（机械工程专业论文）柴油机组合式活塞环的研究.pdf

西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 摘要 内燃机车在运营过程中，柴油机经常暴露出诸如“机油消耗量高”、“活塞 环、活塞环槽磨损大”和“大修里程短”等弊病，一个重要原因是柴油机上使用 的活塞环在结构设计上不够完善，无论是桶面环或矩形环都没有很好的解决机油 消耗量大和环与环槽耐磨性差的问题。 本文研究的组合式活塞环，为解决该技术难题提供了一种可能。将机车柴油 机的第2 道活塞环设计成由两个环组成的组合式活塞环，上环为桶面环，下环为 锥面环。该环组兼顾桶面环和锥面环的优点，并且在上环和下环之间组成储油腔， 可储存少量机油，有利于气缸套上机油的控制和气缸套与活塞环之间的润滑。所 以，组合式活塞环具有以下优势：具有很好的控制机油能力，在保证正常润滑 的前提下，可有效地抑制机油进入燃烧室，降低机油消耗量，改善燃烧过程，减 少燃烧室积炭，为柴油机可靠稳定的工作提供保障；具有良好的燃气密封性能， 可大幅度降低燃烧室向曲轴箱泄漏的窜气量，提高柴油机工作效率；组合式活 塞环的每单片环弹力减小，并且在气缸壁上可形成均匀的润滑油膜，可降低活塞 环、气缸套和活塞环槽的磨损量和柴油机的磨擦损失功。 为检验本文设计的组合式活塞环的实际效果，将组合式活塞环装于郑州铁路 局的4 台东风4 d 内燃机车柴油机中进行线路实验，累计运行了约8 5 万公里。从 试验机车的拆检情况看，燃烧室和排气通道内的积炭大幅度减小，活塞环、活塞 环槽和气缸套的磨损量大幅度降低，使用寿命明显延长。通过对试验机车和原机 车的燃油消耗情况进行对比分析，燃油消耗量降低1 4 5 ，经济效益得到提高。 因此，组合式活塞环有希望促进机车柴油机的技术进步，有可能获得良好的市场 前景。 关键词：组合式活塞环；柴油机；磨损量；油耗 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t i nt h e o p e r a t i o np r o c e s so fd i e s e ll o c o m o t i v e , p r o b l e m ss u c h 船 h i g h 甜 c o n s u m p t i o n , s e v 豇a b r a s i o no fp i s t o nr i n ga n dp i s t o nr i n gg r o o v e a n d s h o r t o v e r h a u lr a n g e w i l la p p e a r , w h i c h 黜m a i n l yc a u s e db yt h ed e f i c i e n ts m l e m r ed e s i g n o f t h ep i s t o n r i n gi n t h ee n g i n e t u b b yr i n go rr e c t a n g u l a rr i n gc o u l dn o th e l ps o l v et h e p r o b l e m so f h i g ho i lc o n s u m p t i o na n ds e v e 犯a b r a s i o no f t h ea l g i n e t h i sp a p e rs t u d i e se o m p o s i t i v ep i s t o nr i n gt os o l v et h et e c h n i c a l p r o b l e m s d e s i g n t h ep i s t o nr i n g2o fd i e s e le n g i n ei n t oe o m p o s i d v ep i s t o nr i n gm a d eu po ft w or i n g s ， w i t ht h eu p p e rt u b b yr i n ga n dl o w e rt a p e rr i n g 耶1 ee o m p o s i t i v e p i s t o nr i n gc o m b i n e s a d v a n t a g e so ft u b b yr i n ga n dt a p e rr i n g , a n dc 姐s t o r eas m a l la m o u n to fo i li ni t s 甜 s t o r a g ec h a m b e rf o r m e db e t w e e nt h eu p p e rr i n ga n dl o w e rr i n g , w h i c hi sg o o df o rt h e e o n l r o lo f t h e e n g i n eo no i lt h ec y l i n d e rc o v e ra n dt h el u b r i c a t i o nb 咖e e l lt h ec y l i n d e r c o v e ra n dt h ep i s t o nr i n g t h e r e f o r e ，t