活塞环断裂分析及日常维护管理要点

1、大连海事大学装.订线毕 业 论 文二一三年六月EAGLE BOSTON轮活塞环断裂分析及日常维护要点专业班级：轮机管理07-4姓 名：叶 永 杰指导教师：轮机工程学院内容摘要本文主要介绍船用柴油机活塞环的种类、原理，对EAGLE BOSTON轮活塞环使用中断裂的原因进行了分析，讨论了其影响因素并逐一排查，最终使故障得以解决，讲述了吊缸过程中应注意的事项，以及日常管理要点给出了建议，并在最后进行了总结，力图能够为轮机员工作提供较好参考。关键词：活塞环；断裂；腐蚀；维护 ABSRACT This paper describes the types of marine diesel engine p

2、iston ring, the principle of M/V EAGLE BOSTON piston ring causes breakage in use were analyzed and discussed the influencing factors one by one investigation, and ultimately the fault is resolved, about the hanging cylinder process should pay attention matters, as well as daily management point give

3、s recommendations and a summary at the end, trying to work for the engineer to provide better information.Thank you!Keywords：Piston Ring, Principle, Fracture, Maintenance 目 录第一章 前言1第二章 活塞环的种类及工作条件12.1压缩环12.1.1压缩环的结构形式22.1.2压缩环的搭口形状32.2承磨环42.3活塞环的工作条件4第三章 故障的分析与排除53.1故障现象53.2现象分析及处理措施53.2.1吊缸的准备工作63.

4、2.2吊缸的步骤63.3活塞环断裂的原因分析93.4故障的排除9第四章 日常管理要点10总结12参考文献13致谢14EAGLE BOSTON轮活塞环断裂分析及日常维护要点第一章 前言 目前在船舶柴油机中使用的活塞环种类繁多,主要区别在于活塞环的材料、搭口形式、表面涂层和断面形状的不同。每种活塞环各有其优点和不足,各类柴油机要根据自身的特点选择合适的活塞环组合,达到良好的密封和刮油效果。目前应用最广泛的是以灰铸铁、合金铸铁、球墨铸铁为材料、表面镀铬的活塞环,其良好的抗磨、耐蚀、耐高温性能都较好地满足了第一道、第二道环的工作要求,但其镀铬层强度随厚度的增加而降低的特性限制了镀铬层的厚度,镀铬层硬而

5、脆的特性使活塞环在润滑不良或受到局部外力作用时容易剥离,很大程度上影响了镀铬环的使用可靠性和使用寿命1。常见的喷钼环具有优良的抗熔着性和磨损性能,不易引起拉缸,镀铜、锡环可改善初期磨合性能和抗蚀性能,但这两类环的耐磨性较差,使用寿命不长。目前正在逐步得到应用的等离子喷镀技术使活塞环镀层有铁、钨、铬等多种金属成份,大大改善了单一金属镀层的不足,使活塞环的耐磨性、抗蚀性、耐高温性能有了明显的提高。随着纳米技术在船舶领域的应用,不久的将来,必将使活塞环的综合工作性能得到全面的提高。第二章 活塞环的种类及工作条件在柴油机气缸套-活塞组中,活塞环的主要作用是保证活塞与气缸套之间的可靠密封,同时起到导热、

6、支撑和调节滑油的功能。活塞环所起的作用不同，有压缩环（气环）和刮油环两种2。压缩环主要是用来保证活塞环和气缸之间在相对运动条件下的密封，刮油环的作用是除去气缸套表面过多的滑油，通常用于筒形活塞式柴油机。而十字头式柴油机气缸是采用注油润滑，一般只装气环，在活塞裙比较长的活塞上还要装承磨环。本轮主机为MAN B&W 6S60MC。2.1压缩环压缩环的主要作用是防止汽缸中的气体漏泄和将活塞上的部分热量传给气缸。压缩环的密封作用是依靠本身的弹性和作用在它上面以及漏到环内侧的气体压力，使环紧紧贴合到气缸壁和环槽上，如图1。 图1 压缩环的密封作用 这样就阻止了气体通过活塞与气缸壁之间的间隙漏至气

