第三章 S50MC型柴油机活塞组设计.doc

大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第二章 6S50MC型船用柴油机简介大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第三章 S50MC型柴油机活塞组设计第三章 S50MC型柴油机活塞组设计3.1 S50MC（十字头式）活塞组的构造图3-1 十字头式柴油机活塞组的构造1、2 、4、5-螺钉，3- 锁紧钢丝，L=5.000，6 -1 号活塞环，7- 2 号、4 号活塞环，8 -3 号活塞环9 - 活塞头，10- 冷却油管，11-活塞杆，12 D 型密封圈，13 活塞裙（1）活塞和活塞裙十字头式柴油机活塞由活塞头、活塞环、活塞杆、活塞裙和活塞冷却机构组成活塞主要由活塞头和活塞裙两个主要部分组成。活塞头由螺钉紧固在活塞杆的上部, 螺钉用锁紧钢丝锁紧，活塞裙由螺钉紧固在活塞头上, 螺钉由锁紧钢丝锁紧。活塞头的顶部有一层耐热材料。此外, 活塞头有四条镀铬的活塞环槽, 1 号活塞环为压力释放环。2、3 和4 号活塞环为斜切口型式：3 号活塞环是右斜口，2 号和4 号活塞环是左斜口。在活塞头的顶上,有一个安装起吊工具的凹槽。活塞杆内有一根通冷却油管的中心孔, 冷却管在活塞杆顶部用法兰螺钉固定。冷却油通过与滑块或十字头相连的伸缩管供油, 流过活塞杆底孔以及油管至活塞头。冷却油通过在活塞头承压部位的许多孔, 到达活塞杆冷却油管四周的回油空间。由活塞杆底部的孔, 油被引至十字头再泄放至机架内开槽的油管, 同时通过控制装置检测温度。活塞杆底部放置在一个为十字头销切口平面上, 由十字头上的一定位管定位。活塞杆和十字头之间有一存气垫片, 该垫片的厚度应根据每一台柴油机所需的实际功率点预先确定。活塞杆由螺钉或螺栓以及螺母固定在十字头销上, 螺母用液压工具锁紧。（2）活塞杆填料函扫气箱与曲柄箱之间的活塞杆孔上装有活塞杆填料函, 填料函的设计是为了防止曲柄箱中飞溅的滑油进入扫气箱。填料函也防止扫气空气从扫气空间泄漏进入曲柄箱。填料函安装在法兰上, 此法兰用螺钉连接在扫气箱的底部3。在检修活塞时, 填料函和活塞杆可同时取出。当然也可以将填料函拆开检查,同时活塞留在柴油机内。填料函壳体由用螺栓联接的两部分组成。填料函壳体上加工有若干环槽：最上面的槽里安装着一个带斜刃的刮油环, 它用以防止由扫气箱来的油污流至其它密封环上。在刮油环下面装有密封环（除 35MC 型机外）, 以防止扫气空气沿活塞杆下泄。刮油环和密封环由两个园柱销导向。中间的环槽中装有密封环。最下面的环槽中装有刮油环, 刮除活塞杆上的滑油。每三段组成一个基本的环, 带有二个机加工的槽, 并包括一个压入式的面向活塞杆带刮油边的刮片。从活塞杆上刮下的油通过填料函壳体上的孔回到曲柄箱。通过壳体上的孔和一根管子, 填料函与柴油机外部一个检视漏斗相连，用以检查密封/刮油的性能。各环段端部之间的间隙可保证即使在磨损的情况下环和活塞杆的紧密贴合。3.2活塞头部的设计3.2.1活塞的作用和工作条件以及设计要求（1）活塞组的作用和工作条件活塞式柴油机中的关键部件，可分为十字头式活塞和筒形活塞两个大类。它既是燃烧室部件的组成部分，又与两岸、曲轴等部件组成运动机构。活塞的主要作用是在保证密封的情况下完成压缩和膨胀过程，并将气体力经连杆传递给曲轴。在筒形活塞式柴油机中，活塞承受侧推力，起着滑块的作用。在二冲程柴油机中活塞还启闭气口，控制换气。在柴油机工作中，活塞受到燃气高温、高压、烧蚀和腐蚀作用。它的热负荷和机械负荷很高，而活塞材料在高温下机械性能又有所降低，所以活塞在工作中容易发生裂纹和变形。活塞与气缸之间，在相对运动中产生摩擦和撞击。在气缸中，活塞由于文帝很高，燃气冲刷，往复运动等原因，活塞具有较大的往复惯性力，使得柴油机的震动加剧。由于活塞对柴油机动力性、经济性和可靠耐久性影响很大，因此要求活塞强度高刚度大，密封可靠，散热性好，冷却效果好，摩擦损失小，耐磨损。对中高速柴油机而言还要求活塞重量要轻，以便减小活塞高速运动产生的巨大往复惯性力。