h ee o m p o s i t i v ep i s t o nr i n gh a st h ef o l l o w i n g a d v a n t a g e s ：i th a sg o o dc o n l r o lo fo i l p r e v e n t so nf r o me n t e r i n gc o m b u s t i o nc h a m b e r i nt h em a x i m u ma m o u n tw h i l ee n s u r i n gn o r m a ll u b r i c a t i o n , r e d u c e so nc o n s u m p t i o n , a n di m p r o v e st h ec o m b u s t i o np r o c e s s , r e d u c e sc o m b u s t i o nc h a m b e rc o k e ，t h u s g u a r a n t e er e l i a b l ea n ds t e a d yo p e r a t i o no fd i e s e le n g i n e m e a n w h i l e , i th a sg o o da i r s e a la n dl u b r i c a t i o nc a p a b i l i t y , r e d u c e s s h a r p l yt h el i n k i n ga i rf r o mc o m b u s t i o n c h a m b e rt oc i v d l l k e a s e , e n h a n c e st h ew o r ke f f i c i e n c yo fd i e s e l e n g i n e t h i r d l y , t h e e l a s t i c i t yo fe a c hr i n go ft h ee o m p o s i t i v ep i s t o nr i n gd e c r e a s e sa n df o r mt h ee , c c n l u b r i c a t i o no i lf i l mo nt h ec y l i n d e rs i d e ，r e d u c e st h ea b r a s i o nv a l u eo ft h ep i s t o n 血l g ， c y l i n d e rc o v e ra n dp i s t o nr i n gg r o o v ea n dt h ea b r a s i o np o w e rl o s i n go f t h ee n g i n e t oe l a e e kt h ep r a c t i c a le f f e c to f t h ee o m p o s i t i v ep i s t o n r i n gd e s i g n e di nt l a i sa r t i c l e , t h ee o m p o s i t i v ep i s t o nr i n g sw e r ee q u i p p e do n t h e4d i e s e lc n g i l e so fd f 4 do f z h e n g z h o ur a i l w a yb u r e a ut ob et e s t e d , t h et o t a lr u n n i n gd i s t a n c ei s8 5 0t l a o u s a n d k i l o m e t e r s 。t h ee x a m i n i n go f t e s tl o c o m o t i v es h o w st h a tc o k ei nc o m b u s t i o nc h a m b e r a n de x h a u s tp a s s a g eh a sb e e nr e d u c e dl a r g e l y , a sw e l la sf r i c t i o nc o n s u m p t i o nb e t w e e n p i s t o nr i n g ，p i s t o nr i n gg r o o v ea n dc y l i n d e rc o v e lt h u se x t e n di t sw o r k i n gt i m e b y c o m p a r i n gt h et w oo i lc o n s u m p t i o nv a l u e so f t e s tl o c o m o t i v ea n do r i g i n a ll o c o m o t i v e , 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 i i 页 i ti sc l e a rt h a to i lc o n s u m p t i o ni sr e d u