7、缸下部空间。但由于活塞环在气缸中要留有搭扣间隙，因此正常工作的压缩环也不可能完全阻断燃气的漏泄。再加上活塞环可能出现的失效，为了提高密封效果，一个活塞上要设多道压缩环。但为了减少摩擦损失，压缩环也不能设置过多，通常高速柴油机装2 4道，低速柴油机装4 6 道。每道环的密封作用可由燃气压力在各道环槽中的变化情况看出。第一道环由于高温高压燃气的直接作用，承受的负荷最大。在新型柴油机上，采用将第一道环加高的方法提高其承载能力，并在环的外侧开设四至六道压力释放槽，以使第一、二道环的负荷更加均匀。2.1.1压缩环的结构形式压缩环的结构形式是多种多样的，根据其断面形状，可分为矩形环、梯形环、倒角环、扭曲环

8、等，如图2 图2 气环的断面形状矩形环（a）；梯形环（b）；倒角环（c）；正扭曲环（d）；反扭曲环（e） 矩形环制造简单，应用最广，但温度超过200时容易结焦卡死。梯形环、倒角环和扭曲环用在中高速柴油机中。 2.1.2压缩环的搭口形状压缩环的搭口形状有直搭口、斜搭口和重叠搭口，如图3图3 气环的搭口形式直搭口和斜搭口结构简单，加工方便。重叠搭口气密性好，但容易折断。为了减少通过搭口的漏气，安装时活塞环搭口不要摆在上下一条直线上，应该错开并且相邻环的搭口方向要彼此相反。为了提高活塞环的耐磨能力，活塞环表面可以采取不同处理工艺，如下图4为MANB&W公司的大缸径柴油机所采用的新型活塞环组。

9、在第一、四道活塞环与气缸壁的摩擦表面采用了硬质的金属陶瓷镀层。由于硬质的金属陶瓷镀层的磨合性能较差，为了改善磨合，在其表面镀有薄的铝磨合层，且活塞环的外圆面导有较大的斜面。图4 新型活塞环组2.2承磨环十字头式活塞的承磨环是专为活塞与气缸的磨合而设置的。超短裙活塞可以不装承磨环，短裙活塞装1 2道，长裙活塞装 2 4 道。在活塞裙上开设燕尾槽，如下图5所示。把截面如（a）所示的青铜条分成 3 4 段敲进环槽中，然后再加工到工作尺寸如图（b）所示。承磨环的直径比活塞裙部直径大。在磨合中，先是减磨金属与气缸磨合，待承磨环逐渐磨平后，磨合过的气缸再与活塞裙逐渐接触进行磨合。实践证明，如果在裙较长的活

10、塞上不安装承磨环，活塞与气缸在磨合中就会拉缸。在中小型筒形活塞的活塞裙上不设承磨环。 图5 承磨环承磨环在运行中虽已磨平，但不必更换。如果发现缸套有不正常的磨损和擦伤，或当承磨环出现单边严重磨损或碎裂时，在对缸套修整的同时应换新承磨环。缸套、活塞换新时承磨环应予换新。从承磨环的磨损情况可以分析活塞的对中情况。2.3活塞环的工作条件 活塞环的工作条件极为复杂,体现在以下三个方面： (1)工作环境恶劣,特别是第一道环,它承受的温度高达250,甚至达400,并受到燃气侵蚀,润滑油膜难以建立,处于边界摩擦和半干摩擦状态3。 (2)受力复杂,活塞环上承受的力有弯曲交变负荷、气体压力、自身弹力、往复运动惯

11、性力、摩擦力以及活塞对它作用的侧向力等。 (3)运动形式复杂,随着发动机的转速和气体压力的不同,活塞环除了以不同的方式产生周期性的与环槽上下端面发生脱离和接触的轴向运动之外,为适应缸径变化以及侧推力的作用还会作径向运动。此外,活塞环还会在环槽中作回转运动甚至发生扭曲变形和扭曲运动。第三章 故障的分析与排除3.1故障现象本人的实习船舶名为EAGLE BOSTON轮，是一艘船龄为18年的阿芙拉型油轮。它的主机为MAN B&W 6S60MC超长冲程低速柴油机，其以最大输出功率(MCO)运行时的转速为84RPM，以额定功率（CSO）运行时的转速为79RPM。此航次为该轮的第286航次，航行路线

