柴油機活塞部件結構特點與技術狀態檢修

劉明麗

(通榆縣農業機械化技術推廣站，吉林 通榆 134100)

0 引言

活塞是柴油機的主要運動機件之一，是燃燒室的組成部分。活塞工作時承受著很大的機械應力和熱應力，同時還承受著摩擦力，因此，活塞是易損件[1]。活塞的常見損傷有燒蝕、磨損、拉傷和裂紋等。活塞價格比較便宜，在農機維修中一般不對活塞進行修理，而是直接更換。但是作為農機維修推廣人員，需要了解認識柴油機這個重要的部件，了解他的結構特點，知道活塞發生損傷的原因，掌握檢測方法，以確定活塞是否需要更換。

1 活塞的結構特點

柴油機活塞在高溫高壓燃氣作用下，在汽缸內作往復直線運動以實現工作循環。根據對曲柄連桿機構受力分析，活塞是處于十分惡劣的條件下工作，因此活塞具有以下特點：1)有足夠的剛度和強度，耐熱性好，能承受燃氣壓力和往復慣性力的多變負荷。2)裝上活塞環后應具有良好的密封性，防止氣體和潤滑油的竄漏。3)導熱性能好，能迅速而有效地將熱量傳導給汽缸套和冷卻水。4)有良好的耐磨性和潤滑性，結構重量輕，往復慣性力小。活塞的總體結構可分為四部分，即頂部、環槽部、裙部和活塞銷座。

1.1 活塞頂部

活塞環帶以上的部分稱活塞頂部，它是構成燃燒室的一部分，所以活塞頂部的形狀與汽缸內混合氣形成、燃燒特點、噴油器和氣門位置等因素都有關系。采用直接噴射燃燒式的高速柴油機，由于混合氣形成和燃燒過程的特殊性，要求在活塞頂部設置一定深度的凹坑，如立式195型柴油機活塞頂部采用球型凹坑。不采用直接噴射的高速柴油機，也有采用平頂，但大部分都制有不同形狀和不同深度的凹坑，以改善混合氣的形成和燃燒，活塞頂部的厚度主要從活塞向外傳熱的條件和剛度來考慮，一般在高速柴油機中頂部厚度是從中央到四周逐漸加大，活塞頂背面與活塞環槽部用圓弧形過渡，并設有加強筋，以提高活塞的強度和剛度，增大頂部的散熱面積。

195型柴油機的活塞頂部鑄成深為1.7～1.8 mm的雙渦流或鏟擊形的渦流凹坑，與汽缸蓋上的渦流室、缸壁配合構成渦流室形式的燃燒室。安裝時凹坑要朝向缸蓋有渦流室的一側(即靠近噴油器)，以便引導氣流形成第二次渦流，改善混合氣的混合與燃燒。

1.2 活塞環槽部

活塞環槽部是用于安裝活塞環，以防止燃氣由燃燒室通過活塞與汽缸壁之間的間隙下漏，并起傳熱作用。

環槽的數目一般為4～5道，上面的2～3道環槽裝置氣環，柴油機為了保證可靠啟動常用三道氣環，最下面的一道環槽裝置油環。油環槽的底面上鉆有許多徑向小孔，以使活塞下行時被油環從汽缸壁上刮下的多余潤滑油，能經過這些小孔流回油底殼。有的柴油機有兩個油環槽，分別置于活塞銷座的上、下兩邊。

由于鋁活塞膨脹系數大，環槽部金屬較多，越靠近活塞頂部溫度越高、熱膨脹量越大。為了避免因受熱膨脹而卡死在汽缸內，把活塞環槽部直徑制成上小下大呈階梯狀，也有的制成一定的錐度。

1.3 活塞裙部

活塞裙部是油環槽下端面以下的活塞部分，在活塞的往復直線運動中起導向作用，并承受側壓力。其結構形狀為一薄壁圓筒，筒的長度取決于最大側壓力的大小。

活塞裙部除了起很好的導向作用，使活塞工作平順耐久外，還必須保持裙部與汽缸間有盡可能小的最佳恒定間隙，稱汽缸間隙。有了間隙可以使潤滑油在活塞與缸壁間形成一層油膜，以減小摩擦和磨損；又能保證氣密性，使活塞正常工作。

1.4 活塞銷座孔

活塞銷座位于活塞裙部的上部，用以安裝活塞銷，在與活塞環槽部連接處有加強筋。活塞銷座孔按一級精度加工，表面光潔，并分組與活塞銷選配。

一般發動機活塞的銷座軸線與活塞中心線垂直相交，當活塞在上止點改變運動方向的瞬間，活塞由一側汽缸壁平移到另一側，造成活塞對缸壁的拍擊發出噪聲，并會縮短活塞的壽命，因而有的發動機將活塞銷座軸線向側壓力大的一面偏移1～2 mm，使活塞在上止點換向時分兩步過渡，過渡時刻先于達到最高燃燒壓力前，從而改善了發動機工作的平順性。