c e db y1 4 5p e r c e n t , a n dt h ee c o n o m i cb e n e f i ti s r e m a r k a b l e s o ，t h ec o m p o s i t o v ep i s t o nr i n gw i l lp r o b a b l yp r o m o t et h e t e c h n i c a l r e n e w si nt h ed i e s e le n g i l l eo f t h el o c o m o t i v ea n dh a v eab o a r dm a r k e tp r o s p e c t k e yw o r d s ：c o m p o s i t i v ep i s t o nr i n g ：d i e s e le n g i n e ：a b r a s i o nv a l u e ；f u e la n do i l c o n s u m p t i o n 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 问题的提出 近年来，随着我国蒸汽机车的加速淘汰，给内燃牵引和电力牵 引的快速发展带来了契机。尤其是内燃机车，现全路运营的内燃机 车已突破1 1 0 0 0 台，从2 0 0 5 年全路运输统计显示，内燃机车以5 2 1 保有量完成了6 7 4 的总运输量【1 1 ，为我国铁路四次大提速作出了 重大贡献。尽管电力机车的数量不断增长，但我国既有铁路大量非 电力线的存在使内燃机车在今后的相当长时期内仍将在铁路运输中 占有十分重要的地位。 东风4 d 型内燃机车是我国内燃机车系列产品中承担客货运输 的主要车型之一，承担着大量的旅客运输任务。但是在每年的运营 过程中，机车柴油机常常出现诸如“活塞环、活塞、缸套磨损量大” “机油消耗量高”和“大修里程短”等问题1 2 1 。随着运营里程增大、 机车数量增多和运距的加长，同时国家对环保节能指标日趋严格， 如何在确保运量和安全生产的前提下降低运营成本，解决长期困扰 机车柴油机的“早磨、漏油和漏气”三大难题，是摆在各路局机务 段面前急待攻关解决的重大课题。 1 2国内外研究现状 我国柴油机产业自2 0 世纪8 0 年代以来有了较快的发展，随着 国外先进机型和技术的引进，目前柴油机总体技术水平已经达到国 外8 0 年代末9 0 年代初的技术水平。一些国外柴油机近几年开始采 用的排放控制技术在少数国产柴油机上也有应用。最新开发投产的 机车柴油机产品的排放水平已经达到欧1 排放限值要求，有一些甚 至可以达到欧2 排放限值要求【3 】。但我国机车柴油机产业的整体发 展仍然面临着许多问题。首先，机车柴油机行业投入不足，严重制 约了生产工艺水平、规模发展和自主开发能力的提高。其次，我国 机车柴油机技术基础薄弱，整体技术水平落后于国际先进水平1 0 至2 0 年，也落后于国内车用汽油机的发展。另外，从排放水平看， 柴油机排放的颗粒物中，有相当一部分来自馏分较重的机油的燃烧。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 页 为了满足日益严格的柴油机( 车) 排放限值标准的要求，必须把来 自机油的燃烧降至最低限度，即在保证柴油机正常运转的前提下， 最大限度地减少机油的消耗量。为了降低柴油机的机油消耗量，活 塞环的优化设计和制造及其与气缸套间的合理匹配是非常重要的。 在内燃机车柴油机活塞环方面，国内外一直在做探索和创新， 东风4 b 型内燃机车柴油机( 1 6 v 2 4 0 z j b ) 和东风1 1 型内燃机车柴油 机( 1 6 v 2 8 0 z j ) 的第一、二道气环采用矩形环，第三道气环采用锥 面环，油环采用的双鼻形组合油环1 4 1 ，东风4 d 型内燃机车柴油机 ( 1 6 v 2 4 0 z j c ) 第一、二道气环采用桶面环，第三道气环和油环与 上述两种机车柴油机相同。气环的结构对机油的控制影响很大，气 环泵油太多，造成机油消耗量大，燃烧室积炭；气环泵油太少，造 成润滑不良，气缸套、气环和环槽磨损严重。矩形环与气缸接触面 积大，单位面积上的密封压力小，密封稍差，并且摩擦损失也大， 同时由于气环外圆面与气缸壁表面没有锥角，不能形成油楔，很难 起到布油和刮油作用；另外，随着环槽磨损量加大，环与环槽侧向 间隙变大，泵油现象加剧，会出现机油消耗量过多的现象。桶面环 与气缸接触面积小，摩擦损失有所降低。活塞上行时，桶面可形成 油楔，能起到布油作用。因此，桶面环可以部分解决矩形环出现的 问题。但是，桶面环耐磨性差，刮油能力弱，活塞下行时，不能将 多余的机油从气缸壁上刮下来，也会出现机油进入燃烧室燃烧的闯 题。所以，无论是矩形环还是桶面环都没有很好的解决机油消耗量 大和耐磨性差的问题。目前，很多研究机构都在寻找一种比较好的 活塞环布置和设计方案来解决这个问题。例如，改变活塞环材质， 改变活塞环数量，改变油环结构，改变环槽侧向间隙大小等等，但 效果都不太理想。组合式活塞环是一种比较新颖的设计思路，将不 同形状的两个环放在一个环槽中，通过改变不同的上、下环厚度， 选择不同的下环锥角和不同的开口间隙，有可能得到能较好的控制 气缸套表面机油量，磨损量小，密封性能好的气环。 