柴油机拉缸故障的原因分析及预防措施.doc

柴油机拉缸故障的原因分析及预防措施【摘 要】 通过对柴油机拉缸故障的原因分析表明，预防拉缸故障是涉及到设计、制造和装配、试车、实船使用及维护、维修等柴油机全寿命过程中的一个系统工程问题。指出通过严格把握上述柴油机全寿命过程中的每一细节，柴油机拉缸故障时可以预防的。【关键词】 柴油机；拉缸；磨损1 前言在试验和维修柴油机的工作实践中，经常碰到活塞、活塞环组件和气缸套相互配合的接触面出现拉痕、大面积拉伤、粘着等异常磨损，严重时活塞、活塞环组件与气缸套粘连甚至咬死，这种现象一般称为柴油机拉缸故障。引起柴油机拉缸故障的原因很多，预防拉缸故障是涉及到设计、制造和装配、试车、实船使用及维护、维修等柴油机全寿命过程中的一个系统工程问题。本文就柴油机拉缸故障的原因及预防措施作探讨。2 拉缸故障的种类、原因和预防措施根据相关资料和柴油机实际使用经验，活塞(活塞环、气缸套)发生拉缸、异常磨损大致可分为磨粒磨损、粘着磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损和上述四种磨损形式同时存在的复合磨损。复合磨损由于两种或两种以上的磨损形式相互促进，使磨损速度远远大于单一形式的磨损。本文将分别论述各种磨损形式的原因及预防措施。21 磨粒磨损磨粒磨损主要是由于机械硬质颗粒进入气缸，嵌入活塞、活塞环和气缸套的滑动面之间，对摩擦表面产生磨料作用而引起磨损。这种磨损是柴油机最普遍的磨损形式。机械硬质颗粒进入气缸的途径主要有下面几个方面：(1)零部件清洁度零部件的清洁度不够是产生磨粒磨损的最主要原因。如果整体铸造活塞油冷内腔型砂的清洗、铸造气缸盖冷却水腔及进排气内腔型砂的清洗、气缸套珩磨后内壁面的清洗不当，型砂或焊接残渣就有可能进入气缸，成为磨料。(2)装配场地环境条件在单个零部件清洁度都能满足要求的情况下，部件安装和柴油机总装场地的环境条件也是产生磨料磨损的主要因素。如果在装配时，对某些不合格零部件进行现场打磨、钻孔、攻螺纹等不应在装配时进行的工作；装配工人佩戴的手套及清洁用物不洁或沾上了硬质颗粒(如临时盖在气缸盖上的盖板)等情况，都将严重影响到装配质量。这些硬质颗粒一旦进入气缸，就将发生磨粒磨损事故。(3)进气系统的清洁度包括带有空气滤清器的增压器压气机部分、空气冷却器、进气总管、气缸盖进气通道等进气系统，如果存在尘埃、铸造型砂、焊接残渣等硬质颗粒，必将随着进气而落入气缸，一旦嵌入滑动面之间，对摩擦表面就产生磨料作用而引起磨损。综上所述，清洁度作为装配质量的重要指标，在任何情况下都必须高度重视。(4)活塞及活塞环的表面处理活塞裙部和活塞环表面处理的质量(牢固度)不佳也是引起磨粒磨损的因素，如果活塞环镀铬层不牢，则脱落的硬质铬颗粒将成为磨料，引起气缸套的磨损。(5)燃油和滑油如果使用的燃油和滑油中含有杂质，尤其是在使用劣质燃料时，也是产生磨粒磨损的影响因素。22 粘着磨损粘着磨损也可称为熔着磨损，它是金属的熔结过程，俗称拉缸，是缸套内壁最危险的破坏形式。主要原因是由于活塞、活塞环和气缸套内壁面间的润滑油膜因各种原因而难以建立或遭到破坏，局部滑动面产生干摩擦、产生大量的摩擦热，导致局部滑动面产生显微的熔化、粘着、拉断。这些状况继续发展，使摩擦面熔粘成粗糙表面，从而加重磨损，最后导致拉缸，甚至抱缸、活塞断裂的严重故障。影响润滑油油膜的建立及导致油膜破坏的因素很多，既有零部件设计方面的原因，也有零部件加工和装配质量、使用操作及维护保养等多方面的因素。