柴油機(jī)活塞環(huán)斷裂分析

黃國(guó)彧

摘要：從柴油機(jī)活塞環(huán)的作用及運(yùn)動(dòng)形式出發(fā)，結(jié)合活塞環(huán)斷口進(jìn)行宏觀檢測(cè)、掃描電鏡、金相等分析了活塞環(huán)在環(huán)槽內(nèi)折斷的原因?yàn)槠跀嗔?，疲勞源?yīng)位于外圓面上棱邊倒角處，推測(cè)活塞環(huán)斷裂主要與活塞環(huán)承載超限有關(guān)。

關(guān)鍵詞：活塞環(huán);疲勞;斷裂;承載

0? 引言

柴油機(jī)活塞在工作時(shí)要受到較高的熱負(fù)荷，受熱后活塞要膨脹，為了保證活塞能在氣缸內(nèi)高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，必須保證在工作狀態(tài)下活塞與氣缸之間具有必要的間隙，而氣環(huán)是用來(lái)保證活塞對(duì)燃燒室的密封，建立必要的壓縮壓力使燃?xì)獍匆笞龉Φ?。活塞頭部吸收的熱量中大部分將經(jīng)環(huán)槽底部通過(guò)氣環(huán)傳到氣缸壁，然后再由冷卻液帶走。因此氣環(huán)具有密封和導(dǎo)熱兩大基本功能，前者是后者的前提和保證。

由于活塞環(huán)隨活塞做相對(duì)于氣缸壁的高速運(yùn)動(dòng)，其平均速度高達(dá)（12-15）m/s[1]，潤(rùn)滑不良是無(wú)法工作，必須通過(guò)飛濺等方法在氣缸壁上涂上潤(rùn)滑油。如果潤(rùn)滑油過(guò)多，會(huì)使活塞環(huán)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生“泵油”作用，從而使?jié)櫥透Z入活塞燃燒室燃燒。油環(huán)的功用就是將飛濺到氣缸壁上的潤(rùn)滑油均勻地涂到氣缸壁上，并將多余的潤(rùn)滑油從氣缸壁上刮下來(lái)[2]。

活塞環(huán)的主要作用是：①密封氣體;②導(dǎo)出活塞上的熱量;③均勻分布?xì)飧妆谏系臐?rùn)滑油，并防止?jié)櫥透Z入燃燒室;④支撐活塞，防止活塞直接和缸壁接觸[2]。

活塞環(huán)的運(yùn)動(dòng)：①軸向運(yùn)動(dòng)及軸向振動(dòng);②徑向運(yùn)動(dòng)及徑向振動(dòng);③回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);④扭曲振動(dòng)。

只有當(dāng)環(huán)在環(huán)槽中自如地進(jìn)行軸向、徑向和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，才能保證正常工作，而上述的各種振動(dòng)是不規(guī)則的有害運(yùn)動(dòng)，特別是高速柴油機(jī)，上述運(yùn)動(dòng)大大加倍，這是引起活塞環(huán)磨損、折斷及潤(rùn)滑油消耗量過(guò)大等故障的直接原因。

1? 活塞環(huán)斷環(huán)原因分析

引起活塞環(huán)在環(huán)槽內(nèi)折斷的主要原因如下：

1.1 活塞導(dǎo)致的原因

①活塞環(huán)槽內(nèi)積碳嚴(yán)重：環(huán)槽內(nèi)積碳會(huì)導(dǎo)致環(huán)槽四周不平，使活塞環(huán)在工作中受到交變彎曲力的作用，從而使其斷裂;嚴(yán)重的積碳也會(huì)使活塞環(huán)受到撞擊，導(dǎo)致折斷。②活塞環(huán)槽加工質(zhì)量未達(dá)標(biāo)、經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行或磨合不良使環(huán)槽的上下表面不平、或者長(zhǎng)時(shí)間高溫作用使環(huán)槽發(fā)生高溫蠕變，使得環(huán)槽上下面支撐不良，在燃?xì)鈮毫ψ饔孟禄钊h(huán)受到交變的扭曲和彎曲作用而發(fā)生疲勞斷裂。③活塞環(huán)與環(huán)槽間的間隙過(guò)大，間隙增大后活塞環(huán)會(huì)在環(huán)槽內(nèi)顫振，這既不利于密封又會(huì)使活塞環(huán)由于振動(dòng)而斷裂。④活塞第一環(huán)槽不在冷卻腔區(qū)越等原因?qū)е吕鋮s不當(dāng)，導(dǎo)致溫度過(guò)高，換局部熱應(yīng)力增加。

1.2 氣缸套導(dǎo)致的原因。

①氣缸套上部積碳形成一圈凸緣或由于磨損而形成臺(tái)階，在這種情況下當(dāng)活塞運(yùn)行到上止點(diǎn)時(shí)，第一道氣環(huán)會(huì)因此臺(tái)階沖擊而導(dǎo)致斷裂。②缸套的磨損使軸向出現(xiàn)錐度或呈鼓形，在圓周方向呈橢圓形或不規(guī)則的棱圓形，從而使活塞環(huán)在上下運(yùn)動(dòng)中將產(chǎn)生局部應(yīng)力，不均的受力導(dǎo)致活塞環(huán)沖擊斷裂或疲勞斷裂。

