活塞销孔（精选四篇）
活塞销孔 篇1
活塞销孔加工技术要求
我公司生产的某型号活塞, 其材料为铸铝合金ZL109, 外圆直径较小 (外圆直径≤50mm) , 活塞销孔加工技术要求如图1所示:销孔内径尺寸φ10mm, 公差0.008mm, 圆度要求为0.001 5mm, 圆柱度要求为0.002 5mm, 表面粗糙度值要求Ra≤0.4μm。在活塞的试制加工阶段, 沿用公司常用的加工小直径活塞销孔 (销孔直径<15mm) 的方法, 将销孔分为粗镗、半精镗和精镗三道工序加工。
工序余量标准为:粗镗工序用于去除销孔大部分加工余量, 粗镗销孔时孔径一般加工至销孔成品直径+1.5mm;半精镗工序用于给成品销孔直径留约0.5mm的加工余量, 既能保证精加工时有足够的加工余量, 又能使精加工时取得较好的加工表面质量。精镗销孔工序作为最终加工工序, 需镗削销孔至产品图样设计要求的尺寸精度并保证销孔的表面粗糙度要求。精镗销孔时采用在一个镗杆上安装两把刀具的形式。第一把刀为普通硬质合金镗刀, 用于镗削本工序90%的加工余量, 并使所留的切削余量均匀;第二把刀为聚晶金刚石镗刀, 镗削本工序剩余的约10%的加工余量。在镗削过程中为减少因切削抗力而引起的振动, 镗杆设计时, 一般考虑两把镗孔刀尖的距离要大于单侧销孔的轴向长度 (见图1所示的尺寸13mm) , 目的在于减少因两把镗孔刀同时参与切削时, 因切削抗力过大会使切削加工时产生振动, 从而造成活塞销孔表面形状误差超差及表面粗糙度值过大的现象。
活塞的加工过程分析
由于此活塞的结构特点, 内挡宽度11mm, 销孔单侧长度13mm, 活塞销孔单侧长度大于挡子宽度, 设计镗杆上两把刀的距离为13.5mm, 活塞加工时, 两把刀在加工左侧销孔时, 可以不同时加工活塞销孔, 但当第一把刀加工至右侧销孔时, 由于内挡宽度距离仅11mm, 小于两把刀的距离13.5mm, 因此后一把刀仍在左侧销孔内, 从而造成两把刀同时吃刀。此时由于产生的切削抗力较大, 会使镗杆发生轻微振颤, 导致此时刀杆上的后一把镗刀正在加工的活塞销孔部位表面振纹明显, 从而影响销孔的圆度及圆柱度, 同时销孔表面粗糙度值也达不到产品的技术要求。
改进措施
根据影响活塞销孔加工精度的主要因素, 设计时考虑避免两把镗刀同时加工活塞销孔, 目的是减少切削抗力对工件加工质量的影响。
1.方案一:精镗采用一把刀
将精镗销孔工序改为一把刀加工, 半精孔给精孔留0.3mm (直径上) 余量。但是采用常用的加工切削参数进行加工时, 在加工过程中刀具发生了崩刃现象。原因分析:由于背吃刀量较大, 在加工过程中会产生较大的切削抗力, 而由于金刚石刀具的材料特点, 其本身的韧性较弱, 因此在切削抗力的作用下, 出现了刀具崩刃现象。
2.方案二:加长镗杆长度
即把两把刀的轴向间距加大至37.5mm (大于销孔单侧长度13mm×2+内挡宽度11mm) , 加工时出现扎刀现象。原因分析:由于镗杆长度过长, 而直径较细, 导致镗杆的刚度降低, 切削加工时产生了扎刀现象, 因此不能正常生产。
3.方案三:改进刀具和切削参数
1) 将装在镗杆上的前面的粗镗销孔刀采用图2所示的结构尺寸, 使其主偏角由原来的45°改为90°, 目的是减小加工销孔时过程中产生的径向抗力。同时为增加刀尖的锋利度, 减少刀具后刀面与已加工销孔表面的摩擦, 将粗镗销孔镗刀的的后角加大, 第一后角由9°改为12°, 第二后角由13°改为15°。进行试验加工, 结果表明活塞销孔的表面振纹明显减弱。
