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一、活塞的作用和工作条件⑴作用可分为十字头式活塞和筒形活塞两大类。•既是燃烧室部件的一部分，又与连杆、曲轴组成运动机构。•①密封燃烧室，完成压缩和膨胀过程；将气体力经连杆传递给曲轴。•②筒形柴油机中，活塞承受侧推力，起着滑块的作用。•二冲程柴油机中，活塞头部启闭气口，控制换气。⑵工作条件•受到燃气高温、高压、烧蚀和腐蚀作用。•热负荷、机械负荷高，使材料的机械性能降低，易发生裂纹和变形。•活塞与气缸在相对运动中产生摩擦和撞击。•活塞与气缸由于温度高、燃气冲刷、做往复变速运动等原因，不能建立良好的液体动力润滑，摩擦损失大，磨损严重。•中、高速机中，活塞往复惯性力大，使柴油机振动加剧。二、活塞的要求和材料要求：•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、高速柴油机还要求重量轻(密度小)。材料：常用材料有三种：铸铁(合金铸铁、球墨铸铁)、钢(铸钢、耐热合金钢)和铝合金(高速机为了减小往复惯性力)。活塞：活塞头+活塞裙活塞头：与燃气直接接触，承受高温与高压。活塞裙：与气缸套接触，产生摩擦与磨损。大中型柴油机活塞头跟裙部分开制造(合理使用材料)。活塞头通常由铸钢或耐热合金钢制造。活塞裙一般用耐磨铸铁制造。中小型柴油机活塞头与裙部制成一体，由铸铁制造。某些小型高速机，活塞用铝合金制造(减轻活塞重量)。三、筒形活塞的组成和结构特点由活塞头、活塞裙、活塞环和活塞销组成。Wärtsilä32型柴油机活塞结构介绍。1.活塞本体活塞本体=活塞头(铸钢)+活塞裙(球墨铸铁)。活塞顶部做成浅盆形或浅ω形，利于燃油和空气混合燃烧，顶部留有避让坑B。头部有两道压缩环和一道刮油环，环外表面镀铬，减少磨损。活塞采用滑油冷却。滑油经曲轴、连杆、活塞销及活塞裙中的通道送至冷却腔A，流经中央冷却腔，最后泄至曲轴箱。裙部承受气体压力和侧推力。裙部由于活塞销座热膨胀、侧推力作用等会发生变形(椭圆形)，轴线方向伸长，发生卡阻现象(裙部加工成椭圆形，长轴在垂直活塞销轴线方向上，或车掉活塞销轴线方向金属)。图2.2-8筒形活塞(Wärtsilä32)１-活塞裙；２-卡簧；３-活塞销；4-刮油环槽；5-压缩环槽；6-活塞头；Ａ-冷却腔；Ｂ-避让坑；C-注油孔活塞裙部的椭圆变形演示中小型柴油机活塞的尺寸较小，热负荷较低且散热性好，也可以不进行冷却。Wärtsilä32型柴油机活塞裙部设有四个润滑油孔C，从连杆钻孔来的润滑油经这四个小孔供向活塞和气缸摩擦表面，确保活塞环跟活塞裙的可靠润滑，降低摩擦损失。图2.2-8筒形活塞(Wärtsilä32)１-活塞裙；２-卡簧；３-活塞销；4-刮油环槽；5-压缩环槽；6-活塞头；Ａ-冷却腔；Ｂ-避让坑；C-注油孔2．活塞环按其功用可分为压缩环(气环)和刮油环两种。压缩环：保证活塞和气缸在相对运动条件下的密封。二、四冲程柴油机都装有。刮油环：除去气缸套表面多余滑油，仅用于筒形活塞式柴油机(飞溅润滑)。第一道活塞环工作条件最恶劣，直接承受高温、高压燃气的作用。活塞环运动形式复杂：轴向运动和轴向振动，径向运动和径向振动，回转运动，扭曲振动。活塞环工作中易出现的故障：①因振动、与气口挂碰(二冲程机)、弹性张合等作用有可能产生裂纹或折断。②柴油机运行中，会因燃烧不良、滑油过多将活塞环粘着在环槽里，失去密封作用，造成燃烧室窜气，产生活塞环压入及烧损现象，造成疲劳断裂。对活塞环的要求：①良好的密封性能，耐磨，抗熔着磨损性能高；有适当的弹性，足够的强度和热稳定性。②材料要求：弹性较好，摩擦系数小，耐磨、耐高温，良好的初期磨合性、储油性和耐酸腐蚀。所用材料：合金铸铁(加硼、高硅)、可锻铸铁、球墨铸铁。特殊工艺措施：表面镀铬以提高耐磨性；松孔镀铬以提高表面储油性加快磨合；内表面刻纹以提高弹性；环外表面开设蓄油沟槽；环外表面镀铜以利磨合；喷镀钼(熔点为2620℃)以防粘着磨损等。目前新型柴油机活塞环的外表面普遍采用陶瓷涂层技术，以提高活塞环的耐磨性和工作寿命。