柴油机活塞部件结构特点与技术状态检修

刘明丽

(通榆县农业机械化技术推广站，吉林 通榆 134100)

0 引言

活塞是柴油机的主要运动机件之一，是燃烧室的组成部分。活塞工作时承受着很大的机械应力和热应力，同时还承受着摩擦力，因此，活塞是易损件[1]。活塞的常见损伤有烧蚀、磨损、拉伤和裂纹等。活塞价格比较便宜，在农机维修中一般不对活塞进行修理，而是直接更换。但是作为农机维修推广人员，需要了解认识柴油机这个重要的部件，了解他的结构特点，知道活塞发生损伤的原因，掌握检测方法，以确定活塞是否需要更换。

1 活塞的结构特点

柴油机活塞在高温高压燃气作用下，在汽缸内作往复直线运动以实现工作循环。根据对曲柄连杆机构受力分析，活塞是处于十分恶劣的条件下工作，因此活塞具有以下特点：1)有足够的刚度和强度，耐热性好，能承受燃气压力和往复惯性力的多变负荷。2)装上活塞环后应具有良好的密封性，防止气体和润滑油的窜漏。3)导热性能好，能迅速而有效地将热量传导给汽缸套和冷却水。4)有良好的耐磨性和润滑性，结构重量轻，往复惯性力小。活塞的总体结构可分为四部分，即顶部、环槽部、裙部和活塞销座。

1.1 活塞顶部

活塞环带以上的部分称活塞顶部，它是构成燃烧室的一部分，所以活塞顶部的形状与汽缸内混合气形成、燃烧特点、喷油器和气门位置等因素都有关系。采用直接喷射燃烧式的高速柴油机，由于混合气形成和燃烧过程的特殊性，要求在活塞顶部设置一定深度的凹坑，如立式195型柴油机活塞顶部采用球型凹坑。不采用直接喷射的高速柴油机，也有采用平顶，但大部分都制有不同形状和不同深度的凹坑，以改善混合气的形成和燃烧，活塞顶部的厚度主要从活塞向外传热的条件和刚度来考虑，一般在高速柴油机中顶部厚度是从中央到四周逐渐加大，活塞顶背面与活塞环槽部用圆弧形过渡，并设有加强筋，以提高活塞的强度和刚度，增大顶部的散热面积。

195型柴油机的活塞顶部铸成深为1.7～1.8 mm的双涡流或铲击形的涡流凹坑，与汽缸盖上的涡流室、缸壁配合构成涡流室形式的燃烧室。安装时凹坑要朝向缸盖有涡流室的一侧(即靠近喷油器)，以便引导气流形成第二次涡流，改善混合气的混合与燃烧。

1.2 活塞环槽部

活塞环槽部是用于安装活塞环，以防止燃气由燃烧室通过活塞与汽缸壁之间的间隙下漏，并起传热作用。

环槽的数目一般为4～5道，上面的2～3道环槽装置气环，柴油机为了保证可靠启动常用三道气环，最下面的一道环槽装置油环。油环槽的底面上钻有许多径向小孔，以使活塞下行时被油环从汽缸壁上刮下的多余润滑油，能经过这些小孔流回油底壳。有的柴油机有两个油环槽，分别置于活塞销座的上、下两边。

由于铝活塞膨胀系数大，环槽部金属较多，越靠近活塞顶部温度越高、热膨胀量越大。为了避免因受热膨胀而卡死在汽缸内，把活塞环槽部直径制成上小下大呈阶梯状，也有的制成一定的锥度。

1.3 活塞裙部

活塞裙部是油环槽下端面以下的活塞部分，在活塞的往复直线运动中起导向作用，并承受侧压力。其结构形状为一薄壁圆筒，筒的长度取决于最大侧压力的大小。

活塞裙部除了起很好的导向作用，使活塞工作平顺耐久外，还必须保持裙部与汽缸间有尽可能小的最佳恒定间隙，称汽缸间隙。有了间隙可以使润滑油在活塞与缸壁间形成一层油膜，以减小摩擦和磨损；又能保证气密性，使活塞正常工作。

1.4 活塞销座孔

活塞销座位于活塞裙部的上部，用以安装活塞销，在与活塞环槽部连接处有加强筋。活塞销座孔按一级精度加工，表面光洁，并分组与活塞销选配。

一般发动机活塞的销座轴线与活塞中心线垂直相交，当活塞在上止点改变运动方向的瞬间，活塞由一侧汽缸壁平移到另一侧，造成活塞对缸壁的拍击发出噪声，并会缩短活塞的寿命，因而有的发动机将活塞销座轴线向侧压力大的一面偏移1～2 mm，使活塞在上止点换向时分两步过渡，过渡时刻先于达到最高燃烧压力前，从而改善了发动机工作的平顺性。

