南京铁道职业技术学院
毕 业 论 文
题 目： 活塞组常见故障的分析及处理
作 者：张凯 学 号： 093312320
系 ： 动力与工程学院
专 业： 地铁司机
班 级： 0911
指导者： 华彤天 副教授
评阅者：
20##年 6 月
毕业设计（论文）中文摘要
目 次
1 引言. 1
2 活塞组的组成及作用. 1
3 活塞组的工作条件. 1
4 活塞的故障. 3
4.1锻铝组合活塞... 3
4.2中凸型全铝活塞... 3
4.3整体薄壁球铁活塞... 4
4.4钢顶铝裙活塞... 4
5 常规检查方法. 5
6 预防及处理措施. 6
6.1锻铝组合活塞预防及处理措施... 6
6.2凸型全铝活塞预防及处理措施... 6
6.3整体薄壁球铁活塞预防及处理措施... 6
6.4钢顶铝裙活塞预防及处理措施... 7
7 活塞环的故障. 7
结论. 9
致 谢. 10
参 考 文 献. 11
1 引言
随着铁路牵引动力的更新变化，机车不断换代，但前年的一场大雪又提醒我们内燃机车有其不可代替性，不管是战备天灾，还是有些无法建电网的地区，都必须使用内燃机车，所以我们还是要对内燃机车进行研究不断改造创新。
本论文针对柴油机中活塞组经常出现的故障，进行研究，根据活塞组的工作环境和原理，对活塞组出现的常见故障进行分析，从而找出相应的预防及处理措施，为从事检修及运用的人员提供一些理论基础。
正确地进行故障分析，准确找出事故的原因，本着科学的事实求是的态度分析故障从而拿出最好的解决措施，减少故障发生率，使活塞组的运作合理高效可靠。为机务部门检修提供方便。
2 活塞组的组成及作用
1．组由活塞、活塞销、活塞环及活塞销挡圈等组成。
2．汽缸中往复运动进行力的传递，完成柴油机的工作循环；活塞、汽缸盖，汽缸一起组成燃烧室，其中活塞组起密封作用，防止燃气穿入曲轴箱，同时也限制机油进入燃烧室。
3 活塞组的工作条件
活塞组的工作条件可以概括为“三高”。
高温：活塞顶直接与温度高达2000度左右的燃气接触，使活塞温度升高。16V240ZJB型柴油机铝活塞顶最高温度可达335度，第一道环槽的温度可达197度。所以，活塞顶部与第一道活塞环槽的热负荷十分严重。受热使活塞材料强度下降；各部位特别是活塞头部受热膨胀变形；环槽内机油烧结，导致活塞环卡死、密封能力下降等。
高压：16V240ZJB型柴油机在输出功率2427KW时的爆发压力达11.96MPA，作用到活塞顶面上的气体力达562.2KN，而且带有冲击性；使活塞顶部、环岸、活塞销座都受到强烈的机械负荷，活塞销会发生弯曲和椭圆变形；此外，活塞还受往复惯性力与侧压力的作用，使活塞各部位都受到交变的应力作用。
高速：16V240ZJB型柴油机在标定转速1000r/min 时活塞平均速度为9.167 m/s，最高瞬时速度约为14.76m/s。由于活塞在汽缸中作如此高速的往复运动，加上因燃烧室的高温、活塞运动速度的急剧变化、燃气的下窜等造成汽缸内表面上部很难保持连续的润滑油膜，在活塞侧压力的作用下。气缸套与活塞之间产生强烈摩擦，磨损较大。
活塞组与柴油机其他部件一起构成了内部燃烧作功的、可变容积的工作场所，活塞顶面的凹穴造型及容积对燃烧的经济性有较大影响；活塞组密封汽缸的下部，使燃烧室与曲轴箱隔开。活塞组承受燃气压力 ，并传递给曲轴，使往复运动转换成旋转运动，将汽缸内的热能转变为机械能。二冲程柴油机的活塞组还兼有控制配气相位的作用。
活塞组在柴油机中所处的位置和承担的任务决定了它如下的工作特点：
1.在严重的热负荷下工作
活塞顶面接触高温气体，有很多热量通过活塞顶传入体内，其中一部分经活塞环及裙部散逸给气缸，另一部分通过活塞体内油道传给冷却油，其余的剩热使活塞体温升高。当受热升高到一定程度时，活塞材质的机械强度明显下降，同时由于活塞各部存在较大的温度梯度，所以又形成温差应力（热应力）。温差应力过大，会在活塞顶部形成热裂纹。