1 3本文研究的主要内容、目标与方法 本文在研究了国内外内燃机车柴油机活塞环的结构和性能的基 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 页 础上，根据现场调研情况，经反复论证后，通过试验优选出组合式 活塞环在铁路机车上运用的最佳方案，以达到节约燃油和机油，减 少活塞、活塞环和缸套的磨损量的目的，并大幅延长相关部件的使 用寿命，提高机车运用中的经济效益。 1 3 1 研究的主要内容 在组合式活塞环的研制中，需要解决的几个主要问题是： 1 如何设计组合式活塞环的结构，材质和热处理，提高活塞环 的密封、润滑和耐磨性能，保证柴油机能够可靠稳定的工作； 2 设计合适的活塞环槽侧向间隙，避免活塞环由于热变形，卡 死在环槽中； 3 设计合适的锥面环( 下环) 锥角，在有效控制机油的前提下， 提高耐磨性，延长使用寿命； 4 设计合理的气缸套、活塞环槽和活塞环的匹配关系，以延长 缸套、活塞、活塞环的使用寿命。 5 设计合适的组合式活塞环切向弹力和开口间隙和闭口间隙。 6 探讨组合式活塞环的安装方法并装机试验。 7 分析组合式活塞环应用带来的技术应用效果和经济效益。 1 3 2研究目标 根据以上研究内容，本系统要求能够实现的目标是： 1 减小气缸套、活塞环槽和活塞环的磨损量，延长使用寿命； 2 降低机油消耗量，减少燃烧室积炭，降低污染物排放； 3 降低燃油消耗量，提高柴油机的经济性； 4 保证柴油机工作的可靠性和稳定性。 1 4 基本设计思想 在组合式活塞环的研制中，主要是按照以下几个步骤进行的： 1 技术分析 通过对柴油机上出现的“早磨、漏油和漏气”现象的分析，设 计出组合式活塞环，通过分析组合式活塞环的结构参数对柴油机性 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第4 页 能的影响，找出组合式活塞环的较优设计参数，优化与活塞环槽配 合的侧向间隙，以及与气缸套和活塞的间隙匹配关系。 2 试验报告分析 将组合式活塞环安装在东风4 d 内燃机车柴油机的第1 或2 道环 槽中进行线路试验，记录试验数据，通过与原机车数据对比，找出 组合式活塞环性能的优点和不足，提出改进措施，完善组合式活塞 环的设计。 3 综合经济分析 根据试验机车的汇总数据，从两个方面分析安装了组合式活塞 环的机车的经济效益：降低燃油消耗率，降低气缸套和活塞环槽 磨损量延长使用寿命带来的直接经济成本收益；减少修理费用延 长维修周期带来的间接成本收益。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第5 页 第2 章组合式活塞环的设计 2 1 引言 内燃机车占据了我国铁路运输牵引动力的半壁江山，随着使用 年限的增加，机车柴油机会逐渐暴露出了诸如“机油消耗量增高”， “活塞环，活塞环槽磨损量加大”等弊病。随着运营机车数量的增 加和运距的加长以及环保节能指标的日趋严格，如何在确保运量和 安全生产的前提下降低机油消耗和运营成本，解决长期困扰机车柴 油机的“早磨、漏油和漏气”三大难题是摆在各路局机务段面前的 一项紧急任务。 在大量调研的基础上，我们针对内燃机车所存在的问题进行了 分析，发现产生问题的关键可能在于活塞环的配置和设计不尽合理。 东风4 b 型内燃机车柴油机( 1 6 v 2 4 0 z j b ) 和东风1 1 型内燃机车柴油 机( 1 6 v 2 8 0 z j ) 的第一、二道气环均采用矩形环，第三道气环采用 锥面环，油环采用的双鼻形组合油环。东风4 d 型内燃机车柴油机 ( 1 6 v 2 4 0 z j c ) 第一、二道气环采用的是桶面环，第三道气环和油 环不变。矩形环与气缸接触面积大，单位面积上的密封压力小，密 封稍差，并且摩擦损失也大，由于气环外圆面与气缸壁表面之间没 有锥角不能形成油楔，很难起到布油和刮油作用；随着环槽磨损量 增加，环槽间隙变大，气环泵油现象加重，会出现机油消耗量过多 的现象。桶面环与气缸接触面积小。摩擦损失比矩形环有所降低， 活塞上行时，可以形成油楔，能起到布油作用；但桶面环耐磨性差， 易出现早磨：活塞下行时，机油泄漏严重，刮油能力弱，不能将多 余的机油从气缸壁上刮下来，会出现机油进入燃烧室燃烧的问题。 矩形环和桶面环都存在机油消耗量大和耐磨性差的问题，迫切需要 设计出一种新型活塞环以解决上述问题。 2 2 组合式活塞环的结构设计 为了解决目前活塞环存在的问题，我们从结构上对活塞环进行 了改进。将柴油机上第2 道气环的单个桶面环改成两个气环组成的 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第6 页 组合式气环【5 】。原环结构如图2 1 所示，组合式活塞环结构如图2 2 所示。 组合式活塞环中上面的环为上环，下面的环为下环，安装时两 环的开口位置相错1 8 0 。上、下环的截面如图2 3 所示，上环和 图2 一l 原环结构图2 2 组合式活塞环结构 图2 3 组合式活塞环结构 下环以斜面相贴组成一副气环组，上环的下斜面与下环的上斜面和 气缸套共同组合成一个储油腔。切口采用加工简易的直切口。 