第五章活塞环的故障及解决措施.doc

个人收集整理 勿做商业用途第五章 活塞环的故障及解决措施5。1概述 近代活塞环的发展与近代发动机的发展是相辅相成的。近代发动机向着高转速高负荷的强化方向急速推进，使活塞环面临着更严酷的工况，原有的活塞环不适应了，在运转中发生了一系列新的故障.为了解决这些故障，人们从实践中创造了许多新材料、新工艺和新结构. 例如,近代内燃机的转速提高很快，迫切希望减少活塞环数,以减少摩擦马力的损失，增加可靠性、降低成本,并因此可能缩短活塞长度和行程等等从而获得一系列好处.目前,装置一个压缩环和一个油环的所谓二环柴油机已成商品生产了。但是减少环数必然地又反过来影响到活塞和活塞环的工作状态，活塞在缸内的摆动增大就是一个直接的影响。这种摆动对活塞环特别是对第一环的影响很大，往往环发生扭曲,结果使活塞环外圆工作面的上缘或下缘与缸壁间形成集中的接触负荷,这就构成了近代高速高负荷发动机往往发生熔着磨损的主要原因之一。在结构设计方面,压缩环广泛发展了桶面环，包括活塞环外圆工作表面不再是圆柱形，而是桶形(鼓形)；这种环对提高密封性能,耐磨性能，减少机油消耗等均有较好的效果。油环广泛发展了弹簧胀圈油环和钢片油环。特别后者在一定工艺下成本较低，效果较好。在材料方面，主要是发展球墨铸铁，特别是经过热处理后具有针状组织的球墨铸铁性能较好，另外，钢质环、塑料环等亦有发展。在表面复层处理方面，主要发展喷钼和喷碳化物处理,其中喷钼已获得广泛实用，特别对于克服熔着磨损（拉缸)有显著效果。5。2 活塞环的主要故障1 活塞环折断；2 活塞环磨损,特别是熔着磨损和早期磨损;3 机油消耗量大。以下是近代强化发动机活塞环的主要故障.应该强调指明的一点是,造成这些故障的原因可以分为两大类。其一，活塞环本身的缺陷；其二，与活塞环相关的组件（如活塞、缸套等）的缺陷。显然，防止故障的措施必须全面地去综合考虑。本书限于篇幅将只着重对活塞环本身进行分析和叙述。5。2。1活塞环折断活塞环折断是强化发动机的一个致命缺陷。通常的情况是这样：首先是活塞环两端有小块断落下来，随着发动机继续运转，小块断落下增多；因此，有时候,特别在四冲程发动机的第一环槽内可以发现许多断落下来的小块,这种不断地成小块断落的过程虽然很短，但由于活塞环在槽内的旋转,它或多或少地要损坏环槽，在铝活塞的情况下，这些断块甚至会击穿环岸落入燃烧室，造成重大事故。在二冲程发动机中,环槽里往往找不到断块，因为它已由排气口飞入排气管了，当然这在一般情况下不构成什么重大损害，但如果是增压发动机，则增压器就会被这些断块破坏了。进一步的情况是活塞环完全折断，在汽油机中主要是相对于开口的180处折断,而在柴油机中往往折断成许多很小的碎段。实践表明，在强化发动机中,发生活塞环折断事故的，高速汽油机多，二冲程柴油机比四冲程柴油机多,风冷发动机比较多，燃用重油和煤气的发动机多。活塞环折断主要发生在第一环上，但第二环也有发生。活塞环折断的原因与活塞环的运动和受力密切相关。活塞环在气缸中的运动是极其复杂的,至今尚未能彻底了解，一般认为有如下运动:1 跟随活塞的往复运动;2 由于缸壁的锥度和不圆度，以及燃气作用于环内面的背压等，活塞环作一张一缩的交变运动；3 环在环槽内旋转运动；4 由于环槽间隙,在气体压力惯性力和摩擦力的作用下，活塞环有轴向振动;5 由于活塞侧压力和气缸的变形等，环还有径向振动；6 由于活塞的摆动等，环还有扭曲振动。7 在机油浮力下，环还可能在环槽内发生所谓“颤振”。如此看来，活塞环实际上是在环槽中进行着复杂的自由浮动.