（2）设计要求综上所述，活塞是在高负荷、高温、润滑不良的条件下工作的，因此对它的设计要求有以下几点：1）要选用热强度好、耐磨、比重小、热膨胀系数小、导热性好、具有良好的减模型、工艺性好的材料；2）要有合理的形状和壁厚。是散热良好，轻度刚度负荷要求，尽量减轻重量，避免应力集中；3）保证燃烧室气密性好，窜气，窜油要少又不增加活塞组的摩擦损失；4）在不同的工况下都能保证活塞和缸套的最佳配合；5）减少活塞从燃气吸收的热量，而已吸收的热量则能顺利的散走；6）在较低有好的条件下，保证滑动面上有足够的润滑油；当进行活塞的结构设计时 应考虑以下几方面的问题1）改善活塞顶以及第一环的工作条件，防止顶部热裂和环粘接，卡死和过度磨损。3.2.2活塞组的材料根据活塞的工作情况以及卜述在活塞设计方面的要求，活塞的材料应满足如下要求1)热强度高。在高温下材料能保持足够的强度，在300500高温下保持足够的机械性能，使零件正常工作时不被损坏；2)绝热性好，导热性良好。以降低活塞项部及环区的温度，并减少热应力：3)膨胀系数小。使活塞与气缸间能保持较小的间隙，高温下的热变形小；4)材料的密度小。以降低活塞组的往复惯性力，从而降低曲轴和连杆组的机械负荷和平衡配重等；5)具有良好的减摩性、耐磨性和耐蚀性。活塞与缸套、活塞与活塞环、活塞环与缸套材料间的摩擦系数较小，在使用劣质燃油和润滑不良的条件下，保证耐磨、耐腐蚀；6)工艺性好，价格低廉。目前柴油机活塞常用的材料有如下几种： (1)铸铁材料铸铁材料的价格低廉，而且机械性能、耐腐蚀性、耐磨性以及工艺性都相当不错，具有较高的机械强度和热膨胀系数较小等优点。但铸铁密度大，吸热性比铝合金材料约大30，耐热性不如合金钢的好。而且，导热性能较差，导热散热能力不好。一般在中低速柴油机中采用较多。(2)铝台金材料铝合金材料的主要优点是密度小(铸铁的三分之一左右)，导热性能好，导热系数较大(铸铁的2-3倍)，摩擦系数低。这为柴油机转速的大幅度提高提供了可能，另外还可以降低活塞温度，减小活塞与气缸套之间的摩擦损失。因此铝合金活塞多用在中高速柴油机上。目前常用的是硅铝系合金，它是在铝中加硅(Si)从而减小热膨胀系数，提高耐磨、耐热性能，改善铝合金铸造性能。铝合金的合金素中含有少量镍，它可以使材料的热膨胀系数适当降低并且可以改善活塞在高温作用下的蠕变特性，防止高温高压下活塞的变形，因此得到重视。但是由于镍是稀缺金属，价格高，目前我国正在研究以少量的锰()代替镍，已得到同样性能的结果。现在含硅20左右过共晶硅铝合金活塞也已在生产上大量应用。另外，柴油机强化程度越来越高，能耐高温的锻铝合金活塞亦得到广泛采用，特别是在组合活塞的裙部材料采用较多。(3)钢和合金钢材料钢以及耐热合金钢材料才热冲击性和结构强度较高，同样的结构强度，可以减小壁厚从而降低活塞重量，而且耐热性较好。因而，在强化柴油机中得到广泛的应用。但是，钢的铸造性能差，加工费用高，对气缸套的磨损也较大。对于大功率低速柴油机，由于需要较高的强度和耐热性能，通常采用镍铬钢或者钼钢锻制。船片j柴油机多采用组合式活塞，头部采用耐热合金钢，裙部采用耐磨铸铁，从而达到柴油机的设计要求。简形活皋头部采用铸钢制造，活塞裙采用球墨铸铁制造并组合，如瓦锡兰的wartsila 32筒形柴油机；十字头柴油机如MAN B&W的S50MC柴油机活塞活塞头采用S17MoS耐热合金钢以满足强度要求，而活塞裙则采用耐磨铸铁制造以减少制造成本6。3.2.3活塞头部主要尺寸的设计十字头式活塞组头部的结构形式如下图3-2所示图3-2 十字头式活塞头的主要结构尺寸可根据同类型发动机或统计数据选取。（1）活塞顶部直径活塞头部的直径应保证发动机正常运转时，环带不与缸壁直接接触，以免温度过高使活塞尺寸过大，发生拉缸，甚至抱缸。因此活塞头部的装配间隙必须考虑活塞和缸套在工作温升下膨胀的差别，一般情况下，柴油机活塞头部与缸套的间隙可参考表3-1选取 表3-1 活塞头部与缸套的间隙活塞材料间隙Y合金0.007DLo-Ex合金0.006D过共晶铝合金0.0055D铸铁0.0035DS50MC系列柴油机最高燃烧温度可达到1900摄氏度，活塞头部采用的材料S17MoS，因此为保留活塞与缸套在工作条件下的正常配合并留取一定的配合余量，取。所以活塞顶部的直径（2）活塞的总高度H应在保证结构布置合理和所需的承压面积条件下尽量选择较小的活塞高度。