轮机工程,船舶柴油机,主动力推进装置lecture3

1、01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,1,复习回顾,柴油机的增压 船舶柴油机的分类 船舶柴油机的总体结构 船舶柴油机的主要技术指标 作业简评,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,2,本课次主要内容,主要运动机件（曲柄连杆机构）简介 活塞组概述 筒状活塞组的结构特点,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,3,曲柄连杆机构（主要运动件 ）,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,4,主要运动件,主要运动件,连杆组成,曲轴,十字头组件,活塞,中小型柴油机,大型低速柴油机,作用：将往复运动变为曲轴的回转运动，使燃气

2、推动活塞的动力通过曲轴以回转的方式向外输出。,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,5,曲柄连杆机构简图,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,6,曲柄连杆简图,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,7,活塞组概述,活塞的分类 活塞组的基本构成 活塞组的功用 活塞的工作条件 常用活塞材料,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,8,活塞的分类,筒状活塞 按散热方式分类：非冷却式 /冷却式 按结构分类：整体式/组合式 按材料分类： 十字头式活塞 冷却式和组合式 按散热方式分类：水冷/油冷,01.04.2021,

3、第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,9,活塞组的基本构成,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,10,活塞组件的功用,安装的活塞环，与缸套、气缸盖共同组成密闭的气缸工作空间； 活塞承受缸内气体向力，经连杆传递给曲轴； 在筒状活塞式柴油机中，承受侧推力，起往复运动的导向作用； 二冲程柴油机中，开启、关闭气口，控制换气。,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,11,活塞组的工作条件,受气体力、往复惯性力以及侧推力的周期性作用； 高温燃气体周期加热，使活塞材料的强度降低，同时触火面产生热变形和很大的热应力； 和气缸之间不可能建立液体动力润滑。筒状活塞式柴

4、油机的侧推力使活塞不断撞击气缸套，引起活塞变形和气缸套振动。在中、高速柴油机中往复惯性力，使得振动加剧。,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,12,活塞组件的要求,活塞组件的要求 活塞强度高刚度大，尽可能减轻重量 气密可靠 冷却效果好 摩擦损失小 耐磨损，较少的润滑油消耗量 良好的润滑、较小的磨损,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,13,活塞本体材料,合金铸铁（铸钢）：较高的机械强度、较小的热膨胀系数以及良好的耐磨和耐腐蚀性能，价格低廉，工艺性好，但密度大，吸热性和导热性差 铝合金：密度小，但热强度较差，热膨胀系数较大 球墨铸铁和耐热合金：在强

5、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。,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,14,活塞的常用材料,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,15,筒状活塞,活塞的热负荷 活塞的冷却方式 组合式活塞的“薄壁强背”结构 （热负荷/机械负荷） 活塞裙部型面和活塞变形 （热变形） 活塞销 活塞环,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,16,筒状活塞组的结构,组成 活塞、活塞销、活塞环、衬套和活塞销盖,活塞的热负荷,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一

6、节 活塞组,17,活塞的热负荷,活塞的热负荷概念和热负荷故障 活塞热负荷的表达 温度和温度场 热变形 热应力 活塞热负荷和机械负荷,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,18,活塞的冷却,按其散热方式分：冷却式和非冷却式,热量通过活塞环向气缸套 及其外侧的冷却水带走 头部结构要便于散热,热量主要由冷却介质带走。 (轴向散热),活塞组件 1-活塞本体；2-气环；3-油环；4-活塞销,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,19,筒状活塞冷却,自由喷射冷却,循环冷却,振荡冷却,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,20,组合式活塞,头

7、部：球墨铸铁或耐热合金钢材料 裙部：铝合金或球墨铸铁材料,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,21,活塞的改善措施,改善措施： 圆弧过渡：非冷却整体铝活塞 隔热槽：整体铝活塞 耐磨镶座：第一环槽,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,22,耐磨镶座,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,23,活塞运行过程的变形,活塞受热膨胀（图2-6活塞顶部变大） 活塞裙部的椭圆变形,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,24,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,25,活塞运行过程的变形,变形的原

8、因 1）气体力作用； 2）侧推力作用； 3）裙部金属堆积（活塞销座）,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,26,筒形活塞裙部形状,变形情况： 设计方法 (1)短轴在活塞销中心线上 (2)销座周围的裙部表面内凹,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,27,2.2.2 活塞组,活塞组的工作条件 活塞本体的常用材料 筒状活塞组 十字头式柴油机活塞组,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,28,活塞销,1.功用 连接活塞与连杆，将活塞承受的力传给连杆。 2.工作条件 (1)承受燃烧压力产生的交变冲击力。 (2)与活塞销座及连杆的配合面

