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活塞環(huán)是灑水車和油罐車發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵件之一,其工作的好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。同時(shí),灑水車和油罐車的活塞環(huán)又是易損件,檢修活塞環(huán)時(shí),通常要吊出活塞,因此,常常把檢修或更換活塞環(huán)的時(shí)間作為發(fā)動(dòng)機(jī)的第一次檢修期限。
近年來(lái),由于灑水車和油罐車的發(fā)動(dòng)機(jī)向高速和強(qiáng)化方向發(fā)展,活塞環(huán)的工作條件越來(lái)越苛刻,對(duì)其耐磨性也提出了更高的要求。
灑水車和油罐車得活塞環(huán)磨損及影響因素
汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞環(huán)和缸套之間的磨損具有如下幾個(gè)特點(diǎn):
1.活塞環(huán)在上下止點(diǎn)之間作往復(fù)運(yùn)動(dòng),速度從靜止?fàn)顟B(tài)變化到最高達(dá)30m/s左右,如此反復(fù)的做大幅度變化。
2.做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí),在工作循環(huán)的進(jìn)氣、壓縮、做功和排氣行程中,汽缸壓力變化很大。
3.因?yàn)槭苋紵谐痰挠绊,活塞環(huán)的運(yùn)動(dòng)經(jīng)常是在高溫下進(jìn)行的,特別是第一道氣環(huán),在高溫高壓及燃燒生成物所產(chǎn)生的化學(xué)作用下,油膜很難建立,使其實(shí)現(xiàn)完全潤(rùn)滑比較困難,而常常處于臨界潤(rùn)滑狀態(tài)。
根據(jù)磨損機(jī)理,活塞環(huán)磨損可分為正常磨損、熔著磨損(劃傷,擦傷)、磨料磨損及腐蝕磨損。但這些磨損現(xiàn)象不會(huì)單獨(dú)出現(xiàn),而是同時(shí)存在并且相互影響。按照磨損部位,活塞環(huán)磨損又可分為滑動(dòng)面磨損和上下端面磨損。一般來(lái)說(shuō),滑動(dòng)面磨損比上下端面磨損大,滑動(dòng)面主要是熔著磨損和磨料磨損;上下端面則以因活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)而引起的撞擊磨損為主。
活塞環(huán)滑動(dòng)面最大磨損常出現(xiàn)在汽缸上止點(diǎn)位置,因?yàn)樵撎幨芨邷貧怏w作用,破壞了油膜,造成易于熔著的條件,從而加速了活塞環(huán)的磨損。通常所謂的正常磨損實(shí)際上包含了輕微的熔著磨損和磨料磨損。各道環(huán)滑動(dòng)面磨損量不一樣,第一道氣環(huán)磨損量最大,第二道環(huán)約為第一道的一半左右,油環(huán)的磨損量最小。例如,裝在斯太爾WD615發(fā)動(dòng)機(jī)上的活塞環(huán)經(jīng)過(guò)500h可靠性試驗(yàn)后,第一道氣環(huán)開口間隙磨損為0.4~0.6mm,第二道開口間隙磨損為0.25~0.4mm,油環(huán)開口間隙磨損為0.3~0.55mm。但有時(shí)油環(huán)磨損比中間幾道環(huán)還大,這是由于受到汽缸表面潤(rùn)滑油分布和吸附雜質(zhì)的影響。
活塞環(huán)上下端面的磨損主要是因?yàn)闄C(jī)油燃油中的硬性殘?jiān)约皬拇髿庵谢爝M(jìn)的塵埃顆粒在上下端面上形成的機(jī)械研磨,本質(zhì)上是磨料磨損。可是,當(dāng)出現(xiàn)活塞的異常熱變形、環(huán)槽側(cè)隙變小時(shí),也可能發(fā)生熔著磨損。
影響活塞環(huán)磨損的因素很多,其中活塞環(huán)的材料和形狀、汽缸套活塞的材料和結(jié)構(gòu)、潤(rùn)滑狀態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式、運(yùn)轉(zhuǎn)條件、燃油和潤(rùn)滑油的品質(zhì)等是主要因素。當(dāng)然,在同一汽缸中,潤(rùn)滑狀態(tài)對(duì)活塞環(huán)磨損的影響則是最大的,可以說(shuō),活塞環(huán)的磨損在很大程度上取決于潤(rùn)滑狀態(tài)。理想的環(huán)面間潤(rùn)滑為兩滑動(dòng)面間有一層均勻的油膜,然而這種情況事實(shí)上并不存在,特別是第一道氣環(huán),由于受高溫的影響,很難建立起較理想的潤(rùn)滑狀態(tài)。
