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活塞銷作用、材料結(jié)構(gòu)、損壞檢查及修理方法
發(fā)布時間:2023-12-22 04:26:17  ▏閱讀:

 

故障檢修與技術(shù)維護

康明斯柴油發(fā)電機的活塞銷檢驗及修理

 

摘要:活塞是發(fā)動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)直接決定著發(fā)動機的使用壽命。高溫、高壓的工作環(huán)境使承載最大機械應(yīng)力的活塞銷孔部位面臨著更大的考驗?;钊N座部位工作溫度在200℃左右,活塞銷與活塞銷孔之間的磨擦還產(chǎn)生著高溫負荷。因此有必要對活塞銷進行檢查和維修。

 

一、活塞銷的作用和材料結(jié)構(gòu)

 

       活塞銷是裝在活塞裙部的圓柱形銷子,其中部穿過柴油發(fā)電機連桿小頭孔,用來連接活塞和連桿,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)電機的活塞銷一般用優(yōu)質(zhì)合金鋼制造,并作成空心。

1、活塞銷的功用及工作條件

      一般國內(nèi)使用的活塞銷孔內(nèi)會有臺階或者凹槽,還有一種是實心活塞銷。國外使用的活塞銷內(nèi)孔是直的。活塞銷用來連接活塞和連桿,并將活塞承受的力傳給連桿或相反?;钊N在高溫條件下承受很大的周期性沖擊負荷,且由于活塞銷在銷孔內(nèi)擺動角度不大,難以形成潤滑油膜,因此潤滑條件較差。為此活塞銷必須有足夠的剛度、強度和耐磨性,質(zhì)量盡可能小,銷與銷孔應(yīng)該有適當(dāng)?shù)呐浜祥g隙和良好的表面質(zhì)量。在一般情況下,活塞銷的剛度尤為重要,如果活塞銷發(fā)生彎曲變形,可能使活塞銷座損壞。

2、塞銷材料及結(jié)構(gòu)

      活塞銷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。

      活塞銷的結(jié)構(gòu)形狀很簡單,基本上是一個厚壁空心圓柱。其內(nèi)孔形狀有圓柱形、兩段截錐形和組合形。圓柱形孔加工容易,但活塞銷的質(zhì)量較大;兩段截錐形孔的活塞銷質(zhì)量較小,且因為活塞銷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。

 

柴油機活塞銷立體結(jié)構(gòu)圖.png

圖1 柴油機活塞銷立體結(jié)構(gòu)圖

柴油機活塞銷剖視結(jié)構(gòu)圖.png

圖2  柴油機活塞銷剖視結(jié)構(gòu)圖

 

3、活塞銷座孔

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

 

活塞左右視圖-柴油發(fā)電機.png

圖3  康明斯活塞銷孔和活塞銷位置圖

柴油機活塞結(jié)構(gòu)示意圖.png

圖4  柴油機活塞結(jié)構(gòu)示意圖

 

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

      目前最佳解決方案還是通過改變銷孔的幾何結(jié)構(gòu)來改善應(yīng)力分布情況,降低銷孔內(nèi)側(cè)應(yīng)力集中,提高活塞的承載能力。

 

二、活塞銷的檢測和修理

 

      發(fā)動機在使用中有的會出現(xiàn)活塞銷異響的故障。如果活塞銷異響嚴(yán)重會損壞活塞銷襯套,加大連桿軸瓦和曲軸連桿軸頸的磨損,磨損到最嚴(yán)重時,會拉斷活塞銷或連桿頂部,打壞氣缸體,千萬不能等閑視之。

1、活塞銷磨損的測量

      測量柴油機活塞銷的磨損程度,應(yīng)用柴油發(fā)電機的專用工具千分尺進行測量。測量時要測三個部位: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(yīng)大于0.005mm。活塞銷的檢查項目有活塞外徑的測量和活塞銷孔的測量。

(1)活塞銷的外徑測量。

(2)測量每個活塞的銷孔直徑。

(3)計算活塞銷與活塞銷孔的間隙,必要時更換活塞或活塞銷。

2、修復(fù)