1 结构尺寸 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第7 页 为了使组合式活塞环可以安装在现有的柴油机活塞上，结构尺 寸必须和原环保持一致，环高( 上环和下环高度之和) 和环径向尺 寸采用原环尺寸，如图2 - 4 l 。3 0 l 。 图2 4 组合式活塞环结构尺寸 2 材料和表面处理 组合式活塞环的材料是球墨铸铁，球墨铸铁的储油和耐磨性能 性能好【6 】。活塞环表面镀铬【7 1 ，镀铬层厚度o 0 8 0 1 2m m 。其目的 是降低动摩擦系数，提高耐磨和耐腐蚀性，延长活塞环的使用寿命。 2 3 组合式活塞环主要参数的设计 2 3 1 组合式活塞环的高度和径向厚度 在保证环工作可靠的前提下，要求尽量降低环的高度。减小环 的高度，可减小摩擦损失，适应气缸的不均匀磨损和变形，避免应 力集中，提高耐磨能力，提高密封性能。径向厚度与活塞环对气缸 壁的接触压力有关，随着径向厚度的增大，活塞环对气缸壁的接触 应力增大。如果径向厚度过大，环装配时容易折断，对气缸的横向 变形的适应性也降低。由于设计的组合式活塞环要能安装在现有的 机车柴油机上，尺寸必须和原环槽相适应，所以，仍然采用了原环 的高度( 上环和下环的高度和) 和径向厚度【引。 2 3 2 组合式活塞环与环槽的侧向间隙 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第g 页 活塞环侧向间隙的大小直接影响漏气量的多少，是保证气缸密 封度的重要参数。而侧向间隙对组合式活塞环来说更为重要。组合 式活塞环为两片楔形环在环槽内叠加，都是扭曲环。环在高温高压 燃气压力和摩擦力的作用下，将会引起更大的扭曲和变形，环槽的 高度必须满足组合式活塞环充分扭曲和变形的需要。如果侧向间隙 偏小，环槽的高度空间不能满足组合式活塞环的扭曲和变形的要求， 将使组合式活塞环在槽内卡死，刮伤气缸壁，破坏润滑油膜，从而 导致早期磨损或拉缸现象发生。如果侧向间隙过大，环对环槽的冲 击增大，燃气和机油泄漏的通道加宽，环槽区温度上升，气环泵油 现象加重，使机油消耗量和积炭量增加。 通过对东风4 d 试验机车柴油机的多次试验，总结出组合式活 塞环配置在第二道环槽时的侧向间隙最好为0 1 4 o 2 2m m 。由于 组合式活塞环的独特结构，侧向间隙的选取突破了常规设计和检修 规范的数值。因此需改变铁道部制定的段修标准( 第二道环o 0 7 o 1 3m m ) 。 在0 2 6 4 号机车柴油机上采用侧向间隙0 1 4 0 1 7m m 进行线路 实验，运行效果很好，磨损指标理想。( 其他试验机车侧间隙为0 1 4 0 2 2m m 也达到了比较理想的结果) 2 3 3 活塞环的开口间隙、闭口间隙和切向弹力 为安装和造成一定的弹力，活塞环铣出切口。活塞环的切口两 端在不受外力作用下的开度称为开口间隙，开口间隙的大小表征着 活塞环对气缸套弹力的大小。开口过大，径向弹力大，造成工作面 过快的磨损或轻微的拉痕。开口过小，弹力不足，环的密封作用差， 刮油能力弱，易造成窜气、窜机油及降低压缩压力，使柴油机的正 常工作受到影响。通过计算，组合式活塞环的上环开口间隙：3 0 3 5 m m ，下环开口间隙：3 2 3 8 m m 。 活塞环压装到气缸中受气缸壁面的约束，这时切口两端被迫收 缩后的开度称为闭口间隙，闭口间隙的大小表征着气体泄漏通道的 大小。为减少燃气泄漏量，通常采用较小的闭口间隙值。但闭口间 隙不能过小，因为活塞环受热膨胀量会大于气缸膨胀量，环的切口 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第9 页 两端会因膨胀而项住，产生附加应力，反而破坏环的密封作用，此 时环会丧失活动性。参照现有标准i s ，组合式活塞环( 上环和下环) 的闭1 ：3 间隙取为：1 03 m m 。 活塞环切向弹力的大小直接影响活塞环与气缸套工作面的磨损 量、气环的密封性和摩擦损失功。在满足环的可靠密封条件下，弹 力越小越好。合理的弹力范围应依据不同的机型和组合式活塞环外 圆面的不同形状而变化。 1 组合式活塞环的弹力计算 a a 一 锾 fj、 图2 5 组合式活塞环受力分析 组合式活塞环的上环和下环都为均压环，计算时可以看成均布 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 0 页 载荷作用下弯梁的弯曲。 由于c 点处的户最小故在c 点处的弯矩收最大。r h 于开1 ：1 间隙瓯不大，认为c 点的曲率半径也认为是岛，则有： 三一土：丝( 2 一1 ) pp o e l 尽管上环和下环都不是矩形，由于截面倾斜度和锥角较小，可 近似按矩形公式计算。 ，：堡( 2 2 ) 1 2 p = 1 2 0f i l m ( 2 - - 3 ) p o ：三冬堕 ( 2 4 ) 二厅 式中i 表示环的惯性矩。 上环：a = 9 m m ，b = 3 r a m ，s o = 3 0 r a m 球墨铸铁弹性模量e 取 1 5 1 0 5 m p a ，联立以上四式，求得c 点处弯矩； = 8 7 2 n m 工作时，因剪应力和轴向应力影响较小，括塞环的平均半径与 径向厚度t 之比 5 ，所以按直杆弯曲正应力公式近似计算。 胁：贮( 2 5 ) 。 