談柴油機(jī)活塞組件的特點(diǎn)與作用

阿依尼沙·吐爾遜

(塔城市二工鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)(畜牧業(yè))發(fā)展中心，新疆 塔城 834300)

0 引言

活塞組件主要包括活塞、活塞環(huán)和活塞銷，是柴油機(jī)重要運(yùn)動(dòng)部件之一，又是燃燒室的組成部分。在柴油機(jī)工作中，活塞組件受高溫高壓燃?xì)獾淖饔茫钊h(huán)隨活塞在汽缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)并與汽缸套內(nèi)表面相互摩擦。所以活塞組件的工作條件是非常惡劣的，使活塞產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力和變形等。從而引起活塞組件的磨損、裂紋、燒蝕和拉傷等，這些損傷不但直接影響柴油機(jī)的工作性能，而且嚴(yán)重地影響柴油機(jī)的壽命。活塞組件是柴油機(jī)的易損件，柴油機(jī)故障維修或定期大修中都會(huì)遇到活塞組件的技術(shù)狀態(tài)鑒別或零件更換，作為農(nóng)機(jī)推廣人員需要了解活塞組件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理和功能作用等，以便指導(dǎo)用戶對(duì)購買的柴油機(jī)能夠正確使用與維護(hù)。

1 活塞組件的特點(diǎn)與作用

1.1 活塞

活塞是保持燃燒室良好密封的關(guān)鍵零件，活塞在高溫高壓氣體作用下沿汽缸壁作高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)。活塞受本身速度周期性變化而形成的慣性力、氣體壓力和側(cè)壓力的聯(lián)合作用。活塞在汽缸內(nèi)工作時(shí)，燃?xì)獾淖罡邷囟瓤蛇_(dá)2 000～2 500 ℃，活塞頂還承受瞬變高溫的作用，且溫度分布很不均勻，所以活塞也是最容易損傷的零件之一。

活塞與缸壁的配合間隙最為重要。由于活塞在不同工況下具有不同的溫度，所以要在不同工況下保持最佳的配合間隙是很復(fù)雜的問題。如果冷狀態(tài)下間隙合適，則在熱狀態(tài)下因活塞溫度高于汽缸溫度，會(huì)使缸塞間隙過小或咬死；反之，在熱狀態(tài)下合適的間隙，而在冷狀態(tài)下可能因間隙過大而產(chǎn)生活塞敲缸現(xiàn)象。因此，要求制造活塞的材料熱膨脹系數(shù)小，并在結(jié)構(gòu)上采取適當(dāng)?shù)拇胧乐惯^大的熱變形。活塞材料一般為鑄鐵或鋁合金。鑄鐵活塞的優(yōu)點(diǎn)是耐磨性好，膨脹系數(shù)小，成本低，但鑄鐵比重大、導(dǎo)熱差；鋁合金活塞的比重小，約為鑄鐵比重的40%，因此慣性力小、導(dǎo)熱性好，活塞受熱溫度較低，提高了柴油機(jī)的充氣系數(shù)，防止?jié)櫥妥冑|(zhì)，改善活塞環(huán)的工作條件。鋁合金活塞的膨脹系數(shù)大(比鑄鐵大1.4～1.8倍)，在溫度升高時(shí)強(qiáng)度、硬度和耐磨性較低、成本高。目前，在高速柴油機(jī)中廣泛采用鋁合金活塞，小型柴油機(jī)的活塞多為鋁硅合金材料。

為了保證活塞工作時(shí)受熱膨脹后能有較均勻的工作間隙，在制造時(shí)把活塞裙部的徑向外形做成橢圓形，活塞裙部的長(zhǎng)軸在垂直于活塞銷座孔中心線的平面內(nèi)，而短軸在活塞銷座孔中心線的平面內(nèi)，而且長(zhǎng)軸比短軸要大0.25～0.40 mm。這樣可保證活塞在工作時(shí)，其裙部具有較均勻的工作間隙。裙部采取了上述結(jié)構(gòu)措施之后，與汽缸壁之間的配合間隙就比較小，不會(huì)產(chǎn)生敲缸現(xiàn)象。當(dāng)然，不同柴油機(jī)由于活塞裙部的結(jié)構(gòu)和尺寸大小不同，其最佳間隙也不同，一般由制造廠針對(duì)柴油機(jī)在最大功率時(shí)的正常工作條件來試驗(yàn)確定。

