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陈奎彪何大林：活 塞环 偏 向磨 损分 析 3 活塞环偏 向磨损分析 陈 奎彪何大林(仪 征 双 环 活 塞 环 有 限公 司)摘要 通过 对活塞环偏 向磨损 的分析 和探 讨，提 出，活塞环 本身并不具备 偏向磨 损的能 力，造 成活塞环偏 向磨损 的主要原 因是活塞 的偏缸运 动。1 前言 在发动机使 用及维修 中，活塞环产生严重偏磨 是常见故障之一。其状况是在 活塞环一侧约 6 O。9 O。范 围内，径 向出现 异常磨损，而其 它部位则处于正常 磨损状态。偏磨严 重的活 塞环，甚 至出现径 向磨损量达到 其径 向厚度的 1 2到 2 3。在发生偏 磨的活塞环外 圆处，可看到 明显轴 向擦痕，这种擦痕初步 判断为粘 着磨 损所至。活塞环产 生严重偏磨 一般发生在发 动机使用 或大修 后初期，由于活塞环 一侧 出现异 常磨 损，一方面 破坏了气缸套、活塞环摩擦副稳定工 作状 态，使得该 处的摩擦功和摩擦 热急剧增加，另一方面，由于该 处的异常磨损，活塞 环 的压力 曲线难 以有 效建立，其结 果是在 短期 内发动 机 出现 窜气、窜 油，性能下降，长期下去，活塞环和气缸套 失去功效，发动机无法正常工 作，严重 影 响机器 的可靠性。活 塞环发生严重 的偏磨，人们一般 从活塞环 的角度 出发查 找原 因，然 而，即 使通过 对活塞 环 的材料、结构等进行 多方分析，也很难 拿出令人信服的结论，最 后多是 不了 了之，其结果是活 塞环严重偏磨屡 屡发生，而问题 得不到最终解决。本文从活塞 环的磨损特性，以及 活塞的异常运动对活 塞环磨损产生的影 响出发，对活塞环 产生偏磨 的原 因进行分 析，以期 能找 到其症结，并最 大限 度地予 以消除，从而确 保 发动机工 作 的可靠性。2 活塞环的磨损特性 活塞环在 自由状态 下是一 种无弹力、不规 则的椭圆形 开 口环，工作时在气缸 套 内被压缩成 正 圆形开 口环，由于受压缩作用，活 塞环对缸壁产生一反 作用 力，这就是所谓 的活塞环 压力。活 塞环 以一定 的压力紧贴在气缸壁上，发动机运转 时，活塞环与 气缸壁因产生相对运 动而造成相 互磨损。现今 的活塞环一般均根据其磨 损规律，建 立起适 合现代发动机运转 的压力分布 曲线，无论何种压力 曲线分布，活 塞环各点压力与平均 压力之 比在 0 3之 间。活塞环在工 作中主要 有三种磨损形式，即磨料磨损、粘 着磨损、腐 蚀磨损。这其 中，磨料磨 损和腐蚀磨 损 占 7 O 9 O ，而粘着磨 损 一般首先发 生在一道 环 的上止 点附近，这是 由于一 道环 在上止 点附近工况恶 劣、润滑较差，油膜破裂 的可能性较 大。剔 除压力曲线的影响，无论是 哪一种磨 损形式，有一 点可以肯定，那就是 在活塞环 圆周方 向上磨 损是各 向同性 的，即 在圆周 各点上磨损 是大致相 当的，不会在仅某一段 产生异常磨 损。维普资讯 http:/ 4 内 燃 机 配 件 2 0 0 0年 第 3 期 由于存在 压力 曲线 分布，非均 匀环 环上 各点 压力不等，但 活 塞环磨 损本 身具有 一重要 特 性，这就 是，在压 力高的地方 径向磨损大，但当磨 损后，由于相 对于在 自由状 态下的径向位移减 少较多，其压力值 下降也较 大，即 压力高的地方磨损大，但同时压 力下降也大，最后活 塞环上的 压力分布趋于均 衡，活 塞环在随后工 作中，只能是在这种 趋于均 衡 的压 力作用 下产生磨损，不 存在某一点因压力高 而一味地磨损下去，以至于活塞环 产生偏 磨。换言之，活塞环本身并不具 备产生偏 向磨损这一能 力。从另一方 面来看，现今 的发动机 活塞环绝大部分采用高点环，即活 塞环开 1：3 处的压力高于 其 他部位，如果 因为活塞环本 身的压 力曲线对偏 向磨损起决定作 用，则偏 向磨损应该发 生在活 塞环 的开 1：3 部位，但实 际发生偏 向磨损 的部位 随机分 布在圆周方 向上，这 进一步印证活塞环本 身压 力对偏 向磨 损并不起决定 作用。