發(fā)動機(jī)活塞環(huán)的影響因素及減磨措施

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    活塞環(huán)是發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵件之一，其工作的好壞直接影響發(fā)動機(jī)的性能。同時，活塞環(huán)又是易損件，檢修活塞環(huán)時，通常要吊出活塞，因此，常常把檢修或更換活塞環(huán)的時間作為發(fā)動機(jī)的第一次檢修期限。 

    近年來，由于發(fā)動機(jī)向高速和強(qiáng)化方向發(fā)展，活塞環(huán)的工作條件越來越苛刻，對其耐磨性也提出了更高的要求。

    活塞環(huán)的磨損及影響因素

    汽車發(fā)動機(jī)的活塞環(huán)和缸套之間的磨損具有如下幾個特點：

    1．活塞環(huán)在上下止點之間作往復(fù)運(yùn)動，速度從靜止?fàn)顟B(tài)變化到最高達(dá)30m/s左右，如此反復(fù)的做大幅度變化。2．做往復(fù)運(yùn)動時，在工作循環(huán)的進(jìn)氣、壓縮、做功和排氣行程中，汽缸壓力變化很大。

    3．因為受燃燒行程的影響，活塞環(huán)的運(yùn)動經(jīng)常是在高溫下進(jìn)行的，特別是第一道氣環(huán)，在高溫高壓及燃燒生成物所產(chǎn)生的化學(xué)作用下，油膜很難建立，使其實現(xiàn)完全潤滑比較困難，而常常處于臨界潤滑狀態(tài)。

    根據(jù)磨損機(jī)理，活塞環(huán)磨損可分為正常磨損、熔著磨損（劃傷，擦傷）、磨料磨損及腐蝕磨損。但這些磨損現(xiàn)象不會單獨出現(xiàn)，而是同時存在并且相互影響。按照磨損部位，活塞環(huán)磨損又可分為滑動面磨損和上下端面磨損。一般來說，滑動面磨損比上下端面磨損大，滑動面主要是熔著磨損和磨料磨損；上下端面則以因活塞做往復(fù)運(yùn)動而引起的撞擊磨損為主。

    活塞環(huán)滑動面最大磨損常出現(xiàn)在汽缸上止點位置，因為該處受高溫氣體作用，破壞了油膜，造成易于熔著的條件，從而加速了活塞環(huán)的磨損。通常所謂的正常磨損實際上包含了輕微的熔著磨損和磨料磨損。各道環(huán)滑動面磨損量不一樣，第一道氣環(huán)磨損量最大，第二道環(huán)約為第一道的一半左右，油環(huán)的磨損量最小。例如，裝在斯太爾WD615發(fā)動機(jī)上的活塞環(huán)經(jīng)過500h可靠性試驗后，第一道氣環(huán)開口間隙磨損為0.4～0.6mm，第二道開口間隙磨損為0.25～0.4mm，油環(huán)開口間隙磨損為0.3～0.55mm。但有時油環(huán)磨損比中間幾道環(huán)還大，這是由于受到汽缸表面潤滑油分布和吸附雜質(zhì)的影響。

    活塞環(huán)上下端面的磨損主要是因為機(jī)油燃油中的硬性殘渣以及從大氣中混進(jìn)的塵埃顆粒在上下端面上形成的機(jī)械研磨，本質(zhì)上是磨料磨損。可是，當(dāng)出現(xiàn)活塞的異常熱變形、環(huán)槽側(cè)隙變小時，也可能發(fā)生熔著磨損。

    影響活塞環(huán)磨損的因素很多，其中活塞環(huán)的材料和形狀、汽缸套活塞的材料和結(jié)構(gòu)、潤滑狀態(tài)、發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)形式、運(yùn)轉(zhuǎn)條件、燃油和潤滑油的品質(zhì)等是主要因素。當(dāng)然，在同一汽缸中，潤滑狀態(tài)對活塞環(huán)磨損的影響則是最大的，可以說，活塞環(huán)的磨損在很大程度上取決于潤滑狀態(tài)。理想的環(huán)面間潤滑為兩滑動面間有一層均勻的油膜，然而這種情況事實上并不存在，特別是第一道氣環(huán)，由于受高溫的影響，很難建立起較理想的潤滑狀態(tài)。

