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活塞環(huán)的工作條件、密封功能、安裝和損傷檢查
發(fā)布時(shí)間:2022-06-19 18:03:19  ▏閱讀:

 

故障檢查與技術(shù)維護(hù)

柴油發(fā)電機(jī)組活塞環(huán)的工作條件、密封功能、安裝和損傷檢查

 

摘要:活塞環(huán)是柴油發(fā)電機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)活塞連桿組中的一個(gè)零部件,它分氣環(huán)和油環(huán)兩種,一般每個(gè)氣缸中有兩道氣環(huán)、一道油環(huán),個(gè)別柴油發(fā)電機(jī)有三道氣環(huán)、一道油環(huán)。康明斯公司在本文中介紹活塞環(huán)的作用、工作條件、密封的功能和原因、安裝與選配方式以及常見磨損形式等內(nèi)容。


一、氣環(huán)與油環(huán)的功用

 

1、氣環(huán)的主要功用

(1)密封

      是指保證活塞與氣缸壁之間的良好密封,防止氣缸內(nèi)的可燃混合氣和高溫燃?xì)饴┤肭S箱,保證進(jìn)入柴油發(fā)電機(jī)中的可燃混合氣受到足夠的壓縮,并在做功沖程中壓力泄漏損失較小。

(2)傳熱

      主要是指將活塞頂部接受的熱傳給氣缸壁,避免活塞過熱,一般來說活塞頂部的熱量有70%-80%是通過氣環(huán)傳導(dǎo)給氣缸壁的。

2、油環(huán)的主要功用

      油環(huán)的作用是在下行時(shí)刮除飛濺到氣缸壁上的多余的機(jī)油,防止多余的機(jī)油竄入燃燒室參與燃燒;在上行時(shí)在氣缸壁上涂布一層均勻的油膜,以減少活塞、活塞環(huán)和氣缸的磨損。


柴油機(jī)氣環(huán)斷面形狀圖.png

圖1  柴油機(jī)氣環(huán)斷面形狀圖

活塞環(huán)形狀圖-康明斯柴油發(fā)電機(jī)組.png

圖2  活塞環(huán)形狀圖

 

二、活塞環(huán)的工作條件

 

1、工作條件

      活塞環(huán)的工作條件是極其惡劣的,并且受力也很復(fù)雜。它在工作時(shí)受到氣缸中高溫、高壓燃?xì)獾淖饔?,并在潤滑極其困難的條件下在氣缸內(nèi)高速滑動(dòng)。尤其是第一道氣環(huán),它直接受到燃燒室高溫高壓氣體的沖擊,并且潤滑極其困難,溫度可以高達(dá)600K,所以磨損較為嚴(yán)重。并且活塞環(huán)在氣缸中上下運(yùn)動(dòng)時(shí),由于氣缸壁的錐度和橢圓度的影響,活塞環(huán)會(huì)沿徑向產(chǎn)生一張一縮運(yùn)動(dòng),使環(huán)受到交變彎曲應(yīng)力;另外由于側(cè)隙的存在,活塞在上下止點(diǎn)換向時(shí),活塞環(huán)還會(huì)受到環(huán)槽的沖擊。這樣的作用力很容易導(dǎo)致活塞環(huán)的折斷。因此,活塞環(huán)一直是柴油發(fā)電機(jī)上使用壽命最短的零件,很多柴油發(fā)電機(jī)大修,就是由于活塞環(huán)過度磨損造成的。

2、制造要求

      根據(jù)活塞環(huán)的功用及工作條件,制造活塞環(huán)的材料應(yīng)具有良好的耐磨性、導(dǎo)熱性、耐熱性、沖擊韌性、彈性和足夠的機(jī)械強(qiáng)度。目前廣泛應(yīng)用的活塞環(huán)材料有優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵、球墨鑄鐵、合金鑄鐵和鋼帶等。第一道活塞環(huán)外圓面通常進(jìn)行鍍鉻或噴鉬處理。多孔性鉻層硬度高,并能儲(chǔ)存少量機(jī)油,可以改善潤滑減輕磨損。鉬的熔點(diǎn)高,也具有多孔性,因此噴鉬同樣可以提高活塞環(huán)的耐磨性。可以說,活塞環(huán)是柴油發(fā)電機(jī)中對(duì)材料和加工工藝要求最嚴(yán)格的零部件,它的使用壽命就是柴油發(fā)電機(jī)的使用壽命,一些康明斯柴油發(fā)電機(jī)使用壽命長,不燒機(jī)油,主要的因素就是活塞環(huán)的質(zhì)量好。