2 活塞常见损伤检修

2.1 活塞烧蚀

活塞烧蚀呈现在活塞顶部，轻者有疏松状麻坑，重者有局部烧熔现象，甚至产生活塞脱顶，造成活塞头部与裙部分离。

活塞烧蚀的主要原因：1)喷油器渗漏、滴油或供油时间不正确，空气供给不充分，会导致活塞顶部凹坑周边烧蚀。2)活塞与缸套间隙太小，因干摩擦发热而裙部烧蚀。3)活塞环开口间隙过小，柴油机长期超负荷运转、冷却不良、缺水易使活塞头部受热膨胀卡死而烧蚀。

检测方法：可观察到明显的烧蚀痕迹。

检修建议：对烧蚀的活塞一般应作报废处理。

2.2 活塞裙部磨损

活塞裙部磨损后，汽缸与活塞的间隙增大，造成漏气，压缩力不足。磨损严重时发出敲缸声，冷车或怠速运转时尤为明显。

活塞裙部发生磨损的主要原因：1)柴油机工作时，活塞裙部受侧压力与缸套摩擦而自然磨损。2)柴油机工作时冷却系统工作不良，造成发动机过热，使润滑油失效。3)发动机“三滤”工作不良，使进入汽缸的空气、柴油、机油不净，含杂质过多加速活塞裙部磨损。4)活塞与缸套装配间隙过大或过小，造成活塞裙部推力面的严重磨损。5)因连杆弯曲使活塞呈过度的单面磨损。

检测方法：用外径千分尺测量，由于活塞销在裙部所处的位置不同，则裙部的磨损情况也不一样。当活塞销处于裙部中间，则裙部磨损较为均匀，只需测量活塞销上、下两个位置。因活塞受侧压力的影响，在侧压力方向的磨损大于柴油机的前后方向，所以测量时可只测量侧压力方向的两个尺寸。对于活塞销处于裙部靠上的或大一些的活塞，一般测量三个部位。

检修建议：当活塞裙部磨损过大，即与汽缸套配合间隙过大时，铝活塞换新，铸铁和铸钢活塞目前有采用喷镀工艺恢复到原始尺寸的修理方法。在实际维修中，柴油机的汽缸套与活塞的更换要权衡考虑，一般是更换汽缸套而不更换活塞，而汽缸套采取加大修理时，活塞必须按同级修理尺寸进行选配。在更换活塞进行选配时，还应检查与汽缸套的配合间隙是否在规定的范围内。同一台柴油机应选用同厂生产的同型号和同组别的活塞。按活塞裙部直径分组，一般同组内各活塞之间相差不大于0.02 mm，以保证同台柴油机的活塞材料性能、质量、尺寸等一致。同组活塞的质量轻重差不得超过规定值，若超过规定值，可在活塞裙部内表面车去少许材料。

2.3 活塞环槽磨损

活塞环槽磨损后，边间隙增大，产生窜油和漏气等现象，排气冒“蓝烟”[2]。

活塞环槽发生磨损的主要原因：1)随着活塞的高速往复运动，活塞环在环槽中一直拍击着活塞。尤其是压缩行程和做功行程中，活塞环由于受到压力作用，对活塞环槽产生较大的冲击力，并紧压在环槽下沿，使环槽磨损成外大内小的梯形，并且环槽下沿的磨损比上沿大。2)工作中燃气产生的碳粒在环与环槽端面之间形成磨粒加速环槽表面的磨损。3)发动机过热，润滑不良，环与环槽表面间的油膜破坏时，则环槽磨损更加严重。

检测方法：用放大镜观察环槽是否磨损成梯形；或用新的标准活塞环或样板放入环槽测量相隔120°的三个位置处的边间隙。

检修建议：1)确定环槽磨损，可将环槽平面光车，配一加大相应尺寸的活塞环。但是，槽背减薄量不应超过原来厚度的20%～30%，同时要求在一个活塞上不允许有两个以上不同尺寸的活塞环。2)镶环修理，光车环槽后，在槽内镶入一垫环将其焊在槽内。如此形成新的环槽，使之达到要求的环槽高度。镶环法一般用来修理铸钢的活塞，对铝活塞和较小直径的活塞，当活塞环槽磨损严重时，一般不作修理，而是更换新活塞。

2.4 活塞销座孔磨损

当发生活塞销座孔磨损时，孔与销之间间隙较大，冲击磨损严重，柴油机运转时发出异常响声，低速和改变转速时更为明显。

活塞销座孔发生磨损的主要原因：装配时未加热活塞，强行敲入，使销孔擦伤。

检测方法：1)活塞销座孔的外观检查。检视活塞销座孔内表面有无严重的损伤或变形。必要时应更换活塞。2)活塞销座孔直径的测量。使用内径百分表测量活塞销座孔的直径。活塞销座孔是否合格要视其与活塞销配合间隙的大小而定。

