活塞损伤、破裂及配合间隙的检测方法

　　对于康明斯发电机组而言发电机则是心脏，而活塞就好比是心脏的动脉，活塞作为发电机的重要零件，对柴油发电机的性能有着重要的影响。因此对于活塞的检测与修理就变得更为重要。为了提高对柴油发电机的认识，康明斯公司讲解了活塞的构成特征与作用，说明了活塞常见损伤部位和活塞技术状态的判定，同时

　　      活塞在发烫、高压、高速、润滑不良的条件下工作。活塞直接与高温气体接触，瞬时温度可达2200℃以上，受热严重而散热要素很差，所以活塞工作是温度很高，顶部高速可达350~450℃，而且温度分布很不均匀。活塞顶部承受气体压力很大，特别是做功行程中压力最大，柴油发电机中压力高达3~5MPa，柴油发电机中压力高达6~9MPa，这就对活塞发生冲击，并承受侧压力的功能。活塞在气缸内以很高的转速（8~12m∕s）往复运动，且速度在不断的变化，这就产生了很大的惯性力，使活塞受到很大的附加载荷。活塞在这种恶劣的条件下工作，会产生变形并加载损伤，还会发生附加载荷和热应力，同时受到燃气的化学腐蚀用途。活塞构造包括顶部、防漏部、销座部和裙部四大部分，其构造如图1所示。

　　     活塞第一环槽以上部分称活塞顶部。顶部的形状与燃烧室有直接关系，随燃烧室不一样形状各异，有平顶、凸顶和凹顶多种。柴油发电机活塞顶部多为凹的，有ω形、铲形和螺管凹坑形等。此外，有的活塞顶部还制有为避免活塞顶与气门头相碰的两个圆形浅凹坑。为便于选配和装配，在活塞顶还制有尺寸、净重分组和安装箭头等标志，同组活塞净重差不大于10g。

　　     防漏部制有环槽用以装配气环和油环，气环多为2～3道，油环多为1道。气环装在上部，下部装油环。气环数减轻、环高减少可降低活塞高度和减小活塞品质，有利于内燃机转速的增强，以增加其动力性和经济性。活塞顶到第一环槽之间的环岸，叫火力岸。在此岸上制有绝热环槽，用以降低此部与缸壁间隙，增加节流以达到减小第一道环的热负荷和机械负荷、缩短火岸的高度的效果;绝热环槽的功能是改变热传导路线以减少第一道环的热负荷，在高强化柴油发电机的活塞第一环槽中铸有高镍铸铁环架，以提升活塞使用寿命。

　　    用以装配活塞销，将活塞受力传给连杆。为降低活塞销与座孔的压力，减轻损伤，这部分支承面要尽量大些，也就是孔径与支承长度要大些，销座与顶部用加强筋相连。活塞销结构外观如图2所示。

　　    在活塞往复运动中起导向功能，并承受侧压力。目前，一些柴油机为避免活塞换向时产生拍击和磨损，使活塞销孔中心线与活塞轴线不相交，向侧压方向偏移1～2 mm。因此，这种活塞安装时，要注意安装方向标志。

　　    活塞在作业中因为裙部受侧压力、销座承受活塞轴向力、销座金属零件易受热后变形等都易使活塞裙部变椭圆形，沿销轴方向直径增大，侧压力方向直径变小。如不采取举措，活塞在作业时将拉伤缸壁，甚至卡缸。柴油机活塞在其裙部开有梯形或门形切口，其横向切口功能为切断热流、减小裙部受热膨胀;纵向切口在裙部变形时留有膨胀余地。另外，有很多活塞将销座孔周围制成凹陷形，作为膨胀余地，也有将活塞制成椭圆的，其长轴为侧压方向，短轴为销轴方向，这种活塞也叫椭圆活塞。有的活塞铸入恒范钢片使裙部与销座相连，恒范钢片热膨胀系数很小，可使活塞与汽缸配合间隙减少。为防范活塞裙部与主轴平衡块相碰，沿活塞销方向将销座以下裙部切除。这样，还可减小摩擦阻力和减小重量。这种活塞也称鞍形活塞或拖鞋形活塞。活塞由于沿高度方向受热不同，膨胀量亦不一样，因此，常将活塞制成上、下直径不一的锥形。