2) 在此基础上将加工销孔的切削参数进行优化设计。为减少试验次数, 用较短的试验时间得到合理的切削参数, 利用公司方便的试验条件, 使用正交试验法对切削参数进行优化设计。
优化设计步骤如下:
首先将切削参数的三要素:背吃刀量ap (以后一把刀的切削余量为计算标准) 、进给量f和镗杆转速nc作为影响表面粗糙度试验的因子, 各因子均取两个水平。然后按全因子试验并安排4个中心点来进行试验。为排除误差的干扰, 将试验顺序进行随机化处理, 并将4个中心点实验顺序调整在实验的开始、中间和结尾, 按照下表所示的试验顺序, 进行相应加工, 并在试验现场采用便携式粗糙度仪对活塞销孔表面粗糙度进行检测, 将检测的结果进行相应记录, 其结果见表2。
由切削参数的试验结果可知:切削加工此结构的活塞销孔时, 背吃刀量及进给速度对活塞销孔表面粗糙度的影响较大, 其中进给速度对销孔表面粗糙度的影响最大。而通过实验表明在一定的切削条件下, 镗杆的转速对活塞销孔表面粗糙度的影响不是特别明显。当加工小直径特殊结构的活塞销孔时, 采用合理的镗杆结构及适合的刀具设计方案, 当切削参进行优化设计后按:切削深度0.05mm, 进给速度为100mm/min, 镗杆转速为1 800~2 000r/min时, 活塞销孔的表面粗糙度值Ra≤0.4μm, 能够满足产品的设计技术要求。同时检测销孔的形状精度其圆柱度在0.002 5mm以内, 达到了较好的加工效果。
结语
对特殊结构活塞销孔的加工, 影响销孔表面质量的主要因素为镗杆结构及刀具的形状。通过优化设计的方式可较快的得到合理的切削参数。在实际生产时, 由于产品结构及加工的实际情况的不同, 有时会与原有的加工理论存在一定的不匹配现象, 只有通过大量的试验验证, 才能取得较好的加工效果。
活塞销孔内倒角加工工装改进 篇2
2012年, 主机客户反馈我公司提供的产品装销困难, 易产生活塞销与活塞销孔卡死现象, 接用户反馈信息后我公司进行了多次改进, 包括卡槽倒角、销孔外口粗糙度、销孔粗糙度及销孔直径范围等, 但效果不明显。2012年6月, 客户因装销困难问题停装我公司的该产品。
该产品是我公司供主机客户的主要产品之一, 年供货量达60万只以上, 如果停装将会给我公司造成不可估量的损失。为了尽快恢复装机、抢夺市场份额, 我分厂与技术部迅速成立攻关小组, 来解决活塞销与活塞销孔卡死问题。
1 原因分析
攻关组充分分析竟争对手的产品特点, 发现竞争对手产品的销孔粗糙度、卡槽倒角、销孔外口倒角等项目与我公司产品工艺要求基本一致;但是对手产品的销孔内倒角却是整周加工, 而我公司产品只有在活塞内腔底部有内倒角, 长度约占销孔周长的1/3。经与技术部共同分析认为, 我公司产品销孔内倒角不是整周加工, 在没有倒角的部位可能存在毛刺, 造成了活塞在装配时装销困难。按照我公司原有的加工活塞销孔内倒角工装, 无法完成斜内档销孔内倒角的整周加工。因为我公司原有的加工方式为:以活塞销孔定位并平定位在主轴上, 以活塞旋转来加工销孔内倒角。因斜内腔面不与主轴轴线垂直, 所以不能加工出整周内倒角。
2 改进方案
攻关小组在经过对销孔内腔截面形状的分析后, 确定了三种实验加工方案:
⑴将活塞倾斜固定在操作台上, 使活塞内腔的一个侧面与操作台平行, 然后用气钻带动刀具在销孔中心旋转加工出销孔内倒角。此方案经实施后, 加工出的内倒角符合图纸要求但操作人员劳动强度大、加工效率低。
