【轮机工程专题论文：主机缸套异常磨损原因探析8000字】

PAGE7轮机工程专题论文：主机缸套异常磨损原因分析TOC\o"1-3"\h\u26183前言 425071第一章：柴油机类型 5257611.1筒形活塞式柴油机 5325071.2十字头式柴油机 532329第二章：缸套磨损概述 6133732.1气缸套的正常磨损 6103732.2气缸套的异常磨损 6313272.2.1腐蚀磨损 756682.2.2磨粒磨损 8289392.2.3熔着磨损 9284482.2.4拉缸事故 10154152.3气缸套的磨损机理 1120789第三章：气缸套的修复方法 12267933.1正常磨损的修复 12295903.2异常磨损的修复 124163第四章：预防和管理措施 13102264.1.制造和安装工艺 1358754.2.日常管理使用 1327191小结 146972参考文献 15前言随着目前我国航运运输事业的快速发展，中低速船用柴油机的广泛普及以及船舶营运管理成本的逐年大幅提高，为有效降低船舶营运管理成本，船舶所用的内燃油料越来越低劣，使得船舶燃烧室内的工作环境条件更加恶劣，长此以往，燃烧室工作部件异常磨损的问题越来越复杂，特别是燃油缸套表面的异常腐蚀磨损更是需要时刻引起船舶轮机员的高度重视。柴油机的气缸燃烧室空间是活塞在运行中达到上止点时由气缸盖底部、气缸套内缸体表面和气缸活塞顶部之间混合排放燃料和燃烧的一个燃烧空间。燃烧室部件是柴油机中运行条件最恶劣而又最重要的部件，而气缸套又承担了散热和密封燃气的作用，所以气缸套的运行管理对于船舶营运有至关重要的意义，它的常见失效形式为磨损。在船用气缸套早期的严重磨损中，轮机员往往因为疏于日常管理，未能及时引起足够多的重视，慢慢的积累成多，磨损会越来越严重。如果在气缸套内的磨损程度超过正常密封工作性能标准，会出现柴油机燃烧室失去正常密封性能，使柴油机的工作性能水平急剧下降，导致气缸启动困难，功率水平下降，燃料和燃气润滑油的混合消耗速度增加，使用寿命大大缩短以及气缸排气时会冒黑烟等异常现象，又因为由于气缸内部恶劣的机械工作条件，高温、高压、交变电的负载等连续机械动作，很容易就会引起异常机械磨损从而引起的气缸机械故障，最终可能会给人造成不必要的经济损失。因此，了解和分析研究各种异常情况下气缸套的异常磨损故障，有助于我们掌握到气缸套异常快速磨损形成时的规律，判断其磨损造成的故障原因，对于进行气缸套售前预防和售后检修都具有一定的技术指导意义!由于气缸套异常磨损具有复杂性和多样性，目前，研究人员还不能完全依靠一些先进的设备或日常维护经验来应对柴油机的发展要求。本文讨论并描述了船用柴油机气缸套异常磨损的形成规律。通过对气缸套表面磨损的机理分析，判断其可能造成此现象的原因，在此基础上，提出了降低船用柴油机在主机使用和维护中气缸套磨损的措施及其预防和修理技术，加强了对气缸套的全方位认知。第一章：柴油机类型1.1筒形活塞式柴油机筒形活塞式柴油机的气缸由气缸体和气缸套组成，一般情况下，筒形活塞式柴油机的气缸体与机架制成一体，称为机体，气缸套从上部插入气缸体内，每缸一个[1]。柴油机的气缸分为湿式和干式两种。湿式气缸套的外表面直接与缸套冷却水接触，冷却散热效果良好，更换和安装制造也相当方便，但必须一定要配备有可靠的缸体冷却和给水系统密封散热措施；干式气缸套的外表面不与冷却水接触，气缸体自身形成一个密封冷却腔，缸套内的热量只能通过气缸体向冷却水散热，散热的效果较湿式的差。因此，现如今，干式气缸套已基本淘汰，低速柴油机广泛使用湿式气缸套结构。1.2十字头式柴油机十字头式柴油机的气缸也是有气缸体和气缸套组成，十字头式柴油机气缸的气缸体和气缸套与筒形活塞柴油机不同。