1.3 活塞環(huán)導(dǎo)致的原因

活塞環(huán)的鑄造、加工及表面強(qiáng)化處理等工藝，只要其中一道工序不合格都會(huì)使活塞環(huán)存在斷裂的隱患。

1.4 柴油機(jī)負(fù)荷過(guò)大導(dǎo)致的原因

柴油機(jī)的最大爆壓過(guò)大，使環(huán)的機(jī)械應(yīng)力增大，造成斷環(huán)。

1.5 裝配操作過(guò)程

不合理的操作導(dǎo)致活塞環(huán)漏光?；钊h(huán)自動(dòng)裝配機(jī)器送料裝置如圖1，如果在徑向產(chǎn)生異常強(qiáng)大外力將導(dǎo)致活塞環(huán)徑向變形（漏光）和軸向變形（撓曲），如果不及時(shí)將變形活塞環(huán)處理掉而裝到柴油機(jī)上就無(wú)法保證活塞環(huán)在環(huán)槽中自如地進(jìn)行軸向、徑向和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，最終導(dǎo)致斷環(huán)。

2? 活塞環(huán)在環(huán)槽內(nèi)折斷原因的綜合分析

某柴油機(jī)在臺(tái)架性能試驗(yàn)時(shí)，運(yùn)行到標(biāo)定點(diǎn)后，出現(xiàn)漏氣量波動(dòng)，此問(wèn)題一直未采取措施，在進(jìn)行萬(wàn)有特性額定轉(zhuǎn)速時(shí)出現(xiàn)漏氣量及曲軸箱壓力異常增加，此時(shí)臺(tái)架累計(jì)運(yùn)行時(shí)間350小時(shí)，下臺(tái)架拆機(jī)發(fā)現(xiàn)4缸出現(xiàn)缸套拉缸、第一環(huán)斷環(huán)的故障。

2.1 斷口形貌分析

活塞環(huán)斷口為扭轉(zhuǎn)復(fù)合型，斷裂起始于外圓一側(cè)向內(nèi)圓方向擴(kuò)展直至斷裂見圖2。外圓面（含外角）出現(xiàn)了兩處疲勞源且疲勞條紋方向及致密性均不一致;由疲勞源1開始的疲勞較疲勞源2平整細(xì)膩，說(shuō)明其應(yīng)力水平較疲勞源2的低，為起始的疲勞區(qū);活塞環(huán)在工作過(guò)程中突遇拉傷受力異常并改變了原有的疲勞軌跡出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生了較高應(yīng)力水平的疲勞源2。當(dāng)活塞環(huán)的承載力小于工作應(yīng)力時(shí)發(fā)生過(guò)載而快速斷裂，斷裂始于外圓一側(cè)向內(nèi)圓方向擴(kuò)展。

斷口附件外圓表面鍍層已磨穿且伴有少量熔著磨損，見圖3。

活塞環(huán)下端面有微焊痕跡，說(shuō)明此處溫度過(guò)高，潤(rùn)滑油膜建立不充分產(chǎn)生異常磨損現(xiàn)象，見圖4。

2.2 斷環(huán)顯微組織

從斷口處270°和360°位置取樣（見圖5），檢測(cè)鍍層的磨損情況，并觀察基體組織（見圖6），基體組織為回火索氏體。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 6016.3評(píng)定此故障件石墨大小約2級(jí)，滿足1-3級(jí)的要求;球化級(jí)別為2級(jí)，符合1-4級(jí)的要求，活塞環(huán)金相滿足要求。

2.3 斷環(huán)下端面及對(duì)應(yīng)活塞環(huán)槽下端面的磨損

結(jié)合活塞環(huán)及活塞第一環(huán)槽下端面的輪廓度，發(fā)現(xiàn)磨損情況有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.4 裝配情況分析

如上述裝配操作中的失誤也會(huì)導(dǎo)致活塞環(huán)斷環(huán)。

3? 結(jié)論與建議

3.1 通過(guò)以上的檢測(cè)與分析，得出如下結(jié)論

①整個(gè)活塞環(huán)斷口面未見冶金及裂紋等缺陷，金相組織和鍍層符合標(biāo)準(zhǔn)要求。②斷裂分為兩個(gè)過(guò)程，初期為起始于外圓靠近上端面一角的疲勞，后為起始于外圓面并沿徑向向內(nèi)圓擴(kuò)展的過(guò)載脆斷。③因發(fā)動(dòng)機(jī)的一直存在大負(fù)荷時(shí)漏氣量波動(dòng)不穩(wěn)形現(xiàn)象，可以判斷活塞環(huán)存在封氣異常現(xiàn)象，由此可以推斷裝入活塞環(huán)槽內(nèi)的活塞環(huán)存在漏光。漏光部位的活塞環(huán)給高溫燃?xì)饬袅送ǖ溃绊懹湍さ慕a(chǎn)生，使活塞環(huán)與活塞環(huán)槽之間有金屬接觸和熔著磨損，導(dǎo)致活塞與活塞環(huán)之間的間隙增加，活塞環(huán)在換向時(shí)軸向懸浮并與缸套內(nèi)壁邊界接觸、磨損，最終導(dǎo)致活塞環(huán)斷裂。

3.2 建議

①控制活塞環(huán)的裝配質(zhì)量。②觀察發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)解決。

參考文獻(xiàn)：

[1]佚名.活塞的直徑、行程與平均速度[J].化工設(shè)備與管道，1975（4）：68-69.

[2]李樹滿.最新柴油機(jī)選型設(shè)計(jì)、故障診斷及國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用手冊(cè)[M].

[3]史紹熙.柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1984.