检修建议：当活塞销座孔磨损后，圆度和圆柱度以及与活塞销的配合间隙大于允许值时，应将座孔镗削或铰削到修理尺寸，配用加大的活塞销。然后把新的活塞销与销孔进行配合修刮，以保证间隙和接触面积。对于销孔装有铜套的活塞，可采用重新压入铜套，而后修配的办法。在活塞销座孔修理过程中，应保证活塞销座孔轴线与活塞裙部轴线相互垂直。用百分表在平台上检查时，先将样轴塞进销孔内，再把活塞顶倒置于平台上，然后用百分表检查样轴两边的高度，再计算出活塞销座孔轴线与活塞裙部轴线的垂直度。

一般小型柴油机的活塞销座孔轴线与活塞裙部轴线垂直度公差为0.035 mm，有时也可以用检查销孔轴线与活塞裙部表面的垂直度来代替。

活塞销座孔铰削的方法步骤及注意事项：1)选择铰刀。根据活塞销座孔的实际尺寸，选择合适的铰刀，并将铰刀夹在台虎钳上，使其与钳口平面保持垂直。2)确定铰削量。用内、外径千分尺等准确地测量出活塞销座孔和活塞销的尺寸，并计算出铰削量。3)调整铰刀。第一刀只能是试验性的微量铰削，应边调整铰刀边用销孔试，当调整到刀片上端露出上销孔3～5 mm，刀片稍有吃刀量，并且吃刀的刀片不少于3片时，即可进行铰削。但在铰削过程中应注意每次各刀的调整量不宜过大，一般是旋转调整螺母60°～90°为宜，铝活塞约铰0.02～0.04 mm。当需要减小铰削量时，可旋转调整螺母30°～60°。在调整铰刀旋紧固定螺母时，不要过紧，以免螺母破裂。4)铰削。将活塞销座孔套在调整好的饺刀上，两手握住活塞，并按顺时针方向轻压旋转铰削，转动时用力要均匀，注意要使活塞保持平直，不要抖动，有时感到某个位置很紧时，可将活塞稍倒转一下，然后继续顺向铰削。当铰到刀片下方接近销座孔时，应慢慢下压活塞使活塞从铰刀下方脱出，以免铰偏和刮伤。为使两销孔保持同心，防止出现圆锥形，每调一次铰刀，除两销孔一次铰出外，还要从两个方向各铰一次。5)试配。铰削过程中应随时用活塞销试配。防止铰大，铰削完成后不但应保证销孔和销的配合，而且接触面积应不小于75%，若检查面过小时，可用刮刀修刮。6)对铰削后的活塞销座孔，应检查挡圈槽的深度。挡圈如果是钢丝的，槽的深度应为钢丝直径的2/3～4/5；若挡圈是钢片的，槽的深度应为0.6～0.7 mm，否则应将挡圈车深或刮深，以防在工作中挡圈脱出划伤汽缸。两端挡圈与活塞销端面的距离应不小于0.1 mm。没有此距离，活塞销膨胀后会使活塞的变形加大，甚至顶出挡圈，造成“拉缸”事故。距离过小或没有时，可将活塞销适当磨短。

2.5 活塞拉伤划痕

活塞拉伤后，高压气体泄漏窜入曲轴箱，柴油机压缩力不足。

活塞拉伤主要原因：1)空气不净，柴油、机油不净含有较多的杂质，进入汽缸成为磨料使活塞拉伤。2)冷却不良，润滑不良，供油时间太早，柴油机超负荷运转，使摩擦零件加热到熔点而造成粘附性擦伤。3)与缸套的间隙太小，不易形成油膜，发生干摩擦而擦伤。

检测方法：用肉眼或放大镜能明显地观察到多条垂直划痕。

检修建议：对于活塞头部拉伤不是很严重时，可用油石或砂布磨平。对拉伤、划痕严重的应更换新活塞。

2.6 活塞裂纹

通常在活塞顶凹坑和活塞销座孔上方处出现小的头发丝状裂纹。

活塞裂纹产生的主要原因：1)在机温尚冷时迅速加负荷作业。2)柴油机长期超负荷或冷却不良，在过热状态下工作。3)在机温很高的情况下，突然冲加冷却水。4)供油太早，喷油压力太高，喷油器工作不良。5)安装时，加热活塞后不妥当地放在水中。

检测方法：1)用肉眼或借助放大镜观察。2)将活塞在煤油中浸泡1 h，取出后擦干，在可疑处撒一层白粉，轻击周围，如有裂纹会显示黑色线条。

检修建议：对裂纹的活塞一般应作报废处理。