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        活塞環(huán)對發(fā)動機(jī)漏氣量的影響及改進(jìn)對策

        2017-02-01 11:51:16張國勇
        設(shè)備管理與維修 2017年8期
        關(guān)鍵詞:變形對策影響

        陳 勇,張國勇

        (四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川瀘州 646099)

        0 引言

        活塞環(huán)是內(nèi)燃機(jī)關(guān)鍵零件之一,與活塞、氣缸套相互聯(lián)系在一起,組成發(fā)動機(jī)動力源組件。活塞環(huán)的主要功能是密封:活塞環(huán)和缸套內(nèi)壁以及活塞環(huán)槽側(cè)面的良好接觸,使發(fā)動機(jī)的燃燒氣體最大限度地做功,同時防止滑動面潤滑劣化、潤滑油劣化等,避免異常磨損、拉缸等現(xiàn)象。衡量活塞環(huán)密封功能的指標(biāo)是活塞漏氣量,影響因素有活塞環(huán)設(shè)計(jì)、加工質(zhì)量、缸套的變形、發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況等。其中,最主要的影響因素是活塞環(huán)設(shè)計(jì)。為了解決活塞漏氣問題,對影響活塞漏氣量的因素進(jìn)行了分析,并提出應(yīng)對對策。

        1 活塞環(huán)對漏氣量的影響

        1.1 活塞環(huán)漏氣通道

        直開口活塞環(huán)漏氣通道如圖1所示。從圖中可以看出,由活塞環(huán)開口、缸孔表面、活塞外圓面所形成的面積即為漏氣通道面積,其數(shù)值大小將直接決定活塞漏氣量的多少。所以,活塞環(huán)對活塞漏氣量影響最大的因素就是第一道活塞環(huán)閉合間隙S1。在相同工況下,第一道活塞環(huán)的閉合間隙越小(前提是工作時在熱膨脹的作用下,S1≥0即可),通過該通道流向第二道環(huán)岸部的氣體的量就越少。

        圖1 直開口活塞環(huán)漏氣通道

        1.2 活塞環(huán)懸浮

        活塞環(huán)的懸浮如圖2所示。其中,P1為燃燒室壓力,P2為第二環(huán)岸壓力,P上側(cè)為由P1作用在環(huán)上側(cè)面的壓力,P內(nèi)圓由P1作用在環(huán)內(nèi)圓面的壓力,ft為環(huán)的切向彈力,f慣性為活塞環(huán)運(yùn)動時的慣性力,f為環(huán)和缸套之間的摩擦力,f下側(cè)由P2作用在環(huán)下側(cè)面的壓力。

        考察活塞的做功行程。從第一道環(huán)的受力分析可以看出,當(dāng)P慣性+P下側(cè)+f≥P上側(cè)時,活塞環(huán)將和環(huán)槽下側(cè)面脫離而處于懸浮狀態(tài),就會產(chǎn)生漏氣通道,從而導(dǎo)致活塞漏氣量急劇上升。

        所以,在設(shè)計(jì)活塞環(huán)時,一般將第二道環(huán)的閉合間隙設(shè)定為S12ND≥S1top,使從第一道活塞環(huán)閉合間隙處下行的氣體能及時從第二道環(huán)的閉合間隙處排出,從而避免P2上升過大導(dǎo)致TOP產(chǎn)生懸浮。將這種考慮稱為2ND活塞環(huán)的卸壓作用。

        圖2 活塞環(huán)的懸浮

        1.3 活塞環(huán)和缸套表面的接觸狀況

        活塞環(huán)和缸套之間接觸狀況如圖3所示?;钊h(huán)為彈性體,在自身彈力作用下,能適應(yīng)一定的缸套變形,被稱為活塞環(huán)的追隨性。在圖3中,a)表示缸套無變形或變形為橢圓狀,環(huán)和缸套表面接觸狀況良好,基本不存在漏氣通道;b)表示缸套變形為三棱形,活塞環(huán)已不能適應(yīng)缸套的變形,它們的間隙成為漏氣通道;c)表示缸套的變形為四邊形,此時活塞環(huán)對該變形將更加難以適應(yīng),其間隙成為漏氣通道。當(dāng)缸套的變形為多邊形時,隨著邊數(shù)的增加,其形狀將接近正圓,活塞環(huán)也能起到密封作用。

        所以,盡管氣缸套的機(jī)械變形和熱變形不可避免,但對其進(jìn)行控制是非常必要。另外,對活塞環(huán)而言,需要提高其追隨性以降低缸套變形所帶來的不利影響。提高活塞環(huán)追隨性的措施有降低活塞環(huán)的環(huán)高和徑向厚度、提高環(huán)的切向彈力、使用彈性模量較低的基體材料等。但這些手段還需要結(jié)合耐磨性、可靠性等方面綜合考慮,其效能受到很多的制約。

        1.4 活塞環(huán)和活塞環(huán)槽下側(cè)面的接觸狀況

        圖3 活塞環(huán)和缸套接觸狀況

        環(huán)和環(huán)槽下側(cè)面之間接觸狀況如圖4所示:a)為接觸正常的狀態(tài),環(huán)和環(huán)槽間不存在漏氣通道;b)表示當(dāng)環(huán)槽或環(huán)的下側(cè)面因加工等原因存在微觀不平或波浪形輪廓時,接觸面的部分區(qū)域存在間隙,這些間隙將成為漏氣的通道。其對策主要是提高環(huán)和環(huán)槽的加工精度,并盡可能避免在加工及運(yùn)輸過程中產(chǎn)生變形。

        圖4 環(huán)和環(huán)槽下側(cè)面接觸狀況

        2 降低活塞漏氣量的對策及總結(jié)

        通過對活塞漏氣量的影響因素分析,將降低活塞漏氣量的對策總結(jié)如下。

        降低活塞漏氣量的對策主要有兩個:一是漏氣通道面積縮小,二是活塞環(huán)的運(yùn)動改進(jìn)。它們分別又包含不同的措施,如圖5所示。

        圖5 降低活塞漏氣量的措施

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