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活塞环是发动机的关键件之一,其工作的好坏直接影响发动机的性能。同时,活塞环又是易损件,检修活塞环时,通常要吊出活塞,因此,常常把检修或更换活塞环的时间作为发动机的第一次检修期限。
  近年来,由于发动机向高速和强化方向发展,活塞环的工作条件越来越苛刻,对其耐磨性也提出了更高的要求。
  活塞环的磨损及影响因素
  汽车发动机的活塞环和缸套之间的磨损具有如下几个特点:
  1.活塞环在上下止点之间作往复运动,速度从静止状态变化到最高达30m/s左右,如此反复的做大幅度变化。
  2.做往复运动时,在工作循环的进气、压缩、做功和排气行程中,汽缸压力变化很大。
  3.因为受燃烧行程的影响,活塞环的运动经常是在高温下进行的,特别是第一道气环,在高温高压及燃烧生成物所产生的化学作用下,油膜很难建立,使其实现完全润滑比较困难,而常常处于临界润滑状态。
  根据磨损机理,活塞环磨损可分为正常磨损、熔着磨损(划伤,擦伤)、磨料磨损及腐蚀磨损。但这些磨损现象不会单独出现,而是同时存在并且相互影响。按照磨损部位,活塞环磨损又可分为滑动面磨损和上下端面磨损。一般来说,滑动面磨损比上下端面磨损大,滑动面主要是熔着磨损和磨料磨损;上下端面则以因活塞做往复运动而引起的撞击磨损为主。
  活塞环滑动面最大磨损常出现在汽缸上止点位置,因为该处受高温气体作用,破坏了油膜,造成易于熔着的条件,从而加速了活塞环的磨损。通常所谓的正常磨损实际上包含了轻微的熔着磨损和磨料磨损。各道环滑动面磨损量不一样,第一道气环磨损量最大,第二道环约为第一道的一半左右,油环的磨损量最小。例如,装在斯太尔WD615发动机上的活塞环经过500h可靠性试验后,第一道气环开口间隙磨损为0.4~0.6mm,第二道开口间隙磨损为0.25~0.4mm,油环开口间隙磨损为0.3~0.55mm。但有时油环磨损比中间几道环还大,这是由于受到汽缸表面润滑油分布和吸附杂质的影响。
  活塞环上下端面的磨损主要是因为机油燃油中的硬性残渣以及从大气中混进的尘埃颗粒在上下端面上形成的机械研磨,本质上是磨料磨损。可是,当出现活塞的异常热变形、环槽侧隙变小时,也可能发生熔着磨损。
  影响活塞环磨损的因素很多,其中活塞环的材料和形状、汽缸套活塞的材料和结构、润滑状态、发动机的结构形式、运转条件、燃油和润滑油的品质等是主要因素。当然,在同一汽缸中,润滑状态对活塞环磨损的影响则是最大的,可以说,活塞环的磨损在很大程度上取决于润滑状态。理想的环面间润滑为两滑动面间有一层均匀的油膜,然而这种情况事实上并不存在,特别是第一道气环,由于受高温的影响,很难建立起较理想的润滑状态。
  活塞环的减磨措施
  由于影响活塞环磨损的因素很多,而且这些因素往往是交织在一起的。另外,发动机的类型及使用条件不同,活塞环的磨损也有很大差别,因而不能只靠改善活塞环本身的结构和材料来解决问题,主要可以从以下几个方面来着手:活塞环和汽缸套的材料及良好的匹配;表面处理;结构状态;润滑油及添加剂选择;由于装配及运转时受热而导致的汽缸套及活塞的变形等。
  下面主要探讨材料、结构及表面处理等方面的措施。
  1.选择匹配性能良好的材料
  就减少磨损而言,作为活塞环的材料,首先必须具备良好的耐磨性和贮油性。一般来说,必然是第一道气环比其它环磨损较多,因此,特别有必要使用善于保持油膜而不被破坏的材料。具有石墨组织的铸铁之所以受到重视,其原因之一就是它具有良好的贮油性和耐磨性。
  为进一步提高活塞环的耐磨性,可在铸铁中加入不同种类和含量的合金元素,例如现在发动机普遍采用的铬钼铜合金铸铁环,在耐磨性和贮油性方面都表现出明显的优点。
  总之,活塞环所用材料最好是能形成合理的软基体加硬质相的耐磨结构,使活塞环在初期磨合时易于磨损,磨合后又难于磨损。
  另外,与活塞环相配合汽缸的材质对活塞环的磨损也有很大影响。一般来说,配磨材料的硬度差为零时磨损最小,随着硬度差增大,磨损也随之增大。但是,在选材的同时,最好是在两个零件都有最长寿命的前提下,使活塞环比汽缸更早达到磨损极限,这是因为更换活塞环比更换汽缸套较经济和容易。
  对于磨料磨损,除考虑硬度外,还必须考虑活塞环材料的弹性影响,韧性强的材料难磨损,抗磨性也高。
  2.结构形状改进
  几十年来,国内外对活塞环的结构提出了许多改进,而将第一道气环改成桶面环的成效最显著。因为,桶面环有一系列的优点,就磨损而言,桶面环不管向上还是向下运动,润滑油均能靠油楔作用把环浮起,保证良好的润滑。另外桶面环还能避免棱缘负荷。目前,在强化柴油机中已普遍采用桶面环作为第一道环,其他类型的柴油机中也较普遍地采用了桶面环。
  至于油环,国内外现在普遍采用的内撑螺旋弹簧铸铁油环具有很大的优点,这种油环本身挠性很好,对变形后的汽缸套有极好的适应性,从而可以保持良好的润滑,减少磨

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