使用過程中，由于磨損活塞與缸壁之間的間隙逐漸增大，一般間隙超過極限值時(shí)需要搪修汽缸，然后按汽缸尺寸選配適當(dāng)尺寸的活塞，以恢復(fù)標(biāo)準(zhǔn)間隙。為了保持必要的間隙，把活塞和汽缸套的尺寸分成幾組，汽缸按原來尺寸加大0.25 mm作為修理尺寸，活塞也有相應(yīng)的選配尺寸，如0.25、0.50、0.75、1.00、1.25、1.50六級(jí)標(biāo)記，并把分組標(biāo)記打在活塞頂上，裝配時(shí)活塞的組號(hào)必須與汽缸套修復(fù)后的級(jí)別相一致。

1.2 活塞環(huán)

汽缸與活塞之間留有間隙，若不加以密封，汽缸中的氣體會(huì)漏入曲軸箱，造成汽缸壓縮力降低，柴油機(jī)動(dòng)力性能變壞。此外，汽缸與活塞間多余的機(jī)油，若不刮掉就會(huì)竄入燃燒室，出現(xiàn)機(jī)油消耗增加，燃燒室積碳嚴(yán)重，排氣冒“藍(lán)煙”等不良現(xiàn)象。為了消除這些現(xiàn)象，活塞環(huán)槽部要裝有活塞環(huán)。活塞環(huán)的材料一般用耐溫、耐磨的優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵或合金鑄鐵、球鑄鐵制造。工作條件最差的第一道氣環(huán)的工作表面一般都進(jìn)行多孔性鍍鉻，鍍鉻層硬度高且能貯存少量機(jī)油以改善潤(rùn)滑條件，提高活塞環(huán)的使用壽命。其余幾道活塞環(huán)一般鍍錫，以改善磨合性能。關(guān)于活塞環(huán)的功用分述如下。

1.2.1 活塞環(huán)的分類與數(shù)量

活塞環(huán)按其用途可分氣環(huán)(又稱壓縮環(huán))和油環(huán)兩種。氣環(huán)用來密封汽缸，并將活塞頂?shù)拇蟛糠譄崃總鹘o汽缸壁由冷卻水帶走。油環(huán)用來刮掉汽缸壁上多余的機(jī)油，并使機(jī)油在汽缸壁上分布均勻，改善汽缸與活塞的潤(rùn)滑條件，以減少摩擦阻力和磨損。柴油機(jī)目前大多采用螺旋彈簧式油環(huán)。它是在普通油環(huán)的里槽內(nèi)安裝一個(gè)螺旋彈簧，作用與鋼片組合油環(huán)相似，以增加對(duì)缸壁接觸壓力。當(dāng)油環(huán)磨損后能自動(dòng)補(bǔ)償，使油環(huán)仍能保持良好的刮油性能。彈簧接頭處用鎖口鋼絲連接，油環(huán)外圓面及內(nèi)圓面的槽內(nèi)均鍍鉻，以提高耐磨性，延長(zhǎng)使用壽命。這種油環(huán)安裝較方便。

活塞環(huán)的數(shù)目與活塞環(huán)槽數(shù)相等，主要取決于柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速、汽缸內(nèi)氣體壓力等。柴油機(jī)由于壓縮比較高、氣體壓力大、轉(zhuǎn)速低容易漏氣，故氣環(huán)數(shù)較多，一般用3～4道氣環(huán)、1～2道油環(huán)。如195型柴油機(jī)，一般用3道氣環(huán)、1道油環(huán)。

1.2.2 活塞環(huán)的密封作用

活塞環(huán)在工作時(shí)，首先以自身的彈力與汽缸壁貼合，使壓縮氣體不能從活塞環(huán)外圍與汽缸壁之間通過。少量壓縮氣體竄入活塞環(huán)槽，作用在活塞環(huán)背面，增大了活塞環(huán)對(duì)汽缸壁的壓力(活塞環(huán)背壓力)，使活塞環(huán)的密封性能顯著提高。活塞環(huán)的背壓力對(duì)每一道活塞環(huán)是不相等的，第一環(huán)的背壓力最大，約為氣體壓力的76%，以下各環(huán)依次減少。

