檢驗(yàn)圖-柴油發(fā)電機(jī)組.png

圖8  活塞環(huán)漏光檢驗(yàn)圖

 

總結(jié):

      除上述作用外,活塞環(huán)還具有導(dǎo)熱作用,能夠快速將活塞上部的熱量傳遞到活塞環(huán),從而實(shí)現(xiàn)活塞上、下部的溫度均衡?;钊?、下部的溫度均衡能夠減少活塞的熱應(yīng)力,避免因溫度差異引起的活塞變形和破裂,提高活塞的使用壽命。目前,作為改善柴油機(jī)用活塞環(huán)等滑動(dòng)部件的耐磨損性及抗劃性的方法,例如,在柴油發(fā)電機(jī)用的活塞環(huán)中,在其滑動(dòng)面實(shí)施PVD被膜或氮化處理層等表面處理。這些表面處理中,特別是PVD被膜呈現(xiàn)優(yōu)異的耐磨損性,因此,作為對(duì)在嚴(yán)苛的運(yùn)轉(zhuǎn)條件下使用的活塞環(huán)進(jìn)行的表面處理被廣泛地實(shí)際應(yīng)用。


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