之前活塞環(huán)生產(chǎn)廠家分析了影響活塞環(huán)磨損的因素,但大多數(shù)時(shí)候這些因素會(huì)交織在一起影響活塞環(huán),且因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的類型及使用條件不同,活塞環(huán)的磨損也會(huì)有很大的差別,所以不僅要從改善活塞環(huán)本身的結(jié)構(gòu)和材料來解決問題,所以將從以下幾個(gè)方面來著手活塞環(huán)的減磨措施。
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(dòng)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(diǎn)??傊?,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(shí)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(duì)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(shí)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(shí),最好是在兩個(gè)零件都有最長(zhǎng)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?yàn)楦鼡Q活塞環(huán)比更換汽缸套較經(jīng)濟(jì)和容易。
對(duì)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。
結(jié)構(gòu)形狀改進(jìn)。。幾十年來,國內(nèi)外對(duì)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?yàn)?,桶面環(huán)有一系列的優(yōu)點(diǎn),就磨損而言,桶面環(huán)不管向上還是向下運(yùn)動(dòng),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(diǎn),這種油環(huán)本身撓性很好,對(duì)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(duì)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(duì)汽缸套和活塞的結(jié)構(gòu)要進(jìn)行合理的設(shè)計(jì),如斯太爾WD615發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸套采用平臺(tái)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??;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(duì)減少活塞環(huán)和汽缸套的磨損十分有利。現(xiàn)在發(fā)動(dòng)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。
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?,F(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?,F(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(dòng)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(shí)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(duì)高速或強(qiáng)化發(fā)動(dòng)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(gè)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?;钊h(huán)工作表面上的潤滑油膜在高溫下被破壞,有時(shí)會(huì)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?;钊h(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(diǎn)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(shí)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(jiǎn)單、操作方便、成本低、效率高,所以在小型發(fā)動(dòng)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(dòng)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)的磨損是比較常見的問題,也是活塞環(huán)生產(chǎn)廠家著重在解決的問題,是一種比較復(fù)雜的現(xiàn)象,其形成的因素有很多,所以在解決活塞環(huán)磨損問題時(shí),需要全面分析各種因素,這樣才能在材料、制造工藝、表面處理、設(shè)計(jì)、和潤滑劑等方面合理安排,最終才能達(dá)到滿意的效果。
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近些年來,隨著科技的迅猛發(fā)展,發(fā)動(dòng)機(jī)也向著高速和強(qiáng)化方向發(fā)展,活塞環(huán)的工作條件越來越苛刻,對(duì)其耐磨性也提出了更高的要求?;钊h(huán)工作的好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵件之一。同時(shí),活塞環(huán)又是易損件,在檢修活塞環(huán)時(shí),通常需要吊出活塞,因此,常常把檢修或更換活塞環(huán)的時(shí)間作為發(fā)動(dòng)機(jī)的第一次檢修期限。