3 活塞环偏磨分析 在检修发生活塞 环偏 磨的发动机时 发现，在活塞环发生偏 磨的一侧，活 塞包括气缸套也发 生了一定的异常磨损(大部分较活 塞环磨损轻微)。进一步检查 活塞的运 动时发现，活塞在气缸 中上、中、下各点 处，活塞与气缸 的间隙有规律性 的变化，很 明显，活塞 的运 动中心线 与缸套 中 心线 不重合 而 是成 一定夹角，这 就造成 了活塞运动偏缸现象，如 图 1 所示。a)活 塞理 想运 动轨 迹 b)活 塞偏缸运 动 轨迹 图 1 活 塞的 偏缸运 动示 意 图 毫无疑问，活 塞偏缸运动对 活塞环会产生一定影响。在分析活塞偏缸与活塞环偏磨之 间的 内在关系之前，我 们先对活塞、活塞环运动作 一分析。1 活塞、活塞环 运动动力学 图 2所示 为发动机活 塞一 曲柄连 杆机构简图，其 中：D 一 气缸名义直径；m 一活塞质量；mz 一活塞环质 量；维普资讯 http:/ 陈奎彪何大 林：活 塞 环偏 向磨 损分 析 5 R 一 曲柄半径；L 一 连 杆 长 度；一R L：一 曲柄旋转角速度；a 一 曲柄转角；B 一连杆摆 角；x 一活 塞位移。由图 2当曲柄转角为 0 t 时活塞位移为：x OAl OA 一(R+L)一(Rc o s a+Lc o s l3)一R(1-C O S Q)+L(1 一c o s )(1)由图中我们可以看 出：Rs i n a=L s i n l3，且 一R L；则 可 得：图 2 活塞 一 曲柄 连 杆机构 简 图 xR(1 一C O S Q)+(1 一c o s 2 a)1 4 3 (2)由公式(2)对时 间求导数，可得活塞、活塞环速度 v：v Rt o s i n a+(k s i n 2 a)2 (3)由公式(3)对时间求导数，可得活塞、活塞环加速度 a：a Ro,(c o s a+,c o s 2 a)(4)由公式(3)可得最大加速 度 a a 一 Ro,(1+)(5)活塞、活塞环的加速度是 在行程 上、下止点处达到 最大值，其方 向均 指 向活 塞行程 中心 点。2 活塞运动发生 偏缸时 的运 动动力学 当活塞 向上运动并通过行 程中点后，活 塞受 向下的力作用而减速，其作用 力 F。为：Fl ml a (6)当活 塞处于上止点时，其 受到 向下 的最大 作用力 F。为：Fl 。=ml a (7)与此 同时，活 塞环受到活 塞对其 向下作用 力 F ，其值 为：F2 一 I n 2 a (8)当活 塞处于上止点时，活 塞环受到 向下的最大 作用力 F 。为：F2 。一 I n 2 a m a。(9)设某 一发动机活塞在半 行程 中，冷态时最大偏 移量 为，由于在热 态状况下气 缸套 与活 塞 的 间隙大大缩 小，则活塞将对气缸套 施J j -附加径 向作用 力，其大小 F。为：F 3=s i n a r c t g(A R)ml a 一s i n a r c t g(A R)ml R(c o s a+k c o s 2 a)(1 0)其最大作用力 F m。为：F3 一(s i n a r c t g A R)ml Rc o (1+)(1 1)对于 活塞环来说，当活塞发 生偏缸 时 其 径 向也将 受到 一附加作 用力，该 附加 力来源于 活 塞偏缸时对 活塞环施 加的径 向摩擦 力 F 。设 活塞 由下至 上向左侧偏缸，某 一瞬间活塞通过行 维普资讯 http:/ 6 内 燃 机 配 件 2 0 0 0年 第 3期 程 中点 后向上止点运 动，运动速度 为 V，则其 附加径 向力 F。如图 3所示。该 附加径 向摩擦 力大小 为：Ft一 F2 一 m2 R(c o s a+k c o s 2 a)(1 2)式 中：为铝合金对 铸铁 的摩擦 系数。其 最 大 作 用 力 F。为：Ft 一 t i m 2 R (1+)(1 3)现 以 YZ 4 1 0 2 QB发动机 为例，具 体计算 活 塞偏缸时活 塞、活 塞环所受 的最大附加径 向力。