(1)磨損檢驗

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

(2)活塞銷裂紋檢驗

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

3、活塞銷與銷座孔的修配

      活塞銷除標(biāo)準(zhǔn)尺寸外,還有四級加大修理尺寸:+0.08mm、+0.12mm、+0.25mm、+0.20mm。選配時應(yīng)根據(jù)銷孔磨損以后的內(nèi)徑,選用近似于內(nèi)徑的加大活塞銷(一般比銷孔的內(nèi)徑大0.025一0.05mm)。如選用最大一級的加大活塞銷配合時仍感松曠,則應(yīng)重選活塞。柴油發(fā)電機大修時,因選配的活塞是新的,因此活塞銷應(yīng)選配標(biāo)準(zhǔn)的,以便給小修時留有更換的余地。新選配的活塞銷錐形度和失圓度應(yīng)不超過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,各缸的活塞銷質(zhì)量相差不得超過10g。活塞銷與銷座孔,在常溫(15一25℃)下,應(yīng)有0.025mm,的過盈量。

4、活塞銷與銷座孔的技術(shù)要求

      在常溫下應(yīng)有微量過盈(一般為0.025、0.04mm),加溫到75、85℃時又有微量間隙,使活塞銷能在銷座孔內(nèi)轉(zhuǎn)動,而冷卻后,活塞裙部橢圓變形,即長軸縮短(與活塞銷軸線相垂直方向)、短軸伸長(活塞銷軸線方向),其變化均不應(yīng)超過0.04mm。這一點,是活塞銷與銷座孔修配的關(guān)鍵。若配合太緊,機油進不去,使活塞銷的潤滑變壞,加劇磨損,甚至?xí)a(chǎn)生卡缸現(xiàn)象;若配合太松,會使活塞銷在活塞往復(fù)運動中撞擊活塞和連桿襯套,磨損加劇,嚴(yán)重時會出現(xiàn)活塞銷折斷或竄出,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。活塞銷與銷座孔的配合,是通過對活塞銷座孔的搪削或鉸削完成的。餃削銷座孔時,應(yīng)選用長刃鉸刀,使兩個銷座孔能同時進行鉸削,以保證兩孔的同心度。

 

活塞銷外徑檢查.png

圖5  活塞銷外徑檢查

活塞銷孔檢測-柴油發(fā)電機組.png

圖6  活塞銷孔示意圖

 

三、活塞銷裂紋檢修案例

 

1、原因分析

      某柴油機故障案例中,該活塞銷的裂紋貫穿整個活塞銷試樣,在活塞銷的中間內(nèi)孔中和邊緣的油孔中均存在大小不一的裂紋,最長的裂紋幾乎貫穿了活塞銷的整個內(nèi)表面。將最長的裂紋沿縱向打開,該裂紋為明顯的疲勞裂紋,疲勞裂紋源在油孔內(nèi)表面上,并以此為圓心呈貝文線狀向中心孔擴展。疲勞擴展區(qū)較大,為明顯的疲勞裂紋擴展形式。垂直于裂紋經(jīng)線切割取樣,試樣經(jīng)拋光后的裂紋形態(tài)長約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,在顯微鏡下觀察,其非金屬夾雜物級別根據(jù)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,表面無脫碳。試樣基體組織為索氏體+鐵素體。對試樣進行磨拋再經(jīng)4%的硝酸酒精溶液浸蝕后,裂紋處無脫碳,裂紋處金相組織均為索氏體+鐵素體。經(jīng)檢測,活塞銷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(guī)定的HRC58~63之內(nèi)。

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(硫化物類),但級別較高,說明活塞銷的材質(zhì)不良。

(2)該活塞銷的開裂為疲勞裂紋擴展所造成的,疲勞裂紋源于內(nèi)孔的內(nèi)表面。

(3)該活塞銷裂紋處無明顯的氧化脫碳現(xiàn)象,并且活塞銷內(nèi)孔的裂紋細長、尾部尖銳,因此該裂紋為典型的淬火裂紋。

 

總結(jié):

      活塞銷是氣缸總成的一個關(guān)鍵連接件,是裝在活塞裙部的圓柱形銷子。它的中部穿過連桿小頭孔,用來連接活塞和連桿,其作用是把活塞承受的氣體作用力傳給連桿,或使連桿小頭帶動活塞一起運動。因此在設(shè)計活塞銷時,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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