 

三、活塞環(huán)密封功能

 

1、活塞環(huán)的密封原理

      當(dāng)活塞環(huán)裝入氣缸后,在活塞、活塞環(huán)與氣缸壁之間形成了端隙、側(cè)隙和背隙三個(gè)間隙。這三個(gè)間隙使活塞環(huán)形成了兩個(gè)密封面和一個(gè)迷宮式的漏氣通道,如圖3所示。其中第一道氣環(huán)大約密封80~90%的氣體,第二道氣環(huán)大約密封10~20%的氣體,油環(huán)大約密封5%的氣體。

(1)第一密封面的建立:

      活塞環(huán)在自由狀態(tài)下不是正圓形,其外廓尺寸比氣缸直徑略大,當(dāng)活塞環(huán)裝入氣缸后,在其自身的彈力作用下環(huán)的外圓面與氣缸壁貼緊形成第一密封面。

(2)第二密封面的建立:

      燃燒室中的高壓氣體通過活塞頂岸與氣缸壁之間的間隙進(jìn)入活塞環(huán)的側(cè)隙和徑向間隙中,這個(gè)壓力使環(huán)的下側(cè)面與環(huán)槽的下側(cè)面貼緊形成第二密封面。

2、活塞環(huán)的二次密封

      如圖4所示。竄入到活塞環(huán)側(cè)隙和背隙中的高壓氣體,產(chǎn)生背壓力和側(cè)壓力,使活塞環(huán)對(duì)氣缸壁和活塞環(huán)槽的壓力進(jìn)一步增大,顯著加強(qiáng)了第一和第二密封面的密封程度,這個(gè)現(xiàn)象稱為活塞環(huán)的第二次密封。

3、迷宮式的漏氣通道

      由于有了第一密封面與第二密封面,活塞環(huán)漏氣的惟一通道就是活塞環(huán)的開口端隙。但是由于側(cè)隙、徑向間隙和端隙都很小,并且各活塞環(huán)的開口在安裝時(shí)相互錯(cuò)開,這樣就形成了迷宮式漏氣通道,氣體在通道內(nèi)的流動(dòng)阻力很大。

4、活塞環(huán)泵油與密封的關(guān)系

(1)最后漏入曲軸箱內(nèi)的氣體一般僅為進(jìn)氣量的0.2%~1.0%,這樣的密封率應(yīng)該說是成功的,這也是往復(fù)活塞式柴油發(fā)電機(jī)至今仍有巨大生命力的原因之一。

(2)不過,由于活塞環(huán)三隙的存在,它的運(yùn)動(dòng)中不可避免的會(huì)產(chǎn)生“活塞環(huán)泵油作用”:當(dāng)活塞在氣缸中向下運(yùn)動(dòng)時(shí),氣缸壁上的機(jī)油就通過活塞環(huán)的側(cè)隙下方進(jìn)入背隙。

(3)當(dāng)活塞在氣缸中向上運(yùn)動(dòng)時(shí),機(jī)油就從活塞環(huán)的背隙進(jìn)入側(cè)隙上方,然后被送入燃燒室參與燃燒。這個(gè)過程在柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中反復(fù)不斷的進(jìn)行,機(jī)油就被逐漸的消耗掉了。

(4)這也是往復(fù)活塞式柴油發(fā)電機(jī)固有的特性之一,任何品牌和型號(hào)的柴油發(fā)電機(jī)都會(huì)消耗機(jī)油,只是程度不同而已。

(5)活塞環(huán)泵油作用一方面對(duì)潤滑活塞頂部是有利的,但另一方面也會(huì)增加潤滑油的消耗、增加燃燒室積炭、或者在環(huán)槽內(nèi)形成積炭,擠壓活塞環(huán)使其失去密封性等危害。

      因此,為了加強(qiáng)密封、加速磨合、減少泵油作用以及改善潤滑,工程師研發(fā)制造了各種不同斷面形狀的活塞環(huán),以滿足柴油發(fā)電機(jī)的使用需求。

 

活塞環(huán)氣環(huán)密封原理-柴油發(fā)電機(jī)組.png

圖3  活塞環(huán)氣環(huán)密封原理

活塞環(huán)側(cè)隙和背隙示意圖.png

圖4  活塞環(huán)側(cè)隙和背隙示意圖

 

四、活塞環(huán)的檢查與安裝

 