(1)压缩环(气环)①作用：防止气缸中的气体漏泄和将活塞上的部分热量传给气缸。活塞环图2.2-9压缩环的密封作用压缩环的密封作用是依靠本身的弹性和作用在它上面以及漏到环内侧的气体压力，使环紧紧贴合到气缸壁和环槽壁上，阻止气体泄漏。活塞环的密封面是其外圆面和下平面，是不允许修整的，通常在活塞的上平面上会打有标记。为了提高密封效果(活塞环留有搭口、活塞环可能出现的失效)，一个活塞上要设多道压缩环。通常高速柴油机装2～4道，低速柴油机装4～6道。现代新型柴油机活塞环数量趋于减少，高速柴油机装2道环，中速柴油机装3道环，低速柴油机装4道环。第一道环由于高温、高压燃气的直接作用，承受的负荷最大。压缩环的结构形式根据其断面形状，可分为矩形环、梯形环、倒角环、扭曲环(内切槽朝上、外切槽朝下)等。气环断面形状轮机教研室主推进动力装置16青岛港湾职业技术学院矩形环优点：结构简单，加工方便，应用最广泛。缺点：与气缸壁的单位面积压力小，密封和刮油效果都较差；温度超过200℃时容易在环槽中结焦卡死。轮机教研室主推进动力装置17青岛港湾职业技术学院梯形环缺点：环的制造比较麻烦，其断面强度较低。优点：•环的相对运动使侧面间隙不断变化，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；•（耐高温性好，常用于热负荷较高柴油机的第一道气环）。轮机教研室主推进动力装置18青岛港湾职业技术学院倒角环优点：上行布油，下行刮油；初磨合时间缩短。缺点：外圆面上也受到气体压力作用，降低了密封作用，锥面角越大越严重。一般不能作第一道环，不能装反。轮机教研室主推进动力装置19青岛港湾职业技术学院扭曲环内切槽环切槽朝上，外切槽环切槽朝下。梯形环、倒角环和扭曲环一般用在四冲程中、高速柴油机中。工作原理：利用材料截面不对称性，径向弹力上下不一致，使环产生扭曲，接触面减小，增加比压，增强气密性和刮油性能。轮机教研室主推进动力装置20青岛港湾职业技术学院气环的搭口形状直搭口：加工方便，应用最广。斜搭口：倾斜角θ一般为30°或45°，在相同开口间隙Δ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，气密性最好。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，安装时搭口应相互错开，并使相邻环的斜搭口方向相反。活塞环搭口间隙是指活塞环工作状态下切口的垂直距离δ，也称开口间隙，如上图所示。所谓天地间隙是指活塞环在环槽中，活塞环端面与环槽上或下面的垂直间隙，也称“端面间隙”或“平面间隙”，如图中的△。活塞环搭口间隙和端面间隙注：活塞环的天地间隙和搭口间隙一般为第一、二道环最大依次减小。刮油环飞溅润滑：筒形活塞式柴油机中，做回转运动的曲柄销轴承把润滑油甩到气缸壁上，活塞和气缸套之间就是依靠这样飞溅来的油进行润滑的。由于飞溅的油过多，气环会通过泵油作用把它泵入燃烧室，增加滑油消耗，污染活塞、气缸、气阀和排气道，因此要在气环下面装设1～2道刮油环。新型柴油机通常只装设一道刮油环。气环的泵油作用原因：由气环在缸壁上的刮油作用及气环在环槽中的挤油作用引起的。活塞环在环槽中的运动是由气体力、惯性力和摩擦力的合力来决定的。密封环泵油现象密封环的泵油原理轮机教研室主推进动力装置25青岛港湾职业技术学院刮油环种类：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：接触面积小，接触比压大，提高刮油效果；天地间隙小，减少泵油作用；油环及环槽开有泄油孔，将挂下的油排入曲轴箱。注意：安装刮油环刮刃为锥状表面时，刮刃的尖端应放在下方。以便上行布油，下行刮油，装反后向上刮油，使大量滑油窜入燃烧室。刮油环的结构轮机教研室主推进动力装置26青岛港湾职业技术学院刮油环工作原理轮机教研室主推进动力装置27青岛港湾职业技术学院刮油环下行刮油环上行上图是Wärtsilä32柴油机的活塞环组。采用两道压缩环、一道刮油环的结构。