只是在各种具体使用情况下显现出上述某种运动倾向而已。在近代发动机高速高负荷的情况下，这些交变运动和振动都大大加剧。从而使活塞环的折断成为一个突出问题。采取的措施1 采用高强度的活塞环材料是防止活塞环折断的根本措施，它们有合金铸铁（加硼等），可锻铸铁、球墨铸铁等.其中球墨铸铁,特别是对基体组织进行淬火和回火而获得针状组织（贝氏体）的球墨铸铁，获得了日益广泛的重视.2 改变设计结构和选择高弹性模数（弹性模数达1500016000公斤/毫米2）的材料,使环的固有频率在引起共振的危险频率之上.3 在设计上采取措施以加强活塞环在环槽内的旋转运动，这种运动不仅可以使磨损均匀，而且有利于热流均匀，排出积碳等从而改善活塞环的工况。4 活塞环与环槽的间隙，在保证活塞环热状态不卡死的情况下力求小，以减少活塞环的撞击和振动。为此,活塞环的二端面镀铬，活塞环槽加镶块,都是有效的措施。5 活塞环开口间隙不宜过小,以免在交变运动中开口二端发生撞击，乃至卡住失去弹性.6 活塞环厚度与高度应有一个适当的比例，经验表明，这个比例有一定极限值，超过这个数值,活塞环就要发生扭曲变形，对折断是不利的。7 梯形环，特别是双面梯形环,虽然有防止胶结的效果,但由于其截面系数减少，不易紧贴于环槽下表面,所以比之基本尺寸相同的矩形环易于折断。此外，在活塞环相关组件中，提高缸套的耐磨性、严格控制活塞第一环岸的间隙、控制活塞温度与变形等都是值得密切注意的。5.2.2活塞环磨损众所周知,许多年来,活塞环的磨损有如下三种：1 摩擦磨损：即在润滑不足时，二个摩擦面半干摩擦引起的磨损;2 腐蚀磨损:它主要是由燃气中有害气体冷凝成硫酸或碳酸后腐蚀那些润滑不足的表面所致，一般在冷起动状态时较为严重；3 磨料磨损:这种磨损是由于在摩擦表面间进入了硬的杂质微粒(如尘埃、积碳、金属磨屑等）而引起的。其结果或是二者磨伤，或是这些微粒磨料嵌入一方摩擦面(例如活塞环槽或缸套）而磨削另一方，导致更急剧的磨损.摩擦磨损时,新鲜的摩擦面易致腐蚀，同时磨损后的金属磨屑立即构成磨料。所以，这种磨损实际上只是某些腐蚀磨损和磨料磨损的前驱。腐蚀磨损的腐蚀生成物也是磨料，所以腐蚀磨损构成了磨料磨损的原因之一。由此看来，活塞环的磨损归根结底是磨料磨损.但是，应该指出二点:1 虽然对活塞环磨损的试验研究和使用经验很多，但至今还很少能得出一个明确的特性，其因果关系多数还是不明确的。问题不在于正常磨损，而几乎全在于所谓“异常磨损”。在1000小时的运转中，磨损量的99往往是仅仅几个小时的异常磨损所形成。而这二种磨损在多数情况下是难于分开的,这使活塞环磨损机理及其对策成为发动机最复杂的问题之一。2 活塞环的磨损情况、磨损原因、磨损后果随着发动机的种类和使用目的的不同而大有差异，不可一概而论。例如,对于船用发动机,活塞环置于低速高负荷下，润滑条件不良（因活塞环速度转速压力为最小油膜与 成正比），又广泛使用低质燃油，腐蚀磨损突出,同时由于更换活塞环需要在船坞中长时间进行，其磨损的经济后果严重。反之，例如摩托车用发动机,在高转速下燃气的有害性少，而尘屑和不正常燃烧是其磨损的主要原因，同时其它零部件的寿命甚至比活塞环还要低，活塞环磨损的意义就较小了.就活塞环磨损状态而言，不同使用条件下也有不同，在大型船用柴油机中，一般径向磨损,在环开口附近最大,而其对面最小，因为开口附近窜气最严重，破坏了油膜。而活塞环上下端面的轴向磨损恰相反，有开口对面处的磨损较开口附近大的倾向，其原因是受活塞环上下端面压力差的影响-开口对面处的压力差较大，因此环下面的磨损增大；而上端面磨损大是由于硬质积碳磨损之故.