、柴油机结构及主要部件.ppt

2019年12月19日00:46,第二章柴油机结构及主要部件,2019年12月19日00:46,柴油机基本组成,2019年12月19日00:46,chapter2柴油机的结构和主要部件,2019年12月19日00:46,柴油机的结构,2019年12月19日00:46,主要固定件,气缸套,气缸体,机架,机座,主轴承,贯穿螺栓,气缸体,大型低速柴油机,中小型柴油机,机座/油底壳,主轴承,贯穿螺栓,机体,气缸盖,气缸盖,2019年12月19日00:46,主要固定件,机体机体=机架+气缸体,l-mc系列柴油机气缸体、机架和机座连接1、10-螺钉；2-锁紧垫片；3-保护架；4-下螺母；5-贯穿螺栓下面部分；6-连接套；7-贯穿螺栓上面部分；8-上螺母；9-保护罩；11-气缸体；12-机架；13-机座,l-mc型柴油机机架1-上面板；2-导板；3-活塞冷却油管插入孔；4-贯穿螺栓孔；5-横向隔板；6-链条箱；7-检修通道；8-侧板；9-底板,2019年12月19日00:46,主要固定件,气缸套,气缸体,机架,机座,主轴承,贯穿螺栓,气缸体,大型低速柴油机,中小型柴油机,机座/油底壳,主轴承,贯穿螺栓,机体,2019年12月19日00:46,主要固定件,气缸套,气缸体,机架,机座,主轴承,贯穿螺栓,气缸体,大型低速柴油机,中小型柴油机,机座/油底壳,主轴承,贯穿螺栓,机体,2019年12月19日00:46,主要固定件,气缸套,气缸体,机架,机座,主轴承,贯穿螺栓,气缸体,大型低速柴油机,中小型柴油机,机座/油底壳,主轴承,贯穿螺栓,机体,2019年12月19日00:46,柴油机的结构,主要固定件,燃油系统,配气机构及换气系统,润滑系统,冷却系统,起动及控制系统,柴油机基本组成,主要运动件,2019年12月19日00:46,主要运动件,连杆组件,曲轴,十字头组件,活塞,中小型柴油机,大型低速柴油机,作用：将活塞往复运动变为曲轴的回转运动，使燃气推动活塞的动力通过曲轴以回转的方式向外输出。,作用：连接活塞杆与连杆；将燃气压力和活塞惯性力传给连杆；承受侧推力，导向。,2019年12月19日00:46,2019年12月19日00:46,柴油机的结构,主要固定件,燃油系统,主要运动件,配气机构及换气系统,润滑系统,冷却系统,起动及控制系统,柴油机基本组成,2019年12月19日00:46,配气机构及换气系统,配气机构：进排气阀气阀传动机构凸轮轴凸轮轴传动机构,进排气系统：空气滤器进排气管消音器组成增压器及空冷器。,作用：定时向气缸内供应充足、清洁的新鲜空气，并将燃烧后的废气排出气缸。,2019年12月19日00:46,柴油机的结构,主要固定件,燃油系统,主要运动件,配气机构及换气系统,润滑系统,冷却系统,起动及控制系统,柴油机基本组成,2019年12月19日00:46,燃油系统,由燃油供应系统和燃油喷射系统组成,作用：把燃油畅通无阻地输送到喷油泵入口端,作用：定时、定量地向燃烧室内喷入雾化良好的燃油,2019年12月19日00:46,柴油机的结构,主要固定件,燃油系统,主要运动件,配气机构及换气系统,润滑系统,冷却系统,起动及控制系统,柴油机基本组成,2019年12月19日00:46,润滑系统,作用：将清洁的润滑油送至柴油机的各运动件摩擦表面,对于大型低速二冲程柴油机通常由气缸注油系统和曲轴箱油系统两部分组成，而对于中小型柴油机只有曲轴箱油系统，也称之为机油系统。,2019年12月19日00:46,润滑系统,2019年12月19日00:46,柴油机的结构,主要固定件,燃油系统,主要运动件,配气机构及换气系统,润滑系统,冷却系统,起动及控制系统,柴油机基本组成,2019年12月19日00:46,冷却系统,淡水/滑油,柴油机,淡水/滑油,海水,作用：将受热零部件所吸收的热传导出去,2019年12月19日00:46,冷却系统,2019年12月19日00:46,柴油机的结构,主要固定件,燃油系统,主要运动件,配气机构及换气系统,润滑系统,冷却系统,起动及控制系统,柴油机基本组成,2019年12月19日00:46,起动及控制系统,为了满足船舶机动操作的要求，设置的使起动、换向和调速装置各种装置联合动作的操纵机构。,2019年12月19日00:46,chapter2柴油机的结构和主要部件,2-1燃烧室部件的工作条件和负荷2-2燃烧室部件的构造2-3曲柄连杆机构2-4柴油机的主要固定件,2019年12月19日00:46,2-1燃烧室部件的工作条件和负荷,1燃烧室部件的工作条件,2燃烧室部件承受的负荷,2019年12月19日00:46,1燃烧室部件的工作条件,燃烧室当活塞处在上止点时，由气缸盖底面、气缸套内表面及活塞顶面共同组成的空间。燃油与空气混合和燃烧的场所。,2019年12月19日00:46,组成：(1)气缸盖(2)气缸（气缸体和气缸套）(3)活塞组件。