　　      活塞作为柴油发电机的重要运动件之一，它所处的工作条件相当严酷，即高温、高负荷、高速运动、润滑不佳和冷却困难等，使其成为柴油发电机改良的重大障碍之一。随着柴油发电机技术水平的增强，高速大负荷柴油发电机的研制和运用，使活塞处于一个更严酷的作业环境中，活塞就不可预防的成为柴油发电机强化的首要障碍。柴油发电机在运行时，活塞作业在高负载环境中。首先，活塞受气体压力、惯性力和侧向力的用途，气体压力和惯性力的方向和大小都是变化的，这就导致了活塞内应力的极度不均匀，容易引起材料的疲劳破坏。其次，活塞在径向和高度方向上的受热不均匀，致使内部附加极大的热应力云南康明斯发电机，这也是活塞疲劳破坏的主要原由之一。

　　      此外，活塞的不一样部位还承受着局部力的作用，受力区域如图3所示。活塞环岸作用着气体压力和活塞的惯性力，活塞在上止点摇摆使活塞上下边缘遭到冲击。而且因为活塞形状复杂，各部分金属分布不均匀，在不同的直径方向，活塞的刚度是不一样的，在不同的刚度之间，轴线方向上，活塞的热变形和热应力是不同的，活塞的受力和内应力也是极度不均匀的。也就致使活塞的加载损坏。

　　       活塞烧蚀呈现在活塞顶部，轻者有疏松状麻坑，重者有局部烧熔状况。活塞顶面烧蚀将导致发烫燃气窜入机油盘，加载润滑油的氧化变质、气缸密封性变差、压缩比下降、燃油燃烧程序变坏、柴油发电机的动力性和经济性下降;严重时活塞开裂破碎，损坏缸套、连杆、曲轴、机体等零配件。

　　      活塞顶部烧蚀的缘由具体是异常燃烧造成的，使顶部接受过多热量或者是活塞环卡死和断环故障之后再大负载情形下运行而烧顶的。当活塞冷却不佳时，在活塞顶上如喷嘴油束对应区域，以及顶部突出的形状如活塞顶部W形凹坑等处产生局部太热，当温度超过一定值后，金属表面发生烧蚀。烧蚀较轻的活塞，允许继续操作，烧蚀严重时必须替换。

　　      配合间隙“非法”详细起因是由于新机装配错误或旧机修理“非法”致使的。活塞与汽缸的配合间隙应严格按照柴油发电机使用说明书的规定配合，间隙过量，会使柴油发电机冷起动不成功，冷机时会发出捣缸声，同时输出无力。间隙过小（如图4所示），则会导致拉缸、胀缸等损坏厦门康明斯发电机。

　　      活塞裙部是起导向用途的，活塞裙部与缸壁间的损伤是不可防范的，随着使用时间的延长，二者间隙不断增大，当大到一定程度，将出现敲缸情形。磨耗原由就是材质不佳，热膨胀系数过高，发烫的情况下造成涨缸。这个部位是飞溅式润滑的，机油好坏也是关键永州康明斯发电机。长时间发烫高速的情况下应当让柴油发电机适当地休息冷却。在选配活塞销时，若销与销孔配合过盈太大，活塞在气缸里作业时会发生反椭圆状况，同样会致使捣缸和窜机油等状况的出现。

　　      活塞环槽磨耗具体是由于环槽中相对运动导致的；其次是燃烧室发热使活塞头和环槽变形，材料性能下降，环与环槽之间的油膜破坏，环槽磨耗更加严重。磨损状况如图5所示。

　　      环槽损伤使其与环的配合间隙增大，活塞环的密封性下降，产生漏气、压缩压力和爆发压力性能减少和进入环背面燃气增多，高压燃气将环压向缸壁致使环容易折断。环槽磨耗使环槽截面形状由矩形变为梯形或产生磨台，且以第一、二道环槽为重为快，一般活塞环槽的磨耗量在0.01mm/kh以内为正常。

　　      活塞头触火面出现裂痕是指在活塞顶面产生的径向或圆周向裂纹、起吊孔边缘裂痕及第一道环槽根部裂纹。

　　      活塞头部裂痕详细是热应力导致的，同时还有机械应力的功用。柴油发电机运转时，活塞顶部温度分布不均匀。顶面中央或边缘温度最高，铸钢活塞可达450℃；铝活塞可达300~375℃，顶面冷却侧及第一道活塞环槽的温度一般在200左右。在正常作业条件下，活塞头部各处存在着温差应力和高压燃气功用的机械应力等，而且这些应力又都是周期性的；当喷油定期不正，燃油雾化不佳或火焰接触活塞顶面时就会造成局部过燃，引起过量的热应力；当柴油发电机超负荷运行或活塞顶部冷却不充分时也会引起热应力。过量的热应力会引起裂痕。柴油发电机频繁启动，停机也会致使热疲劳裂痕。

