故障檢修與技術維護

康明斯柴油發電機的活塞銷檢驗及修理

 

摘要：活塞是發動機中最重要的零部件之一，工作中要承受周期性熱負荷和機械負荷沖擊，活塞的工作狀態直接決定著發動機的使用壽命。高溫、高壓的工作環境使承載最大機械應力的活塞銷孔部位面臨著更大的考驗。活塞銷座部位工作溫度在200℃左右，活塞銷與活塞銷孔之間的磨擦還產生著高溫負荷。因此有必要對活塞銷進行檢查和維修。

 

一、活塞銷的作用和材料結構

 

       活塞銷是裝在活塞裙部的圓柱形銷子，其中部穿過柴油發電機連桿小頭孔，用來連接活塞和連桿，把活塞承受的氣體作用力傳給連桿。為了減輕重量，康明斯柴油發電機的活塞銷一般用優質合金鋼制造，并作成空心。

1、活塞銷的功用及工作條件

      一般國內使用的活塞銷孔內會有臺階或者凹槽，還有一種是實心活塞銷。國外使用的活塞銷內孔是直的。活塞銷用來連接活塞和連桿，并將活塞承受的力傳給連桿或相反。活塞銷在高溫條件下承受很大的周期性沖擊負荷，且由于活塞銷在銷孔內擺動角度不大，難以形成潤滑油膜，因此潤滑條件較差。為此活塞銷必須有足夠的剛度、強度和耐磨性，質量盡可能小，銷與銷孔應該有適當的配合間隙和良好的表面質量。在一般情況下，活塞銷的剛度尤為重要，如果活塞銷發生彎曲變形，可能使活塞銷座損壞。

2、塞銷材料及結構

      活塞銷的材料一般為低碳鋼或低碳合金鋼，如20、20Mn、15Cr、20Cr或20MnV等。外表面滲碳淬硬，再經精磨和拋光等精加工。這樣既提高了表面硬度和耐磨性，又保證有較高的強度和沖擊韌性。

      活塞銷的結構形狀很簡單，基本上是一個厚壁空心圓柱。其內孔形狀有圓柱形、兩段截錐形和組合形。圓柱形孔加工容易，但活塞銷的質量較大；兩段截錐形孔的活塞銷質量較小，且因為活塞銷所受的彎矩在其中部最大，所以接近于等強度梁，但錐孔加工較難。

 

圖1 柴油機活塞銷立體結構圖

圖2  柴油機活塞銷剖視結構圖

 

3、活塞銷座孔

      活塞銷座孔的作用是安裝活塞銷，并將氣體的壓力傳給連桿。活塞銷座孔位于活塞的中部，為厚壁圓筒狀結構，通常有加強筋與活塞內壁相連，以提高其剛度。兩座孔外端加工有卡環槽，用來安裝卡環，以限制活塞銷的軸向竄動。銷座孔有很高的加工精度，并且與活塞銷分組選配，以達到更高精度的配合，銷座孔的尺寸分組通常用色漆標于銷座下方的外表面。為了銷座孔的潤滑，有些銷座上鉆有收集潤滑油的小孔。

 

圖3  康明斯活塞銷孔和活塞銷位置圖

圖4  柴油機活塞結構示意圖

 

      隨著發動機性能的日益提高，活塞所承受的燃氣壓力和慣性力不斷增大，作為支承部分的銷孔負荷顯著增加，在最高燃燒壓力下，活塞銷軸和銷孔都會會發生彎曲變形，銷孔處的應力分布主要取決于活塞銷與銷孔兩者之間的變形是否相適應。理想的狀態是活塞銷與銷孔變形一致，這樣不會產生應力集中。

      目前最佳解決方案還是通過改變銷孔的幾何結構來改善應力分布情況，降低銷孔內側應力集中，提高活塞的承載能力。

 

二、活塞銷的檢測和修理

 

      發動機在使用中有的會出現活塞銷異響的故障。如果活塞銷異響嚴重會損壞活塞銷襯套，加大連桿軸瓦和曲軸連桿軸頸的磨損，磨損到最嚴重時，會拉斷活塞銷或連桿頂部，打壞氣缸體，千萬不能等閑視之。

1、活塞銷磨損的測量

      測量柴油機活塞銷的磨損程度，應用柴油發電機的專用工具千分尺進行測量。測量時要測三個部位：兩頭和中間。每一部位所測得的任意兩相互垂直直徑之差即為該部位的失圓度；三個部位上所測得的最大直徑與最小直徑之差即為錐形度；其失圓度及錐形度一般不應大于0.005mm。活塞銷的檢查項目有活塞外徑的測量和活塞銷孔的測量。