一般环的径向磨损比轴向磨损大,其磨损量可以作为更换期的依据。第一环磨损照例最大， 第二环仅约其半，但最下面的环不是最少，一般反比中间大，这是因为活塞下行时，它为第一环了，此时缸内状况是可以想象的，润滑分布不良,杂质多，还有活塞下部扫气作用等。这样的典型磨损状态在中小型柴油机就不一定是这样，有时轴向磨损甚至更大。各种柴油机活塞环磨损资料如表5-1所示。表51 各种活塞环磨损资料发 动 机 种 类径 向 磨 损开 口 间 隙轴 向 磨 损更 换 期大型船用发动机大体为气缸磨损的7倍， 第一环约1000小时磨损0.20.7毫米磨损极限约为环高的15%建筑机械用高速柴油机第一道镀铬环1000小时磨损0.0650.075毫米第一环槽间隙有镶块时1000小时磨损0.014毫米无镶块时1000小时磨损0。040。07毫米渔船柴油机不镀铬缸套第一环约为3000小时镀铬缸套第一环为60007000小时 大功率中速柴油机苏尔寿(Sulzer）LDA28镀铬环：可达1200015000小时汉基尔（Henschel)12V1416A型高速柴油机= 135145船用:n= 1600Ne= 430机车：n= 1800Ne= 500船用:0.125毫米/1000小时机车:0。115毫米/1000小时船用：0。011毫米/1000小时机车：0.0105毫米/1000小时为了减少活塞环的磨损，长期以来进行了广泛的多方面的研究，其中所采用的耐磨措施主要有:1 改进活塞环材料：如采用加硼铸铁，活塞环径向磨损可以减少30%。采用球墨铸铁特别是经过处理后含有针状组织的球墨铸铁更耐磨（如图51)。此外还有发展高硅铸铁等。图512 活塞环外圆工作表面镀铬或多孔性铬：特别在重负荷柴油机上（如建筑机械用）,镀铬层比汽车用柴油机厚，可达0。3毫米，而且不仅第一环镀，第二环、油环也镀，因此,环的磨损量可减少2/3以上。此外，镀铬层的耐腐蚀性也很强,低温试验表明,镀铬环耐腐蚀能力提高30倍以上。3 活塞环上下端面镀铬也很有效，500小时耐磨试验表明,活塞环上下端面磨损减少到1 13 6 ，环槽的磨损也减少，从而活塞环径向磨损也减少了。镀层厚度约在0.070。15毫米范围内。4 在某些热负荷高的发动机上，铝活塞第一环槽上嵌入铸铁镶块，用这种方法不仅使活1 13 7 塞环槽磨损显著减少（磨损量减少到 倍）,同时，环的上下端面磨损也有所减少。为了使镶块的热膨胀系数与铝合金相似,国外所用铸铁为奥氏体铸铁（C3；Ni14%；Cu6%；Cr2%；Si1。5),并用铝铁浇注法（Altin法）铸入。5 采用镀铬缸套不仅使缸套磨损减少，而且对活塞环磨损特别有利.日本渔船柴油机上使用经验表明，第一环寿命可以提高一倍，第二环以下的寿命更高。6 改善发动机的温度和冷却状况，特别活塞第一环区的温度应控制在220250以下。7 严格控制活塞环及其相关组件的配合间隙。8 采用纸质滤清器，活塞环耐磨性可以提高很多。9 燃油品质的提高.10机油品质的改善，特别使用含硫多的低质燃油时采用高碱性机油。由于采用了这一系列措施，根据文献叙述,现在腐蚀磨损一般问题不大了，磨料磨损问题也日益退到后面去了。近年来,特别是对于强化发动机,活塞环最多最有害的故障乃是熔着磨损和早期磨损。熔着磨损所谓熔着磨损，简而言之就是和轴承烧瓦是同一性质的故障。对于缸套而言,一般通俗称之为“拉缸”。熔着磨损的大致机理如下:活塞环与缸套之间由于油膜中断产生干摩擦，炽热的摩擦热引起显微熔化粘着，并与其周围质点扯断。