灑水車和油罐車活塞環(huán)的減磨措施
由于影響活塞環(huán)磨損的因素很多,而且這些因素往往是交織在一起的。另外,發(fā)動(dòng)機(jī)的類型及使用條件不同,活塞環(huán)的磨損也有很大差別,因而不能只靠改善活塞環(huán)本身的結(jié)構(gòu)和材料來(lái)解決問題,主要可以從以下幾個(gè)方面來(lái)著手:活塞環(huán)和汽缸套的材料及良好的匹配;表面處理;結(jié)構(gòu)狀態(tài);潤(rùn)滑油及添加劑選擇;由于裝配及運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)受熱而導(dǎo)致的汽缸套及活塞的變形等。
下面主要探討材料、結(jié)構(gòu)及表面處理等方面的措施。
1.選擇匹配性能良好的材料
就減少磨損而言,作為活塞環(huán)的材料,首先必須具備良好的耐磨性和貯油性。一般來(lái)說(shuō),必然是第一道氣環(huán)比其它環(huán)磨損較多,因此,特別有必要使用善于保持油膜而不被破壞的材料。具有石墨組織的鑄鐵之所以受到重視,其原因之一就是它具有良好的貯油性和耐磨性。
為進(jìn)一步提高活塞環(huán)的耐磨性,可在鑄鐵中加入不同種類和含量的合金元素,例如現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用的鉻鉬銅合金鑄鐵環(huán),在耐磨性和貯油性方面都表現(xiàn)出明顯的優(yōu)點(diǎn)。
總之,活塞環(huán)所用材料最好是能形成合理的軟基體加硬質(zhì)相的耐磨結(jié)構(gòu),使活塞環(huán)在初期磨合時(shí)易于磨損,磨合后又難于磨損。
另外,與活塞環(huán)相配合汽缸的材質(zhì)對(duì)活塞環(huán)的磨損也有很大影響。一般來(lái)說(shuō),配磨材料的硬度差為零時(shí)磨損最小,隨著硬度差增大,磨損也隨之增大。但是,在選材的同時(shí),最好是在兩個(gè)零件都有最長(zhǎng)壽命的前提下,使活塞環(huán)比汽缸更早達(dá)到磨損極限,這是因?yàn)楦鼡Q活塞環(huán)比更換汽缸套較經(jīng)濟(jì)和容易。
對(duì)于磨料磨損,除考慮硬度外,還必須考慮活塞環(huán)材料的彈性影響,韌性強(qiáng)的材料難磨損,抗磨性也高。
2.結(jié)構(gòu)形狀改進(jìn)
幾十年來(lái),國(guó)內(nèi)外對(duì)活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)提出了許多改進(jìn),而將第一道氣環(huán)改成桶面環(huán)的成效最顯著。因?yàn),桶面環(huán)有一系列的優(yōu)點(diǎn),就磨損而言,桶面環(huán)不管向上還是向下運(yùn)動(dòng),潤(rùn)滑油均能靠油楔作用把環(huán)浮起,保證良好的潤(rùn)滑。另外桶面環(huán)還能避免棱緣負(fù)荷。目前,在強(qiáng)化柴油機(jī)中已普遍采用桶面環(huán)作為第一道環(huán),其他類型的柴油機(jī)中也較普遍地采用了桶面環(huán)。
至于油環(huán),國(guó)內(nèi)外現(xiàn)在普遍采用的內(nèi)撐螺旋彈簧鑄鐵油環(huán)具有很大的優(yōu)點(diǎn),這種油環(huán)本身?yè)闲院芎茫瑢?duì)變形后的汽缸套有極好的適應(yīng)性,從而可以保持良好的潤(rùn)滑,減少磨損。
為減少活塞環(huán)的磨損,對(duì)活塞環(huán)組的斷面結(jié)構(gòu)形狀要進(jìn)行合理的搭配,保持良好的密封和潤(rùn)滑油膜。
另外,為減少活塞環(huán)的磨損,對(duì)汽缸套和活塞的結(jié)構(gòu)要進(jìn)行合理的設(shè)計(jì),如斯太爾WD615發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸套采用平臺(tái)網(wǎng)紋結(jié)構(gòu),在磨合過(guò)程中,汽缸套和活塞環(huán)的接觸面積減少,能保持液體潤(rùn)滑,磨損量極;再者,網(wǎng)紋起貯油槽作用,提高了汽缸套保持潤(rùn)滑油的能力,因此,對(duì)減少活塞環(huán)和汽缸套的磨損十分有利,F(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用了這種汽缸套結(jié)構(gòu)形狀。為減少活塞環(huán)上下端面的磨損,活塞環(huán)和環(huán)槽的端面要保持適當(dāng)?shù)拈g隙,以避免過(guò)大的沖擊負(fù)荷。另外,在活塞上環(huán)槽鑲嵌耐磨奧氏體鑄鐵襯圈,也可以減少上下端面的磨損,但這種方法除特殊情況外沒必要全面推廣。因它的工藝較難掌握,成本也較高。