YZ 4 1 0 2 QB发 动机各相关参 数如下表：活塞 活 塞环 图 3 活 塞 对活 塞环 施加 的径 向力 表YZ 4 1 0 2 QB发动 机相 关 参数 根 据公 式(1 1)和(1 3)，设发 动机活塞发生 最大偏 缸量 为 0 1 mm，硅铝合金对 铸铁 的摩 擦 系数为 0 1 7，则 活塞及活塞环对气缸套施加 的最 大附加径 向力分别为：F3 m 丑 -s i n a r c t g(0 1 1 5 2 5)5 2 51 0 。3 6 6 1 31 0 3 1 7 9 3(N)F4 一 0 1 7 5 2 5 1 0 一。3 6 6 1 30 0 4=6 2 1 6(N)可 以看出，当活塞发生偏 缸运动 时，活塞和 活塞环 分别对气 缸套施 加一径 向附加力，且 活 塞环施加 的径 向力较活塞大。活塞环所 施加的径 向附加力来源 于活塞的偏 缸运动。当这些 附 加力作用 在一较小 面积上时，将 会产 生较大 的附加 应力，同时，由于活 塞偏缸是 规律性 的往复 运动，因而其 附加力实际上是 一种交变应 力，活 塞、活 塞环、气缸套 在此交变 应力作用 下，产生 单 向磨损将是必然 的。另外，如果在此 部位气 缸套 因预应 力和热应 力作 用而产生较大的变形，则这种附加力将陡增，活塞环发生单 向磨损会 更加剧烈。值 得一提 的是，当活塞、活塞环、气缸套在 某一时刻产生剧烈 的单 向磨损时，摩擦面将产生 大 量的摩擦 热，从而造成机油粘度 下降，机油劣化、结 焦，并 最后导致油膜破裂，出现粘 着磨 损，工作 面严 重损伤。如此恶性循环，活塞环 出现偏 向磨 损也就不足为怪 了。通过 上述计算和分 析，我们认为，活塞环产 生偏 向磨损的 主要原 因是，活 塞的偏缸运 动造 成活塞及活 塞环对气 缸套施加附加应 力，这一附加应 力造成活塞环的局部异常磨损。3 活塞 产生 偏缸的原因 活塞产生偏缸 的原 因主要 由以下几点：1)连杆弯 曲。由于长期使用劣质燃 油，以及点火正 时调 整过早等原因，使发 动机工作粗暴，连杆 所受的冲击负荷过大，或 因连杆机械强度过低 而造成连杆弯 曲。2)活塞销孔铰偏。因加工工 艺不当，使铰削的 销孔 中心线与活塞 中心线不垂直，造成活塞 受力偏移 而偏缸。3)气缸套 加工 及安 装误 差。气缸 套定位台阶与气缸 中心线不垂直，气缸套 安装在气缸 体中 心的位置不对，以及安装应力不平衡，造成气缸套 中心线与 曲轴 中心线 不垂 直。维普资讯 http:/ 陈奎彪何大林：活塞环偏 向磨损分析 7 4)曲轴 连杆轴颈与住 轴颈不平行。因烧 瓦等原 因使 曲轴受到剧 烈的冲击而变形，若继续使 用则会导致 曲轴连杆轴颈 与住轴颈不 平行。5)曲轴轴 向间隙过大 曲轴 轴向 间隙过 大会导致连杆窜动，而影响活塞运动 中心线与气缸 套中心线不一致。4 消除 活塞偏缸 的措施 要 消除活塞、活塞环、气缸套偏 向磨 损，消除活塞偏缸十分关键。消除活塞偏缸 的措施主要 有以下几点：1)应使用规定标号 的燃 油，杜绝 使用 劣质燃 油；正确调整点火正 时，防止发动机爆燃。2)提高气缸套、曲轴、活塞销孔关键 形位公差的加工质理等级，使活塞运 动处于理想状 态。3)正确安装和维 护关 键零部件，如正确安 装气 缸套、合理调 整曲轴间隙等。4)在装配发动机 时应 加强对活塞偏 缸的检查。检查偏 缸时，可分 别测量活塞在 气缸套中不 同位置与气缸套的 间隙，如 间隙异常，则 应及时查 明原 因，避 免偏缸 的发动机 投入运转。4结 论 1 由于活塞环本 身特性，其 自身不 可能 产生在某一方 向产生偏磨。2 活塞 的偏缸运 动对活塞环的偏 向磨 损起主导作 用。3 消除活 塞环的偏 向磨损 的措施是，杜绝 发生偏缸的活塞投入运行，并在气缸套、活 塞、连杆、曲轴 的加工 及安装维修等 环节采取适 当的措 施纠正。参考文献 1 程庆 澜 内燃 机 动力 学 江 苏理 工大 学 出版 社，1 9 9 0 2 林大 渊 内燃 机设 计 天津 大学 出版 社，1 9 8 9 3 柴油机 1 9 9 9年 第 4期 4车用发 动机 1 9 9 7 年 第 6期 维普资讯 http:/