在轻微情况下,很难与磨料磨损区别，只是磨损量多一点而已。再严重一点，由于熔着磨损常常露出新的金属表面，因此,磨损面特别光亮，也比较平滑；在磨损大的情况下，滑动表面可以看到伤痕，开始是几条细纹，以后伤痕沟纹越多越大，最后摩擦面熔粘成粗糙表面，发动机停止工作。在活塞环上下端面也常常出现熔着磨损的情况，但它与前述情况略有不同,它总是伴随着氧化膜脱落的磨料磨损，因此,其明显的特征是在活塞环上下端面并列有规则的伤痕.产生熔着磨损的原因是比较复杂的.最根本的一点是油膜中断.而油膜中断的原因不外乎二个方面：一是供油状况不良，难于形成油膜;一是窜气或过大的接触应力等破坏了油膜。具体说来，可以举出下列情况：1发动机在高转速下长期连续运转容易形成油膜不充分的情况；2二冲程汽油机润滑油混合比低,油膜形成不充分；3活塞环区热负荷高，油膜形成困难；4活塞环密封不良，引起窜气而破坏油膜；5活塞环积碳胶结而涨死，则与缸壁的接触应力陡增；6活塞环槽间隙过小或活塞变形,有可能出现活塞环卡在环槽内的所谓“机械粘结”的情况，随着活塞的往复上下，环与槽及环与缸壁之间均可出现过大的接触应力而熔着；7活塞在缸内摆动大时,活塞环外圆工作表面的上下棱缘与缸壁接触形成所谓棱缘负荷（edge loading)，接触应力集中；8活塞环与缸套加工面光洁度和精度不当，或不均匀磨料磨损后,二者不能完全贴合，则也能引起过大的局部接触应力。前者在发动机初期磨合时容易出现，后者在长期运转后经常发生;9镀铬环在润滑不良时，接触应力更大。所有这一切，在高速高负荷的强化发动机中都更为突出，这就是为什么在强化发动机中熔着磨损厉害的重要原因所在。油膜破坏是熔着磨损的先决条件,但是，要构成熔着磨损还须摩擦热超过摩擦付材料的熔点。因此，活塞环材料的特性、活塞环材料与活塞及缸套材料组合不能不是造成熔着磨损的最后因素.根据以上分析,防止活塞环熔着磨损有如下途径：1设计防止油膜破坏的结构;2使摩擦表面具有充分的保油性；3在摩擦表面间加入润滑性的物质；4适宜的活塞材料及其与缸套活塞材料的良好组合;5进行高熔点的表面覆层处理.根据这些途径，在近代高速高负荷发动机中采用了下列措施来防止和克服活塞环熔着磨损：1采用桶面环。这种活塞环的外圆工作表面加工成凸圆弧形,由于是圆弧滑动于油膜上,油膜很难中断，而且提高了密封性能,减少了窜气.2采用梯形环或适当增大环槽间隙以防止积碳胶结和“机械粘结”。3采用尺寸较薄的环，容易适应缸套的不均匀磨损和变形，有利于防止熔着磨损。4采用加硼铸铁，高硅量铸铁或采用增加含碳量的高碳型铸铁。后者在显微组织中增加了石墨析出量，得以改善保油性和自己润滑能力，是十分有效的。5采用多孔性镀铬。虽然镀铬的多孔性只有表面一层，但在提高保油性方面仍有一定作用。注意镀铬环的棱缘必须圆角化,同时表面要研磨平滑，否则磨合时间长，在此期间易发生熔着磨损。6活塞环外圆表面加工成若干条沟槽，可以起油沟作用，特别在其中填充四氧化三铁对防止熔着磨损更有效。这是因为四氧化三铁吸油性高，而且其本身又是一种固体润滑剂之故。7表面喷镀钼具有优秀的耐熔着磨损能力。钼层厚一般为0.070.3毫米，喷镀钼为多孔性，而且全层都是多孔性,即使经过长期运转磨损后，其多孔性仍不变,因此油膜很难破坏。同时钼本身熔点高，不易熔化，由于这些因素，喷镀钼是近几年兴起的防止熔着磨损的重大措施。8镀铬环与镀铬缸套组合易于产生熔着磨损；喷钼环与镀铬缸套可以良好配合。9在活塞环的表面涂覆一层薄薄的四氟化乙烯树脂，约0.0050.01毫米，它摩擦系数非常小，且易于磨合，根据实验结果，摩擦马力损失可减少1020，而且在高速时更突出,磨合时间减少了60%之多，因此可以避免熔着磨损。