3.表面處理
能比較明顯減少活塞環(huán)磨損的方法是進(jìn)行表面處理,F(xiàn)在采用的表面處理方法很多,就其作用而言,可歸納為以下三大類:
*提高表面硬度以減少磨料磨損。即在環(huán)的工作表面上形成一種非常硬的金屬層,使松軟的鑄鐵磨料不易嵌入其表面,提高環(huán)的耐磨性,F(xiàn)在最廣泛采用的是松孔鍍鉻,不僅鍍鉻層硬度很高(HV800~1000),摩擦系數(shù)很小,而且松孔鍍鉻層具有良好的貯油結(jié)構(gòu),因此能顯著提高活塞環(huán)的耐磨性。另外,鍍鉻成本低,穩(wěn)定性好,在大多數(shù)情況下均具有較好使用性能。因此,現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的第一道環(huán)都使用鍍鉻環(huán),而油環(huán)也幾乎百分之百使用鍍鉻環(huán)。實(shí)踐證明,活塞環(huán)鍍鉻后,不僅其本身的磨損小,而且其它沒有鍍鉻的活塞環(huán)和缸套磨損也小。
對(duì)高速或強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō),其活塞環(huán)不僅要外圓表面鍍鉻,而且上下端面也要鍍鉻,減少端面磨損,所有環(huán)組外園面最好全部鍍鉻,以減少整個(gè)活塞環(huán)組的磨損。
*改善活塞環(huán)工作表面的貯油能力和抗熔著能力以防熔著磨損;钊h(huán)工作表面上的潤(rùn)滑油膜在高溫下被破壞,有時(shí)會(huì)形成干摩擦,如果在活塞環(huán)表面施加一層具有貯存機(jī)油及抗熔著的表面覆層,則能減少熔著磨損,提高環(huán)的抗拉缸能力;钊h(huán)噴鉬就具有極高的抗熔著磨損能力。一方面由于噴鉬層是多孔組織的貯油結(jié)構(gòu)覆層;另一方面鉬的熔點(diǎn)比較高(2630℃),干摩擦?xí)r仍能有效地工作。在這種情況下,噴鉬環(huán)比鍍鉻環(huán)有更高的抗熔著能力。如R4100型柴油機(jī),開始時(shí)采用鍍鉻環(huán),發(fā)現(xiàn)活塞環(huán)拉缸,采用噴鉬環(huán)后基本上解決了該問題。但噴鉬環(huán)耐磨料磨損能力比鍍鉻環(huán)差,另外,噴鉬環(huán)成本較高且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度難以穩(wěn)定。因此除非十分需要噴鉬外,最好采用鍍鉻。
*改善初期磨合的表面處理。這種表面處理是在活塞環(huán)表面覆蓋一層適當(dāng)軟度、富有彈性的易損物質(zhì),使環(huán)與汽缸套突出部分相接觸而加速磨損,從而縮短磨合期,使環(huán)良好地進(jìn)入穩(wěn)定的工作狀態(tài)。目前較普遍采用的是磷化處理。在活塞環(huán)表面上形成一種質(zhì)地柔軟、易于磨損的磷化膜,由于磷化處理所需設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、成本低、效率高,所以在小型發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞環(huán)工藝上普遍采用。另外,鍍錫和氧化處理也可改善初期磨合。
在活塞環(huán)表面處理中,鍍鉻和噴鉬是最普遍采用的方法。另外,根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)種類、結(jié)構(gòu)、用途及工況不同也有采用其他的表面處理方法的,如軟氮化處理、硫化處理、填充四氧化三鐵等。
活塞環(huán)的磨損是一種比較復(fù)雜的現(xiàn)象,形成因素很多,而且往往復(fù)雜交織在一起,因此,在解決活塞環(huán)磨損問題時(shí),必須全面分析各種因素,以便在設(shè)計(jì)、材料、制造工藝、表面處理和潤(rùn)滑劑等方面合理安排,最終達(dá)到滿意的效果。
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