12、则是由加拿大的WIFFEN HEAD返回美国新泽西。从离开加拿大的WIFFEN HEAD港口到即将到美国新泽西之前，主机的各运行参数尚处于正常范围。当本轮即将到达新泽西的目标港口时，值班轮机员突然发现系统油的消耗量突然增大，怀疑此故障是由于活塞漏油引起的。由于我轮当时即将到达港口并准备卸货，所以先采取了减速的措施。当到达港口后，打开扫气箱检查，发现第3缸活塞头漏油，活塞环全断，环槽严重磨损，并有缺口，同时第2、4、5、6缸活塞环均有不同程度的断环或黏着并失去弹性，（第一缸吊缸检修516小时，没有粘着和断环现象）。3.2现象分析及处理措施由前文的故障现象可以了解到，本轮主机的系统油消耗量在航行过

13、程中突然增大，并初步判断故障原因为活塞漏油，因此主机的运行状况已非常恶劣。由于本轮当时即将到达目标港口，并准备到港进行货物的装卸。因此，此时的航行状况不能允许停车吊缸检修，应先降低转速，降低该缸的喷油量或停油，并保证故障缸的良好润滑，适当增大供油提前角，密切注意断环缸有无异常声音，使柴油机安全运行到港口，以便接下来的修理工作。当本轮到达港口并停车后，立即打开曲轴箱道门进行检修，发现本轮主机的部分活塞环已经发生了断裂故障，一些活塞环槽产生了严重的磨损，而且必然造成相应缸产生一定程度的拉伤。如果不进行相应的处理，那么这些断环的碎片可能会冲入到排气管甚至冲入到废气涡轮增压器中，进而打碎增压器的叶片，

14、造成严重故障。另外，这些断环的碎片也可能引起进一步的拉缸,损伤缸套并使活塞环槽变形。因此，经过以上分析后，必须对本轮主机进行吊缸以实现对活塞和缸套的检修，对磨损严重或断裂的活塞环进行更换，从而保证气缸的密封性，恢复主机的正常运行。3.2.1吊缸的准备工作在进行具体的吊缸工作之前，应将吊缸之前的准备工作做好。主要的工作如下： （1）仔细检查起吊工具是否完好正常。 （2）准备好吊缸的工具、量具、了解备件情况。 （3）清理现场，准备木盖，木楔等。（4）确认已经关闭空气瓶截止阀、切断主机燃油、滑油、空气冷却水的供给。3.2.2吊缸的步骤当吊缸的准备工作完成并检查无误后，将进行具体的吊缸操作。此次吊缸操

15、作主要包括四个步骤，分别为汽缸盖的拆卸、活塞组的吊出、缸套活塞组的检查、清洁和测量以及活塞组的安装。由于吊缸的的主要目的是对气缸内部以及活塞进行检查修复，因此应首先将气缸盖拆卸下来，以便接下来将活塞组吊出并对活塞组以及气缸缸套进行检查等操作。3.2.2.1 气缸盖拆卸 （1）关闭主起动阀、合上盘车机、打开示功考克、关闭冷却水进出口阀。打开放气、放残阀，放完气缸盖的冷却水后，即关闭放残阀。 （2）关闭燃油进口阀。 （3）切断控制空气及安全空气（必须先停凸轮轴油泵）。 （4）从排气阀和缸盖上拆去冷却水出口管。 （5）拆除排气阀高压油管及回油管。 （6）拆除高压油泵与喷油器之间的三根燃油高压油管，并

16、脱开回油管。 （7）从起动阀拆去控制空气管。 （8）拆掉起动空气管与缸头联接法兰上的螺丝。 （9）拆卸排气阀杆密封气控制元件的空气管。 （10）移去排烟管上的隔热罩，拆除哈夫环。移去缸盖螺栓的保护帽。 （11）在所有缸盖螺母上放好定距环，装上液压拉伸器泵压至规定值，一般在9099 MPa以下，旋松缸盖螺母并移走。（12）彻底检查并确认无未被拆卸的部件后，吊走缸盖并放在两根枕木上。当以上工作完成后，气缸盖即被顺利地拆卸，那么接下来的工作即是将活塞组吊出来。3.2.2.2 吊出活塞组 在吊出活塞组之前，首先打开凸轮轴侧的扫气箱，检查道门和两侧曲拐箱道门。若无异常，则进行以下操作。 (1）盘车使十字