⑵将活塞固定在一个翘板机构上, 再将翘板机构安装在滑轨上, 最后将这一套装置安装在压光机上。在压光机转动轴上安装上镗杆、在镗杆上安装刀具。操作人员在压光机轴不转的情况下将活塞向前推, 使刀具进入活塞内腔后再转动主轴。操作人员扳动翘板, 使活塞销孔内腔截面与转轴轴线垂直加工出内倒角。这一方案经实施后, 加工出的内倒角质量不易保证、加工效率较低。
⑶第三种方案是将第二方案中的翘板机构安装在机床的拖板上, 由数控系统完成翘板机构的偏转动作及位置的控制。此方案经实施后, 加工出的内倒角质量为三种方案中最好的, 且加工节拍与原先的内倒角加工节拍基本一致。这种工装不但能加工斜内档产品的整周内倒角, 而且也能够加工与改进前一样的斜内档1/3内倒角。整个转换过程比较简单。缺点是对数控机床有一定要求——主轴变速必须为变频器调速、并且在机床主轴上安装一个定位用的信号开关。现我厂加工内倒角用的设备基本上都有变频器。所以改造成本很低。
经过综合对比, 最终, 我们采用了第三种方案。经过公司生产设备部和分厂及技术部的全力合作, 攻关组完成了第一台机床的改造并在生产线线顺利投产试用。
3 效果验证
改进后的600只产品经主机客户装配车间做装机实验后, 无一只发生活塞销与活塞销孔卡死现象。主机客户认可我公司的改进并恢复正常装机。经过近3个月的连续供货, 客户没有再反馈装配时销孔卡死问题。此改进使顾客的抱怨得以彻底解决并对主机客户正常供货。提升了公司产品质量和公司形象。
⑴改进后彻底解决了活塞销与活塞销孔卡死现象, 恢复了主机客户的正常供货。此项改进得到主机客户的高度认可, 恢复了年产60万只产品的正常供货, 并增加了主机客户系列产品的市场份额。
⑵提升了产品质量, 得到了客户的高度认可, 提升了公司形象。
4 结论
活塞销孔 篇3
关键词：内圆磨削,CBN砂轮,工艺优化,压缩机活塞
1 前言
近30年的高速磨削实践使得CBN砂轮在高速磨削中的应用成为了现实,并且这种方法被认为是对精密铁系金属进行高效率加工的最有效办法[1]。然而,相对于普通磨料磨削,CBN磨料磨削要求机床具有足够的刚性,砂轮保持稳定的状态,并且需要对磨削过程进行有效监测[2]。在空调压缩机行业精密零部件的大批量生产中,日本TOYO、瑞典UVA等机床厂已将CBN砂轮高速磨削技术应用于工件的内圆加工,机床多采用DN值大于150万的砂轮轴,利用恒温水浴控制机床整体刚性,并利用功率检测手段进行控制力磨削[3,4],砂轮线速度一般在45~60m/s,加工节拍10~40s,加工形位精度1~3μm。相对于国外CBN砂轮磨削技术的普遍应用,国内研究人员尚未完全掌握CBN砂轮的磨削机理,数控内圆磨床仍以普通砂轮磨削为主,砂轮线速度最高只能达到35m/s,加工节拍>40s,无法实现CBN砂轮高效内圆磨削[5]。为了适应压缩机行业发展的需要,在调研国内外相关技术的基础上,基于所研发的CBN砂轮数控内圆磨床,开展了空调压缩机活塞内孔高效磨削技术的研究。本文即是对该项研究工作的部分总结。
2 CBN内圆磨削特点及问题
CBN磨料具有较高的硬度和耐磨性,CBN砂轮磨削时的比材料去除率大大高于普通磨料砂轮,利用CBN磨料的特点可将CBN砂轮应用于高效内圆磨削,并且可以延长砂轮的修整周期,从而使得磨削生产效率大大提高。然而内圆磨削的砂轮轴刚性低、砂轮磨损快、工件排屑困难,工作环境相对恶劣[6],CBN砂轮高效内圆磨削面临许多难点。
2.1 工件容易产生表面波纹度