它们共同构成密闭的气缸工作空间。是柴油机工质更换、燃气形成和膨胀作功的空间。工作条件：承受高温、高压和腐蚀性燃气的直接、反复作用。,1燃烧室部件的工作条件,2019年12月19日00:46,1燃烧室部件的工作条件,2019年12月19日00:46,2-1燃烧室部件的工作条件和负荷,1燃烧室部件的工作条件,2燃烧室部件承受的负荷,2019年12月19日00:46,2燃烧室部件承受的负荷,承受的负荷,2019年12月19日00:46,2燃烧室部件承受的负荷,2.1机械负荷定义：机械负荷指柴油机部件承受气体压力（最大的为爆炸压力）、安装预紧力、惯性力等的强烈程度。用承受的机械应力（拉、压、弯、扭及复合应力）表示。特点：周期交变性和冲击性,预紧力（安装应力）气体压力往复惯性力,2019年12月19日00:46,2.1.1预紧力（安装应力）,1）气缸盖的安装应力,2）气缸套的安装应力,2019年12月19日00:46,1）气缸盖的安装应力,缸盖预紧力，使其上表面承受拉应力，下表面受压应力。紧固螺栓的预紧力和力矩为：,对被连接件所实施的预紧力使部件产生的静应力为安装应力。安装应力与预紧力成正比；与零件壁厚成反比。预紧力不当会导致机件变形和裂纹。,2019年12月19日00:46,2）气缸套的安装应力安装预紧力,主要作用于其上部凸肩部位。其危险断面承受拉、剪、弯曲应力。这些应力与预紧力成正比，与凸肩高度h成反比。,结论：气缸盖和缸套的安装应力与pz成正比与构件的高度h成反比。1.安装气缸盖时，预紧力过大，应力大；预紧力过小，漏气。不能依靠加大预紧力，来预防制止漏气。2.将缸套凸肩加高，可使缸套安装应力大大减小。,2019年12月19日00:46,预紧力气体压力往复惯性力,机械负荷分析,2019年12月19日00:46,气缸盖的受力分析,2019年12月19日00:46,机械负荷分析-气体压力,气体压力作用于气缸盖气缸盖工作时的气体产生的弯矩大于紧固时的弯矩；工作时的机械应力大于紧固时的安装应力。由气体压力而产生的机械应力，随气体压力而脉动，又称为脉动应力。在脉动的pz作用下缸盖上拱，水冷面受拉，触火面受压。应力与最高燃烧压力成正比，与壁厚成反比。,2019年12月19日00:46,预紧力气体压力往复惯性力,机械负荷分析,2019年12月19日00:46,气缸套受气体压力的影响,气缸套内部承受最高燃烧压力pz的作用，根据材料力学厚壁圆筒的公式，在某一半径r上受到的应力为：切向应力径向应力式中：r1、r2、r分别为气缸套的内圆半径、外圆半径和缸套壁内所求应力点的半径。,2019年12月19日00:46,气缸套受气体力分析,根据公式结论：触火面（r1处）：切向拉应力最大，径向压应力最大；触水面（r2处）：切向拉应力最小，径向压应力为零。,2019年12月19日00:46,预紧力气体压力往复惯性力,机械负荷分析,2019年12月19日00:46,活塞受气体压力的影响,活塞顶板上、下表面受到的弯曲应力：,r,1、活塞尺寸增大,2、活塞顶板厚度,结论：,2019年12月19日00:46,预紧力气体压力往复惯性力,机械负荷分析,活塞,随活塞组件往复运动的往复惯性力；随曲柄回转运动的回转惯性力；惯性力随运动质量m和n2的增大而增大，周期性变化。惯性力导致机件疲劳，而且是造成柴油机振动的主要原因之一。,2019年12月19日00:46,机械负荷分析小结,气缸盖气缸套活塞,通常将最高(爆发)压力pmax作为柴油机机械负荷的主要标志。,结论：燃烧室部件中由气体压力而产生的机械应力都与最高爆发压力成正比，因此柴油机在运转中不要使燃烧压力过高，以免机械应力过大。为抵御机械负荷影响，部件应有一定的厚度。,气缸盖的安装应力气缸套的安装应力,安装预紧力引起的机械负荷,气体压力引起的机械负荷,惯性力引起的机械负荷,活塞,2019年12月19日00:46,2燃烧室部件承受的负荷,承受的负荷,2019年12月19日00:46,2.2热负荷分析-热负荷的表示方法,1）定义：热负荷是指柴油机的燃烧室部件承受温度、热流量及热应力的强烈程度。2）大小：用热流密度、热应力及温度场来表示。热流密度：单位面积上的热流量。热应力：由温差作用形成的应力。温度场：如右图所示。利用受热部件中温度分布图，可准确地表示和评定热负荷。,船上轮机管理人员通常用柴油机排气温度来判断热负荷的高低,2019年12月19日00:46,热负荷过大的影响,1）使材料的机械性能降低，承载能力下降；2）使受热部件膨胀、变形，改变了原来正常工作间隙；3）使润滑表面的滑油迅速变质、结焦、蒸发乃至被烧掉；4）使有些部件（如活塞顶）受热面被烧蚀；5）使受热部件承受的热应力过大，产生疲劳破坏等。,2019年12月19日00:46,热负荷分析-热应力,热应力定义：由温差作用形成的应力。