2 活塞常見損傷檢修

2.1 活塞燒蝕

活塞燒蝕呈現在活塞頂部，輕者有疏松狀麻坑，重者有局部燒熔現象，甚至產生活塞脫頂，造成活塞頭部與裙部分離。

活塞燒蝕的主要原因：1)噴油器滲漏、滴油或供油時間不正確，空氣供給不充分，會導致活塞頂部凹坑周邊燒蝕。2)活塞與缸套間隙太小，因干摩擦發熱而裙部燒蝕。3)活塞環開口間隙過小，柴油機長期超負荷運轉、冷卻不良、缺水易使活塞頭部受熱膨脹卡死而燒蝕。

檢測方法：可觀察到明顯的燒蝕痕跡。

檢修建議：對燒蝕的活塞一般應作報廢處理。

2.2 活塞裙部磨損

活塞裙部磨損后，汽缸與活塞的間隙增大，造成漏氣，壓縮力不足。磨損嚴重時發出敲缸聲，冷車或怠速運轉時尤為明顯。

活塞裙部發生磨損的主要原因：1)柴油機工作時，活塞裙部受側壓力與缸套摩擦而自然磨損。2)柴油機工作時冷卻系統工作不良，造成發動機過熱，使潤滑油失效。3)發動機“三濾”工作不良，使進入汽缸的空氣、柴油、機油不凈，含雜質過多加速活塞裙部磨損。4)活塞與缸套裝配間隙過大或過小，造成活塞裙部推力面的嚴重磨損。5)因連桿彎曲使活塞呈過度的單面磨損。

檢測方法：用外徑千分尺測量，由于活塞銷在裙部所處的位置不同，則裙部的磨損情況也不一樣。當活塞銷處于裙部中間，則裙部磨損較為均勻，只需測量活塞銷上、下兩個位置。因活塞受側壓力的影響，在側壓力方向的磨損大于柴油機的前后方向，所以測量時可只測量側壓力方向的兩個尺寸。對于活塞銷處于裙部靠上的或大一些的活塞，一般測量三個部位。

檢修建議：當活塞裙部磨損過大，即與汽缸套配合間隙過大時，鋁活塞換新，鑄鐵和鑄鋼活塞目前有采用噴鍍工藝恢復到原始尺寸的修理方法。在實際維修中，柴油機的汽缸套與活塞的更換要權衡考慮，一般是更換汽缸套而不更換活塞，而汽缸套采取加大修理時，活塞必須按同級修理尺寸進行選配。在更換活塞進行選配時，還應檢查與汽缸套的配合間隙是否在規定的范圍內。同一臺柴油機應選用同廠生產的同型號和同組別的活塞。按活塞裙部直徑分組，一般同組內各活塞之間相差不大于0.02 mm，以保證同臺柴油機的活塞材料性能、質量、尺寸等一致。同組活塞的質量輕重差不得超過規定值，若超過規定值，可在活塞裙部內表面車去少許材料。

2.3 活塞環槽磨損

活塞環槽磨損后，邊間隙增大，產生竄油和漏氣等現象，排氣冒“藍煙”[2]。

活塞環槽發生磨損的主要原因：1)隨著活塞的高速往復運動，活塞環在環槽中一直拍擊著活塞。尤其是壓縮行程和做功行程中，活塞環由于受到壓力作用，對活塞環槽產生較大的沖擊力，并緊壓在環槽下沿，使環槽磨損成外大內小的梯形，并且環槽下沿的磨損比上沿大。2)工作中燃氣產生的碳粒在環與環槽端面之間形成磨粒加速環槽表面的磨損。3)發動機過熱，潤滑不良，環與環槽表面間的油膜破壞時，則環槽磨損更加嚴重。

檢測方法：用放大鏡觀察環槽是否磨損成梯形；或用新的標準活塞環或樣板放入環槽測量相隔120°的三個位置處的邊間隙。

檢修建議：1)確定環槽磨損，可將環槽平面光車，配一加大相應尺寸的活塞環。但是，槽背減薄量不應超過原來厚度的20%～30%，同時要求在一個活塞上不允許有兩個以上不同尺寸的活塞環。2)鑲環修理，光車環槽后，在槽內鑲入一墊環將其焊在槽內。如此形成新的環槽，使之達到要求的環槽高度。鑲環法一般用來修理鑄鋼的活塞，對鋁活塞和較小直徑的活塞，當活塞環槽磨損嚴重時，一般不作修理，而是更換新活塞。

2.4 活塞銷座孔磨損

當發生活塞銷座孔磨損時，孔與銷之間間隙較大，沖擊磨損嚴重，柴油機運轉時發出異常響聲，低速和改變轉速時更為明顯。

活塞銷座孔發生磨損的主要原因：裝配時未加熱活塞，強行敲入，使銷孔擦傷。

檢測方法：1)活塞銷座孔的外觀檢查。檢視活塞銷座孔內表面有無嚴重的損傷或變形。必要時應更換活塞。2)活塞銷座孔直徑的測量。使用內徑百分表測量活塞銷座孔的直徑。活塞銷座孔是否合格要視其與活塞銷配合間隙的大小而定。