表面波纹度是介于宏观几何形状误差和微观表面粗糙度之间的一种表面形貌误差。磨削表面波纹度是磨削加工过程中由于机床-工件-砂轮系统的振动而在零件表面上形成的具有一定周期的高低起伏。表面波纹度是噪音的主要来源之一[7]。表面波纹度主要由振动引起,对于砂轮线速度超过45m/s且刚性较低的高速内圆磨削而言尤其容易产生振动。目前表面波纹度是CBN砂轮高效内圆磨削面临的主要问题。图1是工件表面波纹度检测图。
2.2 工件尺寸及锥度不稳定
采用普通砂轮进行内圆磨削时每磨一件便修整一次,工件的精度一致性容易保证;而采用CBN砂轮磨削有一定的修整周期,CBN砂轮在每个循环中磨削力的变化较大,若控制不好此变化规律极易产生精度超差。用相同工艺连续加工一个修整周期(50件),工件两侧尺寸变化如图2。由图可计算出尺寸变化量为0.07,锥度变化量为0.015。对于尺寸和圆柱度要求均在μm级的精密磨削来说显然不能满足要求。
2.3 砂轮修整后状态不一致
CBN砂轮在每个修整周期后的磨损量都不一致,表面状态也不相同,传统CBN砂轮的修整均采用固定行程次数的方式修整,这种方式必然会造成欠修或多修的情况。若修整不到位,砂轮表层不均匀,工件不能获得良好的表面质量,粗糙度也不容易保持;若修整过量,必然增加砂轮成本,损失加工效率。可见,不合适的修整量会造成砂轮状态的不一致,引起工件精度的变化。
3 CBN砂轮高效内圆磨削保证技术
3.1 表面波纹度的消除
表面波纹度主要是由于机床振动引起的,具有一定频率的周期性的振动,反映在工件表面便成为有规律起伏的波度。波度的大小由振动的幅值决定,再进一步分析,此振动可能是由于砂轮高速旋转引起的机床共振(强迫振动),也可能是由于磨削力的变化引起的颤振(自激振动),甚至是两者的综合。
两种振动均与机床本身的静动刚度有关。设计时需对床身及主要铸件的固有频率进行分析,使其避开砂轮及工件主轴的共振区域,另外机床装配过程中的接触及连接刚度尤其是传动部分的刚性会直接影响到机床的动态性能,装配过程需采取有效措施予以保证。另外要选择高刚性及平衡良好的砂轮轴,以消除振源。
消除振源后若仍有波纹度就能排除强迫振动的因素,实际磨削加工中大部分的波纹度均与颤振有关。颤振是由于砂轮与工件之间交互作用造成的。砂轮不均匀的磨损和堵塞将在工件表面形成波纹,而工件表面的波纹反过来会促使砂轮的磨损和堵塞加重[7]。选择合适硬度的砂轮及滚轮,并采取适合的修整及磨削参数是解决问题的关键。本研究经过大量的试验后建立最佳的工艺系统,保证了砂轮对工件的稳态磨削,图3为改善后的表面质量。
3.2 基于AE的磨削工艺优化
通过图2可以看出工件尺寸开始呈逐渐增大趋势,20件后趋于稳定,锥度也随尺寸变化由负变正最后稳定下来,这主要是由于磨削力的变化引起砂轮杆的弹性变形造成的。CBN砂轮修整后由于整形作用造成磨粒的钝化,使得砂轮修整后最初的磨削力和比磨削能都很高,随着磨削进行,磨粒的脱落和自锐效应使得砂轮变得锋利,后期磨削力变小至稳态值使得砂轮杆变形趋于稳定。虽然弹性变形可以靠延长无火花时间得到一定程度的恢复,但一味延长光磨必然影响加工效率,在前面的粗精磨阶段就应改变工艺以适应磨削力的变化[8]。
为此,采用了目前国际上最先进的声发射(AE)传感器检测磨削力,这种传感器相对于传统的功率传感器响应快,灵敏度高[9],将其快速检测的声音信号反馈给机床PLC,PLC控制机床执行元件做出相应反应。本研究利用AE信号开发了自适应控制磨削工艺的功能,可以实时优化磨削工艺。图4为理想的最优的磨削曲线[10],将传感器每次反馈的曲线与该曲线比较,程序可相应做出实时反应,当程序得到磨削力信号偏离曲线规定范围时,发出指令变化机床进给速度以稳定磨削力,这样就可以消除因力的变化而引起的系统弹性变形的变化,得到稳定的尺寸和锥度,同时该方法还能有效防止磨削烧伤及砂轮非正常磨损,延长砂轮使用寿命。利用该方法后工件精度的改善情况如图5。