17、头向下运动，直到有足够空间拆活塞杆的液压螺母和填料函。 (2）从曲拐箱内拆除填料函底座板上的8只内圈螺丝。（注意：不是外圈螺丝）。 (3）在活塞杆的螺母上装好4只液压拉伸器，泵压至9099 MPa，旋松活塞杆液压螺母并移走。 (4）在活塞杆底部压脚板上装两根定距螺杆，以保护填料函下部刮环并为填料函导向。 (5）在缸套和活塞清洁环之间做一记号，以便能正确地装复。移去活塞清洁环。 (6)清除缸套上部积碳，用砂轮仔细地磨掉缸套顶部燃烧堆积物，确保缸套任何磨损区域平滑，防止吊活塞时被卡住。 (7)盘车至上死点，仔细清除活塞头上起吊槽内积碳(如有必要，拆去一至两根气缸盖双头螺栓),确保起吊工具安装到位。

18、 (8)缓慢起吊活塞，摆正活塞位置，使活塞杆底部正好通过填料函底部开口。把活塞放置在两个半圆型的专用支撑架上。(9)用专盖板将填料函孔盖住。盘车使十字头向下，以便在十字头的轴承盖上安放橡胶保护罩，直到重新安装活塞时把它拿开。3.2.2.3 缸套、活塞组的检查、清洁和测量当以上工作完成后，将对缸套以及活塞组分别进行相应的检查和修复工作。对于缸套，要确认其拉伤、磨损情况并以此进行相应的清理和修复。对于活塞组，要确认活塞顶部是否发生烧损、活塞环槽的磨损情况以及对严重磨损和断裂的活塞环进行清除和更换。具体操作如下： (1)缸套及扫气口包括活塞下部扫气室需彻底的清洁和检查。尤其注意清除汽缸油注油孔两侧燕

19、尾槽内的结碳。 (2)缸径的测量：按随机提供的测量样棒上各测量点在前后左右方向逐一测量记录。轮机长应根据缸壁情况和测量数据进行分析、评估。 (3)仔细清除缸壁上的刻痕或拉痕，并磨去燃烧堆积物。 (4)手泵汽缸注油器，检查气缸每个注油孔均能正常供油。必须清通堵塞的通道。 (5)用专用工具拆下活塞环，进行清洁检查。测量并记录活塞环径向宽度,不小于规定数值,否则必须换新。 (6)带有压力释放槽的，如果槽的深度小于2.5mm, 则该环须换新。 (7)清洁检查活塞环槽的磨损情况。 (8)清洁活塞头，检查顶部及四周围的烧损情况，并用专用模板检查其顶部烧损的高度，不得超过规定数值。 (9)安装令前测量令的搭

20、口间隙，把令装在新缸套或旧缸套底部测量，搭口间隙须 符合要求。 (10)第一道令为重叠搭口，一般2#、4#道为左斜口，3#道为右斜口。相邻两道搭口要错开，有记号的那边必须朝上。用专用工具安装活塞令。 (11)测量并记录活塞环天地间隙，不得大于规定数值。 (12)填料函按规定8000小时拆检测量，各道令环间隙变化达50%以上应更换。3.2.2.4 活塞组的安装 以上即为吊缸操作的基本内容，接下来将重新把活塞组吊回气缸中，安装到原位，具体的操作如下：(1)按相关要求对活塞头及各活塞环再作仔细检查。 (2)装妥起吊活塞头的专用工具。 (3)移去在十字头的轴承盖上安放的橡胶保护罩 (4)移去放在填料函

21、孔的盖子。 (5)将十字头上两根对角的活塞杆螺栓拆下，装上两根带锥度的导向螺栓（专用工具）。盘车至上死点前十字头在45°位置。 (6)活塞杆，缸套，活塞环抹上一些润滑油。填料函橡皮圈涂好牛油。(7)将活塞令的导向环（专用工具）安放在缸套上。把活塞缓慢放入缸套内。特别注意：当活塞杆底部压脚板通过填料函底座的缺口时，要摆正其位置。将活塞组一直放到活塞令全部在缸套内,吊装工具大约离导向环顶部30 MM的高度处，停！ (8)检查十字头导向环已对准活塞杆的中心孔时，逐渐向上死点盘车。当盘车至上死点后，松掉并移走起吊工具和活塞令导向环。向下盘车，使活塞杆和拉伸管随十字头下行至足够空间，检查收紧拉