2 ，= p 石 式中，表示c 点至开口的圆弧长度，p 表示闭1 ：3 状态下环的曲 率半径，求得环的均布载荷g ： q = 1 2 2 7n l m 切向弹力f ： f = 2 f p q s i n o d 8 = 2 朋2 2 9 4 n s o = 3 5 m m 时，虬= 1 1 4 8 n m ，q = 1 6 1 6 n l m ，f = 3 8 7 8n 上环开口问隙取3 0 3 5 r a m 时，活塞环切向弹力2 9 3 9 n 。 下环：口= 9 m m ，b = 2 r a m ，开口间隙3 2m m 时，m ，= 6 1 9 1 n m ， 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 1 页 f = 2 0 9 i n ，开1 2 1 间隙3 8m m 时，收= 7 2 3 2 n m ，f = 2 4 5 0 n 。 下环开口间隙取3 2 3 8 m m ，活塞环切向弹力2 l 2 5n 。 2 组合式活塞环的强度校核 安全系数n = 1 4 ，以= 4 1 2 m p a 上环：收= 1 1 4 8 n m 盯：警：告：2 8 3 m p a 【盯卜生：2 9 4 m p a 职6 口o。胛 6 下环：= 7 2 3 2 n m 盯；告；鲁：2 6 8 m p a 吲：生：2 9 4 a ，6 口2 4 n 6 上环和下环都没有超过球墨铸铁的许可应力。 根据上述计算结果，上环切向弹力：2 9 3 9 n ，下环切向弹力： 2 1 2 5n 。由试验结果得出东风4 d 型机车的组合式活塞环弹力在 上述范围时工作稳定。如高于此弹力范围，会增加摩擦功，燃油消 耗量偏高，环与缸套的不正常磨损加大，导致使用寿命降低；低于 此弹力范围，机油泄漏严重，机油消耗量增加，并可能出现漏气现 象。 2 3 4 组合式活塞环外圆工作面形状 组合式活塞环外圆工作面形状与机油消耗量关系较为密切，组 合式活塞环上环为桶面嚣，下环为锥面环，该环组兼顾桶面环和锥 面环的优点，并且在上环和下环之间组成储油腔，可储存少量机油。 桶面环与气缸接触面积小，摩擦损失较小，活塞上行时，可以形成 油楔，能起到布油作用；锥面环锥角为3 。，由于锥角较大，活塞 上行时，会向上刮油，环的泄油能力降低，机油消耗量相应增加， 但环的锥面寿命会延长，活塞下行时，可以将多余的机油刮下来。 2 3 5 活塞环组、活塞、缸套的合理匹配 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 2 页 活塞环组、活塞和缸套三种零部件组成一对摩擦副，是确保柴 油机动力性、经济性、可靠性和耐久性指标最为关键的摩擦副，摩 擦副各部件之间的合理匹配( 包括结构形状、材料、硬度和表面处 理) 是否科学合理，对柴油机的可靠运转至关重要1 1 l 】。组合式活塞 环和原活塞环与气缸套之间匹配情况分别参见图2 1 、图2 2 。 1 活塞环组与气缸套的匹配 柴油机正常工作时环组相对缸套始终处在加速、静止的复杂往 复运动，在高温高压燃气作用下工作环境十分恶劣，在活塞上止点， 由于润滑不足活塞环组相对缸套往往处于半干摩擦状态，故对匹配 提出更高的要求。合理的匹配可防止早期磨损，可明显的减少磨损， 降低机油消耗量，提高使用寿命。例如：郑州局东风4 d 型机车柴 油机气缸套工作面进行了间隔激光处理，第二道环槽装配的组合式 活塞环外圆工作面为镀铬，原机第一道气环工作面为喷钼，第三道 环表面镀锡，油环外圆面镀锡。试验表明，试验机车的气缸套与气 环之间的匹配与原机相比较为合理，可以延长缸套、活塞、活塞环 的使用寿命。 2 环组本身的合理匹配 具有“密封燃气，刮油布油、导热和支承”四大功能的活塞环 组是影响柴油机主要性能指标的核心部件。在东风4 d 型试验机车 上试验了2 种活塞环配置方案，在第l 道环槽中安装组合式活塞环 和在第2 道环槽中安装组合式活塞环。试验表明，这两种方案应用 结果不尽相同，但都可明显延长气缸套、活塞、活塞环摩擦副的使 用寿命，增加密封效果，有助于降低燃油消耗量，相比而言，第二 种方案更为合理。 2 4 组合式活塞环的优点 2 4 1 增强密封性和润滑性 组合式活塞环的优点在于上下环组合后，在圆周方向形成了上 下相邻的两道密封面，提高了圆周方向的密封性；上下环属正扭曲 环。在工作时，环与环槽的侧向间隙会因气环组的扭曲自动变小， 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 3 页 可减小环在环槽内的悬浮漏气。由于上下环装配在同一环槽内，工 作时互为阻尼，可阻碍环的共振现象发生，有效地克服了环的颤振 漏气【2 5 】；由于上下环贴合面间的角度差，在空隙处形成储油腔，可 储存少量润滑油，使环与缸套壁的接触面始终保持良好的润滑和密 封状态，减少了燃烧室的高压燃气通过组合气环外圆面和侧面的流 通量。进而保证了组合气环外圆面和侧面的润滑油膜分布始终处于 良好状态，达到减少气环和环槽磨损和降低摩擦功的目的。由于组 合式活塞环与气缸套接触工作面的油膜分布更加均匀，同时也减少 了活塞和气缸套的磨损，提高了活塞环、活塞和气缸套这一摩擦副 的密封性和使用寿命。 2 4 2 降低机油消耗量 组合式活塞环能够降低机油耗量，又能保证活塞环与活塞、气 缸套摩擦副可靠的工作。