由于温度或材料不均匀，而导致材料热胀冷缩相互牵制，在零件内部高温处产生的压应力，低温处产生的拉应力。热应力大小：热应力与热流密度q、顶板厚度、材料的膨胀系数、材料的弹性系数e成正比，而与材料热传导系数成反比。,为减少热应力的影响，结构上应尽量减少顶板的厚度而采用薄壁结构，材料上选用传热系数大、膨胀系数和弹性系数小的材料。,2019年12月19日00:46,热负荷分析-热应力,由温差作用形成的应力称热应力。活塞顶板的热应力分析：上顶板（触火面）为压应力，下顶板（冷却面）为拉应力。气缸套的热应力分析：与温差t成正比。内表面因膨胀受到外表面的阻碍而产生压应力，外表面因受到内表面的拉伸作用而产生拉应力。气缸盖底板的热应力：气缸盖底板由于受到燃气的高温作用也会产生热应力。,2019年12月19日00:46,热负荷分析-高温蠕变与热疲劳,蠕变：金属材料在高温、高应力作用下，金属晶粒发生的挤压（或拉伸），产生的塑性变形。热疲劳：燃烧室部件在交变的热应力作用下出现的破坏现象称热疲劳。热疲劳裂纹：柴油机运行时，触火面受压，在高温下产生塑性变形，当停车冷却后，已经变形的触火面收缩受限，产生拉应力。在长期启动、停车或负荷变化过程中，应力交替变化，在触火面产生疲劳裂纹。交变频率由启动运转停车的循环次数决定。低频热应力。,热疲劳裂纹发生在触火面。,2019年12月19日00:46,2燃烧室部件承受的负荷,承受的负荷,2019年12月19日00:46,燃烧室部件其他工作条件,腐蚀锈蚀高温腐蚀低温腐蚀穴蚀摩擦磨损,2019年12月19日00:46,小结,燃烧室部件承受的负荷：机械负荷（预紧力、气体压力、往复惯性力）通常将最高(爆发)压力pmax作为柴油机机械负荷的主要标志。热负荷（评定方法、排气温度、热应力、热疲劳等）通常将排气温度tr作为柴油机热负荷的主要标志。其它腐蚀（锈蚀、高温腐蚀、低温腐蚀、穴蚀等）摩擦磨损（轴承、缸套等）,2019年12月19日00:46,练习题,热区薄冷区厚,2019年12月19日00:46,chapter2柴油机的结构和主要部件,2-1燃烧室部件的工作条件和负荷2-2燃烧室部件的构造2-3曲柄连杆机构2-4柴油机的主要固定件,2019年12月19日00:46,2-2燃烧室部件的构造,一、活塞组,二、气缸,三、气缸盖,四、燃烧室部件的故障与管理,2019年12月19日00:46,一、活塞组,1、活塞组件的组成：,活塞销,2、活塞的作用与气缸套、气缸盖共同构成密闭的气缸空间；承受气缸内的气体力，并将其传递给连杆，与连杆和曲轴组成运动机构；筒形活塞承受侧推力，起滑块的作用；十字头活塞起启闭气口的作用。,2019年12月19日00:46,一、活塞组,3.活塞的工作条件（1）机械负荷：气体作用力pz、往复惯性力pj以及侧推力ph的周期性作用。引起交变应力。（2）热负荷：高温燃烧气体的周期加热，高温材料的强度降低，活塞顶烧蚀；高温热变形和很大的热应力。（3）润滑条件差活塞往复运动、（压力）温度很高、燃气冲刷等原因，活塞与气缸之间不可能建立液体动力润滑。在侧推力作用和润滑不良的条件下进行往复运动，使活塞组产生较大的摩擦损失和磨损。（4）受燃气的腐蚀,2019年12月19日00:46,一、活塞组,4.活塞本体的常用材料合金铸铁、铝合金、球墨铸铁和耐热合金钢1）合金铸铁：机械强度较高、热膨胀系数较小、耐磨和耐腐蚀性良好，价格低廉，工艺性好；但其密度大（质量大），吸热性和导热性比铝合金差。用于低速机活塞裙部。2）铝合金：密度小，铝合金活塞比铸铁的要轻30%50%，往复惯性力小，用于中、高速柴油机的活塞。但铝合金材料的热强度较差，热膨胀系数较大。（注：铸铁与缸套的热膨胀系数非常接近，在冷态或在热态下，活塞与气缸套的配合间隙几乎保持相同的数量值；而铝合金活塞由于其热膨胀系数较大，与气缸套冷态配合间隙要比铸铁的大一倍左右，在冷车启动和低负荷运转时，活塞对气缸套的撞击将加剧。）3）球墨铸铁和耐热合金钢：具有更高的机械强度。在强载柴油机中，常用这种材料制成薄壁式的活塞结构，以增加其承受热负荷的综合能力。耐热合金钢一般用作组合式活塞的头部材料。球墨铸铁用作筒状组合式活塞的裙部材料。,2019年12月19日00:46,5.筒形活塞组,组成：,2019年12月19日00:46,5.1活塞本体,结构特点：（1）活塞有组合式和单体式；（2）活塞顶的形状有利于燃油和空气的混合，顶部开有气阀避让凹坑；（3）活塞环槽分别有气环环槽和油环环槽两种；（4）活塞裙部要传递侧推力，且膨胀不均（销轴方向膨胀大），所以制成长轴在纵向（销轴方向）的椭圆，或纵向去除部分金属；（5）冷却形式有非冷式和冷却式。,2019年12月19日00:46,非冷却式活塞,热量主要通过活塞环向气缸套及其外侧的冷却水散出。结构特点：活塞顶厚度大并沿半径方向逐渐增大，顶部内腔环带的过渡圆弧半径较大，既有利于散热，又能使活塞顶具有足够的强度和刚度。