3.3 砂轮修整工艺优化
修整后砂轮表面状态不一致的根本原因是由于无法监控砂轮的表面状况,为解决此问题,本研究利用声音传感器监测砂轮修整后的状态。修整前砂轮可能如图6前两条曲线所示的状态,理想的表面状态如最后一条曲线[10],
μm
砂轮每次修整所反映的AE曲线均与理想曲线作比较,随着修整的进行,反馈的修整力曲线逐渐接近理想曲线,在达到理想曲线允许偏离值内即停止修整。显而易见,此方法不仅保证了砂轮状态的一致性,而且比以往机床的固定修整进给量及固定进给次数节省了砂轮消耗量,也加快了修整的节拍,从而达到了节省砂轮、加快效率的目的。
4 CBN砂轮磨削性能试验
为了检验CBN砂轮高效磨削的精度及稳定性,在生产现场进行了10万件的对比磨削试验,所磨工件为某空调压缩机厂某条生产线上的活塞,加工设备为海默生产的CBN砂轮数控内圆磨床,磨削效果与该线另一台日本生产的碳化硅砂轮内圆磨床作比较,表1为两台磨床的磨削试验参数。
检验工件的加工精度,取某个工作日连续200个工件的检测结果进行比较(如表2);完成10万件加工后,记录砂轮的平均加工节拍、砂轮使用寿命及废品率进行比较(如表3)。
从对比试验结果可以看出,采用CBN砂轮的内圆磨削不仅加工精度优于普通砂轮磨削,加工效率也较普通砂轮有较大幅度提高,同时砂轮寿命大大高于普通砂轮,自适应控制磨削的引入也降低了废品率。
5 结论
针对工件材料选择合适的砂轮及滚轮以建立相互适应的工艺系统,采用合理的修整及磨削工艺参数,可以消除工件表面波纹度,提高了工件表面质量。
利用自适应控制方法解决了CBN砂轮磨削工件尺寸及锥度不稳定的问题,同时通过对修整过程的监控保证了砂轮状态的一致性,提高了修整效率并延长了砂轮的使用寿命。
大量的生产性磨削试验结果表明,基于所研制CBN砂轮数控内圆磨床开发的高效内圆磨削加工技术稳定可靠,生产效率大大优于普通砂轮磨削加工,完全适合应用于空调压缩机活塞内孔的高效磨削。
参考文献
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活塞销孔 篇4
随着环境保护要求的提升,天然气发动机的需求越来越大,各发动机厂相继在柴油机的基础上开发天然气发动机。在对某型发动机(简称H机)进行了油改气开发时,各项工作进展顺利,发动机动力性、经济性均达到设计要求,但机油消耗量明显升高。H机本身具有机油消耗量低的优势,机燃比小于0.08%,生产抽查中一般约为0.05%;改成天然气发动机后,机燃比达到0.4%,且出现许多表征机油消耗量超标的现象,如火花塞积炭严重、排气管滴油等。
柴油机进气采用质调节,天然气发动机采用量调节,因节气门的作用,缸内压力条件与柴油机不同,本文中针对这种不同,查找天然气发动机机油消耗增加的原因。
1 油改气开发基本情况
H机由柴油发动机改为天然气发动机,结构主要变化有:(1)活塞更改。更改燃烧室形状,由ω型燃烧室改为浴盆型燃烧室,增加燃烧室容积,将压缩比由17.0改为10.5。(2)气阀、阀座材料及锥角更改,以提高耐磨、耐热能力。柴油本身对气阀、阀座有一定的润滑作用,改为天然气后,磨损将有加快趋势,并且相对柴油机,天然气发动机排气温度及缸内热负荷更高。(3)天然气采用单点电控喷射,电子点火,宽域氧传感器,闭环控制。