    活塞環(huán)的減磨措施

    由于影響活塞環(huán)磨損的因素很多，而且這些因素往往是交織在一起的。另外，發(fā)動機(jī)的類型及使用條件不同，活塞環(huán)的磨損也有很大差別，因而不能只靠改善活塞環(huán)本身的結(jié)構(gòu)和材料來解決問題，主要可以從以下幾個方面來著手：活塞環(huán)和汽缸套的材料及良好的匹配；表面處理；結(jié)構(gòu)狀態(tài)；潤滑油及添加劑選擇；由于裝配及運(yùn)轉(zhuǎn)時受熱而導(dǎo)致的汽缸套及活塞的變形等。

    下面主要探討材料、結(jié)構(gòu)及表面處理等方面的措施。

    1．選擇匹配性能良好的材料

    就減少磨損而言，作為活塞環(huán)的材料，首先必須具備良好的耐磨性和貯油性。一般來說，必然是第一道氣環(huán)比其它環(huán)磨損較多，因此，特別有必要使用善于保持油膜而不被破壞的材料。具有石墨組織的鑄鐵之所以受到重視，其原因之一就是它具有良好的貯油性和耐磨性。

    為進(jìn)一步提高活塞環(huán)的耐磨性，可在鑄鐵中加入不同種類和含量的合金元素，例如現(xiàn)在發(fā)動機(jī)普遍采用的鉻鉬銅合金鑄鐵環(huán)，在耐磨性和貯油性方面都表現(xiàn)出明顯的優(yōu)點。

    總之，活塞環(huán)所用材料最好是能形成合理的軟基體加硬質(zhì)相的耐磨結(jié)構(gòu)，使活塞環(huán)在初期磨合時易于磨損，磨合后又難于磨損。另外，與活塞環(huán)相配合汽缸的材質(zhì)對活塞環(huán)的磨損也有很大影響。一般來說，配磨材料的硬度差為零時磨損最小，隨著硬度差增大，磨損也隨之增大。但是，在選材的同時，最好是在兩個零件都有最長壽命的前提下，使活塞環(huán)比汽缸更早達(dá)到磨損極限，這是因為更換活塞環(huán)比更換汽缸套較經(jīng)濟(jì)和容易。

    對于磨料磨損，除考慮硬度外，還必須考慮活塞環(huán)材料的彈性影響，韌性強(qiáng)的材料難磨損，抗磨性也高。

    2．結(jié)構(gòu)形狀改進(jìn)

    幾十年來，國內(nèi)外對活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)提出了許多改進(jìn)，而將第一道氣環(huán)改成桶面環(huán)的成效最顯著。因為，桶面環(huán)有一系列的優(yōu)點，就磨損而言，桶面環(huán)不管向上還是向下運(yùn)動，潤滑油均能靠油楔作用把環(huán)浮起，保證良好的潤滑。另外桶面環(huán)還能避免棱緣負(fù)荷。目前，在強(qiáng)化柴油機(jī)中已普遍采用桶面環(huán)作為第一道環(huán)，其他類型的柴油機(jī)中也較普遍地采用了桶面環(huán)。

    至于油環(huán)，國內(nèi)外現(xiàn)在普遍采用的內(nèi)撐螺旋彈簧鑄鐵油環(huán)具有很大的優(yōu)點，這種油環(huán)本身撓性很好，對變形后的汽缸套有極好的適應(yīng)性，從而可以保持良好的潤滑，減少磨損。

    為減少活塞環(huán)的磨損，對活塞環(huán)組的斷面結(jié)構(gòu)形狀要進(jìn)行合理的搭配，保持良好的密封和潤滑油膜。

    另外，為減少活塞環(huán)的磨損，對汽缸套和活塞的結(jié)構(gòu)要進(jìn)行合理的設(shè)計，如斯太爾WD615發(fā)動機(jī)汽缸套采用平臺網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)，在磨合過程中，汽缸套和活塞環(huán)的接觸面積減少，能保持液體潤滑，磨損量極小；再者，網(wǎng)紋起貯油槽作用，提高了汽缸套保持潤滑油的能力，因此，對減少活塞環(huán)和汽缸套的磨損十分有利。現(xiàn)在發(fā)動機(jī)普遍采用了這種汽缸套結(jié)構(gòu)形狀。為減少活塞環(huán)上下端面的磨損，活塞環(huán)和環(huán)槽的端面要保持適當(dāng)?shù)拈g隙，以避免過大的沖擊負(fù)荷。另外，在活塞上環(huán)槽鑲嵌耐磨奧氏體鑄鐵襯圈，也可以減少上下端面的磨損，但這種方法除特殊情況外沒必要全面推廣。因它的工藝較難掌握，成本也較高。