10充分利用燃气在活塞环背面的密封作用,以防止窜气,破坏油膜，为此，有L形环等结构.至于与活塞环相关组件方面的措施也很多,主要的应该严格控制活塞（特别是环区）温度，以及各个配合间隙,尤其是第一环岸的间隙。 早期磨损所谓早期磨损就是发生在发动机磨合阶段的不正常磨损,它包括了三个方面：熔着磨损.亦即“拉缸，因此磨合中断；异常磨损。这是一种十分急剧的磨损。磨损量每1000小时达到几毫米乃至几十毫米，而且一旦出现这一现象，几百几千小时也达不到磨合的要求.这种异常磨损,在缸套是上部最大，在活塞环却常常是下面几道环。产生这一现象的全部机理，现在还很不清楚，有一种说明如下：发动机磨合时，活塞环除了与缸套贴合不好经常碰到接触应力的集中外，在活塞往复运动中行程方向的改变将导致棱缘负荷（如图52a，b）,即以活塞环外圆工作表面的棱边与缸套接触，接触应力集中，破坏油膜,棱边磨损成一微小倒角，如此反复进行，二边来回倒角，则正常磨合到最后，活塞环外圆工作表面近乎于凸圆弧的桶形面(如图5-2 d)，从而可以保持正常油楔,使油膜不断,达到正常工作条件.关键在于图5c的状态,如果此时发生了轻微的熔着磨损（或许还有其它因素)，则粘刮下来的硬的金属氧化物磨粒,形成严重的磨料磨损，把刚刚磨成的小小倒角在棱缘变更方向的过程中又重新被磨成平面，如此反复，则只有急剧的磨损,而始终形成不了桶形面（如图52c)，从而磨合只能一直进行下去,而达不到正常工作条件.由于磨粒重力下行的作用,和下部油膜较厚储存磨粒较多,所以下面几道活塞环磨损最大了。图 5-2根据这一分析可知，关键仍在于熔着磨损.熔着磨损严重时，就形成“拉缸”，熔着磨损轻微时就形成了异常磨损.显然，在功率强化的情况下，这一故障更为严重。在采用镀铬环时更容易出现。为了防止这种早期磨损，多年来，人们设计了许多措施，可以举出如下:1前述各项防止熔着磨损的措施均是有用的。2采用斜面环。即活塞环外圆工作表面倒一个很小的角度,一般均小于1，其作用保证一边有棱缘负荷便于磨合,而另一边又构成足够的油楔,避免早期磨损,这是镀铬环一贯所采用的有效方法。3采用扭曲环。即活塞环与内圆面切槽或倒角，采用这种方法使环在工作时产生微小的扭曲，起到类似斜面环的作用。4采用桶面环。既然磨合过程中要使活塞环外圆工作表面磨成桶面形,那么直接把环面加工成桶形的桶面环，是防止早期磨损的最有效措施.日本有试验表面，当用普通环发生早期磨损时采用桶面环即可防止，其磨损量要减少到 之巨。1 15 5采用含磷量高（0。5）和微量钒（0。020。04%)的铸铁,有利于防止早期磨损.6活塞环表面氧化处理或磷化处理。7在活塞环表面上披覆一层软的物质。对这个物质的要求是适当的软度且富有弹性，从而既可以使活塞环与缸套之间相对突出部分接触，加速磨损而平滑，又可填充那些不接触的凹洼处而密封.过硬或过软均不恰当。目前采用的有涂锡、铅、二硫化钼及四氟乙烯等，也有镀铜的情况。复层厚度不能太厚太薄，以510m为宜。在镀铬环的表面上也可以进行这些措施。此外,在活塞环相关组件中，也有许多有效的措施，如在缸套上镗上必要的沟槽，就是一例.沟槽的深度以活塞环完全磨合尚稍留有刀痕者为佳，一般深在0.05毫米左右，沟距1.5毫米左右。5。2。3 机油消耗量大在近代高速高负荷的强化发动机中,机油消耗量大常常是令人头痛的问题.在这种情况下机油消耗量大的主要原因是：1机油消耗量是与发动机转速成正比增加的，图53就是一个典型的台架试验数据。