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1、 第四章 运 动 件柴油机的运动件是指曲柄连杆机构。它是柴油机实现现由热能转化成机械能的心脏部件。运动件工作时不仅受气体压力、运动质量的往复、回转及摆动惯性力等周期性变动负荷的作用，而且还受热负荷及轴系扭转振动等影响。运动件的工作正常与否，不但涉及柴油机工作的可靠性和耐久性，而且还涉授到柴油机工作的经济性。第一节 活 塞 组活塞组由活塞、气环、油环、活塞销、活塞销密封盖及活塞销挡圈等组成。一、活塞组的作用和工作特点活塞组与柴油机其他部件一起构成了内部燃烧作功的、可变容积的工作场所，活塞顶面的 凹穴造型及容积对燃烧的经济性有较大影响；活塞组密封气缸的下部，使燃烧室曲轴箱隔 开。活塞组承受燃气压力
2、，并传递给曲轴，使往复运动转换成旋转运动，将气缸内的热能转变 为机械能。二冲程柴油机的活塞组还兼有控制配气相位的作用。活塞组在柴油机中所处的位置和承担的任务决定了它如下的工作特点：(一)在严重的热自荷下工作活塞项面接触高温气体，有很多热量通过活塞顶传人体内，其中一部分经活塞环及裙部散逸给气缸，另一部分通过活塞体内油道传给冷却油，其余的剩热使活塞体温升高。当受热升温 到一定程度时，活塞材质的机械强度明显下降，同时由于活塞各部存在较大的温度梯度，所以 又形成温度应力(热应力)。温度应力过大，会在活塞顶部形成热裂纹。第一道活塞环槽的温度状态是表征活塞热负荷的另一重要部位，如果此环槽的温度较高， 则槽
3、内机油就易结胶，使环失去活动性，导致燃气下窜，冲刷缸壁上的油膜。这些除使柴油机功率下降，出现拉缸故障外，还会使曲轴箱升温升压，甚至产生爆炸。活塞的温度通常以顶面中央和燃烧室边缘外表面为最高，铝合金活塞可达 300350，铸铁活塞可达 400450，第一道活塞环槽表面可达 180以上，顶与背最大温差(同一纵截面)可达lOO130。(二)承受较大的机械自荷随着缸径的加大和高增压技术的应用，气缸内最高爆发压力 Pz值已达很高，运动零件的尺寸和重量相应增加，使得活塞承受巨大的气体力和往复惯性力的合力。气体力和往复惯性力的合力为周期性瞬变作用力，具有冲击和交变性质，使活塞组的一些薄弱部位可能出现疲劳裂纹
4、。活塞环对环槽的高频交变冲击，可能使活塞环与环岸折断。(三)剧烈的摩擦与磨损机车柴油机活塞组沿气缸镜面高速滑动，平均速度为911.5ms，最大瞬时速度达 14-18.5 ms,使柴油机消耗很多摩擦功率。特别是第一、二道气环接触高温、高压燃气，缸壁上的油膜受燃气和燃油的冲刷而局部破裂，气缸壁面具有进气带入的尘埃及机油中的机械杂质等磨粒，因此在上止点附近的壁面高温少油，加上活塞环转换运动方向等情况，使气缸壁面、活塞环及环槽的磨损加速，在摩擦发热及缺油的情况下，活塞环和气缸壁面很容易产生表面熔黏磨损(即拉缸)现象。二、 活 塞(一)活塞的一般构造机车柴油机的活塞有着多种多样的造型，它们之间既有不同的
5、个性，又有一定的共性。如图所示，为活塞各部位的构造与名称。1 活塞头部活塞头部位于筒体上部，它由活塞顶面、火力岸及环槽区等组成。 活塞顶面直接与高温、高压的燃气相接触，具有一定的曲面造型，曲形凹穴容积为柴油机主燃室的重要组成部分。曲形凹穴的形状及尺寸应与气流运动、喷射油束及压缩比等因素良好地配合，这对保证柴油机的良好燃烧有较大影响。顶面从燃气中吸入的热量要求愈少愈好，顶面应耐热，材质应有较高的热强度，较强的抗蚀能力。因此除了对活塞进行合理选材外，还对活塞顶面进行处理(如镀铬、喷镀陶瓷层、铝顶表面阳极氧化处理及钢顶抛光处理等)，以提高表面耐热性和耐蚀性，减少顶面炭烟，增加表面反射热量或增加传热热