1.2.3 活塞環(huán)主要技術(shù)參數(shù)

活塞環(huán)隨同活塞裝入汽缸時(shí)，應(yīng)留有開口間隙、邊間隙和背隙。活塞環(huán)接口兩端面間的距離稱開口間隙；活塞環(huán)上下端面與環(huán)槽間的間隙稱邊間隙；活塞環(huán)內(nèi)表面與環(huán)槽底間的間隙稱背隙。這三個(gè)間隙值是活塞環(huán)的主要技術(shù)參數(shù)。

開口間隙又稱端隙，是活塞環(huán)裝入汽缸后開口處的間隙，使活塞環(huán)有受熱膨脹的余地，一般為0.25～0.65 mm，其大小與缸徑有關(guān)。它是汽缸中的燃?xì)饴┤肭S箱的唯一通路，因此其形狀和裝入汽缸后的間隙大小，對(duì)于漏入曲軸箱的燃?xì)饬棵芮邢嚓P(guān)。間隙過大，密封性不好，容易發(fā)生漏氣，上竄機(jī)油；間隙過小，會(huì)加速環(huán)與缸壁的磨損，甚至?xí)弓h(huán)卡死或折斷。

邊間隙一般為0.05～0.30 mm，也是給活塞環(huán)以膨脹的余地。邊間隙過大，密封不良，環(huán)與環(huán)槽撞擊嚴(yán)重，加速其磨損，對(duì)于氣環(huán)還有泵油作用；邊間隙過小，會(huì)使環(huán)卡死在環(huán)槽中，失去彈性，破壞了密封和刮油作用。

活塞環(huán)背隙的檢查經(jīng)常被忽視，尤其在新活塞環(huán)與新活塞匹配時(shí)，更應(yīng)注意檢查，做到逐個(gè)驗(yàn)環(huán)。背隙即為活塞環(huán)在活塞環(huán)槽內(nèi)的下沉量，活塞環(huán)在環(huán)槽中的標(biāo)準(zhǔn)下沉量不得超過0.15～0.25 mm。

安裝活塞環(huán)前，檢查確認(rèn)活塞環(huán)端間隙、邊間隙是否符合技術(shù)要求。活塞環(huán)安裝后，環(huán)應(yīng)能在環(huán)槽中自由轉(zhuǎn)動(dòng)，憑環(huán)自重落入槽內(nèi)支承面。

1.2.4 活塞環(huán)的切口形式

氣環(huán)和油環(huán)常用的切口形式有直切口、斜切口和階梯形切口三種。切口形式對(duì)漏氣影響不大，為便于制造，目前大多采用直切口。活塞環(huán)裝入活塞環(huán)槽時(shí)，環(huán)口應(yīng)相互錯(cuò)開120°或180°，避開活塞銷孔座、承壓面及噴油方向，以防止泄漏。

1.3 活塞銷

活塞銷是圓柱形的零件，其功用是把活塞和連桿連接在一起，將活塞上承受的力傳給連桿。活塞銷在高溫下承受很大的周期性沖擊力，要求其重量輕、強(qiáng)度高、表面耐磨。為此，活塞銷用低碳鋼或低碳合金鋼制造，并做成中空形狀。為了滿足其外表面硬而耐磨、芯部韌而抗沖擊的要求，應(yīng)對(duì)其外表面進(jìn)行滲碳或氧化處理。小型柴油機(jī)中活塞銷與銷座孔的配合都采用“全浮式”，即活塞銷的中部穿過連桿小頭孔，是動(dòng)配合，兩端則支承在活塞銷座孔中，是過渡配合。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度升高后，活塞銷才可在銷座孔中自由轉(zhuǎn)動(dòng)。為防止其軸向竄動(dòng)刮傷汽缸壁，活塞銷的兩端用彈性擋圈作軸向定位。

