谈柴油机活塞组件的特点与作用

阿依尼沙·吐尔逊

(塔城市二工镇农业(畜牧业)发展中心，新疆 塔城 834300)

0 引言

活塞组件主要包括活塞、活塞环和活塞销，是柴油机重要运动部件之一，又是燃烧室的组成部分。在柴油机工作中，活塞组件受高温高压燃气的作用，活塞环随活塞在汽缸内往复运动并与汽缸套内表面相互摩擦。所以活塞组件的工作条件是非常恶劣的，使活塞产生很大的机械应力、热应力和变形等。从而引起活塞组件的磨损、裂纹、烧蚀和拉伤等，这些损伤不但直接影响柴油机的工作性能，而且严重地影响柴油机的寿命。活塞组件是柴油机的易损件，柴油机故障维修或定期大修中都会遇到活塞组件的技术状态鉴别或零件更换，作为农机推广人员需要了解活塞组件的结构特点、工作原理和功能作用等，以便指导用户对购买的柴油机能够正确使用与维护。

1 活塞组件的特点与作用

1.1 活塞

活塞是保持燃烧室良好密封的关键零件，活塞在高温高压气体作用下沿汽缸壁作高速往复运动，以带动曲轴旋转。活塞受本身速度周期性变化而形成的惯性力、气体压力和侧压力的联合作用。活塞在汽缸内工作时，燃气的最高温度可达2 000～2 500 ℃，活塞顶还承受瞬变高温的作用，且温度分布很不均匀，所以活塞也是最容易损伤的零件之一。

活塞与缸壁的配合间隙最为重要。由于活塞在不同工况下具有不同的温度，所以要在不同工况下保持最佳的配合间隙是很复杂的问题。如果冷状态下间隙合适，则在热状态下因活塞温度高于汽缸温度，会使缸塞间隙过小或咬死；反之，在热状态下合适的间隙，而在冷状态下可能因间隙过大而产生活塞敲缸现象。因此，要求制造活塞的材料热膨胀系数小，并在结构上采取适当的措施，防止过大的热变形。活塞材料一般为铸铁或铝合金。铸铁活塞的优点是耐磨性好，膨胀系数小，成本低，但铸铁比重大、导热差；铝合金活塞的比重小，约为铸铁比重的40%，因此惯性力小、导热性好，活塞受热温度较低，提高了柴油机的充气系数，防止润滑油变质，改善活塞环的工作条件。铝合金活塞的膨胀系数大(比铸铁大1.4～1.8倍)，在温度升高时强度、硬度和耐磨性较低、成本高。目前，在高速柴油机中广泛采用铝合金活塞，小型柴油机的活塞多为铝硅合金材料。

为了保证活塞工作时受热膨胀后能有较均匀的工作间隙，在制造时把活塞裙部的径向外形做成椭圆形，活塞裙部的长轴在垂直于活塞销座孔中心线的平面内，而短轴在活塞销座孔中心线的平面内，而且长轴比短轴要大0.25～0.40 mm。这样可保证活塞在工作时，其裙部具有较均匀的工作间隙。裙部采取了上述结构措施之后，与汽缸壁之间的配合间隙就比较小，不会产生敲缸现象。当然，不同柴油机由于活塞裙部的结构和尺寸大小不同，其最佳间隙也不同，一般由制造厂针对柴油机在最大功率时的正常工作条件来试验确定。

使用过程中，由于磨损活塞与缸壁之间的间隙逐渐增大，一般间隙超过极限值时需要搪修汽缸，然后按汽缸尺寸选配适当尺寸的活塞，以恢复标准间隙。为了保持必要的间隙，把活塞和汽缸套的尺寸分成几组，汽缸按原来尺寸加大0.25 mm作为修理尺寸，活塞也有相应的选配尺寸，如0.25、0.50、0.75、1.00、1.25、1.50六级标记，并把分组标记打在活塞顶上，装配时活塞的组号必须与汽缸套修复后的级别相一致。

1.2 活塞环

汽缸与活塞之间留有间隙，若不加以密封，汽缸中的气体会漏入曲轴箱，造成汽缸压缩力降低，柴油机动力性能变坏。此外，汽缸与活塞间多余的机油，若不刮掉就会窜入燃烧室，出现机油消耗增加，燃烧室积碳严重，排气冒“蓝烟”等不良现象。为了消除这些现象，活塞环槽部要装有活塞环。活塞环的材料一般用耐温、耐磨的优质灰铸铁或合金铸铁、球铸铁制造。工作条件最差的第一道气环的工作表面一般都进行多孔性镀铬，镀铬层硬度高且能贮存少量机油以改善润滑条件，提高活塞环的使用寿命。其余几道活塞环一般镀锡，以改善磨合性能。关于活塞环的功用分述如下。