6、阻。为防止活塞与开启的进、排气门相碰撞，活塞顶的相应部位处挖有一定深度的坑穴，称为避阀坑或气门穴。为便于吊装活塞连杆组，有的活塞在顶面设吊装螺孔。从第一道活塞环槽上边缘到活塞顶面的筒体表面称为火力岸。火力岸接近燃烧室，高温燃气能从火力岸与缸壁间的缝隙中流入。因而火力岸处于高温状态。为保证活塞头部不因受热膨胀而拉缸，火力岸与缸壁之间必须留有一定的冷装间隙。火力岸以下到活塞销以下最后一道环槽的区间称为环槽区(槽部)，通常安装 24 道气环，气环之下有 12 道油环。环槽和环槽之间的筒体称为环岸。环岸在工作温度状态下经受活塞环的高频冲击并发生磨损。环槽的编号自上而下排列。由于第一、二道环槽接近高温区
7、，通常其环槽的高度比下部的环槽略高，以装配同一规格的气环而取得不同的间隙。对于温度较高的环槽来讲，留有较大的活动间隙，可减少因环受热、挠曲，炭粒卡滞、淤渣黏着等情况的影响，而且还便于环的统一生产，减少备品和简化组装工艺。铝合金活塞的头部由大圆弧大截面逐渐过渡到下方较薄的筒壁，这样利于传力及将顶部热量导入环槽区。铸铁和组合式钢顶活塞的头部为减重而采用簿壁结构，热量主要靠内油道传出，顶部的支承筋和散热筋为增加刚度和扩大散热面积而设。2 活塞裙环槽区以下为活塞裙部，用以传递侧压力，并给活塞运动导向，减小活塞在运动中的摇晃，减轻对缸壁的敲击。活塞销座孔包含在裙部内。由于传力的需要销座孔周围金属材料较多
8、，刚度较大，而裙部的左右两侧(柴油机左右侧)为薄壁状态，刚度较弱。当裙部在工作状态下受热膨胀时，活塞顶受燃气压力作用裙部下部张开时，裙部的左右两侧在传递侧压力给缸壁时，刚度较弱的地区被迫向内收缩，刚度较大的销座孔区则向外凸出，因而裙部变为椭圆锥筒形(如图所示)。以上情况对裙部的工作是不利的，为改善裙部的传力和导向，通常在冷态下将裙部加工成椭圆锥体，使活塞销座孔附近的裙部表面削低一些，即销座孔轴线处为椭圆的短轴，裙部左右两侧相对为椭圆长轴，以达到在工作状态下裙部接近圆筒形，具有较大的承压面积并均匀承压。为使裙部实现良好的导向，活塞裙部要有一定的保证高度。并不是所有活塞的裙部都要加工成椭圆形，只要
9、使裙部在工作时椭圆变形的主要因素得到消除或改善，那么裙部在冷态下仍可加工成圆筒形(略带锥度)。例如采用弹性悬挂式活塞销座的16V240ZJB 型柴油机球铁活塞等都是如此。 为保护裙部表面，改善其运动润滑状态和磨合性，通常在裙部表面喷涂固态润滑剂或电镀保护层，如喷涂二硫化钳润滑脂、涂石墨或镀锡等。3 活塞销座活塞销座是属于活塞裙的一部分。活塞顶所承受的气体力及往复运动惯性力都通过活塞销座和活塞销传给连杆，因此活塞销座与活塞头部有强固的联系。由于受力较大，通常用增大活塞销孔直径的方法来增加支承面积，以降低单位面积上的受力。根据活塞销座的受力状态，在柴油机工作循环内主要是承受自上而下的力，故要求销座
10、孔的上半部面积大于下半部，所以一些负荷较重的活塞销座孔常采用上宽下窄的阶梯形支承面。柴油机要求活塞销孔具有正圆的几何形状及高的加工精度，销孔与活塞销之间采用较小的润滑间隙，以减少磨损、冲击和应力集中现象。为防止活塞销外窜，在销座孔的外端开有挡圈槽，槽内安装弹性挡圈。座孔外侧还开有弧形油槽，槽底钻有机油回油孔。在不削弱活塞销座刚度和强度的情况下尽量减重，以减少活塞的往复运动质量和减小裙部椭圆变形，有的柴油机活塞销座区铣有减重穴。4 活塞简体侧表面形状及配合间隙考虑到活塞在气缸内运动稳定及良好密封的要求，活塞筒体侧表面与气缸套内圆之间必须留有间隙，并应具有较佳的纵向外表形状。如配合间隙过大，活塞运
11、动时对缸壁的敲击作用加剧，运转噪声大，缸套水侧产生穴蚀破坏，机油消耗量增加，火力岸及环槽区温度上升，严重的会导致拉缸。如配合间隙过小，局部区段容易发生表面接触，轻则发生拉伤，重则使活塞在气缸中咬死。由于沿活塞纵向各区段的体温不同，各处受热膨胀量也并不相同，因此在常温下各区段与缸套的配合间隙也应不同，以便在工作状态下活塞筒体与缸套能良好地配合。良好的活塞筒体外形对减轻缸套水侧穴蚀、避免拉缸及减少漏气漏油是十分有利的。通常活塞筒体由几段锥体、椭圆锥体或椭圆中凸裙部及圆柱体等区段组成。合适的配合间隙在实机试验后确定。下表列出了 16V240ZJB 型柴油机活塞与缸套的配合间隙值，这个间隙值通常在检修