第一道活塞环槽的温度状态是表征活塞热负荷的另一重要部位，如果此环槽的温度较高，则槽内机油就易结胶，使环失去活动性，导致燃气下窜，冲刷缸壁上的油膜。这些除使柴油机功率下降，出现拉缸故障外，还会使曲轴箱升温升压，甚至产生爆炸。
活塞的温度通常以顶面中央和燃烧室边缘外表面为最高，铝合金活塞可达300-350度，铸铁活塞可达400-450度，第一道活塞环槽表面可达180度以上，顶与背最大温差（同一纵截面）可达100-130度。
2.承受较大的机械负荷
随着缸径的加大和高压技术的应用，气缸内最高爆发压力P值已达很高，运动零件的尺寸和重量相应增加，使得活塞承受巨大的气体力和往复惯性力的合力。
气体力和往复惯性力的合力为周期性瞬变作用力，具有冲击和交变性质，使活塞组的一些薄弱部位可能出现疲劳裂纹。活塞环对环槽的高频交变冲击，可能使活塞环与环岸折断。
3.剧烈地摩檫与磨损
机车柴油机活塞组沿气缸镜面高速滑动平均速度9-11.5m/s,最大瞬时速度达14-18.5m/s，使柴油机消耗很多摩擦功率。
特别是第一、二道气环接触高温、高压燃气，缸壁上的油膜受燃气和燃油的冲刷而局部破裂，气缸壁面具有进气带入的尘埃及机油中的机械杂质等磨粒，因此在上止点附近的壁面高温少油，加上活塞环转换运动方向等情况，使气缸壁面、活塞环及环槽的磨损加速。在摩擦发热及缺油的情况下，活塞环和气缸壁面很容易产生表面熔粘磨损（即拉缸）现象。
4 活塞的故障
4.1锻铝组合活塞
（1）故障现象
1．活塞体与套松动；
2．活塞顶部烧穿；
3．活塞头部边缘粉碎性破损；
4．活塞裙部掉快；
5．第一道气环腐蚀严重；
6．活塞顶部被打坏；
7．活塞环故障，如折断、磨耗严重、积炭卡死等。
（2）原因分析
1．燃烧室恶化或活塞与缸套配合间隙过大。有些东风4机车，走行2-3万千米后，部分喷油器就雾化不良，导致柴油机燃烧恶化，活塞的热负荷加大，从而影响活塞的寿命。
柴油机因某种因中原而燃烧恶化，或活塞与气缸套间隙过大，活塞对气缸套的冲击力增大，就有可能发生活塞与缸套松动及活塞顶烧穿等故障。
2．材质的缺点。对LD8及LD7锻铝合金而言，一是膨胀系数大，活塞配缸间隙较大，造成低载时容窜油；二硬度较低，机械强度不如球铁和合金钢，易造成环槽磨耗，特别是高温工作时，导致漏气，断环。
3．活塞环组缺陷。合金铸铁的喷钼环在运行15－22万千米时，就有较多脱落，这会加剧环槽的磨耗，失去刮油能力。
4．检修原因。有的活塞大修时，气缸套与活塞体存在一定的缺陷，加上长期承受高温，高压燃气的作用及疲劳等因素，造成活塞头部边缘突发性碎裂。
有的机务段在等级修时，环槽的加工质量达不到要求，表面粗糙度差，造成漏气，活塞环因积炭而卡死，甚至产生活塞表面气蚀现象。
5．润滑恶化，使用多年的气缸套，如不及时进行打磨处理，将因内孔的变形及内表面的光滑程度增加，使储油能力下降，润滑恶化，从而加剧气环磨耗。象杂质混入，机油性能和油环刮油能力下降等因素，都会使润滑恶化，使活塞环和缸套产生非正常磨耗。
4.2中凸型全铝活塞
（1）故障现象
活塞第一道环槽及活塞环磨耗严重。
（2）原因分析
1.因中凸型活塞只有一道油环，与锻铝组合式活塞比较，它的刮油，布油效果较差。油环刃口的喷钼处理工艺还不能满足运用寿命要求，随着走行公里的增加，刮油能力下降较快。
2.活塞环在与经激光淬火处理的气缸套内表面配合使用时，硬度处于下风，磨耗增加。
4.3整体薄壁球铁活塞
（1）故障现象
1.活塞销座断裂；
2.活塞顶烧裂穿孔；
3.活塞顶部产生裂纹；
4.活塞销座与顶分离；
5.活塞销座垂直筋产生横向裂纹。
（2）原因分析
1.铸造形状突变处应力集中及活塞长期受交变应力作用。活塞销座与活塞顶之间比较薄，铸造应力和铸造缩孔应力较大，再加上长期受交变应力作用，容易在活塞销座处特别是垂直金筋处，产生横向裂纹。若发现不及时，将导致活塞销座与体分离，产生严重后果。