    3．表面處理

    能比較明顯減少活塞環(huán)磨損的方法是進(jìn)行表面處理。現(xiàn)在采用的表面處理方法很多，就其作用而言，可歸納為以下三大類：

    1)提高表面硬度以減少磨料磨損。即在環(huán)的工作表面上形成一種非常硬的金屬層，使松軟的鑄鐵磨料不易嵌入其表面，提高環(huán)的耐磨性。現(xiàn)在最廣泛采用的是松孔鍍鉻，不僅鍍鉻層硬度很高（HV800～1000），摩擦系數(shù)很小，而且松孔鍍鉻層具有良好的貯油結(jié)構(gòu)，因此能顯著提高活塞環(huán)的耐磨性。另外，鍍鉻成本低，穩(wěn)定性好，在大多數(shù)情況下均具有較好使用性能。因此，現(xiàn)代汽車發(fā)動機(jī)的第一道環(huán)都使用鍍鉻環(huán)，而油環(huán)也幾乎百分之百使用鍍鉻環(huán)。實踐證明，活塞環(huán)鍍鉻后，不僅其本身的磨損小，而且其它沒有鍍鉻的活塞環(huán)和缸套磨損也小。

    對高速或強(qiáng)化發(fā)動機(jī)來說，其活塞環(huán)不僅要外圓表面鍍鉻，而且上下端面也要鍍鉻，減少端面磨損，所有環(huán)組外園面最好全部鍍鉻，以減少整個活塞環(huán)組的磨損。

    2)改善活塞環(huán)工作表面的貯油能力和抗熔著能力以防熔著磨損。活塞環(huán)工作表面上的潤滑油膜在高溫下被破壞，有時會形成干摩擦，如果在活塞環(huán)表面施加一層具有貯存機(jī)油及抗熔著的表面覆層，則能減少熔著磨損，提高環(huán)的抗拉缸能力。活塞環(huán)噴鉬就具有極高的抗熔著磨損能力。一方面由于噴鉬層是多孔組織的貯油結(jié)構(gòu)覆層；另一方面鉬的熔點比較高(2630℃)，干摩擦?xí)r仍能有效地工作。在這種情況下，噴鉬環(huán)比鍍鉻環(huán)有更高的抗熔著能力。如R4100型柴油機(jī)，開始時采用鍍鉻環(huán)，發(fā)現(xiàn)活塞環(huán)拉缸，采用噴鉬環(huán)后基本上解決了該問題。但噴鉬環(huán)耐磨料磨損能力比鍍鉻環(huán)差，另外，噴鉬環(huán)成本較高且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度難以穩(wěn)定。因此除非十分需要噴鉬外，最好采用鍍鉻。

    3)改善初期磨合的表面處理。這種表面處理是在活塞環(huán)表面覆蓋一層適當(dāng)軟度、富有彈性的易損物質(zhì)，使環(huán)與汽缸套突出部分相接觸而加速磨損，從而縮短磨合期，使環(huán)良好地進(jìn)入穩(wěn)定的工作狀態(tài)。目前較普遍采用的是磷化處理。在活塞環(huán)表面上形成一種質(zhì)地柔軟、易于磨損的磷化膜，由于磷化處理所需設(shè)備簡單、操作方便、成本低、效率高，所以在小型發(fā)動機(jī)的活塞環(huán)工藝上普遍采用。另外，鍍錫和氧化處理也可改善初期磨合。

    在活塞環(huán)表面處理中，鍍鉻和噴鉬是最普遍采用的方法。另外，根據(jù)發(fā)動機(jī)種類、結(jié)構(gòu)、用途及工況不同也有采用其他的表面處理方法的，如軟氮化處理、硫化處理、填充四氧化三鐵等。

    活塞環(huán)的磨損是一種比較復(fù)雜的現(xiàn)象，形成因素很多，而且往往復(fù)雜交織在一起，因此，在解決活塞環(huán)磨損問題時，必須全面分析各種因素，以便在設(shè)計、材料、制造工藝、表面處理和潤滑劑等方面合理安排，最終達(dá)到滿意的效果。