适用机型：用于缸径小，强载度低的柴油机。,2019年12月19日00:46,冷却式筒形活塞结构,热量主要由冷却介质带走。筒状活塞的冷却介质是润滑油。,喷射式,蛇管式,腔室式,较好保护了环槽,2019年12月19日00:46,冷却式筒形活塞结构,高强载度筒形柴油机活塞：（参见p33图27）结构特点活塞头部9用耐热合金钢制造，活塞裙1则用铝合金制成，两者用柔性螺栓10连接起来。活塞顶的壁较薄，并采用内支承的结构，构成了薄壁强背的活塞头。冷却：采用滑油冷却。滑油从连杆、活塞销和活塞裙中的通道先至环形冷却腔a，再由此流入中央冷却腔c，最后从冷却腔的中央孔泄至曲轴箱中。中央孔的位置和孔径控制了冷却腔中的油量，保证振荡冷却的实现。,2019年12月19日00:46,活塞纵截面的形状,活塞在工作状态下，其温度沿轴向分布上高下低，因而活塞将产生不同程度的热变形。为了使活塞在工作时能与气缸套保持合适的配合间隙，活塞侧表面做成上小下大的各种形状。,思考：,活塞在冷态下的形状？,活塞在工作状态下的温度分布？,结论：,2019年12月19日00:46,活塞裙部横截面的形状,销座部分壁厚不均，壁厚处受热变形大，使裙部沿销座中心线方向增大。活塞在气体压力以及侧推力作用下的变形，使其沿销座中心线方向变长，而与活塞销座中心线垂直方向的直径将要缩短，即发生了裙部“椭圆变形”，如下图所示。为适应上述变形，防止发生过大的局部磨损，甚至拉缸事故，裙部常被做成反椭圆形（即短轴在活塞销中心线上）或将销座周围的裙部表面内凹一些。,思考：,活塞裙部横截面在工作状态下的形状？,活塞裙部横截面在冷态下的形状？,结论：,工作状态下为圆形，冷态下为椭圆形，长轴在承受侧推力的横向。,原因：,测量活塞裙的磨损量时，必须参照以往的测量记录。,2019年12月19日00:46,5.2活塞环p35,开有切口的扁形圆环，圆周方向具有弹性。1）种类：气环（压缩环）、油环（刮油环）、承磨环。2）作用：气环：主要是密封气缸、支撑活塞和散热。油环：刮油、布油（一般仅用于筒形机）。承磨环：仅用于活塞裙部较长的十字头活塞裙部，帮助磨合。3）工作条件：直接受到高温高压燃气的作用；在环槽中运动十分复杂。（轴向运动、径向运动、回转运动、扭曲振动等，还要产生张合的交变运动）。润滑条件较差，与气缸套、活塞环槽之间产生严重的摩擦和磨损。活塞环因振动、与气口挂碰、弹性张合等作用有可能产生裂纹和折断。运行中，会因燃烧不良、滑油过多将活塞环粘着在环槽里，使活塞环失去密封作用，造成燃烧室窜气，使活塞环损坏。,2019年12月19日00:46,5.2活塞环,4）活塞环材料要求：弹性好、摩擦系数小、耐磨、耐高温；良好的初期磨合性、贮油性好。环使用的材料及处理：合金铸铁（加硼、高硅）、可锻铸铁、球墨铸铁。显微组织为细密的珠光体基体，在它上面均匀分布片状或微细粒状和球状石墨的灰铸铁或合金铸铁或球墨铸铁。其硬度应比气缸套硬一些。为改善环的初期磨合性能，可对其工作表面进行渗硫、镀铜等表面处理。为提高气环的使用寿命，可对其工作表面进行松孔镀铬、氮化（提高耐磨性）、喷钼（防粘着磨损）等表面处理。,2019年12月19日00:46,5.2活塞环,5）活塞环（气环）的密封作用主要靠气环本身的弹性而紧贴于气缸壁（一次密封），以及在气缸内气体压力的作用下而紧贴于气缸壁和环槽下平面（二次密封）实现的。第二次密封比第一次密封更重要。但没有可靠的第一次密封，就不能可靠地形成第二次密封。,2019年12月19日00:46,5.2活塞环,6）气环的截面形状矩形环：应用广泛，但温度200易结焦卡死；梯形环、倒角环、扭曲环用于中、高速机；锥形环、扭曲环、倒角环等不适合第一道环，安装有方向要求。,注意倒角和扭曲的方向，使之上行布油，下行刮油。,2019年12月19日00:46,5.2活塞环,7）气环的切口形状直搭口：加工方便，应用最广。斜搭口：倾斜角一般为30或45，在相同开口间隙的前提下，能使切口漏气通道面积减少。重叠搭口：搭口处漏气通道面积最小，但其切口的加工比较麻烦，易折断。,注意：为减少通过搭口的漏气，安装时搭口不摆在上下一条直线上。应相互错开，并使相邻环的斜搭口方向相反。,2019年12月19日00:46,5.2活塞环,端面间隙（天地间隙）：保证热膨胀后活塞环仍能自由活动即可；开口间隙：活塞环装入气缸后切口处仍应保留一定的间隙，以便有热膨胀的余地。各道气环的天地间隙和开口间隙大小随其工作温度而异。过大会漏气，天地间隙过小环卡死，开口间隙过小环易折断。应符合说明书要求。,8）活塞环的端面间隙和开口间隙,2019年12月19日00:46,5.2活塞环,筒形机的飞溅润滑：活塞和气缸套之间依靠回转运动的曲柄销轴承把润滑油甩到气缸壁上进行润滑，称飞溅润滑。“气环的泵油作用”：因气环天地间隙的存在，环在环槽中上下跳动引起润滑油窜入燃烧室内的现象。