（1）活塞銷的外徑測量。

（2）測量每個活塞的銷孔直徑。

（3）計算活塞銷與活塞銷孔的間隙，必要時更換活塞或活塞銷。

2、修復

（1）磨損檢驗

      當徑向磨損大于0.5mm時，必須更換。當徑向磨損小于0.5mm時，可采用鍍鉻或鐓粗的方法修復（鐓：沖壓金屬板使其變形，不加熱叫冷鐓，加熱叫熱鐓）。

（2）活塞銷裂紋檢驗

      方法是先將活塞銷清洗干凈，然后用放大鏡觀察，必要時可用磁力探傷法檢查。如有裂紋、表面脫落或銹蝕嚴重等均應更換。

3、活塞銷與銷座孔的修配

      活塞銷除標準尺寸外，還有四級加大修理尺寸：+0.08mm、+0.12mm、+0.25mm、+0.20mm。選配時應根據銷孔磨損以后的內徑，選用近似于內徑的加大活塞銷（一般比銷孔的內徑大0.025一0.05mm）。如選用最大一級的加大活塞銷配合時仍感松曠，則應重選活塞。柴油發電機大修時，因選配的活塞是新的，因此活塞銷應選配標準的，以便給小修時留有更換的余地。新選配的活塞銷錐形度和失圓度應不超過0.005mm，表面粗糙度不低于0.16～0.32μm，對多缸柴油發電機而言，各缸的活塞銷質量相差不得超過10g。活塞銷與銷座孔，在常溫（15一25℃）下，應有0.025mm，的過盈量。

4、活塞銷與銷座孔的技術要求

      在常溫下應有微量過盈（一般為0.025、0.04mm），加溫到75、85℃時又有微量間隙，使活塞銷能在銷座孔內轉動，而冷卻后，活塞裙部橢圓變形，即長軸縮短（與活塞銷軸線相垂直方向）、短軸伸長（活塞銷軸線方向），其變化均不應超過0.04mm。這一點，是活塞銷與銷座孔修配的關鍵。若配合太緊，機油進不去，使活塞銷的潤滑變壞，加劇磨損，甚至會產生卡缸現象；若配合太松，會使活塞銷在活塞往復運動中撞擊活塞和連桿襯套，磨損加劇，嚴重時會出現活塞銷折斷或竄出，造成事故。

      接觸面積不小于75％。這是因為接觸面積太小，單位面積承受載荷上升，加速磨損，影響松緊度，機器壽命下降。活塞銷與銷座孔的配合，是通過對活塞銷座孔的搪削或鉸削完成的。餃削銷座孔時，應選用長刃鉸刀，使兩個銷座孔能同時進行鉸削，以保證兩孔的同心度。

 

圖5  活塞銷外徑檢查

圖6  活塞銷孔示意圖

 

三、活塞銷裂紋檢修案例

 

1、原因分析

      某柴油機故障案例中，該活塞銷的裂紋貫穿整個活塞銷試樣，在活塞銷的中間內孔中和邊緣的油孔中均存在大小不一的裂紋，最長的裂紋幾乎貫穿了活塞銷的整個內表面。將最長的裂紋沿縱向打開，該裂紋為明顯的疲勞裂紋，疲勞裂紋源在油孔內表面上，并以此為圓心呈貝文線狀向中心孔擴展。疲勞擴展區較大，為明顯的疲勞裂紋擴展形式。垂直于裂紋經線切割取樣，試樣經拋光后的裂紋形態長約2.6 mm，尾部尖銳，為明顯的淬火裂紋。

2、金相檢驗

      沿試樣芯部縱向磨削拋光后，在顯微鏡下觀察，其非金屬夾雜物級別根據GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物顯微評定方法》，評為A2.0，B0，CO，D0。對試樣經4%的硝酸酒精溶液浸蝕后，裂紋源處金相組織如圖4所示。裂紋處無脫碳，裂紋處金相組織為馬氏體+少量鐵素體。

      試樣表面組織為馬氏體，表面無脫碳。試樣基體組織為索氏體+鐵素體。對試樣進行磨拋再經4%的硝酸酒精溶液浸蝕后，裂紋處無脫碳，裂紋處金相組織均為索氏體+鐵素體。經檢測，活塞銷表面滲碳層組織為回火馬氏體，晶粒度較細。

3、硬度檢測

      經檢測，活塞銷表面滲碳層有效硬化層深1.59 mm，表面硬度為：HRC59、HRC59、HRC60，在技術要求規定的HRC58～63之內。

4、分析與探討

（1）鋼中非金屬夾雜物檢測表明，主要夾雜物為A類(硫化物類)，但級別較高，說明活塞銷的材質不良。

（2）該活塞銷的開裂為疲勞裂紋擴展所造成的，疲勞裂紋源于內孔的內表面。

（3）該活塞銷裂紋處無明顯的氧化脫碳現象，并且活塞銷內孔的裂紋細長、尾部尖銳，因此該裂紋為典型的淬火裂紋。

 

總結：

      活塞銷是氣缸總成的一個關鍵連接件，是裝在活塞裙部的圓柱形銷子。它的中部穿過連桿小頭孔，用來連接活塞和連桿，其作用是把活塞承受的氣體作用力傳給連桿，或使連桿小頭帶動活塞一起運動。因此在設計活塞銷時，不僅要具有足夠強的機械強度和耐磨性，還要有較強的疲勞強度。

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