12、或新装时要检测。5 油冷活塞活塞顶从燃气中接受热量，然后通过活塞环将一部分热量向缸壁及通过冷却油道向油流散逸，留在体内的另一部分热量使体温升高。非油冷活塞要将其 6585%的热量通过活塞环向缸壁散逸，这里的传热面积有限，传热热阻较大，往往由于传热不良而使活塞体温上升。对于增压强化柴油机活塞来说，必须采用体内油冷的方式来散逸热量，才能确保活塞组的工作可靠性。活塞组采用机油强制冷却有以下几种方式：(1)喷射冷却 从连杆中引来的机油通过设置在连杆小头处的喷嘴向活塞顶背喷射散热，热油溅落入曲轴箱。例如16V240ZJB、16V280 型等柴油机活塞用此作辅助冷却手段。(2)蛇形管式或其他内油道冷却 在
13、活塞体内设有螺旋形或环形内油道，冷却油从销座孔处引入，从另一销孔座附近的回油道活塞顶背部油孔掉入油底壳。活塞体内最上部的油道通常布置在接近并稍高于第一气环槽的位置处。油道的截面较小，全部充满机油并以一定流速通过。例如 16V240ZJB，16V280ZJ 及 16V280ZJA 型柴油机的铝合金活塞用此作为主要冷却手段。(3）震荡式油冷 在活塞体内具有较大截面的储油空腔，冷却油不断地输入和回出，腔内仅保持 1/2-1/3 容积的油量。当活塞往复运动时，腔内的油随着运动，出于油的运动惯性力在腔内反复震荡以及油流的高速冲击，形成紊流，使震荡冷却具有比蛇形管冷却更高的传热系数，从而使活塞顶部及环槽区
14、得到了十分良好的冷却。16V240ZJB 型柴油机球铁活塞、l6V280ZJ 及 16V280ZJA 型柴油机等活塞皆采用震荡式冷却。6 组合式活塞随着增压强化程度的进一步提高，柴油机的平均有效压力或单位活塞面积上的功率提到相当高的程度，因而使活塞的机械负荷及热负荷更加严重。因此。强化度高的柴油机必须采用组合式活塞。组合式活塞是根据活塞各部位的不同要求采取最佳的冷却方式，用不同的材质组合而成，达到顶部高强度、高耐热、抗腐蚀、环槽磨损小及重量轻等要求，例如钢顶铝裙组合式活塞，通常用耐热合金钢制成活塞头部，它具有较薄的顶壁，顶面温度虽稍高，但在热强度的许用值内，且对减少蓝烟和积炭有利。薄壁降低了内
15、、外壁温差，同时又减轻了重量。钢质环槽耐磨性好，使检修寿命增长。通常采用震荡式冷却，使活塞头部和环槽部具有良好的冷却，提高了活塞环的工作可靠性。钢的热膨胀系数比铝合金小，因此头部与缸套的配合间隙可减小，能 减小油、气漏泄及对缸壁的敲击力。(二)活塞结构的典型实例1 锻铝组合式话塞16V240ZJB 型柴油机前期采用锻铝组合式活塞(如图所示)。活塞由活塞套及活塞体两部分组合而成。活塞套为采用 LD7 锻铝合金环形套，包括火力岸及环槽部在内，套上分布有 4 道气环槽及 1 道油环槽。第一、二道气环槽的高度为mm，第三、四道气环槽的高度为mm，油环槽的高度为活塞体采用LD8 锻铝，包括中央活塞顶及裙
16、部等部分。活塞体与活塞套两者采用过盈套装，过盈量选配为 0.2 mm。为防止脱落,采取上下不同直径的两配合面，上配合面的直径比下配合面大0.7 mm。活塞顶面呈浅形，在气门对应的部位设 4 个避阀坑,顶部还设 2 个吊装螺孔。顶面及火力岸区进行阳极氧化处理。冷却油道在套装前由机械加工制出,在套装后合成。在其一的销座孔中开设进油槽和钻进油孔，孔的下端部用螺堵封住。冷却油由活塞销中引入，通过进油槽及进油孔输往上部第一油道。冷却油道为圆环形，上下共 3 圈平行的圆环油道，每圈之间有垂直槽沟通，相邻垂直槽相隔半个圆周。冷却油在环形油道内分两路流动，汇合后向下到另一油道，在最后一道环形道内汇合后的机油从另一销座附近回油孔泄入油底壳。第一油环槽的后背在连杆摆动方向的两侧各钻有 4 个回油孔。裙部下端设第二油环槽，槽的后背均布 12 个回油孔。活塞筒体由 3 个圆锥体、1 个椭圆锥体及 1 个圆柱体组成。裙部为椭圆锥体，裙部下端为圆柱体，裙部外表喷涂 0.02