22、伸管螺丝。 (9)在活塞杆的下部拆去两根定距螺杆,从十字头上拆除两根锥形导向螺栓。用扭力板装复两根活塞杆螺栓，扭矩为200 Nm。用液压拉伸器同时四根活塞杆的液压螺栓上紧至90MPA。 (10)装复上紧填料函底座板上的8只内圈螺丝。 (11)在活塞杆上涂二硫化钼并盘车一圈。 (12)在缸套上口装妥活塞清洁环，确保环上的记号与缸套上的记号对齐。 (13)安装气缸盖 (14)在条件许可的情况下，在非常低的转速下运转15分钟后，停车检查活塞杆和填料函。3.3活塞环断裂的原因分析 在上文所述的吊缸操作过程中，本人对活塞组件进行了详细地观察，并有以下发现： (1)第2 缸 1513 HRS 第三、四道环

23、槽磨成锥度，第四道活塞环断，更换活塞头及全部活塞环。 (2)第3缸4130HRS ，活塞头漏油，活塞全断，环槽严重磨损，二、三道环槽有缺口，左后和后侧缸套表面有两道垂直划痕。更换活塞头及全部活塞环。 (3)第4 缸 2349 HRS 活塞环第一、二、三道搭口处折断一小节，第四道全断，缸套（33914HRS）右侧距顶上5公分左右有一水平约45公分的裂痕，活塞环及缸套全部换新。 (4)第5 缸 2831HRS 第三道活塞环搭口处折断一小节，活塞裙承磨环失去四分之一，活塞环全部换新，活塞裙环旧备件。(5)第6缸 5213HRS第一道活塞环卡死，第三道折断，活塞环全部换新。另外，本人从燃油净化方面考虑

24、，发现本轮的轻、重油分油机的排渣时间继电器都已损坏。因此，分油机在实际的分油过程中并没有排渣，分离效果很差。这也就导致了燃油二、三级滤器经常脏堵，即使将两台分油机并联使用，其分油效果也不理想。因此，本人根据活塞环磨损的检查情况以及燃油净化单元的工作状况，利用所学的理论知识综合分析，判断故障应由以下原因造成： (1)燃油分离过滤效果差。导致雾化质量差，燃烧不良。 (2)第一道活塞环用错。由于其上的标记原本就比较模糊，吊缸时都看不见痕迹了。根据了解情况：以前在活塞环备件不充足的情况下，曾将一套活塞环（尚不能确定为原装整套）分为两个缸使用，并都作为第一、二道环。 (3)活塞环搭口位置不正确。按120

25、度间隔摆放，而说明书要求按180度间隔摆放。 (4)活塞环槽磨损过度。活塞环的不正常造成环槽的不正常磨损，未能及时更换促成活塞环槽磨损过度。 (5)吊缸后气缸油量未按说明书要求加大。在吊缸后只加大一格，运行两天后就调回原来的注油量，加快了缸套的磨损速度。说明书要求在更换缸套或活塞环均要逐步递减，运行1200小时后才接近正常的注油量。3.4故障的排除此次吊缸后，值班轮机员严格按照说明书的要求，对主机进行磨合运行。另一方面，主管轮机员更换了轻、重油分油机的排渣时间继电器，选择了大一号的比重环以及缩短燃油二、三级滤器自动冲洗时间间隔，并定期将重油日用柜循环分油，燃油分离质量得到明显改善。由于采取了以

26、上措施，从吊缸后主机首次运行到本人下船为止，主机已运行近2700小时，其转速也逐步提高到77RPM以上，没有再发现断环现象，主机各种运行工况也都较稳定。至此故障问题得以解决。第四章 日常管理要点根据本航次事故发生所体会的心得以及实习期间的工作经验，本人总结了几条主机的日常管理要点，希望更够有助于其他实习轮机员更快的掌握主机的维护管理技能，具体如下： (1)安装新环或更换了缸套后，必须按说明书要求进行磨合。严格执行磨合的转速(负荷)和时间，不可操之过急，气缸油量适当加大且最好使用纯矿物油，注意监视排温和冷却水温情况及时发现磨合中可能出现的故障，保证磨合质量4。如下图6为MAN B&W S-MC 型柴油机的气缸磨合程序。图6 MAN B&W S-MC 型柴油机的气缸磨合程序 (2)气缸油的牌号和油量符合说明书要求，要避免气缸油多比少好的错误观念。过多的气缸油可能造成结碳，且浪费了气缸油，过少则会造成润滑不良。气