柴油机的结构及主要部件

燃烧室部件中由气体压力而产生的机械应力 都和最高爆发压力成正比，与部件壁厚成反比
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热负荷是指柴油机的燃烧室部件承受温度、 热流量及热应力的强烈程度。
热负荷的表示方法: •热流密度q：单位时间内单位面积的热流量 q=Q/F •温度场：受热部件中温度分布图，准确表示受热 部件的热负荷 • 热应力：由温差作用形成的应力称热应力 排气温度：简单、实用
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回
第二节 燃烧室部件
三、气缸
作用、工作条件 材料：灰铸铁（体）
灰铸铁、耐磨合金铸铁或球墨铸铁（套）
气缸的构造
气缸套的磨损和穴蚀
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气缸的构造
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回
气缸套的磨损和穴蚀
• 气缸套的磨损 熔着磨损 磨料磨损 腐蚀磨损
•气缸套的穴蚀 –在气缸套外表面冷却壁上出现光亮无沉淀物的蜂窝状小 孔群损伤现象称为穴蚀 –原理 空泡腐蚀和电化学腐蚀 –防止穴蚀的措施： • 降低缸套振动 • 提高缸套抗穴蚀能力 • 冷却水腔结构合理，水流平顺 • 进行水处理以提高其消振性能等 • 管理中应控制冷却水温水压
4）气缸套过度磨损
•正常磨损：铸铁缸套每千小时0. 1mm左右 • 原因：I. 结构设计、材料选用、加工装配质量 II. 管理： 气缸或活塞过热， 活塞环密封性不好， 刮油环装得不对或刮油性能下降； 燃油、滑油或进气中含硬质颗粒过多； 磨合不良； 气缸油量过多或过少， 燃油与滑油不匹配， 气缸冷却过度， 扫气中有水或有清洗空冷器的洗濯剂等
第二节 燃烧室部件
作用、工作条件 气缸盖的材料和构造 •材料: 铸铁、铸钢和锻钢 • 气缸盖的构造 –大型低速柴油机气缸盖 –中速柴油机气缸盖
第二节 燃烧室部件
五、燃烧室部件的管理 1 燃烧室部件的常见损伤形式 1) 裂纹 2）活塞顶烧损 3）活塞环的异常磨损、粘着和折断 4）气缸套过度磨损 2 燃烧室部件的管理要点
塑变后尺寸 原尺寸
拉应力 停车压应力
水侧 t2
活塞顶板
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3、燃烧室部件的结构特点
• 为了降低活塞顶板的机械应力，应增加活塞顶 的厚度 • 活塞顶板厚度的增加又会导致热应力的增加 •薄壁强背结构：薄壁就是燃烧室部件的受热壁 要薄，以减少热应力；强背就是在薄壁的背面 设置强有力的支承，以降低机械应力。 钻孔冷却 • 冷却水孔实际上将壁分为冷热两部分， • 热区很薄——薄壁，减少了热应力； • 冷区很厚——强背，减少了机械应力。
3、活塞的冷却
•非冷却式活塞(径向散热型) 热量主要通过活塞环传自气缸套并通过冷却水带走
•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 •冷却方式 ： 自由喷射冷却 振荡冷却 循环冷却 喷射—振荡冷却
• 冷却液的输送方式：筒形机在曲轴连杆机构中开通道 十字头机有套管式和铰链式机构
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第二节 燃烧室部件
二、活塞
1、活塞的构造
2、活塞销 3、活塞的冷却 4、活塞环和承磨环 5、活塞杆填料函
1活塞的构造 作用： • 在保证密封的情况下，完成压缩和膨胀过程 • 组成运动机构，将力经连杆传递给曲轴； • 筒型机中承受侧推力，起滑块作用 • 在二冲程机中，启闭气口,起滑块作用。 工作条件：• 受燃气高温、高压、腐蚀、烧蚀作用
第二章 柴油机的结构及主要部件
第一节 柴油机的总体结构 固定件 运动件 换气系统 燃油系统 润滑系统 冷却系统 起动和控制系统
第二节 燃烧室部件
一、燃烧室部件承受的负荷及结构特点 燃烧室：
当活塞处在上止点时，由气缸 盖底面、气缸套内表面及活塞 顶共同组成的燃料与空气混合 和燃烧的空间
1、机械负荷 2 3、结构特点
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1) 裂纹
•原因：机械应力和热应力的共同作用 • 裂纹故障中气缸盖的裂纹较为多见,原因主要由 热疲劳及应力集中现象引起
2）活塞顶烧损
活塞顶高温下氧化变薄
• 活塞顶烧损在直流扫气及油冷柴油机活塞上出 现的较多
(1)活塞环的异常磨损
• 正常磨损： 磨损速度<0.3～0.5 mm/kh 厚度均匀 • 异常磨损: 磨损速度很快 磨损后厚度极不均匀 • 原因： 设计、材质、热处理等因素 管理：磨合不良、运行中超负荷、 润滑不好、滑油品质不合要 求、 燃烧不良、冷却不佳、 摩擦表面有硬质颗粒等
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燃烧室部件的管理要点
1)磨合
注意加负荷和润滑；按磨合程序进行 注意运行参数；润滑；声音
2)运行中的监视
3）观察孔(扫气口)检查
4) 吊缸检查
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活塞环状况 ；气缸润滑状况 ；冷却腔密封状况
4)吊缸检查
• 检查 • 清洁 • 测量
R1
(2)气体力引起的机械应力
气缸盖 水冷面为拉应力
触火面为压应力
u
R2
弯曲应力与缸盖底板半径的平方成正比， 与底板厚度的平方成反比