H机本身机油消耗很低,因而最初未更改影响机油消耗的相关零件,但试验过程中发现机油消耗量明显上升,除台架试验测得机燃比超标外,在整车试验过程中发现机油消耗量达同车型的5~6倍。在我国天然气发动机即将实行国-V排放标准的背景下,此机机油消耗水平严重影响排放达标。
2 发动机机油消耗途径分析
发动机出现火花塞严重积炭、排气管滴油等现象,说明机油主要是窜入气缸内被消耗了,渠道[1,2]主要为:(1)活塞与气缸壁间隙过大;(2)气缸磨成锥形或椭圆形后,活塞环、活塞和气缸壁不能很好地贴合;(3)活塞环磨损或损坏,使侧隙和背隙增大,窜油量增多,特别是当油环损坏时窜油量将成几倍增大;(4)活塞环对口或活塞环装反;(5)缸内压力为负压时,将机油通过间隙反吸入缸内;(6)机油由气门导管进入缸盖气道,最终经气阀进入缸内,进气阀导管磨损严重时,进气冲程在进气管真空度的作用下,润滑油会从气门杆与导管孔的配合间隙处大量进入气缸而被烧掉,特别是有节气门的点燃式发动机其气道内有较大的真空度,机油从气门导管渗入的可能性更大;(7)增压器油封密封不严,机油由增压器进入进气涡轮,经中冷器、进气管最终进入缸内。
为排查原因,仔细观察进气管、进气道、进行阀壁面,均未发现机油痕迹,排除了经气门导管、增压器产生漏油的可能,认为机油主要是经活塞窜入缸内的。
3 活塞、活塞环的设计分析
H机活塞有两道气环,均为扭曲环。扭曲环工作时因扭曲倾斜,与活塞环槽上下两侧面接触,从而防止环在环槽内上下窜动,消除了泵油现象,在做功行程中,燃气压力将扭曲环压平,气环整个外圆面与气缸壁接触,密封效果与矩形环相同,扭曲环因其减小窜油及增强封气效果明显,成为发动机上应用最广泛的一种结构[1]。
H机活塞有一道油环,采用螺旋撑簧油环,由于增大了环与气缸壁的接触压力,而使该环的刮油能力和耐久性得到提高。油环的作用是在气缸壁上布一层油膜,通过改善活塞的润滑状态,以减少活塞与气缸直接接触,将边界润滑状态变为流体动力润滑状态,从而减少摩擦与磨损[3]。油膜不能过薄,否则不能保证润滑;也不能过厚,否则机油消耗太多。实际设计中主要是防止油膜过厚。
油环布油、窜油的工作原理及过程如图1所示。其中,①、②为窜机油的两个通道;③表示环前机油堆积区机油的几个运动方向。机油除经①、②两个通道窜入油环上方外,大部分在油环阻挡下回流。
减小窜油量通常从以下几方面考虑:(1)减少环前机油堆积量。在活塞下行时,环前机油有图1所示三个流向,如果环前机油堆积过多,因活塞高速运动,在环和缸套表面间可以产生足够的油膜厚度,从而可以形成流体动压润滑[4],机油将在油环前产生很高的压力,导致①、②通道窜油量均增加。为减小环前油量,需保证机油回油通畅,钻回油孔是最常用的一种结构(图2),油环下方的活塞直径减小,增加活塞与气缸壁间的间隙,这一间隙形成的环槽容积远大于一个循环内从缸壁刮下的机油体积,下方钻回油孔可便于机油顺利流回油底壳。(2)减小通道②的窜油量。增加油环刮油刃对气缸壁的压力,加大螺旋撑簧弹力和减小刮油刃接触面积可有效减小窜油量,但压力过大会增加磨擦力,增加磨损,需综合考虑[5]。活塞下行时,在刮油刃倒角处油膜形成楔形,产生动压,抬升油环,窜油量增加,因而需尽量减小刮油刃倒角。(3)减小通道①的窜油量,这主要是通过减小油环与环槽的侧隙以减小流通面积实现。
4 机油消耗增加的原因分析
H机属成熟机型,其本身机油消耗量很低,说明活塞和活塞环各项参数均已达到较优设计,即环前机油回油通畅,刮油刃压力足够,油环侧隙合适。改为燃气机后机油消耗量成倍上升,根据经验不可能由气环造成如此明显的影响,可基本判定问题出在油环上,须从燃气机与柴油机工作条件的差异点找原因。
