发动机活塞环的减磨措施

goodboy205 · 发表于 2011-8-8 21:35:22

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活塞环是发动机的关键件之一，其工作的好坏直接影响发动机的性能。同时，活塞环又是易损件，检修活塞环时，通常要吊出活塞，因此，常常把检修或更换活塞环的时间作为发动机的第一次检修期限。
近年来，由于发动机向高速和强化方向发展，活塞环的工作条件越来越苛刻，对其耐磨性也提出了更高的要求。
活塞环的磨损及影响因素
汽车发动机的活塞环和缸套之间的磨损具有如下几个特点：
1．活塞环在上下止点之间作往复运动，速度从静止状态变化到最高达30m/s左右，如此反复的做大幅度变化。
2．做往复运动时，在工作循环的进气、压缩、做功和排气行程中，汽缸压力变化很大。
3．因为受燃烧行程的影响，活塞环的运动经常是在高温下进行的，特别是第一道气环，在高温高压及燃烧生成物所产生的化学作用下，油膜很难建立，使其实现完全润滑比较困难，而常常处于临界润滑状态。
根据磨损机理，活塞环磨损可分为正常磨损、熔着磨损（划伤，擦伤）、磨料磨损及腐蚀磨损。但这些磨损现象不会单独出现，而是同时存在并且相互影响。按照磨损部位，活塞环磨损又可分为滑动面磨损和上下端面磨损。一般来说，滑动面磨损比上下端面磨损大，滑动面主要是熔着磨损和磨料磨损；上下端面则以因活塞做往复运动而引起的撞击磨损为主。
活塞环滑动面最大磨损常出现在汽缸上止点位置，因为该处受高温气体作用，破坏了油膜，造成易于熔着的条件，从而加速了活塞环的磨损。通常所谓的正常磨损实际上包含了轻微的熔着磨损和磨料磨损。各道环滑动面磨损量不一样，第一道气环磨损量最大，第二道环约为第一道的一半左右，油环的磨损量最小。例如，装在斯太尔WD615发动机上的活塞环经过500h可靠性试验后，第一道气环开口间隙磨损为0.4～0.6mm，第二道开口间隙磨损为0.25～0.4mm，油环开口间隙磨损为0.3～0.55mm。但有时油环磨损比中间几道环还大，这是由于受到汽缸表面润滑油分布和吸附杂质的影响。
活塞环上下端面的磨损主要是因为机油燃油中的硬性残渣以及从大气中混进的尘埃颗粒在上下端面上形成的机械研磨，本质上是磨料磨损。可是，当出现活塞的异常热变形、环槽侧隙变小时，也可能发生熔着磨损。
影响活塞环磨损的因素很多，其中活塞环的材料和形状、汽缸套活塞的材料和结构、润滑状态、发动机的结构形式、运转条件、燃油和润滑油的品质等是主要因素。当然，在同一汽缸中，润滑状态对活塞环磨损的影响则是最大的，可以说，活塞环的磨损在很大程度上取决于润滑状态。理想的环面间润滑为两滑动面间有一层均匀的油膜，然而这种情况事实上并不存在，特别是第一道气环，由于受高温的影响，很难建立起较理想的润滑状态。
活塞环的减磨措施
由于影响活塞环磨损的因素很多，而且这些因素往往是交织在一起的。另外，发动机的类型及使用条件不同，活塞环的磨损也有很大差别，因而不能只靠改善活塞环本身的结构和材料来解决问题，主要可以从以下几个方面来着手：活塞环和汽缸套的材料及良好的匹配；表面处理；结构状态；润滑油及添加剂选择；由于装配及运转时受热而导致的汽缸套及活塞的变形等。
下面主要探讨材料、结构及表面处理等方面的措施。
1．选择匹配性能良好的材料
就减少磨损而言，作为活塞环的材料，首先必须具备良好的耐磨性和贮油性。一般来说，必然是第一道气环比其它环磨损较多，因此，特别有必要使用善于保持油膜而不被破坏的材料。具有石墨组织的铸铁之所以受到重视，其原因之一就是它具有良好的贮油性和耐磨性。
为进一步提高活塞环的耐磨性，可在铸铁中加入不同种类和含量的合金元素，例如现在发动机普遍采用的铬钼铜合金铸铁环，在耐磨性和贮油性方面都表现出明显的优点。
总之，活塞环所用材料最好是能形成合理的软基体加硬质相的耐磨结构，使活塞环在初期磨合时易于磨损，磨合后又难于磨损。
另外，与活塞环相配合汽缸的材质对活塞环的磨损也有很大影响。一般来说，配磨材料的硬度差为零时磨损最小，随着硬度差增大，磨损也随之增大。但是，在选材的同时，最好是在两个零件都有最长寿命的前提下，使活塞环比汽缸更早达到磨损极限，这是因为更换活塞环比更换汽缸套较经济和容易。
