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1、HXN5 机车活塞环槽异常磨损分析 乔云杰 肖静岚 周斌 常州中车柴油机零部件有限公司 摘 要： 针对 HXN5 机车活塞环槽异常磨损, 对活塞磨损尺寸、外观轮廓、活塞环环高及轮廓进行了调查, 分析了活塞顶化学成分、环槽金相、环的闭口间隙、缸套内孔尺寸和积碳的化学成分。通过对比分析及推理论证, 发现活塞环槽的异常磨损与产品本身的质量无关, 主要是由使用环境中的沙尘导致的。根据分析, 提出了避免类似情况发生的建议措施。关键词： 活塞环槽; 异常磨损; 沙尘; 积碳; 作者简介：乔云杰 (1983-) , 男, 山东青岛人, 工程师。0 引言2013 年期间, 西北地区某机务段多次反馈 HXN5
2、机车活塞环与活塞环槽的间隙大, 受某主机厂的委托, 我司对间隙大的活塞组件进行了系统分析, 帮助查找导致间隙大的根本原因。1 现状调查1.1 活塞环槽尺寸情况用专用环槽止通规进行检测发现:三道环槽中第三环槽全部合格, 第二环槽少数存在部分止规进入的情况, 第一环槽普遍存在喇叭口情况, 且每只活塞顶情况不一致。后对 341 机车 (运行时间约 1 年半) 共 16 只活塞顶采用三坐标测量仪针检测第一环槽尺寸, 对其进行统计汇总结果见表 1。表 1 活塞第一环槽尺寸 下载原表 从数据可以看出, 同一柴油机上的 16 只活塞顶环槽磨损严重程度不一致, 但均超过了设计上限值, 严重的磨损量超过 0.3
3、mm, 同时检测中发现磨损量严重的, 喇叭口最明显。1.2 活塞环槽截面轮廓为了进一步观察环槽的磨损情况, 另取一只磨损非常严重的活塞进行解剖, 其宏观照片见图 1, 从图 1 可以看到, 第 1 环槽下侧面磨损严重, 已经产生台阶, 后采用线切割的方式将第一环槽打开, 用马尔轮廓仪对环槽的上下表面进行测量, 其结果见图 2、图 3、表 2。图 1 活塞环槽磨损情况 下载原图图 2 第一环槽上侧面磨损情况 (右侧为外圆处) 下载原图图 3 第一环槽下侧面磨损情况 (右侧为外圆处) 下载原图表 2 环槽上下侧面磨损情况对比数据 下载原表 可见, 环槽两侧面均发生了异常磨损, 但是环槽下侧面比上侧
4、面磨损程度严重得多。1.3 活塞环环高尺寸及轮廓在测量环槽的尺寸时发现, 第一道活塞环端面磨损严重, 在镀铬外圆和端面相交处有明显的台阶, 挑出一根目测严重的环用马尔轮廓仪测量, 结果如图 4, 抽取 1 台份的第一道气环用千分尺测量, 发现内外部环高差超过 0.11mm, 最大的在 0.30mm 以上。2 原因分析一般来讲, 造成活塞环槽异常磨损主要有两大方面原因, 一是产品本身的缺陷, 如活塞环与环槽的匹配副设计不合理、工艺未达到设计要求、产品材料不合格等;另一方面是使用方面的原因, 如使用环境恶劣、保养不当、由其它故障引起等。图 4 活塞环端面磨损情况 (右侧为外圆处) 下载原图2.1
5、环槽匹配副分析由于该机型为引进国外产品, 且在我国东北地区已经运用 2 年以上, 从未发生过类似情况, 所以环槽匹配性设计是合理的。接下来主要分析材料及工艺是否合格。2.1.1 活塞顶的化学成分在活塞顶本体上取样采用化学法进行成分分析, 结果见表 3, 按照 GB/T 3077合金结构钢中 42Cr Mo 的技术要求, 该活塞顶的化学成分符合要求。2.1.2 活塞环槽的分析在抽检的 16 只活塞顶中抽取 1 只环槽磨损 0.2mm 的活塞顶进行金相分析, 依据JB/T 9204-2008钢件感应淬火金相检验, 采用 Observer.A1m 型金相显微镜和 FEM-7000 型显微硬度计对环槽