图5-3 图5-42转速增高，为了减少摩擦损失，力求减少活塞环数，一般油环均只采用一道，从而对机油消耗量是不利的。3在功率强化的情况下，发动机的热负荷增大，活塞温度等均增高，机油易于烧去，同时缸内压力大，窜气更严重，从而使消耗量增大。机油消耗量大的危害性,还不仅在于机油本身，而且还在于易使活塞环胶结失效,气缸活塞组积碳，磨损激增,反之，活塞环及其相关组件的磨损又严重影响机油消耗量，二者互为因果，因此，它不能不是内燃机设计中一项值得注意的事情。机油消耗量大的原因，不外乎二个方面:1燃气下窜，烧环、稀释和污染了机油；2机油上窜到燃烧室中烧去。这都与活塞环，特别是油环有密切的关系。目前在活塞环本身方面影响机油消耗量的因素和措施如下：1油环的表面接触压力对机油消耗量有重大影响（见图54)，最有效的措施是在油环背后加一个弹簧胀圈,以提高对缸壁的接触压力，加强刮油能力，防止窜油.其效果如图5-3所示，如图还可知，在高速时其效果更为显著.此外，减少油环工作表面高度，也是提高表面接触压力的一个有益方法.2钢片油环也是有效措施之一.有试验表明，在防止窜油方面比装弹簧胀圈的环更好.3油环外圆工作表面倒角，或者将下端面做成有刮勾的鼻形环，都可以提高刮油能力.4压缩环对窜油也有严重影响。采用外圆工作表面上部倒角（110以上）的顺倒角环，有很多效果，而外圆工作表面下部倒角的逆倒角环对窜油最不利.如图5-5所示为试验台上试验结果，可见第一环采用逆倒角与顺倒角对窜油的严重影响。图5-55压缩环采用扭曲环也可以起到良好的刮油作用，并且可以与倒角环组合，效果更好.减少了机油消耗量，在全负荷时仅为燃油消耗量的0。25.6下面一道压缩环也有采用鼻形环的结构。7压缩环的组合也是一个很重要的因素。恰当的组合会得到意外的效果。下面几道环的刮油效果更为突出。如图56所示。8活塞环及其相关组件间的间隙对防止窜油的影响如图57,5-8所示.由图可知，减少环槽端面间隙是有利的。但是减少第一环岸的间隙更有利， 而第一环岸长度具有更严重的影响.图5-6图57 图5-89油环的回油孔是一个重要参数，如果被杂质堵死，则机油消耗将激增，如图59.为了防止这一现象出现,主要的措施有，油孔要尽可能大，油孔通路要精加工光滑,最近有涂覆聚四氟乙烯的,由于其摩擦系数很小，机油流通能力提高了20%以上，机油消耗量下降，如图5-10所示为水冷四缸柴油机（D=83毫米,S=92毫米）在山间公路定期营业的运行结果.图59 图5-1010在具有螺旋弹簧胀圈的情况下，螺距要大，以利于流油，而采用U形结构比螺旋式结构流油阻力要小。毫无疑问，除了以上活塞环本身的措施外，其它相关组件的措施也是十分重要的,特别是如果控制活塞环气缸的温度和变形具有显然的意义。在使用维护方面也是不容忽视的，例如在日本汽车发动机中，当采用6000公里换油一次时，油环孔几乎没有什么杂质堆积，而7000公里更换时就有一点了，到8000公里时就严重阻碍回油，导致机油消耗量激增。 5。3 降低活塞环的摩擦力 活塞环摩擦力据报道占整个活塞组的7080%，为此，努力降低活塞环摩擦力是内燃机工程师们的研究方向.1采用矮型三环组和二环组活塞环为了降低活塞环的摩擦力，其有效的方法是采用矮型三环组和二环组可减小活塞环的张力。但是，必须充分研究和解决由减小活塞环张力而带来的机油消耗量增大的问题,需要辅以争取提高密封性能的措施。在二道环组中，应把气环的滑动面制成刮机油性能优越的锥形，开口部分应采用如图511所示的密封性能和强度都最佳的特殊开口形状。