9、承压面积不能大，相对运动速度低，不易形成油膜，润滑条件差，很容易磨损。 3.要求 足够的疲劳强度、刚度、表面硬度和抗冲击韧性 4.材料：低碳优质钢或合金钢+外表面渗碳、淬火处理(表面足够硬度，内部较高韧性),01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,29,2.2.2 活塞组,活塞组的工作条件 活塞本体的常用材料 筒状活塞组 十字头式柴油机活塞组,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,30,活塞环,活塞环的分类：气环（密封环）和油环 活塞环的作用：密封,散热,调节滑油,支承 活塞环的工作条件： 1)高温高压燃气体力、往复惯性力、摩擦力、横向振动、气口挂碰等

10、使得运动复杂； 2)缸套失圆、锥度使得交变的张合运动； 3)润滑条件差，产生摩擦和摩损 4)振动挂碰张合产生裂纹和折断,粘着后窜气而失效 气环的数量：高2-3，中3-4，低5-6 ，油环一般是1-2道。目前的趋向是减少环数，强化第一道环。（？）,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,31,活塞环,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,32,活塞环,活塞环的材料：硬度比气缸套硬一些 (常用显微镜组织细密的珠光体基体),01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,33,活塞环材料性能参数,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节

11、 活塞组,34,活塞环镀层比较,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,35,活塞环,要求： 密封、耐磨、抗熔着磨损、弹性、滑油调节 材料工作表面的处理： 提高耐磨性：镀铬、氮化 改善初期磨合性能：镀铜、磷化、渗硫 以防粘着磨损：喷钼,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,36,活塞环,活塞环截面： 要求：密封+有利于磨合+控制调节作用。 形状 ：,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,37,活塞环不同截面特点（1）,1、矩形环 优点：结构简单，加工方便 缺点： （1）与气缸壁的单位面积压力小，密封和刮油效果都较差； （2）运行时

12、往往因活塞的热膨胀和活塞头的摇摆等原因，使环与缸壁失去正常的接触，引起滑油耗量的增加。,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,38,活塞环不同截面特点（2）,2、锥面环 优点： 上行布油 下行刮油 缩短初磨合时间 缺点： 外圆面上也受到气体压力作用，降低了密封作用，锥面角越大超为严重。 一般不能作第一道环，不能装反,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,39,活塞环不同截面特点（3）,3、梯形环 优点： 环的相对运动侧面间隙不断变化，把环槽中的积碳压碎并挤压出去 侧隙中的气体产生径向分力加强了密封作用 单侧楔形环，有扭曲环的特点。 缺点： 环的制造比

13、较麻烦，其断面强度较低。 （耐高温性好，常用于热负荷较高柴油机的第一道气环）,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,40,活塞环不同截面特点（4）,(4)扭曲环 优点：扭曲兼有锥面环优点，良好的气密和刮油作用。 缺点：不能装反，增大了环与环槽侧面的磨损,内切槽环切槽朝上，外切槽环切槽朝下,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,41,活塞环不同截面特点（5）,(5)桶面环 优点：接触面积小密封性好，磨损减少。 缺点：加工困难，其刮油作用并不强烈。 常用作强化柴油机的第一道环。 (6)开槽环 优点：有利于润滑和建立油膜 ，提高了表面接触比压,01.04.

14、2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,42,活塞环不同截面特点（6）,(6)开槽环(槽面环) 优点：有利于润滑和建立油膜 ，提高了表面接触比压 缺点：容易引起漏气 适用于润滑条件差、强载度高的柴油机。 作第一道活塞环时，槽数不能太多。,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,43,活塞环,活塞环搭口： 安装时搭口要求：不在同一直线上，斜口错开,a直切口 b搭切口 c斜切口,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,44,活塞环的开口形状,密封性： 搭切口斜切口直切口 加工性： 直切口斜切口搭切口 开口间隙：大了漏气，小了卡死折断。 端面间隙：过小易卡死而失去密封性，过大则泵油现象严重。,a直切口 b搭切口 c斜切口,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,45,活塞环的泵油作用,01.04.2021,第二章 主要运动机件 第一节 活塞组,46,油环,油环（活塞下部12道环）