如图2 - 6 和图2 - 7 所示， 图2 - 6 组合式活塞环结构 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 4 页 括塞 藿 黝蕊 阑 图2 7 原环结构 原环的外圆面形状为桶形，活塞环在工作时不具备向下刮油的 作用，组合式气环中的上环外圆面为桶形，下环外圆面形状为锥形， 在活塞上行时，上环具有很好的布油功能，活塞下行时，下环具有 很好的刮油功能。所以，组合式活塞环具有很好的控制机油能力， 在保证正常润滑的前提下，最大限度地减少了机油进入燃烧室，降 低了机油消耗量，改善了燃烧过程，减少了燃烧室积炭，为柴油机 可靠稳定的工作提供了保障。 2 4 3 延长锥面使用寿命 组合式气环的锥角为3 。( 图2 - 6 ) ，原环锥角为1 。3 0 ( 如图 2 8 所示) 。 如果锥角小于1 。3 0 时，环的泄油能力增强，机油消耗量相应 减小，但环的锥面寿命减短。如果锥角大于l 。3 0 时，环向上运行 时会向上刮油，环的泄油能力降低，机油消耗量相应增加，但环的 锥面寿命会延长1 2 0 。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 5 页 图2 8 原环锥角 锥面环的作用是减小气环外圆面与气缸套的接触面积，提高气 环密封性。但是锥角的大小也会影响机油消耗量，还会直接影响气 环的使用寿命，它们之间形成一种对立关系。而组合式活塞环可有 效的解决这一难题。 组合式活塞环解决这一难题的原理是：上下环组合后，环组由 上止点向下止点运行时，环与气缸壁间的润滑油一部分被上环刮入 储油腔内，环组由下止点向上止点运行时，储油腔内的润滑油均匀 的在气缸壁布上油膜，在润滑良好的同时保证了环的密封性，因而 降低了环锥面的磨损量，延长了环的使用寿命。由于上环与下环在 同一环槽内，下环由于锥角大于常规锥面环的角度，泄油能力降低， 在活塞运行到上止点前不会把储油腔内的机油泄完，而上环的外圆 面形状为桶面，其泄油能力很强，上环上面的密封作用，控制机油 不会向上溢出，加之上环又向下环压缩，强制储油腔内的机油通过 下环向下泄出，从而可减少机油通过上环进入燃烧室参与燃烧的通 病，因此达到了延长活塞环使用寿命的目的。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 6 页 第3 章装车试验 组合式活塞环的加工和在东风4 d 机车上的试验是由郑州机务 段完成的，试验原始数据由机务段试验科提供。本人对试验数据进 行了分析和整理。 3 1 组合式活塞环的安装 组合式活塞环是在一道环槽中配置两片楔形环，靠近活塞顶端 方向的为上环；标记“t o p 1 ”，另一片为下环：标记“t o p 2 ”， 上、下环组合后，应使上环和下环的开口位置错开1 8 0 。( 图3 一1 ) 1 ( l 环) 图l 高效组合式活塞环上环与下环的开口位置 图3 1 组合式活塞环的开口位置 组合式活塞环是在活塞上的第2 道( 或同时在第3 道) 环槽内 、配置两片楔形环组合而成，配置方法原理结构见图3 2 中的a 、b 。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 7 页 b 图3 - 2 组合式活塞环是在活塞上的配置方法 3 2 组合式活塞环在机车上的试验情况 3 2 1 0 2 6 4 号内燃机车安装组合式活塞环的使用分析 该机车为东风4 d 型内燃机车，担任郑州一一徐州区段的客车 牵引任务，区段全长3 4 5k m ，单程运行约5 小时左右，且沿线土地 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 8 页 沙化严重，春秋两季干旱风大，空气中含沙量高，运行状况较为恶 劣。 本次试验方案是把组合式活塞环配置在第2 道环槽，活塞为钢 顶铝裙活塞，缸套采用激光淬火工艺。2 0 0 5 年2 月1 4 日投入运用， 完成运用期限后解体检测，共运行2 0 88 1 2 公里。完成运用期后解 体检测。 1 缸套磨损量 表3 - 1 缸套磨损量 缸套磨损量( 单位：r a m ) 气缸号 l2 34567 89l o l l 1 2 a ao 0 30 0 10 0 lo o l0 0 4 o 0 2 0 0 2 o 0 3 0 0 2 0 0 lo 0 2o 0 2 i b b0 0 l 0 o l o 0 2 0 0 3 0 0 2o 0 10 o l0 0 30 0 lo 0 2 0 0 2o 0 1 a - a0 0 lo 0 1 0 0 lo 0 2o 0 2o o lo o lo 0 1 0 0 1 o 0 lo o lo 0 1 i l b b0 o l0 0 lo 0 1o 0 1 o o lo o l0 0 lo o l 0 0 lo 0 1 o 0 10 0 1 a a0 0 l0 o lo 0 lo o lo o l0 0 10 o lo 0 l0 o lo 0 1 o o lo o l i i i b b0 o l 0 0 l 0 0 l o 0 lo o l 0 0 lo o lo o l 0 0 l o 0 1o o l o 。