对于磨料磨损，除考虑硬度外，还必须考虑活塞环材料的弹性影响，韧性强的材料难磨损，抗磨性也高。
2．结构形状改进
几十年来，国内外对活塞环的结构提出了许多改进，而将第一道气环改成桶面环的成效最显著。因为，桶面环有一系列的优点，就磨损而言，桶面环不管向上还是向下运动，润滑油均能靠油楔作用把环浮起，保证良好的润滑。另外桶面环还能避免棱缘负荷。目前，在强化柴油机中已普遍采用桶面环作为第一道环，其他类型的柴油机中也较普遍地采用了桶面环。
至于油环，国内外现在普遍采用的内撑螺旋弹簧铸铁油环具有很大的优点，这种油环本身挠性很好，对变形后的汽缸套有极好的适应性，从而可以保持良好的润滑，减少磨损。
为减少活塞环的磨损，对活塞环组的断面结构形状要进行合理的搭配，保持良好的密封和润滑油膜。
另外，为减少活塞环的磨损，对汽缸套和活塞的结构要进行合理的设计，如斯太尔WD615发动机汽缸套采用平台网纹结构，在磨合过程中，汽缸套和活塞环的接触面积减少，能保持液体润滑，磨损量极小；再者，网纹起贮油槽作用，提高了汽缸套保持润滑油的能力，因此，对减少活塞环和汽缸套的磨损十分有利。现在发动机普遍采用了这种汽缸套结构形状。为减少活塞环上下端面的磨损，活塞环和环槽的端面要保持适当的间隙，以避免过大的冲击负荷。另外，在活塞上环槽镶嵌耐磨奥氏体铸铁衬圈，也可以减少上下端面的磨损，但这种方法除特殊情况外没必要全面推广。因它的工艺较难掌握，成本也较高。
3．表面处理
能比较明显减少活塞环磨损的方法是进行表面处理。现在采用的表面处理方法很多，就其作用而言，可归纳为以下三大类：
＊提高表面硬度以减少磨料磨损。即在环的工作表面上形成一种非常硬的金属层，使松软的铸铁磨料不易嵌入其表面，提高环的耐磨性。现在最广泛采用的是松孔镀铬，不仅镀铬层硬度很高（HV800～1000），摩擦系数很小，而且松孔镀铬层具有良好的贮油结构，因此能显著提高活塞环的耐磨性。另外，镀铬成本低，稳定性好，在大多数情况下均具有较好使用性能。因此，现代汽车发动机的第一道环都使用镀铬环，而油环也几乎百分之百使用镀铬环。实践证明，活塞环镀铬后，不仅其本身的磨损小，而且其它没有镀铬的活塞环和缸套磨损也小。
对高速或强化发动机来说，其活塞环不仅要外圆表面镀铬，而且上下端面也要镀铬，减少端面磨损，所有环组外园面最好全部镀铬，以减少整个活塞环组的磨损。
＊改善活塞环工作表面的贮油能力和抗熔着能力以防熔着磨损。活塞环工作表面上的润滑油膜在高温下被破坏，有时会形成干摩擦，如果在活塞环表面施加一层具有贮存机油及抗熔着的表面覆层，则能减少熔着磨损，提高环的抗拉缸能力。活塞环喷钼就具有极高的抗熔着磨损能力。一方面由于喷钼层是多孔组织的贮油结构覆层；另一方面钼的熔点比较高(2630℃)，干摩擦时仍能有效地工作。在这种情况下，喷钼环比镀铬环有更高的抗熔着能力。如R4100型柴油机，开始时采用镀铬环，发现活塞环拉缸，采用喷钼环后基本上解决了该问题。但喷钼环耐磨料磨损能力比镀铬环差，另外，喷钼环成本较高且结构强度难以稳定。因此除非十分需要喷钼外，最好采用镀铬。
＊改善初期磨合的表面处理。这种表面处理是在活塞环表面覆盖一层适当软度、富有弹性的易损物质，使环与汽缸套突出部分相接触而加速磨损，从而缩短磨合期，使环良好地进入稳定的工作状态。目前较普遍采用的是磷化处理。在活塞环表面上形成一种质地柔软、易于磨损的磷化膜，由于磷化处理所需设备简单、操作方便、成本低、效率高，所以在小型发动机的活塞环工艺上普遍采用。另外，镀锡和氧化处理也可改善初期磨合。
在活塞环表面处理中，镀铬和喷钼是最普遍采用的方法。另外，根据发动机种类、结构、用途及工况不同也有采用其他的表面处理方法的，如软氮化处理、硫化处理、填充四氧化三铁等。
活塞环的磨损是一种比较复杂的现象，形成因素很多，而且往往复杂交织在一起，因此，在解决活塞环磨损问题时，必须全面分析各种因素，以便在设计、材料、制造工艺、表面处理和润滑剂等方面合理安排，最终达到满意的效果。
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