      活塞環(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。在選用活塞環(huán)后,還需要進(jìn)行如下檢查:

1、活塞環(huán)彈力的檢查

      活塞環(huán)彈力是保證氣缸密封性的重要條件之一,彈力過大或過小都不好,必須符合技術(shù)要求。一般使用活塞環(huán)彈力檢測儀來檢測,在實(shí)踐中一般用手握的方式來粗略的判斷,只要不是太松都可以使用。

2、活塞環(huán)三隙的檢查

(1)把活塞環(huán)放入到氣缸中,用活塞推平,然后用厚薄規(guī)檢查端隙的大小,一般應(yīng)該在0.2~0.5mm之間。

(2)把活塞環(huán)安裝在活塞上,用厚薄規(guī)檢查側(cè)隙,一般應(yīng)該在0.05~0.10mm之間。

(3)背隙一般是用活塞環(huán)槽深度減去活塞環(huán)的斷面寬度,一般在0.5~1.0mm之間,如圖5所示。

      這三個(gè)間隙如果過大會(huì)影響密封作用,如果過小會(huì)由于熱膨脹而使活塞環(huán)卡死在氣缸中,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)瓑臍飧住?/span>

3、活塞環(huán)與缸壁的漏光檢查

(1)為了保證活塞環(huán)的密封作用,要求活塞環(huán)的外表面處處與氣缸壁相貼合。如果漏光度過大,活塞環(huán)局部接觸面積小,容易造成竄氣過大以及機(jī)油消耗過多的故障。

(2)有專用的設(shè)備檢測活塞環(huán)的漏光度,一般要求是:在活塞環(huán)開口端左右30°范圍內(nèi)不允許有漏光點(diǎn)。

(3)在同一活塞環(huán)上漏光不允許多于兩處,每處漏光弧長所對(duì)應(yīng)的圓心角不得超過25°,同一活塞環(huán)上漏光弧長所對(duì)應(yīng)的圓心角總和不得超過45°,漏光處的縫隙不得大于0.03mm。

      如果達(dá)不到上述要求,需要重新選配活塞環(huán)或修磨氣缸。

4、活塞環(huán)安裝

      活塞環(huán)安裝要正確、可靠,注意環(huán)的開口位置和方向,如圖6所示。一般在安裝活塞環(huán)時(shí)要使用專用工具,不建議手工安裝。保證各道環(huán)的開口位置互相錯(cuò)開(一般互相錯(cuò)開180°)、均勻分布,同時(shí)要保證開口不對(duì)準(zhǔn)活塞銷孔位置。一般在活塞環(huán)的側(cè)面都有向上的箭頭或TOP標(biāo)識(shí),這個(gè)面一定要向上安裝,如果裝反會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的燒機(jī)油故障。

 

活塞環(huán)的背隙的測量位置.png

圖5  活塞環(huán)的背隙的測量位置

活塞環(huán)開口位置-康明斯柴油發(fā)電機(jī)組.png

圖6  活塞環(huán)開口安裝位置

 

總結(jié):

      本文所述就是活塞環(huán)的基本認(rèn)識(shí)過程,此外,還應(yīng)了解活塞環(huán)的常見損傷方面知識(shí)?;钊h(huán)的磨損主要是活塞環(huán)在高溫高壓的燃?xì)庾饔孟?,在氣缸?nèi)作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)所受到的沖擊和潤滑不良所致。在柴油發(fā)電機(jī)的所有部件中,活塞環(huán)的磨損速度是最快的。在兩次大修間隔之間的某次二級(jí)維護(hù)時(shí),當(dāng)氣缸的圓柱度達(dá)到0.09~0.11mm時(shí),則需要更換活塞環(huán)。在使用中受高溫高壓燃?xì)獾挠绊懀钊h(huán)的彈力逐漸減弱,造成活塞環(huán)對(duì)氣缸的密封性變差,使氣缸壓力降低出現(xiàn)漏氣和竄油現(xiàn)象。在維護(hù)中更換活塞環(huán)時(shí),應(yīng)將缸壁上磨出的缸肩刮去,避免撞斷第一道活塞環(huán)。以上就是柴油發(fā)電機(jī)活塞環(huán)的一些相關(guān)知識(shí),活塞環(huán)可以說是柴油發(fā)電機(jī)中技術(shù)含量最高的零部件,它的材料、結(jié)構(gòu)、物理與化學(xué)性質(zhì)、安裝及使用都對(duì)柴油發(fā)電機(jī)性能有很大的影響。


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