2．热负荷等因素造成活塞顶部裂损。活塞顶部承受燃气压力和往复惯性力的作用，也承受由于温度梯度或结构原因造成的热负荷，再加上铸造缺陷，经长期运用，就可能在活塞顶部产生疲劳裂纹。
3．设计不合理
如较早使用的球铁活塞，销座垂直筋部位较薄，发生裂纹较多，1994年以后的新结构活塞增加了座销垂直筋部位厚度，同类故障就大大减少了。
4．铸造缺陷
在活塞销座与活塞顶连结部分易产生铸造缺陷。
4.4钢顶铝裙活塞
（1）故障现象
1．钢顶烧损；
2.活塞裙部销座处裂纹和破损；
3.第一道活塞环槽磨损超限；
4.连接螺钉松动；
5.连接螺钉裂纹和断裂（活塞顶和活塞裙分离）
（2）原因分析
1．生产厂的质量问题
某段曾经发生过东风4D机车钢顶铝裙活塞的活塞体（特别是销座部分）大规模破损现象。据现场分析，主要是活塞的制造质量问题。
2．机油的原因
若使用的机油，高温清净性或热安定性不好，或使用后期，机油中添加剂品质恶化，不能起到分散，吸附油中的烟粒子，氧化物，沥青胶质等作用，使活塞内冷却腔表面形成胶膜与积炭，降低了冷却效果，最终导致活塞钢顶的局部过热，产生裂纹烧融。
3．油环的刮油，布油能力下降，使第一道活塞环槽处润滑恶化，从而导致第一道活塞环槽磨损超限。
4．.螺栓扭矩没达到要求值（80－90N.M），或4个连接螺栓扭矩偏差大。
5．连接螺栓本体有缺陷，内外螺纹表面有疤痕，毛刺划伤等机械损伤。
6．活塞顶与活塞裙之间的间隙超限。
5 常规检查方法
（1）.乘务员要坚持起机前的甩车制度，并要认真观察，检查，以便及时发现故障活塞的苗头，防止机破。
（2）.在装用球铁活塞的柴油机上，当发现排烟呈浓蓝色时，可用逐缸甩缸或扣缸法（打开柴油机机油加油口观察燃气）查找故障活塞。
（3）.检修要认真测定压缩压力，发现不良现象及时解决
（4）.对于拆检的活塞，除外观检查外，还有以下常用的检查方法：
1.从活塞出油孔灌入煤油，或用风压进行锻铝活塞体活塞套的严密度试验，其中，用煤油试验时，一般需观察30min，若配合面有严重漏泄，应予报废；风压试验时，配合面之间不允许有泄漏现象。
2.用着色探伤法，检查球铁活塞可能产生裂纹的处所。
3.用铜棒敲击法，检查球铁销座支撑筋是否有裂纹。
4.用磁探法检查球铁活塞销处可能有的微小裂纹。
（5）钢顶铝裙活塞的检查
1.螺纹检查：
连接螺钉用螺纹通，止端螺纹环规检查其精度。内外螺纹内表面不许有疤痕，毛刺，划伤等机械损伤。
螺栓扭矩（80－90n.m）应符合要求。
2.活塞顶和活塞裙内外支承面及高度检查：
活塞顶和活塞裙内外支承面，应平整，光滑，轻微凸台允许打磨消除。
更换活塞顶和活塞裙时，应分别测量活塞顶和活塞裙的内外支承面高度应符合要求。
顶裙间隙（0.04－0.10mm ）应符合要求。
6 预防及处理措施
6.1锻铝组合活塞预防及处理措施
1.经常检查喷油器的状态，使之保持良好的雾化效果，减少活塞的热负荷，从而增加活塞的寿命，减少活塞体与套松动。
2.除了对活塞进行合理选材外，还要对活塞顶面进行处理（如镀铬，喷镀瓷层，铝顶表面阳极氧化处理及钢顶抛光处理等）以提高表面耐热和耐腐蚀性，减少顶面炭烟，增加表面反射热量或增加传热阻。
3.为保证活塞头部不因受热膨胀而拉缸，火力岸与缸壁之间必须留有一定的冷装间隙。
4.为保证裙部表面改善其运动润滑状态和磨合性，通常在裙部表面喷涂固态润滑剂或电镀保护层如喷涂二硫化钼润滑剂脂涂石墨或镀锡等。
5.检修时注意汽缸套与活塞体的和套性，注意打磨使其光滑不漏气。
6.为防止活塞顶被打坏设置避阀坑或气门穴。
7.及时进行硎磨处理，使内孔的表面光滑机油也要定期检查减少杂质的进入。
8.因工作效率不高减少使用或及时更换活塞环。
