故障檢修與技術(shù)維護

活塞環(huán)的故障案例和測量方法

 

摘要：活塞環(huán)故障是柴油機常見(jiàn)故障之一?；钊h(huán)在工作時(shí)，由于受高溫的作用和磨損的影響，其彈力逐漸減弱，開(kāi)口間隙加大尤其是環(huán)的開(kāi)口兩側彈力下降嚴重，使得氣缸密封性變差，出現漏氣和竄機油現象，影響柴油機組的動(dòng)力性和經(jīng)濟性?？得魉雇ㄟ^(guò)維修的典型案例，對大量的用戶(hù)投訴的柴油機組故障進(jìn)行分析研究，結果表明很多不良癥狀并非由活塞環(huán)質(zhì)量缺陷引起。而是由于其他原因引發(fā)?？得魉构揪鸵恍┏Ｒ?jiàn)的癥狀及現象進(jìn)行舉例分析說(shuō)明。

 

一、活塞環(huán)常用工具

 

1、拆卸工具

      活塞環(huán)是發(fā)動(dòng)機的重要密封零件，隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機向高壓縮比、高輸出功率、低排放和長(cháng)壽命的方向發(fā)展，使活塞承受熱負荷和機械負荷的能力不斷增強，而發(fā)動(dòng)機在工作的過(guò)程中，活塞環(huán)與套缸之間長(cháng)時(shí)間摩擦容易造成活塞環(huán)磨損，另外也會(huì )因為活塞環(huán)潤滑不良而產(chǎn)生“拉缸”現象，從而導致活塞環(huán)被破壞?；钊h(huán)磨損或破壞后需要及時(shí)更換新的活塞環(huán)，而更換新的活塞環(huán)需要先對已磨損或破壞的活塞環(huán)進(jìn)行拆卸，然后安裝新的活塞環(huán)。

      發(fā)動(dòng)機活塞環(huán)的拆卸工具（如圖1所示）包括手柄、壓蓋板、圓弧導向塊和定位爪，壓蓋板有四塊，每互相平行固定的兩塊為一組，每組壓蓋板之間形成容納圓弧導向塊的通道，壓蓋板的前端面為與活塞環(huán)配合的圓弧形；每組壓蓋板上均設有定位爪。在使用時(shí)，將兩個(gè)定位爪遠離壓蓋板的端面抵在活塞環(huán)的開(kāi)口端面上，按壓兩手柄使兩定位爪張開(kāi)撐開(kāi)活塞環(huán)開(kāi)口，從而取出活塞環(huán)。

 2、測量間隙工具

      柴油機運轉時(shí)活塞在氣缸中做往復運動(dòng)，活塞上裝有彈性的活塞環(huán)與氣缸接觸?；钊h(huán)從上到下一般分為頂環(huán)、氣封環(huán)和刮油環(huán)?；钊h(huán)裝到氣缸中后其切口位置會(huì )存在搭口間隙。技術(shù)上對這個(gè)間隙的大小規定既不能太大，也不能太小?；钊h(huán)搭口間隙太大會(huì )造成漏氣，降低氣缸效率；活塞在運動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的熱量會(huì )使活塞環(huán)熱脹，如果活塞環(huán)搭口間隙太小，活塞環(huán)會(huì )在氣缸中脹死損壞氣缸。因此搭扣間隙的測量十分重要。

     柴油機用活塞環(huán)間隙簡(jiǎn)易測量環(huán)規，如圖2所示，環(huán)規包括帶缺口的支撐底座和垂直于支撐底座設置的測量部。支撐底座為平板，平板為圓環(huán)狀，從支撐底座的圓環(huán)狀平板的上表面垂直的向上凸起形成測量部，測量部的內徑與待測發(fā)動(dòng)機的缸徑相同，在測量部的上端面或內壁面上設置測量刻度，測量環(huán)規上設置一定角度的缺口，便于活塞環(huán)的取放和便口徑的測量。

 

圖1 活塞環(huán)拆卸工具

圖2 活塞環(huán)間隙測量環(huán)規

 