1.2.1 活塞环的分类与数量

活塞环按其用途可分气环(又称压缩环)和油环两种。气环用来密封汽缸，并将活塞顶的大部分热量传给汽缸壁由冷却水带走。油环用来刮掉汽缸壁上多余的机油，并使机油在汽缸壁上分布均匀，改善汽缸与活塞的润滑条件，以减少摩擦阻力和磨损。柴油机目前大多采用螺旋弹簧式油环。它是在普通油环的里槽内安装一个螺旋弹簧，作用与钢片组合油环相似，以增加对缸壁接触压力。当油环磨损后能自动补偿，使油环仍能保持良好的刮油性能。弹簧接头处用锁口钢丝连接，油环外圆面及内圆面的槽内均镀铬，以提高耐磨性，延长使用寿命。这种油环安装较方便。

活塞环的数目与活塞环槽数相等，主要取决于柴油机的转速、汽缸内气体压力等。柴油机由于压缩比较高、气体压力大、转速低容易漏气，故气环数较多，一般用3～4道气环、1～2道油环。如195型柴油机，一般用3道气环、1道油环。

1.2.2 活塞环的密封作用

活塞环在工作时，首先以自身的弹力与汽缸壁贴合，使压缩气体不能从活塞环外围与汽缸壁之间通过。少量压缩气体窜入活塞环槽，作用在活塞环背面，增大了活塞环对汽缸壁的压力(活塞环背压力)，使活塞环的密封性能显著提高。活塞环的背压力对每一道活塞环是不相等的，第一环的背压力最大，约为气体压力的76%，以下各环依次减少。

1.2.3 活塞环主要技术参数

活塞环随同活塞装入汽缸时，应留有开口间隙、边间隙和背隙。活塞环接口两端面间的距离称开口间隙；活塞环上下端面与环槽间的间隙称边间隙；活塞环内表面与环槽底间的间隙称背隙。这三个间隙值是活塞环的主要技术参数。

开口间隙又称端隙，是活塞环装入汽缸后开口处的间隙，使活塞环有受热膨胀的余地，一般为0.25～0.65 mm，其大小与缸径有关。它是汽缸中的燃气漏入曲轴箱的唯一通路，因此其形状和装入汽缸后的间隙大小，对于漏入曲轴箱的燃气量密切相关。间隙过大，密封性不好，容易发生漏气，上窜机油；间隙过小，会加速环与缸壁的磨损，甚至会使环卡死或折断。

边间隙一般为0.05～0.30 mm，也是给活塞环以膨胀的余地。边间隙过大，密封不良，环与环槽撞击严重，加速其磨损，对于气环还有泵油作用；边间隙过小，会使环卡死在环槽中，失去弹性，破坏了密封和刮油作用。

活塞环背隙的检查经常被忽视，尤其在新活塞环与新活塞匹配时，更应注意检查，做到逐个验环。背隙即为活塞环在活塞环槽内的下沉量，活塞环在环槽中的标准下沉量不得超过0.15～0.25 mm。

安装活塞环前，检查确认活塞环端间隙、边间隙是否符合技术要求。活塞环安装后，环应能在环槽中自由转动，凭环自重落入槽内支承面。

1.2.4 活塞环的切口形式

气环和油环常用的切口形式有直切口、斜切口和阶梯形切口三种。切口形式对漏气影响不大，为便于制造，目前大多采用直切口。活塞环装入活塞环槽时，环口应相互错开120°或180°，避开活塞销孔座、承压面及喷油方向，以防止泄漏。

1.3 活塞销

活塞销是圆柱形的零件，其功用是把活塞和连杆连接在一起，将活塞上承受的力传给连杆。活塞销在高温下承受很大的周期性冲击力，要求其重量轻、强度高、表面耐磨。为此，活塞销用低碳钢或低碳合金钢制造，并做成中空形状。为了满足其外表面硬而耐磨、芯部韧而抗冲击的要求，应对其外表面进行渗碳或氧化处理。小型柴油机中活塞销与销座孔的配合都采用“全浮式”，即活塞销的中部穿过连杆小头孔，是动配合，两端则支承在活塞销座孔中，是过渡配合。当发动机工作温度升高后，活塞销才可在销座孔中自由转动。为防止其轴向窜动刮伤汽缸壁，活塞销的两端用弹性挡圈作轴向定位。

柴油机工作温度升高时，销与销座间应有适当间隙(195型柴油机为0.006～0.012 mm)，若间隙过大会产生敲击，加剧磨损。但由于铝合金活塞销座孔热膨胀系数大，为保证高温工作时有正常的间隙，常温下活塞销与销座孔之间，应有一定的过盈量，如小型柴油机活塞销装配时，先将活塞在100 ℃的机油中加热5～10 min，然后将活塞销推入销座孔内，装上挡圈，到室温时，销在座孔内就不能转动。工作时，活塞受热膨胀，销就可在销孔内微微转动，并将溅落在销座孔下侧小孔内的润滑油带到间隙中润滑摩擦表面，使销与销孔磨损较均匀。活塞销和连杆衬套为动配合，195型柴油机活塞销与连杆衬套的配合间隙为0.010～0.046 mm，磨损极限为0.120 mm。