　　      活塞顶面裂痕还会由于冷却不充分，活塞顶面散热不好所致。例如水冷活塞冷却侧结垢严重或活塞顶面积碳严重时就会使活塞局部过热，导致裂痕。一般，结垢层或积碳层超过0.5mm时，加强防冻液的定时排查等修理维护作业。活塞顶面的起吊孔边缘和第一道环槽根部就会因应力集中出现裂痕。

　　      活塞销孔裂痕现象如图6所示。由于活塞销弯曲、刚度不足或销座顺应性不良，将在活塞销孔内端产生应力集中，引起疲劳裂纹。裂痕从销孔上表面开始，并沿着销座的纵向平面延展。在使用中出现这种损伤，往往是由于活塞和活塞销的材质、制造或安装错误造成的。 

　　    在换用新活塞时，一些修理工不是根据活塞的磨损程度来决定，而是在替换气缸套时便将活塞报废。其实这是一种偷懒和浪费行为，正确做法是在排除决定前，应对活塞作主要的检查再决定是否更替活塞。首先用观察法检验活塞有无严重的机械损伤，如裂痕、环槽塌边、挡圈沟槽崩落及作业表面是否有深的刮痕等，然后再作以下查验。

　　      活塞顶部烧蚀的程度可用活塞顶部样板和塞尺进行检测。测定时，将样板置于活塞顶部，用塞尺检测样板与活塞顶部之间的最大间隙t 。检测时，还应使样板绕活塞轴线o角测定一次，取其中最大值t 。当t超过15mm时应换新活塞。

　　      活塞裙部外表面磨损后，裙部直径降低，活塞与气缸的间隙增大；横截面出现圆度误差、纵截面发生圆柱度误差，这些都直接影响活塞的工作性能和柴油发电机的功率。用外径千分尺、游标卡尺测定活塞的上部、中部和裙部的外径，如图7所示。检测每一检测点的横截面上互相垂直的两个之间：首尾方向和左右舷方向。将测量值记录在表格中，计算出每个横截面的圆度、纵截面的圆柱度，以其中最大值与操作介绍或标准比较，以确定活塞的损伤程度。

　　      环槽磨损程度是利用样板和塞尺测定环槽高度的变化来确定的。样板是以新活塞的环槽高度为准制作的，也可以用一只新活塞环作为样板。测定时，将样板水平插入环槽并紧贴环槽下端面，用塞尺检测环与环糟上端面之间的距离，即活塞环与环槽的配合间隙，如图8所示。检测值与使用手册比较，当检测值超过极限值时，说明环槽严重磨损，应予以修复。

　　      活塞顶面冷却侧、筒状活塞的活塞销座处发生裂纹是很多见的，主要是因为过大的机械应力致使的，同时还会由于规划不良、材质不佳和毛坯制作短处等在这些部位存在应力集中而加载裂痕的出现。

　　     活塞裂痕可通过观察或者着色探伤进行检查。钢质。铝质活塞的顶部裂痕较轻，可采用焊补工艺修复，钢质活塞顶部裂纹严重时选择局部更换。活塞环槽根部裂纹、活塞上穿透性裂纹及无法修理的冷却侧裂痕则应将及时更替。

　　      与缸套的检验相似，用内径千分表在两边销孔长度上各取两个截面，在每个截面上取互相垂直的两个方向（即上下受力方向与水平方向）位置，然后计算出圆度和圆柱度。

　　      柴油发电机活塞的功用是承受燃气燃烧所释放的爆发压力，并将此压力通过活塞销、连杆、主轴和飞轮对外做功。同时还具有封闭气缸，形成燃烧室，吸入、压缩和排出气体，传出部分热量，以及将活塞的侧向力传给汽缸壁等功用。活塞顶部与发热高压气体直接接触，活塞在汽缸中做高速往复运动，润滑因素差，是柴油发电机最容易见坏的零件之一。康明斯需要对活塞有一个初步的认知，知道它的组成特征与功用，通晓活塞多见损伤的特征，以及怎样准确预判活塞是否可以继续操作，并要对活塞故障的原由进行分析，以免相同的损坏再次出现。

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