二、活塞環(huán)間隙檢查方法

 

      活塞環(huán)的間隙分為三隙，即端隙、側隙和背隙，分布位置如圖3所示。

1、活塞環(huán)的背面間隙

      活塞環(huán)的背面間隙（也叫徑向間隙）是指將活塞環(huán)裝在活塞槽內，再將活塞裝入氣缸后活塞環(huán)的內圓面與活塞環(huán)槽底之間的間隙，一般用活塞槽深與環(huán)厚之差來(lái)表示，推薦參考值在0-0.75mm范圍。一般經(jīng)驗作法是將活塞環(huán)裝入環(huán)槽內，如低于環(huán)岸，能轉動(dòng)自如又無(wú)澀滯感覺(jué)為適宜。

（1）背隙的失效模式：

① 背隙過(guò)小，則活塞環(huán)容易和活塞槽底部接觸，在工作中容易導致活塞環(huán)折斷，活塞環(huán)折斷后導致拉缸事故的發(fā)生。

② 活塞環(huán)背隙過(guò)大，則建立背面壓力困難，造成活塞環(huán)密封效果不好，導致漏氣量增加或者燒機油事故的發(fā)生。

（2）背隙的測量：

      活塞環(huán)背隙目前尚無(wú)較好的檢測工具進(jìn)行檢測，一般是用活塞槽深度減去活塞環(huán)徑向厚度之值近似表示。

 

圖3 活塞環(huán)三隙位置示意圖

圖4 活塞環(huán)背隙檢查示意圖（就機法）

 

 

2、活塞環(huán)的閉口間隙

      所謂活塞環(huán)的閉口間隙（也叫端隙）是將活塞環(huán)放入直徑為氣缸基本直徑的環(huán)規內，開(kāi)口兩端的最窄距離（如圖1）。因內燃機運轉時(shí)會(huì )產(chǎn)生熱量，活塞環(huán)也會(huì )隨之膨脹，閉口間隙的存在，能有效防止活塞環(huán)因熱膨脹而產(chǎn)生抵口導致拉缸的事故的發(fā)生。

（1）閉口間隙的失效模式：

① 閉口間隙過(guò)?。?/span>

      較小的閉口間隙有利于密封氣體和降低機油消耗，但是閉口間隙過(guò)小(亦即超過(guò)最小閉口間隙值時(shí))會(huì )導致活塞環(huán)卡死而失去功效，甚至折斷而使活塞環(huán)喪失功能，導致拉缸的事故，因此在實(shí)際應用時(shí)一定要考慮活塞環(huán)的最小間隙。

② 閉口間隙過(guò)大：

      閉口間隙過(guò)大會(huì )使工作時(shí)活塞環(huán)的開(kāi)口處仍有較大的間隙，這個(gè)較大的間隙會(huì )增大氣體泄漏量通道并且使機油在此處上竄至燃燒室，從而導致竄氣和燒機油事故。有試驗表明一道環(huán)閉口間隙與漏氣量存在圖3的關(guān)系，二道環(huán)的閉口間隙與機油耗存在圖4的關(guān)系。

（2）閉口間隙的測量

      閉口間隙的測量方法如圖4所示，通常用楔形規或者厚薄規在內徑等于基本直徑的環(huán)規中測量，測量力約為1N.m,同時(shí)環(huán)規應滿(mǎn)足d1。在批量檢測時(shí)目前國內較為先進(jìn)的方法是自動(dòng)間隙測量機，該間隙測量機是利用光電技術(shù)對活塞環(huán)開(kāi)口工作間隙實(shí)現非接觸式光電轉換，用單片機對開(kāi)口電信號運算，處理和控制，實(shí)現自動(dòng)送料、檢測、分選等工步，該檢測設備能夠按活塞環(huán)閉口間隙大小將工件自動(dòng)分成負超差、合格和正超差三種分別存放，該方法檢測效率較高，而且可靠性較好。