2 活塞组件常见故障分析

2.1 活塞敲缸

在汽缸的上部会发出有节奏的 “突突”的异响声； 发动机高速运转时，异响更快、更强、更明显、更清晰；柴油机在低温工作时，异响明显，待柴油机工作一段时间，温度升高后，异响逐渐减弱或消失。

故障原因：1) 活塞与缸壁间隙过大，在作功冲程开始的瞬间或当活塞上行时，活塞在汽缸内摆动，其头部和裙部与汽缸壁相碰撞产生金属敲击声。2)由于润滑条件不良，机油压力偏低，汽缸壁的飞溅润滑不好，活塞与汽缸壁直接相碰而敲缸。3)柴油机在着火滞后期喷入汽缸的柴油过多。这些都能使燃烧时燃气压力上升过于剧烈而产生冲击，迫使活塞与汽缸壁相碰而敲缸。4) 活塞连杆组的装配使活塞在汽缸中歪斜量超过允许范围，不但使密封性变坏，润滑条件恶化，而且造成汽缸不正常的磨损，从而使活塞与汽缸壁敲击而出现响声。

故障检查：1) 从响声特征判断，如果响声是 “当、当”声，一般由于汽缸壁润滑不良所引起，如果需进一步证实，在可疑的汽缸内加入少量机油后再启动柴油机，听察响声是否已减弱。如果响声是 “嗒、嗒”声，同时排气管冒“蓝烟”，一般是由于活塞与汽缸壁间隙过大所引起。2) 进行单缸“断火”试验到某缸时，响声减低或消失，即证明该缸活塞由于间隙过大而敲缸。为了易于听察响声，可以将柴油机转速固定在声音最响的位置上。3) 如果温度低时不响，温度升高后而产生敲缸，高温时声响有加重迹象，单缸“断火”时响声加大，这种情况就相对比较复杂，例如可能是曲轴的连杆轴颈与主轴颈不平行；连杆弯曲；活塞与缸壁间隙过小；活塞环背隙、开口间隙过小等均可引起此种敲缸现象。判断时若单缸“断火”到某缸时，响声加大，可断定该缸即为故障缸。

2.2 汽缸压缩力不足

汽缸压缩终了的压力称为汽缸压缩力。汽缸压缩力与压缩比、曲轴转速、机油黏度及汽缸活塞组的技术状况有关。通过测量汽缸压缩压力，不但可以判断柴油机技术状况，同时还可以对柴油机进行故障诊断。这里只分析由于活塞组件的缺陷引起的汽缸压缩力不足故障。

2.2.1 活塞环磨损过大而引起汽缸压缩力不足

活塞环磨损表现在活塞环的开口间隙和边间隙过大。检测活塞环开口间隙时，应把活塞环放在汽缸套内磨损最小处，并使之平行于汽缸套端面。检测边间隙时，一定要把环槽内的积碳清除干净，再把活塞环垂直于活塞轴心线放入环槽中，并紧贴环槽一边，用厚薄规测量环槽另一边与活塞环端面之间的间隙。将测得的数值同规定的间隙数值相比，即可确定活塞环是否需要更换。

2.2.2 活塞环对口而引起汽缸压缩力不足

活塞环对口以后，不仅汽缸压缩力不足，而且上窜机油，下漏气体，导致柴油机功率下降，启动困难，排烟不正常。使用中，活塞环对口的原因主要有：1)新活塞环与旧汽缸套形状不符，使活塞环磨损加快，弹性很快减弱，同时在活塞环与汽缸套贴合不紧密处有窜气现象，使活塞环受热不均匀，导致开口位置发生变化。2)活塞环和汽缸套、活塞环和环槽的配合间隙都较大，工作时，活塞环因振动和受漏气的冲击而发生转动。在使用原汽缸套、活塞时，为避免活塞环对口，可将第一、二道新活塞环开口朝向汽缸套椭圆长轴方向左(右)近侧，将第三、四道新活塞环开口朝向汽缸套椭圆短轴方向左(右)近侧。

2.2.3 活塞环卡死而引起汽缸压缩力不足

活塞环卡死原因主要是活塞环装配不当使开口间隙过小，柴油机工作时，活塞环等机件受热膨胀使环的开口无间隙而发生对顶，造成活塞环卡死在汽缸内。燃烧室积碳过多，活塞环也会在环槽中卡死，柴油机产生积碳过多的原因有柴油机工作温度低，超负荷工作，供油量过大，燃烧不良等。活塞环卡死，导致压缩力不足，启动困难，出现排气管排机油、冒黑烟，油底壳机油变稀等现象。拆卸卡死的活塞环时，应先将活塞放入柴油中浸泡一段时间，然后再转动活塞环将其拆下。

2.2.4 活塞和汽缸套配合间隙过大而引起汽缸压缩力不足

检测汽缸套和活塞的配合间隙的方法是将活塞插入汽缸套上部，相当于上止点位置，然后用长片厚薄规测量垂直于活塞销方向活塞裙部与汽缸套之间的间隙。若该间隙不符合技术要求，应更换新件或镗缸后换用加大直径的活塞。

(04)