檢修建議：當活塞銷座孔磨損后，圓度和圓柱度以及與活塞銷的配合間隙大于允許值時，應將座孔鏜削或鉸削到修理尺寸，配用加大的活塞銷。然后把新的活塞銷與銷孔進行配合修刮，以保證間隙和接觸面積。對于銷孔裝有銅套的活塞，可采用重新壓入銅套，而后修配的辦法。在活塞銷座孔修理過程中，應保證活塞銷座孔軸線與活塞裙部軸線相互垂直。用百分表在平臺上檢查時，先將樣軸塞進銷孔內，再把活塞頂倒置于平臺上，然后用百分表檢查樣軸兩邊的高度，再計算出活塞銷座孔軸線與活塞裙部軸線的垂直度。

一般小型柴油機的活塞銷座孔軸線與活塞裙部軸線垂直度公差為0.035 mm，有時也可以用檢查銷孔軸線與活塞裙部表面的垂直度來代替。

活塞銷座孔鉸削的方法步驟及注意事項：1)選擇鉸刀。根據活塞銷座孔的實際尺寸，選擇合適的鉸刀，并將鉸刀夾在臺虎鉗上，使其與鉗口平面保持垂直。2)確定鉸削量。用內、外徑千分尺等準確地測量出活塞銷座孔和活塞銷的尺寸，并計算出鉸削量。3)調整鉸刀。第一刀只能是試驗性的微量鉸削，應邊調整鉸刀邊用銷孔試，當調整到刀片上端露出上銷孔3～5 mm，刀片稍有吃刀量，并且吃刀的刀片不少于3片時，即可進行鉸削。但在鉸削過程中應注意每次各刀的調整量不宜過大，一般是旋轉調整螺母60°～90°為宜，鋁活塞約鉸0.02～0.04 mm。當需要減小鉸削量時，可旋轉調整螺母30°～60°。在調整鉸刀旋緊固定螺母時，不要過緊，以免螺母破裂。4)鉸削。將活塞銷座孔套在調整好的餃刀上，兩手握住活塞，并按順時針方向輕壓旋轉鉸削，轉動時用力要均勻，注意要使活塞保持平直，不要抖動，有時感到某個位置很緊時，可將活塞稍倒轉一下，然后繼續順向鉸削。當鉸到刀片下方接近銷座孔時，應慢慢下壓活塞使活塞從鉸刀下方脫出，以免鉸偏和刮傷。為使兩銷孔保持同心，防止出現圓錐形，每調一次鉸刀，除兩銷孔一次鉸出外，還要從兩個方向各鉸一次。5)試配。鉸削過程中應隨時用活塞銷試配。防止鉸大，鉸削完成后不但應保證銷孔和銷的配合，而且接觸面積應不小于75%，若檢查面過小時，可用刮刀修刮。6)對鉸削后的活塞銷座孔，應檢查擋圈槽的深度。擋圈如果是鋼絲的，槽的深度應為鋼絲直徑的2/3～4/5；若擋圈是鋼片的，槽的深度應為0.6～0.7 mm，否則應將擋圈車深或刮深，以防在工作中擋圈脫出劃傷汽缸。兩端擋圈與活塞銷端面的距離應不小于0.1 mm。沒有此距離，活塞銷膨脹后會使活塞的變形加大，甚至頂出擋圈，造成“拉缸”事故。距離過小或沒有時，可將活塞銷適當磨短。

2.5 活塞拉傷劃痕

活塞拉傷后，高壓氣體泄漏竄入曲軸箱，柴油機壓縮力不足。

活塞拉傷主要原因：1)空氣不凈，柴油、機油不凈含有較多的雜質，進入汽缸成為磨料使活塞拉傷。2)冷卻不良，潤滑不良，供油時間太早，柴油機超負荷運轉，使摩擦零件加熱到熔點而造成粘附性擦傷。3)與缸套的間隙太小，不易形成油膜，發生干摩擦而擦傷。

檢測方法：用肉眼或放大鏡能明顯地觀察到多條垂直劃痕。

檢修建議：對于活塞頭部拉傷不是很嚴重時，可用油石或砂布磨平。對拉傷、劃痕嚴重的應更換新活塞。

2.6 活塞裂紋

通常在活塞頂凹坑和活塞銷座孔上方處出現小的頭發絲狀裂紋。

活塞裂紋產生的主要原因：1)在機溫尚冷時迅速加負荷作業。2)柴油機長期超負荷或冷卻不良，在過熱狀態下工作。3)在機溫很高的情況下，突然沖加冷卻水。4)供油太早，噴油壓力太高，噴油器工作不良。5)安裝時，加熱活塞后不妥當地放在水中。

檢測方法：1)用肉眼或借助放大鏡觀察。2)將活塞在煤油中浸泡1 h，取出后擦干，在可疑處撒一層白粉，輕擊周圍，如有裂紋會顯示黑色線條。

檢修建議：對裂紋的活塞一般應作報廢處理。