● 允許的環(huán)閉口間隙：

– 矩形壓縮環(huán) ：0.20-0.35毫米（0.007-0.014英寸）

– 錐形壓縮環(huán) ：0.35-0.50毫米（0.014-0.020英寸）

– 刮油環(huán) ：0.20-0.90毫米（0.007-0.036英寸）

 

圖5 活塞環(huán)閉口間隙示意圖

圖6 活塞環(huán)端隙檢查

 

3、活塞環(huán)的側面間隙

      活塞環(huán)的側面間隙（也叫軸向間隙）是指活塞環(huán)軸向兩端面與活塞環(huán)槽上、下側面之間的間隙。

（1）側面間隙的失效模式：

① 側隙過(guò)小

      側隙過(guò)小則活塞環(huán)槽因活塞環(huán)產(chǎn)生的熱膨脹或積炭容易使活塞環(huán)卡死在活塞環(huán)槽中。

② 側隙過(guò)大

       側隙過(guò)大則活塞環(huán)的漏氣通道增加，氣密性下降；在環(huán)槽內的上下運動(dòng)幅度加大，叩擊作用加劇，導致活塞環(huán)兩端面或活塞槽側面的磨損均將增大；過(guò)大的側隙會(huì )導致活塞環(huán)泵油作用加劇，機油進(jìn)入燃燒室，導致燒機油。

（2）側隙的測量：

      測量時(shí)，將活塞環(huán)放入環(huán)槽內，用厚薄規測量，如圖5、圖6所示。

● 允許的活塞環(huán)槽中留有的垂直間隙（側隙）：

– 矩形壓縮環(huán)：0.015-0.070毫米（0.0006-0.0028英寸）；

– 錐形壓縮環(huán) ：0.03-0.07毫米（0.001-0.002英寸） ；

– 刮油環(huán) ：0.04-0.12毫米（在0.0016-0.0048英寸）。

 

圖5 活塞環(huán)側隙檢查示意圖（方法1）

圖6 活塞環(huán)側隙檢查示意圖（方法2）

 

三、活塞環(huán)常見(jiàn)故障

 

1、機油消耗高

（1）癥狀：耗機油；功率損失；

（2）現象：活塞環(huán)陷在活塞槽里；油環(huán)外表面磨損加速活塞裙部接觸不良，油環(huán)外觀(guān)如圖7所示。

（3）故障原因：燃燒溫度高。連桿彎曲或小端襯套沒(méi)有對正，曲軸端部浮動(dòng)太大。

（4）解決方法：確?？得魉共裼蜋C組進(jìn)氣系統不泄漏；確?？杖急日_；更換損壞的部件。檢查康明斯柴油機組連桿，并對正連桿小端位置，作必要的調整。

2、活塞環(huán)早期磨損

（1）癥狀：柴油機功率下降，耗機油；油耗增加；柴油機通氣口可能排出煙霧。

（2）現象：活塞環(huán)磨損或活塞環(huán)局部咬死，磨損現象如圖8所示。

（3）故障原因：冷卻不充分，氣缸表面溫度過(guò)高；潤滑不足，尤其是在柴油機磨合期，進(jìn)氣系統濾清效果不佳；氣缸孔也變形。

（4）解決方法：修補氣缸內孔損壞部位；更換活塞環(huán)，必要時(shí)更換活塞；確保整個(gè)柴油機潤滑系統充分工作（檢查機油泵、機油濾清器等）；檢查缸套，必要時(shí)更換；檢查進(jìn)氣系統，特別是空氣濾清器；按照制造商建議的程序觀(guān)察運轉情況。

 

圖7  油環(huán)示意圖

圖8  活塞環(huán)磨損位置圖

 

3、柴油機“竄氣”

（1）癥狀：某康明斯發(fā)電機組運行2000小時(shí)，排氣管往外噴油、竄氣，機油消耗大。

① 現象：第一道環(huán)側面磨損嚴重，活塞的第一道槽的上梯角為6°10′，下梯角為8°10′（不符合圖紙要求），1.5mm處的槽高過(guò)窄?；钊h(huán)槽位置如圖9所示。