2
pz
Pz
σ
活塞 活塞顶板在最高燃烧压力作用下 气缸套
产生很大的弯矩和弯曲应力 水冷面为拉应力 触火面为压应力
Pz o
σt σr
r
切向应力σｔ内表面最大，外表面最小 径向应力σｒ内表面最大，外表面为0
油 环
•飞溅润滑 做回转运动的曲柄销轴承 把润滑油甩到气缸壁上。 •气环的泵油作用 • 油环的结构、原理 单刃油环、双刃刮油环
承磨环 作用：专为十字头式活塞与气缸的磨合而设置
5、活塞杆填料函 • 作用 –防止扫气空气和污油、污物漏入曲轴箱，以免加热 和污染曲轴箱滑油，腐蚀曲轴与连杆等部件。 –防止曲轴箱中的滑油进到扫气箱中，污染扫气空气
(2)活塞环的粘着
• 活塞环槽内有沉积物和积炭使活塞环在环槽中 不能自由运动 • 原因： –活塞或气缸过热、 –滑油过多、 –滑油不净、 –燃烧不良等
（3）活塞环的折断 • 原因： –搭口间隙过小 –环槽内积炭 –活塞环压入 造成环断的主要因素 –气缸套失圆、环端挂气口、环槽过度磨损等 • 影响： –燃烧室的密封性， –而且碎块也容易进入增压器，使增压器损伤。
水侧 t2
活塞顶板
热疲劳
•燃烧室部件在交变的热应力作用下出现的破坏现象称热疲劳。 •热疲劳与柴油机的累计转数并无多大关系，主要取决于机器 的起动—运行—停车的循环次数，故亦称低频应力。
• 热疲劳产生的裂纹多数在触火面上形成和发展，以致造成损坏， 因为这里受到较大的残余拉应力和较大的热应力与机械应力合 成的压应力的交变作用。 停车拉应力 压应力 火侧 t1
由温差作用形成的应力称热应力
t1 t 2
q
1 q 1 2 (t1 t 2 ) 2 2 E q 1 2 1 2
δ-板厚 q-热流密度 μ-泊松比 α-膨胀系数 λ-导热系数 E-弹性模数

（℃）
压应力火Biblioteka t1热应力火侧为压应力，水侧为拉应力 拉应力 与热流密度成正比，与壁厚成正比
筒形活塞式柴油机活塞 Wärtsilä32
-由活塞头、活塞裙、活塞环 和活塞销组成 （小机器头、裙一体制造） -头部用铸钢，裙部用球墨铸铁 -头部有冷却腔 -有两道压缩环和一道刮油环 -裙部造得坚韧以承受侧推力 -销孔两端切槽以适应变形
2、活塞销
• 作用：筒形活塞中连接活塞和连杆小端 传递气体力和惯性力 • 工作条件：尺寸小、润滑条件也较差、受摩擦 和磨损 • 要求：足够的耐疲劳强度、抗冲击，耐磨损和 重量轻 • 材料：优质碳钢或低碳合金钢，表面渗碳淬火 • 结构形式：浮动式、固定式和半浮动式。
气环 • 作用： 密封、传热 •密封原理： 本身弹性和气体压力 –高速柴油机装3道～5道， –低速柴油机装4道～6道 • 断面形式： a为矩形环 b为梯形环 c为倒角环 d 扭曲环 • 搭口形式 直搭口 重叠搭口 斜搭口
活塞环材料要求及制造工艺 • 材料要求： –弹性较好，摩擦系数小，耐磨、耐高温；有良好的 初期磨合性、贮油性和耐酸腐蚀。 –一般采用合金铸铁(加硼、高硅)、可锻铸铁、球墨 铸铁 • 制造工艺： –表面镀铬； 内表面刻纹以提高弹性； –松孔镀铬； 外表面开设蓄油沟槽。 –环外表面镀铜以利磨合； –喷镀钼以防止粘着磨损等。
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套管式机构
铰链式机构
4、活塞环和承磨环
压缩环(气环)、 刮油环 活塞环的工作条件和要求 • 活塞环的工作条件： –受到高温高压燃气的 作用 –十分复杂的运动 –严重的摩擦和磨损 –润滑条件较差 –可能产生裂纹或折断
• 要求: –良好的密封性能， –耐磨，特别是抗熔着磨 损的性能要高； –要有适当的弹性， –足够的强度和热稳定性。
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1、机械负荷 机械负荷指柴油机部件承受最高燃烧压 力、惯性力、振动冲击等的强烈程度。 (1)安装预紧力引起的负荷 (2)气体力引起的机械应力
(1)安装预紧力引起的负荷
螺栓的预紧力 pｄ=(１.２５～２)πＲ２１ｐｚ
气缸盖上表面安装应力为拉应力 下表面为压应力 大小与螺栓预紧力成正比 与气缸盖的高度成反比 气缸套 安装应力主要存在于其上部的凸肩部位 应力的大小与螺栓预紧力ｐｄ成正比， 与其凸肩的高度成反比
• 热负荷和机械负荷很高，容易发生裂纹和变形 • 磨擦与撞击，润滑困难，磨损严重 • 具有较大的惯性力，柴油机产生振动/
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;中、高速柴油机还 要求活塞重量轻。
S-MC-C活塞
十字头式柴油机活塞
-活塞头：耐热合金钢 -活塞裙：耐磨铸铁 -头和裙组装于活塞杆上 -活塞杆由段钢制造 -有四道活塞环 -活塞内有冷却腔，振荡冷却 -活塞杆内有插管 -短裙