危害：使润滑油的消耗量增加，污染活塞、气缸、气阀和排气道，引起滑油结焦而产生“卡环”等故障。措施：在筒状活塞气环下面装设1道2道油环，以便将气缸壁上多余的润滑油刮掉。,9）活塞环的泵油作用,泵油强弱取决于天地间隙大小和刮油环的工作效果。,2019年12月19日00:46,5.2活塞环,种类：a）为单刃油环，b）、c）为双刃刮油环。作用：上行布油，下行刮油。特点：环与缸壁的接触面积小，接触比压大，提高刮油效果；环与槽的天地间隙小，泵油作用小；双刃刮油环还开有泄油孔，在油环槽下面都开有泄油孔。注意：a.安装刮油环刮刃为锥状表面时，刮刃的尖端应向下。油环一般是安置在滑油较多的活塞裙下部位置，每个活塞上油环的数目也只有12道。b.十字头式柴油机气缸不是依靠飞溅润滑，可不需要。,10）刮油环的结构,2019年12月19日00:46,5.3活塞销（筒形活塞用）,1）作用：连接活塞和连杆小端2）要求：耐疲劳、抗冲击韧性、耐磨、总量轻。3）材料：优质炭钢或低炭合金钢；表面渗炭淬火，表面硬度高耐磨、内部韧性好抗疲劳。也有采用优质中碳钢经表面氮化处理的销。4）结构：一般为中空的圆柱形结构,2019年12月19日00:46,5.3活塞销,5）活塞销与连杆和销座的连接方式,（1）浮动式,（2）浮动式,特点：销相对转速小，表面磨损小且均匀。但销与销座以及连杆小端衬套的配合精度要求较高。如果这两处配合间隙过大，会由于间隙的积累使冲击负荷增大，配合间隙过小又可能发生咬死现象。应用于中、高速柴油机。,销固定在连杆小端，在销座内摆动。特点：销与连杆小端凸缘用螺钉连接，可增大活塞销上半部主要承压面的面积，缩小两销座间的跨距，提高销座的承载能力，减小销的变形和磨损。常用于二冲程机。,2019年12月19日00:46,5.3活塞销,6）活塞销的卡簧锁环为防止浮动式活塞销轴向窜动而刮伤气缸套，在中、小型柴油机中常用图a所示的弹簧锁环。大型机用图b、c,2019年12月19日00:46,6.十字头式活塞组件,组成,活塞本体,活塞环,活塞杆,活塞冷却机构,2019年12月19日00:46,6.十字头式活塞组,结构特点：1）活塞头耐热合金钢；活塞裙耐磨铸铁；2）活塞顶的形状有利于燃油和空气的混合；3）充分体现“薄壁强背”结构特点，通常采用钻孔冷却结构；热区薄壁减少热应力冷区强背减少机械应力4）活塞顶岸较高，改善了活塞环的工作条件和润滑性能，降低活塞的磨损；5）活塞裙部为圆筒状，无启闭气口作用时，裙部较短；（侧推力已由十字头滑块承受,无活塞销。）6）活塞头采用润滑油“鸡尾振荡”冷却。7）活塞工作温度高，采用专门的冷却式结构。8）防止扫气和燃烧室漏下的污物污染曲轴箱，扫气箱与曲轴箱间加隔板，隔板处有活塞杆填料函。,2019年12月19日00:46,sulzerrta型柴油机的活塞结构特点,活塞头部1与燃气接触，承受高温和高压，用耐热合金钢制造；采用钻孔冷却（薄壁强背）的结构，头部装有5道气环；活塞裙部3与气缸套接触，产生摩擦和磨损，用耐磨铸铁制成，并嵌装有承磨环4。；活塞头的顶部呈下凹形，利于燃油和空气混合燃烧。活塞杆8用锻钢制造，表面经硬化处理。三者用柔性较大的连接螺栓7连接成活塞组。,2019年12月19日00:46,6.十字头式活塞组,1）承磨环：专为十字头式活塞与气缸的磨合而设置。超短裙活塞可不装承磨环；短裙活塞装12道，长裙活塞装24道。承磨环的安装：在活塞裙上开设燕尾形的环槽，如右图所示。把截面如图a)所示的青铜条分成3段4段敲进环槽中，然后再加工到工作尺寸，如图b)所示。承磨环的直径比活塞裙部直径大1mm（高出0.5mm）。管理承磨环在运行中虽已磨平，但不必更换。但如果发现缸套有不正常的磨损和擦伤，则在对缸套进行修整的同时应换新承磨环。缸套、活塞换新时承磨环应予换新。从承磨环的磨损情况可分析活塞的对中情况。,2019年12月19日00:46,6.十字头式活塞组,作用：防止扫气和气缸中漏下来的污物漏入曲轴箱，以免增压空气漏失和燃烧产物污染曲轴箱滑油、腐蚀曲轴和连杆等部件；同时也为了防止曲轴箱中的滑油被活塞杆带到扫气室中。,2）活塞杆填料函,2019年12月19日00:46,2）活塞杆填料函,2019年12月19日00:46,6.十字头式活塞组,3）活塞冷却机构十字头式活塞，冷却液的循环量大，冷却液的输送需要由专门的机构来完成。冷却介质：水或滑油。类别：套管式：密封性好，可输送油和水冷却，但运动时内部容积变化，易产生液击现象；铰链式：运动时内部的容积不变，因而能避免冷却液压力大幅度波动甚至产生液击的现象。但其密封性不好，仅能用来输送滑油。,2019年12月19日00:46,套管式冷却机构,2019年12月19日00:46,铰链式冷气机构,2019年12月19日00:46,2-2燃烧室部件的构造,一、活塞组,二、气缸,三、气缸盖,四、燃烧室部件的故障与管理,2019年12月19日00:46,二、气缸,2019年12月19日00:46,1、缸套的作用及工作条件,作用：构成燃烧室的机件之一；筒形机，引导活塞组往复运动并承受侧压力；二冲程机，气缸中下部设气口，布置气道；十字头机气缸下部作扫气泵空间；气缸外设置扫气箱、排气管、凸轮箱、增压器等。