燃气机的主要差异有两点:一是缸内气压相对较低;二是热负荷相对较高。
H机活塞有冷却油道。如图3所示,冷却油道在油环环槽上方,活塞表面热负荷虽增加,但传导到油环位置时,由于冷却油道作用热负荷的增加量会快速衰减,可初步判断热负荷高不会对油环工作条件造成大的影响。
缸内气压的影响分为以下几方面:(1)对油环刮油刃的影响。刮油刃对气缸壁的压力来源于螺旋撑簧弹力、气体背压。当缸内气压降低时,刮油刃背压也会降低,所以可加大螺旋撑簧弹力补偿背压的降低,但螺旋撑簧弹力过大会增加摩擦和加剧气缸壁磨损,因而这种更改需慎重。(2)对油环侧隙窜油的影响。气压降低会减小机油经侧隙窜油的阻力,增加窜油量。(3)对环前机油堆积量的影响。如图4所示,活塞下行时,环前机油受到机油本身由静止变成运动时产生的惯性力F、油环对机油的压力N、气压差Δp(Δp=p1-p0,p1、p0分别为缸内气压、曲轴箱内气压传导到油环上的气压)三种力的作用。在其他条件相同的情况下,Δp越大,环前机油越容易被“吹”走,环前堆积油量越少;Δp越小,环前机油越多,如果Δp<0,气体会对机油产生“吸”力,使环前机油更多。
结合以上分析,缸内气压对机油消耗有很大影响,在其他条件相同情况下,缸内气压降低会增加机油消耗量,特别是对于燃气机的低负荷工况,在吸气行程有较大负压会将环前堆积机油“吸”入缸内,造成机油消耗量大幅增加。
5 气压平衡孔的工作原理分析
为消除缸内气压减小造成的影响,提出在活塞油环槽底增加气压平衡孔(简称气孔)保证活塞气压平衡的设计方法,共加工6个Φ3.5mm的气孔,与曲轴箱相通(图5(a))。p1>p0时,缸内气体经气孔窜入曲轴箱,同时阻断了油环背隙机油的上窜通道,油环背隙的机油一同经气孔被“吹”回油底壳(图5(a)),此时气孔主要起回油作用,做功冲程或高负荷时的进气冲程均属于这一情况。但当p1p0时,油环会在p1作用下贴近环槽下表面而减小窜油通道的面积,此时气孔所起的的作用相对降低。p1<p0时,曲轴箱内的气体经气孔被吸入缸内,油环背隙的压力与p0基本相等,从而降低了环前堆积机油所受压力差,防止机油因负压而“吸”入缸内(图5(b)),燃气机在低负荷下的进气冲程属于这一情况。
6 试验对比情况
对H机改造成的天然气发动机分别采用有气孔和无气孔的两种活塞进行机油消耗量对比试验[6]。在标定转速下,分别按100%、30%负荷连续运行24h,按GB/T 18297—2001《汽车发动机性能试验方法》要求进行试前试后机油称重,根据质量差测出机油消耗量计算出机油消耗质量与天然气消耗质量的比值(简称机燃比),试验数据见表1。试验结果表明:气孔方案可明显降低机油消耗量,同时火花塞积炭、排气管滴油等现象均消失。目前气孔方案已在整车上推广应用,机油消耗降低效果得到用户的肯定。
7 结论
(1)针对某柴油机改为天然气发动机后机油消耗量上升的问题,采用增加油环弹力、减小油环的开口间隙和侧隙、减小活塞配缸间隙、优化活塞型线等方法可降低机油消耗,但会带来可靠性方面的风险,参数调整余地不大,在油改气项目中效果不明显。
(2)在活塞油环槽底增加气压平衡孔的设计,参数精度要求不高,不增加可靠性的失效风险,易于实现,并可有效降低机油消耗量,标定转速全负荷时机燃比由0.400%降至0.048%,30%负荷时由0.320%降至0.034%。
参考文献
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