9.为防止燃气腐蚀减少燃气对活塞顶面的热辐射，在活塞顶面及第一环槽10mm以上的外圆面上，电镀0.02mm铬层并进行抛光。
10.增加销座垂直筋部位厚度。
11.安装弹簧挡圈以防止活塞销轴向窜出。
12.如有不可修复零件应及时更换，可修复零件及时修复，减少因故障处理不及时而造成的故障扩大。
6.2凸型全铝活塞预防及处理措施
1.因工作效率不高减少使用或及时更换活塞环。
2.如有不可修复零件应及时更换，可修复零件及时修复，减少因故障处理不及时而造成的故障扩大。
6.3整体薄壁球铁活塞预防及处理措施
1.除了对活塞进行合理选材外，还要对活塞顶面进行处理（如镀铬，喷镀瓷层，铝顶表面阳极氧化处理及钢顶抛光处理等）以提高表面耐热和耐腐蚀性，减少顶面炭烟，增加表面反射热量或增加传热阻。
2.增加销座垂直筋部位厚度。
3.安装弹簧挡圈以防止活塞销轴向窜出。
4.改进设计方案，加强铸造工艺。
5.如有不可修复零件应及时更换，可修复零件及时修复，减少因故障处理不及时而造成的故障扩大。
6.4钢顶铝裙活塞预防及处理措施
1.加强生产质量的管理。
2.使用优质机油。
3.经常进行检查及时更换新油环增加油环的刮油能力，减少第一道活塞环槽磨耗超限。
4.加强铸造工艺使螺栓扭矩达到要求。
5.对使用螺栓进行严格检查达到使用标准后再使用。
6.加强对机车的检查、保养与使用管理，减少故障的发生。
7.如有不可修复零件应及时更换，可修复零件及时修复，减少因故障处理不及时而造成的故障扩大。
7 活塞环的故障
（1）故障现象
1．活塞环故障，如折断、磨耗严重、积炭卡死等。
2．第一道活塞环槽磨损超限；
（2）原因分析
1．工艺原因。槽的加工质量达不到要求，表面粗糙度差，造成漏气，活塞环因积炭而卡死，甚至产生活塞表面气蚀现象。
2.润滑恶化，使用多年的气缸套，如不及时进行打磨处理，将因内孔的变形及内表面的光滑程度增加，使储油能力下降，润滑恶化，从而加剧气环磨耗。象杂质混入，机油性能和油环刮油能力下降等因素，都会使润滑恶化，使活塞环和缸套产生非正常磨耗。
3.材质的缺点。对LD8及LD7锻铝合金而言，一是膨胀系数大，活塞配缸间隙较大，造成低载时容窜油；二硬度较低，机械强度不如球铁和合金钢，易造成环槽磨耗，特别是高温工作时，导致漏气，断环。
（3）故障处理及措施
1.加强检查工作，注意故障现象，及时排除故障，更换新零件，防止故障扩大。
2.为使活塞环工作面具有耐磨、易磨合、储油和抗咬合等优良性能，通常都对活塞环进行表面处理。例如镀锡、镀镉或磷化等可以防锈及改善磨合性；渗硫、软氮化、镀锡及喷钼等可提高抗咬合性，延迟熔粘磨损的产生；松孔镀铬、喷钼等可提高耐磨性及储油性。
结论
本文主要阐述了内燃机车柴油机的活塞组的工作原理及结构，并通过对活塞组的结构和原理的了解，从本质上分析寻找活塞组发生常见故障的原因，并通过分析找到原因后针对相应的故障，拿出相应处理方法及预防措施，从而达到提高工作效率，减少行车事故。通过对本论文的资料查找及研究，根据活塞组的工作环境及常见故障，进行科学的分析，拿出相应的预防及处理措施，解决了检修和运用工作中一些常见故障，可为工作人员节省工作时间，为从事内燃机车的运用和检修人员提供必要的理论基础知识，所以写这篇论文很有必要。
致 谢
在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们!
参 考 文 献
1、《机车柴油机燃油系统试验与维修》（刘全林 编著）中国铁道出版社1998年；
2、《内燃机车技术检查作业与故障处理》（李晓村 主编） 中国铁道出版社20##年；
3、《机车柴油机》（陈越年 编）中国铁道出版社20##年；
4、《16V280柴油机》（戚墅堰机车车辆厂编）中国铁道出版社20##年；
5、《柴油机及辅助部分检修》郭晓明 中国铁道出版社 20##年。