工作条件：受安装力和高温、高压燃气作用，较大机械应力与热应力引起变形；气缸套内受燃气的高温和低温腐蚀，外受到冷却水的腐蚀；活塞组在气缸套内的高速往复运动，引起摩擦和磨损；筒形活塞，缸套受活塞组侧推力的撞击，产生变形和高频振动，引起穴蚀。当用贯穿螺栓把气缸体、机架和机座紧固到一起时，气缸体承受压力。,2019年12月19日00:46,2.气缸套的材料,要求：足够的强度和刚度，良好的耐磨性和抗腐蚀能力，并对它进行良好的润滑和冷却；在气缸套和气缸盖的结合面、气缸体和气缸套的结合面要有可靠的气封和水封。材料及处理：灰铸铁、耐磨合金（含硼、钡、钛、磷、妮等）铸铁和球墨铸铁。缸套内表面进行松孔镀铬、氮化、磷化、表面淬火、喷镀耐磨合金等工艺处理。,2019年12月19日00:46,3.气缸套的种类,1）湿式气缸套,外表面直接与冷却水接触。冷却效果好，制造方便；但缸套壁厚较大，且必须有可靠的冷却水密封措施。应用最广泛。,2）干式缸套,缸套外部镶套形成，用于新型低速机。,外表面不与冷却水接触，气缸体内布置冷却水腔。缸套很薄，利于节约合金材料；但气缸体内孔和气缸套外表面均需要精密加工，以保证气缸与气缸体紧密贴合，良好的散热。适用于大批量生产的小型机。,3）带冷却水套式气缸套,2019年12月19日00:46,4.气缸套的定位与密封,轴向定位凸缘,受热下部自由伸缩,气封可加入紫铜垫片,水封橡胶圈套在缸套外缘,2019年12月19日00:46,5.气缸套的润滑,用于筒形机,用于十字头机,缸套上开有注油孔和注油槽,注油孔位于活塞行至上止点时，1、2道环之间；注油槽布置成下八字形。,2019年12月19日00:46,6.气缸套的冷却,作用：降温；减热应力；防套内滑油结焦；保证活塞与缸套的间隙。冷却介质：淡水冷却水流路径：由下进入，向上流动，最高点排出；避免形成气囊，采用螺旋水道、钻孔冷却等。,检漏孔观察,2019年12月19日00:46,四冲程柴油机的气缸,2019年12月19日00:46,二冲程柴油机气缸,1）二冲程柴油机气缸的构造左为s-mc型，右为s-mc-c型。2）s-mc-c型，气缸体内无冷却水腔，避免下部低温腐蚀。缸套与缸盖密封面较低，密封面工作条件较好,2019年12月19日00:46,钻孔冷却缸套,结构特点：上部壁厚，有很高的刚度和强度，在气体压力作用下，其机械应力和变形均较小；靠近受热的内表面，沿圆周均匀斜钻的许多冷却水孔，冷却效果很好，既降低了气缸套内表面温度，又减小气缸套上部的温差，使其所受热应力也较小。上部与缸体之间的水密，靠气缸套凸缘与气缸体支承凸缘肩的精确加工或加紫铜垫圈保证。下部配合部分，采用23道“o”型密封圈进行密封，密封圈由耐油耐热橡胶（如丁睛橡胶）制成。,2019年12月19日00:46,mc型柴油机气缸套,结构特点：凸肩上半部用钻孔冷却，下半部外侧装有钢套6，它们之间形成冷却水腔5，见b）图。缸套的支承环带上均布着安装注油接头的钻孔，见a)图。缸套的凸肩很高，坐落在气缸体上。此结构可大大降低气缸体的高度，简化气缸体结构，减轻了重量，便于加工制造，对超长行程柴油机（气缸套高度大）十分有利。气缸套下部不用水冷却，使气缸套中、下部有较高的温度，这消除该区域腐蚀磨损有利。新型低速柴油机均已采用凸肩很高、气缸套的下部不用水冷却的气缸套。如“干式”气缸体。s-mc-c.,2019年12月19日00:46,其他,新型中速机越来越多采用在缸套顶部设置一只活塞清洁环（抗磨环、火焰环），如p42图218作用：消除活塞头部积炭，防止活塞头部积炭摩擦缸套壁面，改善了缸套与活塞之间的润滑，从而可以提高pmax，并可以使机油耗降低。,2019年12月19日00:46,2-2燃烧室部件的构造,一、活塞组,二、气缸,三、气缸盖,四、燃烧室部件的故障与管理,2019年12月19日00:46,三、气缸盖(cylinderhead),2019年12月19日00:46,1、气缸盖的作用、型式,1）作用(functions)密封，与气缸套、活塞组件共同构成密闭的气缸空间；压紧气缸套，并保证其正确位置；安装附件（安装喷油器、起动阀、示功阀、安全阀、进排气阀等；）布置通道和腔室（内布置进排气道和冷却水腔；外布置气阀摇臂机构等。）2）型式（是柴油机中结构最复杂的零件之一）,单体式：优点：气缸中心距小，结构紧凑，柴油机刚度缺点：易变形，密封性差，结构复杂加工不便。