② 故障原因：由于活塞槽角度及不符合技術(shù)要求，引起活塞環(huán)的側面潤滑狀況不好，環(huán)的不規則運動(dòng)加劇，造成環(huán)側面異常磨損，而竄油、竄氣。

③ 解決方法：更換活塞，確?；钊h(huán)槽的參數符合設計要求。

（2）癥狀：某康明斯發(fā)電機組裝機12天，竄油、竄氣。

① 現象：第一道氣環(huán)外圓鉻層有熔坑，嚴重熔著(zhù)拉缸。鉻基陶瓷復合鍍層的活塞環(huán)如圖10所示。

② 故障原因：通常第一道氣環(huán)外圓面鍍有鉻基陶瓷復合鍍層。鉻基陶瓷復合鍍層中陶瓷微粒含量高達5-6％。因柴油機長(cháng)期超負荷工作，燃燒溫度過(guò)高，造成活塞環(huán)燒熔；活塞油冷卻噴管發(fā)生故障（限于有這種裝置的柴油機），導致活塞環(huán)損壞甚至活塞裙部逐漸咬死；柴油機冷卻系統故障，如冷卻液泄漏，循環(huán)不暢。

③ 解決辦法：檢查燃油供給系統；確保柴油機冷卻系統工作正常。修補或更換損壞的氣缸零部件。嚴格按修理手冊要求調整柴油機。

 

圖9  活塞與活塞環(huán)槽圖示

圖10  鉻基陶瓷復合鍍層的活塞環(huán)第一道氣環(huán)位置圖

 

4、活塞環(huán)斷裂

（1）癥狀：耗機油；功率損失；

（2）現象：活塞環(huán)表面斷裂（注意斷裂的角度）

（3）故障原因：燃燒室壓力過(guò)高；點(diǎn)火提前角設置過(guò)大；壓縮比增大。

（4）解決方法：找到原因并加以修理；更換損壞的部件。

5、柴油機噪音大

（1）癥狀：柴油機噪音大，機油耗增加。

（2）現象：活塞銷(xiāo)孔旁的活塞裙部腐蝕，氣缸受損。

（3）故障原因：卡環(huán)安裝不當；裝了舊的卡環(huán)；末端壓力通過(guò)活塞銷(xiāo)傳輸，可能與連桿位置不正、曲軸軸頸變細或曲軸軸向間隙過(guò)剩有關(guān)；活塞銷(xiāo)孔積聚外來(lái)雜質(zhì)。

（4）解決方法：檢查、糾正任何連桿或小頭軸套的不正確位置尺寸；檢查、糾正過(guò)剩的曲軸軸頸尺寸及軸向間隙；更換損壞的活塞和缸套總成；確?；钊N(xiāo)及卡環(huán)位置正確。

 

總結：

      活塞環(huán)是柴油機燃燒室的組成零件之一，它的功用可歸納為，密封燃燒室、散出活塞熱量和調節氣缸潤滑?；钊h(huán)要實(shí)現這些功用，必須與氣缸壁緊貼，這就要求環(huán)具有足夠的彈力和符合要求的貼合。環(huán)的彈力不足和貼合不良會(huì )引起密封性下降，嚴重時(shí)會(huì )因環(huán)的“壓入”而竄氣；同時(shí)貼合不良也不利益活塞散熱和調節氣缸潤滑（油環(huán)）的作用。柴油機工作時(shí)，活塞環(huán)處在高溫高壓以及潤滑極其困難的條件下，特別第一道環(huán)。這一方面使環(huán)和缸套遭受強烈的摩擦和磨損，使環(huán)彈性減弱和貼合不良，環(huán)的工作性能惡化，嚴重時(shí)會(huì )引起拉缸、斷環(huán)。另一方面，環(huán)及環(huán)槽在高溫下受熱膨脹，若環(huán)的間隙（搭口間隙、天地間隙等）調整不當，也將引起氣缸密封不良，環(huán)的卡阻、頂死，使柴油機工作性能和使用壽命下降。

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