6、淬火情况进行检测, 淬硬层宏观照片见图 5, 基体组织为马氏体, 具体结果见表 4。图 5 活塞顶环槽淬硬层宏观照片 (左侧靠近燃烧室侧) 下载原图表 4 活塞环槽淬火检测结果 下载原表 根据检测结果, 结合环槽磨损量, 淬硬层最薄的 B 处使用前深度应该在 0.5mm以上, 该环槽的工艺达到了设计要求。2.1.3 活塞环的分析对活塞环的化学成分、本体硬度以及弹力进行了复查, 均达到了设计要求, 且与进口产品一致。可见, 在环槽匹配副各项点均达到了设计要求, 不存在导致环槽异常磨损的因素。2.2 使用方面分析由于活塞、活塞环属于柴油机里面的关键零部件, 其寿命不仅受到本身及匹配副零件的影响,
7、更受到燃气系统、冷却系统、润滑系统的影响, 鉴于我司收到的信息有限, 仅能够对接触的信息进行分析。2.2.1 活塞头部积碳分析与中修的南方某机务段的 240 活塞相比, 环槽磨损严重的 HXN5 活塞燃烧室积碳明显多, 采用 i CAP6300 电感耦合等离子体发射光谱仪对积碳的化学成分进行对比分析, 结果见表 5。表 5 燃烧室积碳成分对比分析 下载原表 从化学成分来看, HXN5 活塞积碳中的 Al 和 Si 两大元素的含量比 240 活塞的整体高一个数量级, 结合机车的使用环境, 判定这些成分主要来自空气中的沙尘, 而沙尘是导致环槽磨损的重要因素。2.2.2 活塞环及缸套磨损情况如果沙尘
8、导致了活塞环槽的磨损, 在活塞环外圆及缸套内孔也会出现异常磨损情况, 因此对活塞环和缸套进行了尺寸检查。分别抽查国产和进口环组各一台份, 闭口间隙情况见表 6, 数据显示一环和三环闭口间隙超差多, 即外圆磨损量大;二环闭口间隙在上差左右, 相比新造环, 外圆也有一定的磨损。表 6 活塞环闭口间隙情况 下载原表 抽取缸套内孔尺寸, 具体见表 7。数据显示, 缸套内孔发生了磨损, 其中缸套上止点位置 (59mm 处) 磨损明显严重, 单边磨量在 0.04mm 左右。这与燃烧室内进入沙尘的情况是相符合的。而正常两年检的缸套上止点单边磨损量在0.015mm 以内。表 7 缸套内孔尺寸情况 下载原表 2
9、.3 磨损过程推断表 3 活塞顶的化学成分 (质量分数) 下载原表 通过以上的检查分析, 可以对活塞环槽异常磨损的过程做如下推断:过多的沙尘随着空气进入燃烧室部分沙尘参与燃烧形成积碳, 部分沙尘伴随积碳进入环槽侧面及缸套内部进入环槽侧面的沙尘在活塞环的周向运动时类似于“研磨”过程, 这导致了环槽侧面和环侧面的异常磨损;进入缸套内壁的沙尘, 在活塞环的上下运动时类似于“绗磨”过程, 就导致了环的外圆和缸套内孔的磨损。见示意图 6。图 6 沙尘导致环槽磨损示意图 下载原图在“研磨”过程中, 由于第一环槽存积的沙尘和积碳最多, 且更接近燃烧室其温度和冲击最大, 导致了第一环槽侧面和环的侧面磨损最严重
10、;另外由于受到气流和重力的影响, 环槽下侧面的积碳明显多于上侧面, 因此下侧面磨损更严重;环槽外侧的线速度比内侧大, 外侧的磨损量更多;由于活塞环端面外圆侧与活塞顶不接触且为较硬的镀铬层, 因此环外圆端面磨损较少。在“绗磨”过程中, 缸套上止点位置工况最恶劣, 第一环的温度超过 150, 对缸套与环外圆的油膜造成的破坏较大, 再加上贴近燃烧室, 积碳和沙尘积累较多, 导致缸套的内孔和一环的外圆磨损严重;三环属于油环, 其外圆有韧带, 在绗磨过程中相比二环其承载面显著减少, 因此在相同磨削重量的情况下, 三环的径向厚度要磨削的多, 即闭口间隙超差多。3 结论与建议从以上分析可以得到如下结论:活塞环槽的异常磨损与产品的本身质量无关, 而是由于过多的沙尘进入燃烧室, 导致了活塞环槽、活塞环外圆和缸套内孔的整体异常磨损。为了避免类似故障的发生, 建议用户对空气滤清器加强监控, 及时更换滤芯或者根据使用环境对空气滤清系统进行升级改造。