,整体式：优点：密封性好；拆装以及检修均较方便缺点：气缸中心距，柴油机长度和重量,组合式介于上述两者之间,2019年12月19日00:46,2、气缸盖工作条件(workingcondition),1）气体力pz，高温tr（有的可达到400480）2）螺栓预紧力3）燃气和冷却水的腐蚀4）结构复杂，金属分布不均，在各阀孔之间、阀孔与喷油器孔之间的狭窄区域（称“鼻梁区”）产生很大的热应力。,2019年12月19日00:46,3.气缸盖的材料,要求：具有足够的强度和刚度，保证气缸盖既不会因应力过大而损坏，也不会因变形而漏泄（包括气阀密封面的漏泄）。需要设法增强气缸盖的结构刚性和缓和应力集中情况。具有足够热负荷的承载能力；采用较薄的底板厚度；加强冷却降低壁面温度和温差，注意各种阀孔之间的金属堆积处和高温部位，需进行良好的冷却，力求各部位的温度合适且均匀；减小对底板热膨胀的约束。气缸盖上各种阀件的拆装、维护方便。,400mm以下灰铸铁,400mm以上球墨铸铁；大型低速柴油机采用铸钢或铸铁+铸钢组合式缸盖,材料：,2019年12月19日00:46,4.缸盖与缸套的密封,密封难度1）高温、高压2）气缸盖和气缸体在螺栓之间的刚度并非均匀一致3）不同部位热膨胀不同，密封面发生不均匀变形4）气体压力引起密封机件动态运动解决方法2）气缸套顶面上车制出不同形状的环槽3）气缸盖底面制出凸缘4）两者之间安装环形密封垫片,2019年12月19日00:46,4.缸盖与缸套的密封形式,密封形式：密封垫并加以足够的接触压力来保证可靠的密封效果。,判断：哪种较好？,2019年12月19日00:46,缸盖密封垫,要求：材料耐热、耐蚀和抗压，且足够高的塑性与弹性。型式：图a）：由两层铜（或钢）皮，包敷橡胶石棉板；图b）：合成橡胶石棉内嵌钢质爪形骨架密封垫片；图c)：密封孔口用钢丝环或卷边加强，使密封孔口具有较高的比压，保证密封可靠。单体式气缸盖：多采用紫铜或镀铜低碳钢环形密封垫片，如图d）f)所示。(小型机采用紫铜垫、大型低速机采用低碳钢垫，或不用。),2019年12月19日00:46,缸套、缸盖的冷却,2019年12月19日00:46,整体单体式缸盖,孔1安装喷油器，2、3分别是排气和进气通道，孔4装起动阀孔，孔5接示功阀、安全阀。采用了双层底式结构，加强对气缸盖底板的冷却。即在气缸盖的内部铸出水平中隔板，将冷却水腔分隔成上、下两部分。冷却水从排气道下方水孔引入气缸盖的下层冷却水腔，下层冷却水腔的容积和水流通道面积较小，冷却水的流速较高，加强了气缸盖底板的冷却。,2019年12月19日00:46,组合单体式缸盖,大型低速柴油机采用特点：缸盖高度较大；缸盖与缸套结合面下移；冷却水沿周向进入缸盖，冷却均匀。,组合式,2019年12月19日00:46,缸盖的结构,2019年12月19日00:46,中速柴油机气缸盖的构造,尺寸小、阀件多，结构比大型机更复杂。,2019年12月19日00:46,高速柴油机气缸盖的构造（两个缸合一个气缸盖）,2019年12月19日00:46,缸盖中的进气道,2019年12月19日00:46,2-2燃烧室部件的构造,一、活塞组,二、气缸,三、气缸盖,四、燃烧室部件的故障与管理,2019年12月19日00:46,四、燃烧室部件的故障与管理,2019年12月19日00:46,1.气缸套的常见缺陷、原因分析及措施,1.1常见缺陷,1.2原因分析及措施,2019年12月19日00:46,1.1气缸套的常见缺陷,磨损（熔着、磨料和腐蚀）裂纹（易发生在安装凸肩与外圆转角处，或在燃烧室内壁或气口间筋肋间）穴蚀（外表面蜂窝状小孔，由电化学腐蚀和空泡引起）泄漏（密封圈失效，注意更换）,2019年12月19日00:46,1.2气缸套的常见缺陷原因分析及措施,1.2.1磨损原因分析及措施1）正常磨损的特征：正常磨损率：铸铁0.1mm/kh;镀铬缸套在0.01-0.03mm/kh；无明显划痕、变色或粗燥表面。,油膜失去干摩擦高温冷焊粘着粘着点剪切材料转移反复作用后脱落磨粒。,粘着磨损,磨料磨损,腐蚀磨损,2）三种异常磨损形式的原因,有磨料进入了摩擦表面。,燃油中含s，遇缸套低温发生低温腐蚀；含钒、钠，易高温腐蚀。,若超出正常磨损率，或表面出现异常情况，则可能发生了异常磨损。,2019年12月19日00:46,油膜丧失的原因分析及预防措施,1）油膜形成的条件：足够高的相对运动速度；粘度合适的滑油（温度）合适的装配间隙较高的加工精度和适当的粗糙度负荷不过大2）油膜丧失的原因上述任一条件不具备，油膜将丧失。3）预防措施满足上述条件,根据上述条件，分析缸套上止点附近磨损较大的原因,2019年12月19日00:46,磨料进入气缸摩擦表面的原因分析及预防措施,1）磨料进入气缸摩擦表面的途径：外来磨料：随进气过程吸入的空气中的灰尘；滑油中的杂质。内部磨料：摩擦、磨损产生的磨损产物；燃烧不完全的积碳。2）预防措施：注意“三滤”（空气、燃油、滑油）的清洗，利用分油机对燃油、滑油杂质的分离；确保燃烧完全。,小结：针对三种异常磨损的原因，采取相应的措施，便可有效避免异常磨损。