221 零部件设计(1)活塞、活塞环和气缸套摩擦副间隙的影响使油膜在任何工况下均能承载的基本条件是热态下的间隙匹配必须合理。随着柴油机强载度的不断提高，为了降低活塞温度，减小活塞在运动时对缸套的冲撞，改善缸套穴蚀和降低润滑油消耗，活塞和气缸套的间隙在往减小的方面发展，但是，间隙过小将使油膜不易形成。(2)活塞在活塞设计中，涉及到的内容很多，从影响油膜的建立等方面来看，主要有：a.活塞裙部的型线和活塞壁厚的均匀性影响到活塞在热态工作下变形的均匀性，使缸套的热态间隙发生局部变化而影响油膜的建立。另外，环境温度使活塞加工出现季节性的误差，而导致拉缸往往出现在低温季节。b油冷活塞振荡冷却腔的容积及布置影响到活塞及活塞与气缸壁间滑油的冷却效果。滑油黏度因温度上升而下降，影响油膜的保持。一般对球铁活塞，为了克服其导热率低的缺陷，冷却腔表面积应为燃烧室侧面积的14倍左右。在允许条件下，冷却腔应以等壁厚的概念尽量向活塞顶和圆周方向接近于环槽根部扩展，以增强冷却效果。c冷却油进油孔与回油孔的面积比影响到振荡冷却的效能。一般情况下，对于振荡冷却活塞其回油孔面积是进油孔面积的3倍左右(双油孔进油)和22528倍左右(单油孔进油)。d出油口高度是保证活塞冷却腔具有足够充满率的必要措施，一般来说，冷却腔中的存油量应为容积的30 50 。(3)活塞环活塞环的主要功能有：保证活塞与气缸套之间的可靠密封，尤其是第一道气环，以免高温燃气窜入活塞与缸套之间，破坏润滑油膜而产生粘着磨损；既要保持活塞与气缸套之间润滑所需的油膜厚度，又要刮落气缸壁上过多的滑油，以避免过多滑油上窜到燃烧室而增加滑油耗量，同时使燃烧的滑油积影响传热性能并形成磨料颗粒；支撑活塞在气缸内的运动。根据活塞环的主要功能，在设计活塞环时就必须考虑：材料选择；活塞环数量，目前活塞环数量从6道逐渐下降到3道， 目前最常用的是4道活塞环；结构形状，尤其是与气缸套内壁面接触的外圆形状活塞环径向和轴向厚度；活塞环的切向弹力和比压； 自由状态及工作状态下活塞开口和闭口间隙；活塞环光密封度的要求和表面处理等。(4)气缸套在气缸套的设计中，应注意以下几方面：a材料的选择。气缸套承受高温高压气体的冲刷，必须具有较高的结构强度、疲劳强度和耐磨性。缸套材料一般选用硼铸铁、磷铸铁和铌铸铁。b缸套内表面的微观几何形状。缸套内表面的微观几何形状对发动机的摩擦磨损具有一定的影响，一般缸套内表面最后的加工采用珩磨方法，它是控制表面形貌的一个极为重要的手段。珩磨后内表面可以形成菱形条纹网络，使表面具有一定的峰与互不连通的谷。峰能承载压力，互不连通的谷能储存润滑油和细小磨粒。进行珩磨加工时主要考虑网纹的宽度、深度、网纹间隙和交叉角以及控制表面粗糙度。c对于燃用劣质重油的柴油机，通常在缸套上部加装抗磨环(除炭环)，抗磨环的主要功能有：刮除活塞顶部侧面的积炭，减少气缸套的磨损；阻隔润滑油上行进入燃烧室，改善润滑；减少燃气泄漏，降低润滑油的消耗。d另外，在气缸套设计时，还应考虑冷却水的通道面积，尤其对钻孔冷却的上置式气缸套，其钻孔的数量和直径及冷却水流动方向等对冷却效果有较大影响。222 零部件加工和装配质量零部件加工质量是柴油机生产的最基础工作，也是生产优质柴油机的保证条件，应该完全按照图纸的要求认真加工和清洗；同时采取良好的热处理工艺，确保消除活塞、缸套铸件等的残余应力，保证柴油机热态运转中缸套和活塞之间的间隙，避免因间隙过小或不均匀而影响油膜的建立。