为了适应温度的升高，活塞环槽可采用硬质的铝阳极化处理，以求降低磨损量。在三道环组中，通过减小活塞环高度,可以降低得到同一表面压力的张力.当前，虽然矮型三道环组是主流,但是若考虑到今后需要进一步降低摩擦力，二道环组是发动机轻量化和活塞小型轻量化方面的有效手段，其使用量会逐渐增大，因此，二道环组是今后进一步研究的课题.2环高和张力对摩擦力的影响图5-11 二道环组的机油消耗量图512表示在摩擦力试验机上研究活塞环高和张力对U/W（:粘度，U:速度，W:活塞环单位长度的负荷量）与摩擦力影响的结果。研究表明在张力相同的状态下,活塞环高对摩擦力没有影响，当张力减小时摩擦力就会减小,所以,降低活塞环的张力就能有效地降低摩擦力.图5-12 张力和环高对摩擦力的影响现在的汽油机大都使用三件组合式油环,产生张力的隔离胀圈保持弯曲和由深冲加工产生的弹性，但是用这种加工方法很难减小张力误差,因此,开发了在异形断面线材上加工微缝使其具有弹性的隔离胀圈（NX95-F),图5-13示出其形状.图5-13 矮形三件组合式油环（NX95-F）柴油机多用二件组合式油环,同汽油机一样，为了降低摩擦力也就是低张力化,适当减小相对滑动面的宽度，提高表面比压以求减薄油膜。为了提高油环对气缸的随动性,设计时减小了油环的高度和厚度.因此，油环的材料从铸铁改成钢的，表面氮化和镀铬。3开设泄油孔利用活塞降低机油消耗量的方法之一，可在第三道环岸上开设泄油孔，并且该孔对机油消耗量也有一定的影响。图514示出活塞第三道环岸上泄油孔的位置与机油消耗量的关系，由图可见，在活塞第三道环岸侧推力方向开泄油孔,可降低机油消耗量。图 514 活塞第三道环岸泄油孔的位置对机油消耗量的影响其原因是活塞运动的影响很大.5.4 降低机油消耗量1提高表面比压活塞环的表面比压P为： 200W P = Bd1式中：B-刮油边高d1-气缸直径W弹力图5-15 油环表面比压对机油消耗量的影响图515表示在柴油机上进行试验所得油环表面比压对机油消耗量的关系。从图中可知,提高油环表面比压可以降低机油消耗量。这是由于考虑到了油环的滑动面和气缸壁面之间保持薄的油膜厚度而获得的结果。为提高比压，可以提高张力或者减小环高来实现，但考虑到要降低摩擦力，所以应减小环高。然而环高减小后油膜厚度就会变薄，预料润滑状态将更加严峻，故必须采取提高耐磨性和防止拉缸的措施。图5-16 表面处理后的耐磨性，抗拉缸性的比较图5-16表示在发动机以及转盘式平面滑动摩擦试验机上验证了油环经表面处理后的耐磨性，抗拉缸性的试验结果.从图中可知，经过氮化处理的油环耐磨性要比以往镀铬的好。故油环的表面处理以氮化处理为宜。但油环的高比压化还不能适应于气缸直径的变形,因此必须改善密封性能,提高顺应性。2关于提高顺应性关于活塞环的顺应性，通常用顺应性系数Pk值表示。 1 3W EBd11Pk = ; GRr = GRr d1-1 1 3式中：B-刮油边高1径向厚度E-弹性模量GRr弯曲刚性。Pk值越大，表示顺应性越好。从上式可知，不提高张力,要提高Pk值,就得减小E,减小B、1尺寸。而1处于立方项中，减小1的尺寸，将大大有助于顺应性的改善。图517表示对两件组合式油环的Pk值与机油消耗量的关系进行验证的结果.从图中可知，Pk值大，可以降低机油消耗量。另外也表明了在用钢制与铸铁制的油环中,随着Pk值的增大，采用钢制油环,对降低机油消耗量效果显著。另外，钢制油环，即使缩小B、1尺寸,其强度要比铸铁高且变形小，所以环槽上下面的密封性不会恶化。图5-17 油环的顺应性系数与机油消耗量的关系58