,2019年12月19日00:46,缸套的磨损情况分析,a）正常磨损：上下止点活塞速度为零，磨损较大；b）进气灰尘、积碳等引起的磨料磨损；c）磨屑、滑油杂质引起的磨料磨损。d）粘着磨损示意图e）燃油高硫分，频繁低温起动引起的腐蚀磨损；f）长期冷却水温度过低引起的腐蚀磨损。,2019年12月19日00:46,1.2气缸套的常见缺陷原因分析及措施,1.2.2裂纹原因分析及措施原因：机械应力与热应力共同作用。易发生部位：触火面、应力集中处（尺寸变化比较大的地方）、金属堆积处。缸套具体部位：上部凸肩处、过渡圆角处、水套加强筋处和气口附近。措施：避免用加大缸盖预紧力对方法防漏气，避免热负荷过大。,2019年12月19日00:46,1.2气缸套的常见缺陷原因分析及措施,1.2.3穴蚀的原因分析及措施穴蚀：气缸套外表面冷却壁上出现无沉淀物的蜂窝状小孔群损伤现象。多发生在筒形柴油机中。原因：空泡腐蚀电化学腐蚀开式冷却系统中，以电化学腐蚀为主；闭式冷却系统，以空泡腐蚀为主。,2019年12月19日00:46,电化学腐蚀,电化学腐蚀：（缸套外圆表面冷却的海水是强电解质溶液，淡水是弱电解质溶液。）金属材料各处组织并不完全相同，在水中就构成了许许多多微电池，产生了电化学腐蚀。缸套外表面应力较大处金属的能量高，变得活泼，易腐。缸套外圆的棱角和沟槽处因应力集中成为阳极区（易腐），应力较小的邻近区域成为阴极区，产生电化学腐蚀。冷却水中溶解有氧气，在缸套外表面的穴窝处和缸套与缸体的配合处，因水流不通，在温度较高的情况下含氧量少。因冷却水中含氧浓度不同而形成氧浓差电池。氧浓度低的部位电位低，金属易形成阳极而遭受腐蚀。死水区周围的腐蚀往往就属于这种腐蚀。措施：冷却水中加缓蚀剂。,2019年12月19日00:46,空泡腐蚀,空泡腐蚀原因：,主要发生在筒形机缸套,筒形机缸套受活塞侧推力作用。当活塞侧推力方向改变时，活塞对缸套产生撞击，引起缸套振动，造成其冷却水侧局部的高真空和高压。当水中压力降低到该温度下饱和蒸汽压力以下时，冷却水蒸发和溶于水中的空气析出而形成空泡。此外，冷却水在流动中，由于方向和流速的突然变化，会引起压力的变化。当压力低于当时温度下水的饱和压力时，也会汽化产生空泡。当空泡受到高压冲击而爆破时，就在破裂区附近产生高压波，它以极短的时间作用在很小的范围内，对缸壁有强烈的破坏能力。在这种高压波的反复作用下，气缸外壁金属表面将不断剥落，形成孔穴。,2019年12月19日00:46,减少空泡腐蚀的措施,缸套振动控制侧推力：避免超负荷运行柴油机；控制缸套、活塞之间的间隙：气缸和活塞磨损后及时修复或换新，使之符合说明书要求。确保缸套外表面（尤其在横向位置）光洁；控制冷却水温不过高，保证水压水流方向材料抗穴蚀能力：镀铬、渗氮、喷涂等。,2019年12月19日00:46,四、燃烧室部件的故障与管理,2019年12月19日00:46,2.气缸盖的常见缺陷、原因分析及措施,2.1贴合面漏气1）缸盖螺栓预紧力不足或严重不均2）密封垫片装反、老化或损坏3）贴合面有杂质在局部梗垫，或贴合面本身有损伤伤痕4）缸盖底面或机体支承面变形，平面度误差严重。2.2气缸盖翘曲(warp)1）缸盖螺栓预紧力过大或严重不均；2）柴油机长期超负荷或最高爆发压力过大；3）气缸盖制造加工残余应力严重。,2019年12月19日00:46,2.气缸盖的常见缺陷、原因分析及措施,2.3气缸盖裂纹(crack)最易发生在各阀座孔与喷油器座孔之间1）缸盖材质不合要求，抗热疲劳强度低。2）制造缺陷。没有消除残余应力，局部结构应力集中严重等。3）因结构不当或水垢严重，冷却效果差。4）柴油机使用、操作不当。如突然加大喷油量，突然向冷却系统补充大量冷水或者频繁起动，停车。,2019年12月19日00:46,2.4缸盖维护管理要点,（1）在投入运行前，彻底清洗冷却水腔，保证水路畅通。（2）运转中适时清除水垢和铁锈，保证传热条件良好。（3）控制冷却水的品质，按说明书的规定控制好冷却水的温度、温差和流量。（4）避免长时间超负荷运转，防止过热。（5）当采用外部能源驱动冷却水泵时，柴油机停车后，不应过早停止冷却水循环，以避免产生冷却水“过后沸腾”现象；起动柴油机时，应避免暖机不足而过猛增加负荷。,2019年12月19日00:46,四、燃烧室部件的故障与管理,2019年12月19日00:46,3.活塞的常见缺陷、原因分析及措施,3.1活塞的裂纹主要发生在顶岸、过渡圆角和环槽。,2019年12月19日00:46,3.活塞的常见缺陷、原因分析及措施,3.2活塞顶的烧损特征：活塞顶金属材料被逐渐被烧蚀，使活塞顶越来越薄，强度越来越差。用标准卡板测量。烧损速度加快的原因：喷油器喷出的油束直接到达活塞顶面；活塞的冷却腔太脏使冷却不良、导热不好、局部过热等。活塞顶烧损在直流扫气及油冷柴油机活塞上出现较多。因这种柴油机的两只喷油器分别装在气缸盖排气阀的两