装配质量主要是指部件安装和整机装配这两个环节，针对活塞和活塞环、缸套这对摩擦副来说，必须注意以下环节：(1)清洁度，包括缸套表面情况，活塞冷却腔及环槽内的情况；(2)正确安装气缸套，并检验缸套安装后的椭圆度等；(3)正确安装活塞环，如搭扣位置，环的上下端面位置等；(4)必须涂抹滑油的地方，应充分涂抹，避免在初期盘车及试车时出现干摩擦状态；(5)调整配气相位和供油提前角；(6)对于采用喷油冷却的柴油机来说，即要严格把握喷油管与喷油座的焊接可靠性，又要严格把握安装工艺及安装位置的正确性。否则，若喷嘴焊接不牢引起脱落或安装位置不正确等，在柴油机运行中，一旦不能正常给活塞喷油冷却的话，将立即导致严重的拉缸故障。223 操作使用方面(1)循环投油柴油机安装在试车台上后，必须通过系统滑油泵进行循环投油(必要时滑油应加热，如环境温度较低时)，进一步排除机内杂质和给润滑部位供油，投油后清洗滤清器，确认机内清洁度。(2)暖机和泵油在起动柴油机前，通过系统水泵将加热过的淡水对机器进行循环加热暖机；通过系统滑油泵，将加热过的滑油对机器进行循环加热，使柴油机处于良好的热状态下，(一般机内润滑油温度应：E40以上)方可起动柴油机。这是由于滑油的粘度受到温度的影响，滑油加热后对缸套和活塞间油膜的建立大有益处。如果不暖机和泵油，由于滑油温度低，粘度大而流动性差，滑油不一定能畅流至各润滑和冷却部位。此时机油泵因转速低，而使供油量少。同时原气缸壁上的滑油沿气缸壁下流，使壁面在柴油机起动瞬间得不到正常运转时相同的润滑，致使气缸内壁与活塞组件摩擦面呈干摩擦状态，导致拉缸现象发生。这也是活塞拉缸问题为什么存在季节性差异的道理所在。暖机和泵油对高速柴油机和强载度高的柴油机尤为重要。(3)磨合工况磨合期不能长时间空负荷运转，这是因为燃油稀释气缸壁滑油，可能引起拉缸。磨合期内长时间高速和高负荷运转将更容易引起拉缸。因此必须考虑采取交替负荷循序渐进的磨合工况。(4)选用合格的润滑油若选用黏度过小的机油，则温度较高时，各摩擦面的油膜难以形成和保持；若使用黏度过大的机油则流动性差，不易输送到各零部件摩擦表面间隙，无法实现可靠润滑而导致拉缸故障的发生。(5)对燃用重油的柴油机，如果不对燃油管路(一直到进入高压油泵前)采取伴热保温措施，会因燃油温度低、黏度高、雾化和燃烧不良，导致活塞环积炭，影响活塞环的动作，引起燃气窜气，破坏油膜，造成粘着磨损。224 维护保养方面(1)定期添加或更新润滑油，使机内循环滑油符合使用要求。(2)及时清洗空气滤清器和机油滤清器。(3)及时检查和调整配气正时和供油提前角，如供油提前角过大，将使柴油机最高燃烧压力升高，工作粗暴，缸套与活塞热负荷和机械负荷增加，容易引起拉缸和抱缸的故障。23 腐蚀磨损和疲劳磨损231 腐蚀磨损腐蚀磨损是腐蚀和磨损同时起作用的磨损。气缸内燃油燃烧时会产生酸性气体，当缸壁温度低于水蒸气露点温度时，酸性气体和水蒸气化合并生成硫酸、碳酸和硝酸，凝附在气缸壁上，发生化学和电化学反应，形成腐蚀产物。这些金属腐蚀物在活塞和活塞环往复运动时被剥落，暴露出的金属又重新被腐蚀，如此循环往复加速了缸套的磨损。因此，在试车或运行中，都必须严格控制冷却水温度不能太低。232 疲劳磨损疲劳磨损主要体现在活塞环上，由于表面的交替接触应力使内部产生了剪切应力，在剪切应力作用下，活塞环产生严重变形，导致表层材料疲劳而剥离的现象。24 复合磨损复合磨损是指活塞组与缸套摩擦副同时存在上述两种以上的磨损形式，例如首先产生磨粒磨损而引起燃气窜气，破坏油膜，进而引起粘着磨损。复合磨损是两种或两种以上的磨损形式的相互促进，其磨损速度远远大于单一的磨损，破坏性更大。3 结束语柴油机拉缸故障是柴油机运行中的常见故障，但严重拉缸时将导致极大的损失，不但是活塞、缸套报废，甚至殃及连杆和曲轴。因此，必须予以高度