油环采用双刃刮油环，背部装有弹簧，借助弹力提高径向压力和刮油效果。内弹簧刮油环环跳现象正常情况下，随着活塞的往复运动，活塞环也随之产生上下运动。当柴油机转速增高，或环的张力(弹力)不足时，就容易因惯性作用而引起气环不应有的、在环槽中的上下运动，密封环不再紧压在环槽底面而是上行并悬浮在环槽中，就是所谓的“环跳”(飘环)现象。后果：加剧环槽中的气体泄漏。这种现象最易在柴油机低负荷而高转速时发生。承磨环（1）作用：专为活塞与气缸的磨合而设置的。（2）短裙1-2道，长裙2-4道，超短裙可不装。（3）材料：青铜，分成3-4段敲进环槽中，直径比裙部直径稍大。（4）管理要求：运行中虽已磨平但不必更换。缸套、活塞换新；缸套不正常磨损、擦伤在对缸套进行修整的同时应换新承磨环。承磨环3．活塞销•（1）作用和工作条件：筒形活塞中，连接活塞与连杆小端，传递周期变化的气体力和惯性力。承受摩擦与磨损，受活塞限制，本身尺寸小，润滑条件差。•（2）要求：足够的耐疲劳强度、抗冲击、耐磨损、重量轻。•（3）材料：优质碳钢或低碳合金钢，表面渗碳淬火，使表面硬度高而内部韧性好。•（4）结构形式•a.浮动式：活塞销在连杆小端和销座内部可自由转动。销磨损小且均匀，工作可靠，拆装方便，故应用最广。销两端用卡簧轴向定位防轴向窜动。•b.半浮动式：活塞销固定在连杆小端。•c.固定式：活塞销固定在活塞销孔的销座上。活塞销活塞销定位方法为了防止浮动式活塞销从销座中窜动刮伤气缸，用卡簧轴向定位。在装配时活塞销与活塞销座孔应有一定过盈，将活塞加热到90～100℃，然后轻轻推入销座中。活塞销上的径向孔用来润滑活塞销座及连杆小端轴承，并输送润滑油冷却活塞。由于现代柴油机爆压大，活塞销承受负荷很高，其主要的受力面是活塞销座的上面和连杆小端轴承的下面。为了保证活塞销、销座和连杆小端合理受力，一般将销座和连杆小端轴承做成阶梯形，以增加承压面积。4.活塞的冷却活塞按散热方式可分为非冷却式和冷却式活塞。(1)非冷却式活塞(径向散热型)散热方式：活塞头吸收的热量主要通过活塞环传给气缸套并通过冷却水带走。它主要用于尺寸较小的小型柴油机活塞。结构特点：这类活塞为了便于散热，在结构上通常顶部壁厚较大并沿活塞半径方向逐渐增厚，顶部内腔环带的过渡圆角半径较大。(2)冷却式活塞(轴向散热型)使用冷却介质(如淡水、滑油)对活塞顶内腔进行强制冷却。结构特点：在此类活塞中，为保证大部分热量为轴向散热，活塞顶采用薄壁结构。同时为减小径向散热，保护第一道活塞环温度不致太高而使活塞顶部内腔环带的过渡圆角半径较小。有时在第一环上方的活塞头外圆表面车制一道隔热环槽。显然此种活塞广泛用于大、中型柴油机。筒形柴油机活塞的冷却方式可大致分为以下三种：第一种为自由喷射冷却。滑油在压力作用下经连杆杆身内的输油通道，自下而上经连杆小端上部的喷嘴喷出冷却活塞顶，然后落入曲轴箱。此种冷却方式多用在强化度不高的小型柴油机中。第二种为循环冷却。借助于专设的冷却机构把压力滑油送入活塞顶内腔中循环冷却(先周围后中部)。此时需在活塞顶内设循环腔或埋入蛇形管。此种冷却方式可对活塞顶部进行均匀而有效地冷却，但对强化承度很高的现代柴油机仍不能满足要求。第三种为振荡冷却。在活塞顶内腔中设置大容积的冷却空间，并利用进、出口位置不同，保证冷却腔中的冷却液只充满40%～60%，并以一定的循环速度流过。由于活塞运动的往复惯性力，使得冷却液在腔室中产生上下冲刷振荡，加强对活塞顶的冷却作用。振荡冷却方式在大、中型强载柴油机上普遍采用。在筒形活塞中广泛采用的是在曲轴、连杆中钻孔，滑油由主轴承经此孔道送至连杆小端，再经过活塞销和活塞销座中的孔道送至活塞头冷却空间，冷却后的滑油泄回曲轴箱。㈠、活塞本体1.活塞十字头式柴油机活塞由活塞头、活塞裙、活塞环、活塞杆和活塞冷却机构组成。活塞头用螺栓固定在活塞杆的顶部，活塞裙由螺栓固定在活塞头上。由于活塞头部承受高温、高压，活塞裙部与缸套产生摩擦和磨损，为了合理使用材料，活塞头和活塞裙分别用耐热合金钢和耐磨铸铁制造。活塞头的顶部呈下凹形，利于燃油和空气混合。四、十字头活塞的组成和结构特点