柴油機(jī)工作溫度升高時(shí)，銷與銷座間應(yīng)有適當(dāng)間隙(195型柴油機(jī)為0.006～0.012 mm)，若間隙過大會(huì)產(chǎn)生敲擊，加劇磨損。但由于鋁合金活塞銷座孔熱膨脹系數(shù)大，為保證高溫工作時(shí)有正常的間隙，常溫下活塞銷與銷座孔之間，應(yīng)有一定的過盈量，如小型柴油機(jī)活塞銷裝配時(shí)，先將活塞在100 ℃的機(jī)油中加熱5～10 min，然后將活塞銷推入銷座孔內(nèi)，裝上擋圈，到室溫時(shí)，銷在座孔內(nèi)就不能轉(zhuǎn)動(dòng)。工作時(shí)，活塞受熱膨脹，銷就可在銷孔內(nèi)微微轉(zhuǎn)動(dòng)，并將濺落在銷座孔下側(cè)小孔內(nèi)的潤(rùn)滑油帶到間隙中潤(rùn)滑摩擦表面，使銷與銷孔磨損較均勻。活塞銷和連桿襯套為動(dòng)配合，195型柴油機(jī)活塞銷與連桿襯套的配合間隙為0.010～0.046 mm，磨損極限為0.120 mm。

2 活塞組件常見故障分析

2.1 活塞敲缸

在汽缸的上部會(huì)發(fā)出有節(jié)奏的 “突突”的異響聲； 發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，異響更快、更強(qiáng)、更明顯、更清晰；柴油機(jī)在低溫工作時(shí)，異響明顯，待柴油機(jī)工作一段時(shí)間，溫度升高后，異響逐漸減弱或消失。

故障原因：1) 活塞與缸壁間隙過大，在作功沖程開始的瞬間或當(dāng)活塞上行時(shí)，活塞在汽缸內(nèi)擺動(dòng)，其頭部和裙部與汽缸壁相碰撞產(chǎn)生金屬敲擊聲。2)由于潤(rùn)滑條件不良，機(jī)油壓力偏低，汽缸壁的飛濺潤(rùn)滑不好，活塞與汽缸壁直接相碰而敲缸。3)柴油機(jī)在著火滯后期噴入汽缸的柴油過多。這些都能使燃燒時(shí)燃?xì)鈮毫ι仙^于劇烈而產(chǎn)生沖擊，迫使活塞與汽缸壁相碰而敲缸。4) 活塞連桿組的裝配使活塞在汽缸中歪斜量超過允許范圍，不但使密封性變壞，潤(rùn)滑條件惡化，而且造成汽缸不正常的磨損，從而使活塞與汽缸壁敲擊而出現(xiàn)響聲。

故障檢查：1) 從響聲特征判斷，如果響聲是 “當(dāng)、當(dāng)”聲，一般由于汽缸壁潤(rùn)滑不良所引起，如果需進(jìn)一步證實(shí)，在可疑的汽缸內(nèi)加入少量機(jī)油后再啟動(dòng)柴油機(jī)，聽察響聲是否已減弱。如果響聲是 “嗒、嗒”聲，同時(shí)排氣管冒“藍(lán)煙”，一般是由于活塞與汽缸壁間隙過大所引起。2) 進(jìn)行單缸“斷火”試驗(yàn)到某缸時(shí)，響聲減低或消失，即證明該缸活塞由于間隙過大而敲缸。為了易于聽察響聲，可以將柴油機(jī)轉(zhuǎn)速固定在聲音最響的位置上。3) 如果溫度低時(shí)不響，溫度升高后而產(chǎn)生敲缸，高溫時(shí)聲響有加重跡象，單缸“斷火”時(shí)響聲加大，這種情況就相對(duì)比較復(fù)雜，例如可能是曲軸的連桿軸頸與主軸頸不平行；連桿彎曲；活塞與缸壁間隙過小；活塞環(huán)背隙、開口間隙過小等均可引起此種敲缸現(xiàn)象。判斷時(shí)若單缸“斷火”到某缸時(shí)，響聲加大，可斷定該缸即為故障缸。