表3-2 活塞高度H与缸径D之比的范围机型H/D说明一般范围推荐值中小型高速1.01.31.1左右转速越高，H应越小，以减轻活塞重量，减小往复惯性力高速大功率1.01.361.2左右中速机1.451.81.5左右要求活塞使用寿命长，H偏上大功率低速机及特殊用途0.40.8选择较小的H，以满足整机高度尺寸的严格要求或减小S50MC型柴油机为大功率低速强化型柴油机，在船上安装要求占用的空间尽量小，属于特殊用途，所以选择较低的H/D值。由表中范围取。（3）火力岸高度 为了缩短，当然希望尽可能的小，但是过小会使第一环温度过高，润滑油可能结胶甚至碳化，使活塞环在环槽中失去活动性，从而丧失密封和传热功能。柴油机活塞环的工作条件比汽油机更加严重，故应该大些，二冲程柴油机的值太大会影响有效冲程S50MC为二冲程柴油机，功率较大，热负荷严重。故取（4）活塞环数目及排列活塞环数目对活塞头部的高度有很大影响，为了保证柴油机在船上能可靠地启动，因此采用四道环（三道气环，一道油环）。同时还须从活塞及活塞环的结构上采取措施，以确保良好的密封性能和防窜油性能。(5) 活塞顶部的设计柴油机混合气的形燃烧与燃烧室有密切关系。根据混合气形成和燃烧室的结构特点，压燃式内燃机的燃烧室可分为两大类：直喷式燃烧室和分隔式燃烧室。由于S50MC型柴油机工作特点和工艺条件的限制以及制造的复杂度，该柴油机选择直喷式浅盆型燃烧室，顶部呈下凹形，以利于燃油和空气的混合。浅盆型燃烧室有以下特点：1）燃烧室基本是一个空间，形状简单，结构紧凑，相对散热面积小，传热损失小，无节流损失经济性好，容易启动。2）混合气的形成主要靠燃油的喷散雾化，对喷雾质量要求较高。3）燃烧室中一般不组织空气涡流运动，依靠油束的扩展促使燃油和空气混合。燃油从喷油器告诉喷出，油束与空气的摩擦使油束中的油滴受到空气阻力而减速，并使被油束所卷入的空气产生加速运动，从而形成卷吸运动，对刚径较大，转速较低的柴油机油束较长，且燃烧时间也比较长，采用这种混合方式能够获得满意的性能指标。活塞顶部的结构参数的确定如图3-3所示图3-3 活塞顶的结构参数（6）活塞顶部的厚度是根据活塞顶部应力、刚度及散热要求来决定的，小型高速柴油机的铝活塞，如满足顶部有足够的传热截面，则顶部的机械强度一般也是足够的。一般说来，大型柴油机热应力随活塞顶厚度增加而增大，所以要求活塞顶厚度（特别是钢顶），只要厚到能承受燃气压力即可。的一般范围列于表3-2表3-3 活塞顶厚度类别b/d备注铝活塞小型高速高速大功率铝顶组合活塞铸铁活塞0.070.150.10.20.020.040.060.08以0.070.12居多采用薄顶可降低热应力取，所以（7）活塞环槽的设计1）活塞环的环高的确定为了减小活塞惯性力，减轻对环槽侧面冲击，要求活塞高度小，因此活塞环槽轴向高度b也应尽可能小,但是b太小会使环的制造越来越困难。大缸径柴油机的推荐环高见下表3-4和3-5表3-4 柴油机气环环高 表3-5柴油机油环环高缸径（mm）环高（mm）缸径（mm）环高（mm）1242.41081.01241703.246011.0由S50MC系列，参考上表的中的范围，可适当增加环的高度。重新取值如下第一道气环高度：12.5(mm) 第二道气环高度： 9.5(mm)第三道气环高度： 9.5(mm)油环高度： 9.5(mm)柴油机第一道活塞环直接受到高温高压燃气的作用，工作条件最为恶劣，承受压力比较大，磨损也最为严重，为了留出磨损余量，增加柴油机使用的可靠耐久性，因此特意增加这气环的环高。油环的刮油作用只是刮下气缸壁上多余的润滑油，油环还应在气缸壁工作表面布上一层有一定厚度的油膜，以保证活塞环能在高温高压下沿气缸壁正常滑动。2）活塞环径向厚度的设计环高与径向厚度之比过小易引起平面挠曲和扭曲，上下侧面的平直度和平行度难以保证，容易折断。为了保证加工的简便性取第一道径向厚度：17.2(mm) 第二道径向厚度：17.2(mm) 第三道径向厚度：17.2(mm)油环径向厚度： 17.2(mm) 3）环槽尺寸气环槽 式中D 活塞名义直径 t 活塞环的径向厚度 k 系数，对S17MoS，k=0.0042环槽底部的过渡圆角一般为0.20.5活塞环和活塞的配合采用基轴