0 l 平均0 0 10 0 10 0 l0 0 2 o 0 20 o l o o lo 0 2o 0 10 0 1 0 o lo 0 l 缸套磨损量( 单位：m m ) 气缸号 1 31 41 51 6 a a o 0 30 0 10 0 10 0 1 i b b0 0 10 o lo 0 20 0 3 a a o o lo 0 1o o io 0 2 l i b b0 0 1o o lo o lo 0 1 a a0 0 lo o lo o lo 0 1 i i i b b0 0 l o ，0 10 0 10 0 l 平均0 0 lo 0 1o o l0 0 2 表中i 、i i 、1 1 1 分别表示距气缸上安装面5 0 m m ，1 0 0 m m ，1 5 0 m m 的 气缸内表面，a a 、b - b 分别表示同一气缸高度上的两个测量点后面出现 的表表示方法和此表相同。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 9 页 2 活塞环与环槽磨损量 表3 - 2 活塞环与环槽安装前和解体后的检验数据 活塞环槽高度活塞环半径磨损量 第2 道第1 道第3 道第2 道环 装机拆机装机拆机 装机 拆机第1第3 磨损磨损磨损下 铡量测量测量测量测量测量道环上环道环 量量量 环 值值值 值值值 15 1 3 5 1 5 o 0 2 5 1 4 5 1 5o o l5 0 6 5 0 60 0 0 1 0 0 1o o l 0 2 5 1 25 1 60 0 4 5 0 8 5 0 90 0 15 0 8 5 0 90 0 l 0 0 l0 0 1o 0 1 35 1 25 1 40 0 2 5 1 3 5 ，1 4o o l5 0 7 5 0 7oo o lo 0 30 0 1 45 1 4 5 1 505 1 5 5 1 5o5 0 7 5 0 700 。0 l 55 1 65 1 70 o l5 1 3 5 1 4o o l5 0 7 5 0 70 65 1 35 1 6o 0 35 1 l5 。l lo5 0 75 0 8 o ，o l o 75 1 55 1 70 0 2 5 1 3 5 1 4o o l5 0 7 5 0 7o 0 0 l 8 5 1 65 1 605 155 1 5o5 0 7 5 0 700o 95 1 4 5 1 405 1 4 5 1 4o5 0 75 0 8o 0 l 0 l o5 1 55 1 6o 0 15 1 2 5 1 2o5 0 7 5 0 8 o 0 lo o l o 0 l 1 l5 1 4 5 1 l o 0 35 1 45 1 5o o l5 0 75 0 7o0 0 1o 1 25 1 6 5 1 9 0 0 3 5 1 5 5 1 6o o l5 0 7 5 0 80 0 lo 0 l 1 35 1 3 5 1 4o o l5 1 4 5 1 4o5 0 75 0 7 oo 0 1o0 o l 1 45 1 4 5 1 405 1 25 1 30 0 15 0 7 5 0 8o 0 l0 。o l0 0 l0 0 20 0 l 1 55 1 3 5 1 40 o l 5 1 2 5 1 30 0 l5 0 8 5 0 8o0 o lo 0 10 0 l o 0 l 1 65 1 3 5 1 5 o 0 2 5 1 3 5 。1 4 o o l5 0 65 。0 70 0 1o o lo o l o 。0 l0 0 1 平 5 1 45 1 6o 0 2 5 1 3 5 1 5o o l5 0 7 5 0 70 o lo o lo 0 10 0 l o 0 1 均 注；空格为拆机时环折断，无法测量 东风4 d 机车活塞报废的主要原因是环槽磨损超限。由表3 - 2 可见，第1 、2 、3 道环槽的磨损量分别是0 0 1 6 r a m ，o 0 0 6m m ，0 0 0 5 m m 。由于组合式活塞环具有扭曲特性。储油特性，使组合式活塞环 在环槽内具有较好的阻尼作用和特有的排积炭功能，因此组合式活 塞环对环槽的冲击磨损大幅度降低。经检测，组合式活塞环气缸套 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 0 页 的平均磨损量为0 0 1 2 r a m ，而普通环气缸套的平均磨损量为0 0 7 m m ，同比下降了8 3 。 根据检测闭口间隙，环的径向单边磨损量，上、下环平均为 0 0 0 8 m m ，与普通环单边平均磨损量o 0 4m m 相比，下降了8 0 。 3 机车燃油消耗量对比分析 以下是东风4 d 型0 2 6 4 号内燃机车的燃油分析表： 表3 3机车燃油消耗量对比分析表 东风4 d 0 2 6 4 试验环机车其它东风4 d 原环机车 万吨 实际用 丘 月 燃油 耗油量( k g 万吨实际用 耗油量( k g ，刀 公里万吨公里1公里 燃油( k g ) 吨公里) ( k g ) 41 4 8 74 2 7 4 52 8 7 53 1 2 8 69 1 9 9 5 82 9 4 0 52 0 2 35 6 7 8 42 8 0 73 4 6 9 89 8 5 5 4 42 8 4 0 61 7 3 54 8 6 3 62 8 0 33 0 7 1 08 3 7 0 1 82 7 2 6 7 1 7 6 9 4 9 9 3 1 2 s 2 33 0 7 6 l8 6 2 3 182 8 0 3 2 0 0 5 81 2 7 73 4 2 5 72 6