2.2 汽缸壓縮力不足

汽缸壓縮終了的壓力稱為汽缸壓縮力。汽缸壓縮力與壓縮比、曲軸轉(zhuǎn)速、機(jī)油黏度及汽缸活塞組的技術(shù)狀況有關(guān)。通過測(cè)量汽缸壓縮壓力，不但可以判斷柴油機(jī)技術(shù)狀況，同時(shí)還可以對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行故障診斷。這里只分析由于活塞組件的缺陷引起的汽缸壓縮力不足故障。

2.2.1 活塞環(huán)磨損過大而引起汽缸壓縮力不足

活塞環(huán)磨損表現(xiàn)在活塞環(huán)的開口間隙和邊間隙過大。檢測(cè)活塞環(huán)開口間隙時(shí)，應(yīng)把活塞環(huán)放在汽缸套內(nèi)磨損最小處，并使之平行于汽缸套端面。檢測(cè)邊間隙時(shí)，一定要把環(huán)槽內(nèi)的積碳清除干凈，再把活塞環(huán)垂直于活塞軸心線放入環(huán)槽中，并緊貼環(huán)槽一邊，用厚薄規(guī)測(cè)量環(huán)槽另一邊與活塞環(huán)端面之間的間隙。將測(cè)得的數(shù)值同規(guī)定的間隙數(shù)值相比，即可確定活塞環(huán)是否需要更換。

2.2.2 活塞環(huán)對(duì)口而引起汽缸壓縮力不足

活塞環(huán)對(duì)口以后，不僅汽缸壓縮力不足，而且上竄機(jī)油，下漏氣體，導(dǎo)致柴油機(jī)功率下降，啟動(dòng)困難，排煙不正常。使用中，活塞環(huán)對(duì)口的原因主要有：1)新活塞環(huán)與舊汽缸套形狀不符，使活塞環(huán)磨損加快，彈性很快減弱，同時(shí)在活塞環(huán)與汽缸套貼合不緊密處有竄氣現(xiàn)象，使活塞環(huán)受熱不均勻，導(dǎo)致開口位置發(fā)生變化。2)活塞環(huán)和汽缸套、活塞環(huán)和環(huán)槽的配合間隙都較大，工作時(shí)，活塞環(huán)因振動(dòng)和受漏氣的沖擊而發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。在使用原汽缸套、活塞時(shí)，為避免活塞環(huán)對(duì)口，可將第一、二道新活塞環(huán)開口朝向汽缸套橢圓長(zhǎng)軸方向左(右)近側(cè)，將第三、四道新活塞環(huán)開口朝向汽缸套橢圓短軸方向左(右)近側(cè)。

2.2.3 活塞環(huán)卡死而引起汽缸壓縮力不足

活塞環(huán)卡死原因主要是活塞環(huán)裝配不當(dāng)使開口間隙過小，柴油機(jī)工作時(shí)，活塞環(huán)等機(jī)件受熱膨脹使環(huán)的開口無間隙而發(fā)生對(duì)頂，造成活塞環(huán)卡死在汽缸內(nèi)。燃燒室積碳過多，活塞環(huán)也會(huì)在環(huán)槽中卡死，柴油機(jī)產(chǎn)生積碳過多的原因有柴油機(jī)工作溫度低，超負(fù)荷工作，供油量過大，燃燒不良等。活塞環(huán)卡死，導(dǎo)致壓縮力不足，啟動(dòng)困難，出現(xiàn)排氣管排機(jī)油、冒黑煙，油底殼機(jī)油變稀等現(xiàn)象。拆卸卡死的活塞環(huán)時(shí)，應(yīng)先將活塞放入柴油中浸泡一段時(shí)間，然后再轉(zhuǎn)動(dòng)活塞環(huán)將其拆下。

2.2.4 活塞和汽缸套配合間隙過大而引起汽缸壓縮力不足

檢測(cè)汽缸套和活塞的配合間隙的方法是將活塞插入汽缸套上部，相當(dāng)于上止點(diǎn)位置，然后用長(zhǎng)片厚薄規(guī)測(cè)量垂直于活塞銷方向活塞裙部與汽缸套之間的間隙。若該間隙不符合技術(shù)要求，應(yīng)更換新件或鏜缸后換用加大直徑的活塞。

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