铁路内燃机车陶瓷活塞环技术标准的研究与探讨

铁路内燃机车陶瓷活塞环技术标准的研究与探讨

【摘要】本文介绍活塞环的作用、材料，陶瓷处理的工艺流程、技术特点，陶瓷环主要性能技术指标、检测试验方法、包装、贮存、安装以及应用等。

【关键词】铁路；内燃机车；陶瓷活塞环；技术标准；研究与探讨

0 引言

作为铁路机车内燃机的关键零部件之一活塞环，采用陶瓷表面处理工艺，在铁路行业具有创新意义，对提高环的耐磨性等有一定的作用，陶瓷活塞环已在铁道部一些机务段实际使用，制定和完善陶瓷活塞环的企业标准，探讨理解标准，不仅对已使用部门有积极的作用，而且根据应用的推广为将来可能制定行业标准也有极大的参考价值。

1 活塞环作用

铁路内燃机车活塞环按其用途可分为气环、油环两大类。活塞环作用是密封、刮油、传热、支承等，气环主要作用是密封，因此必须具有一定的初始弹力，形成第一次密封；在气缸爆发膨胀的过程中，燃烧室的高压气体使活塞环的径向和轴向产生不平衡力，在它们的作用下，活塞环被压向环槽下侧，同时环背方面的径向不平衡力将环的工作表面压向缸壁，形成2次密封。油环的作用是刮除汽缸壁上多余的机油，使气缸壁上形成一层均匀的相对稳定的油膜。

2 陶瓷活塞环技术标准

2.1 基本要求

2.1.1 性能

活塞环是内燃机车中在高温、高压条件下唯一做三个方向运（轴向、径向和旋转）的零件，使用条件最为苛刻，因此，陶瓷活塞环的基体必须具有较高硬度，较强的耐磨性、耐热性、耐腐蚀性，有较好的弹性、韧性和贮油性能等。其中耐磨性和弹性是活塞环材料最重要的性能。

2.1.2 材料

机车用内燃机车陶瓷活塞环的基体材料通常是合金铸铁或球墨铸铁，我国规定合金铸铁是指铬钼合金铸铁和钨合金铸铁，其化学成分、金相组织等必须满足TB/T1382-2006标准的规定。合金铸铁活塞环的基本硬度为201-247HV0.2，球墨铸铁活塞环的基体硬度为381-454HV0.2。直径≤200mm的活塞环，同一片活塞环上的硬度差≤5个单位；直径>200mm的活塞环，硬度差≤6个单位。环坯硬度不合格时，允许用回火调整，但调整的次数不超过2次。

2.1.3 弹性模量与抗弯强度比

基体材料是合金铸铁的活塞环，直径与径向厚度之比≤24时，弹性模量与抗弯强度比≤220；环直径与径向厚度之比>24时，弹性模量与抗弯强度比≤240。

2.2 活塞环复合陶瓷表面强化处理

2.2.1 简介

当前，铁路内燃机车活塞环厂家一般采用镀铬、喷钼、磷化、镀锡等处理工艺，提高活塞环耐磨、耐热和耐腐蚀性能；陶瓷活塞环是采用低温等离子体PCVD 化学气相沉积工艺，在活塞环表面积沉积BN-SiN复合薄膜材料，陶瓷材料与金属基本之间形成双向扩散。在结构上，为网络结构与超微粒子并存，超微粒子随机分布于网络中。由于网络结构有贮油减磨功能，这样使材料既有硬度又有强度，摩擦系数降低，并有良好的韧性和表面粗糙度。

2.2.2 流程

1）表面强化处理前的检测——活塞环的表面不允许有裂纹、夹渣、飞边和毛刺。活塞环外圆面和2个侧面上允许存在直径≤0.4mm、相距≥10m m、距棱边≥0.5mm的孔眼；上下侧面上的缺陷至少错开10mm；内圆面上允许直径≤1mm、相距≥10mm、距棱边≥0.5mm的孔眼；内棱边上允许存在直径≤0.5mm、相距≥10mm 的孔眼和缺角，允许的缺陷数量在同一片环上不应超过3个；开口端内棱角上允许存在≤1.0mm的缺口；油环内圆面上在铣通回油孔处允许有≤0.5mm的缺角或崩边。

2）清洗烘干——清洗是活塞环在表面强化处理时取得较好效果的主要工序，清洗后放入专用加热设备中烘干，以清除表面上的黏附的汽油、丙酮等。

3）裝炉抽真空——将活塞环装入专用的沉积炉中，抽真空。真空条件下可防止工件氧化，同时保证被激活的气相物质的流动和扩散，使气相物质附在工件表面。

4）加热衬底——在低温（200mm时，径向厚度公差≤0.30mm；同一片环上的径向厚度差≤0.18mm。

2.3.2 环高公差

环直径≤200mm时，环高公差≤0.02mm；环直径>200mm时，环高公差≤0.03mm。2.3.3 油环的刮油边径向偏移度

整体油环，刮油边径向偏移度≤0.015mm；组合油环，刮油边径向偏移度≤0.025mm。

2.3.4 挠曲度

环直径≤200mm时，挠曲度≤0.06mm；环直径>200mm时，挠曲度≤0.07mm。

2.3.5 自由开口尺寸

不同型号的活塞环自由开口尺寸不同，但应符合产品设计图样规定，其公差值均≤设计值的±10%。

2.4 陶瓷活塞环光密封度

外圆面珩磨的陶瓷活塞环光密封度应为外圆面周长的100%；外圆面经磨削而无珩磨带的锥面环，光密封度不应小于外圆面周长的95%，其余无珩磨带陶瓷活塞环的光密封度不应小于外圆面周长的90%。陶瓷活塞环在开口处左右各300范围内不允许有漏光。

2.5 陶瓷活塞环的弹力

陶瓷活塞环的弹力应符合产品设计图样的规定，其公差值≤±20%。弹力消失率在试验条件下为300oC，环闭合至基本尺寸3h后，陶瓷合金铸铁整体环，弹力最大消失率≤12%；陶瓷球铸铸铁整体环，弹力最大消失率≤18%。在试验条件为250℃，环闭合至基本尺寸5h后，陶瓷合金铸铁和球墨铸铁组合油环弹力最大消失率均≤25%。

2.6 陶瓷活塞环残磁

陶瓷活塞环残磁的磁感应强度≤0.3mT。

3 陶瓷活塞环检测试验

3.1 弹力

陶瓷活塞环在径上需要一定的弹力，才能保证活塞环与气缸严密结合，使具有良好的密封性能。整体的弹力大小可用钢带或铁制包箍环，在开口端切线方向拉紧，使环保持闭口间隙时所需要施加的力，用弹力测量仪测定（如图1）；组合环是在使开口端振动条件下测定（如图2）。现场工作人没有条件测量，可用新旧环对比来判断活塞环弹力情况。

3.2 闭口间隙

将陶瓷活塞环平放入直径等于气缸基本直径的环规中，然后用厚薄规测量其开口间隙，间隙应符合设计要求。在现场工作中，将环推至气缸工作位置后，间隙不可过大，也不能过小，过大会使密封性能变差，过小会使活塞环工作中受热