十字头柴油机的气缸体是可以单独制造的，可以是单体式的，也可以是整体式的，十字头柴油机的气缸体下部设有中隔板与曲轴箱隔开，形成扫气空间[1]。气缸套插入到气缸体中，其下部开有气口，用于柴油机的换气。十字头式柴油机的结构特点分为两种。一种是铸铁制造的单体式气缸体和气缸套组成。气缸体由双贯穿螺栓固定到机架平面上，在气缸体的上部开有大尺寸的中心孔，孔中插入气缸套，气缸体下部有底板将气缸和曲轴箱隔开，气缸下部形成扫气空间，底板上的孔中装活塞杆填料函。另一种是焊接结构的，它具有一系列的优点，比如增加刚性、减轻重量，并且可以将扫气箱与气缸体制成一体而进一步减轻重量和尺寸，焊接和铸造的部件可以互换使用，提高了零件的利用率。第二章：缸套磨损概述2.1气缸套的正常磨损如下图所示是缸套的正常磨损图。活塞环正常磨损的特征是活塞环的厚度基本上均匀，外表面光滑无毛刺，较为清洁，无硬化层，其外形呈鼓形。活塞环的正常摩擦磨损速度不可能超过0.1~0.5mm/kh。气缸套正常发生磨损的主要特点之一是最大产生磨损量的部位一般是位在活塞上的上止点第一道被活塞环环绕的位置附近，并沿着气缸壁由上向下滑动磨损量逐渐增大减小。气缸套正常测量磨损的主要参数为其圆度测量误差、圆柱度测量误差、内径差和增量误差小于产品说明书或其他有关测量标准的国际规定误差值。2.2气缸套的异常磨损气缸套的异常磨损是无法避免的，只能降低发生率。一般情况下，气缸套的磨损在规定的允许范围内(最大允许磨损为气缸套内径的0.4%~0.8%)，气缸套就处于正常工作状态。当活塞环和气缸套的磨损率很高，超出了说明书的规定值，并且在吊缸检查中发现缸套表面有明显的划痕、脏污、凹坑、裂纹、等拉缸和咬缸现象，缸壁有有发蓝等明显的灼烧现象，或者缸内发现较大直径的颗粒产物，磨损金属屑等均为缸套的异常磨损现象。如下图所示的磨损规律可以看出，除（a）外均为异常磨损。气缸套正常磨损的规律为：活塞上止点磨损较为严重，中部磨损相对均匀，下部磨损相对较少。（b）是由于滤网破损，新鲜空气携带大量灰尘进入气缸，或燃烧不良产生大量积碳在其缸套上部聚集，缸套上部磨损较为严重。（c）是由于润滑油中机械杂质过多，四冲程柴油机通过飞溅润滑，把机械杂质和润滑油飞溅在缸套下部，造成缸套下部严重的磨粒磨损。（d）是由于（b）和（c）两种情况同时共存造成的严重磨损。（e）是由于活塞环在缸套上部发生黏着，使活塞上止点的第一道环附近发生严重的黏着磨损，发生大面积的拉伤，这种情况一般发生在冷车启动、缸套水温过低的时候。（f）是由于燃油中含硫量过高、或汽缸油的碱值偏低造成的腐蚀磨损，在气缸套中部磨损较为严重。腐蚀磨损产物脱漏后，形成二次磨损，加聚了气缸套的磨损。（g）是由于气缸套水温过低，在缸套下部形成严重的低温腐蚀磨损。气缸套的磨损往往是多方面因素影响的，应该视情况全面分析。2.2.1腐蚀磨损腐蚀磨损:主要是由于燃料中的硫在高温燃烧条件下氧化生成SO2，燃料中的氢在燃烧后生成水蒸气，SO2融于水蒸气形成亚硫酸和硫酸，当气缸内的温度低于露点温度时，所产生的亚硫酸和硫酸会以液态的形式附着在缸套上，会使气缸套严重腐蚀，便造成腐蚀磨损。气缸套上会布满疏松的细小空穴，这是腐蚀磨损的显著特征。腐蚀磨损在气缸套的上部最为严重，因为油膜较薄且难以形成，并且难以隔离和中和硫酸。这里的冷凝较少，但是随着活塞的上升，它会从下往上刮去酸，所以缸套上部的腐蚀更严重。由硫酸引起的腐蚀称为低温硫酸腐蚀或“冷”腐蚀[2]。除了气缸套内硫酸引起的腐蚀外，当气缸内的燃油、空气和气缸润滑油含有海水或盐时，气缸套就会引起盐酸腐蚀。以下是造成腐蚀磨损的几点原因：（1）油中含硫越多，当油品硫含量1%时，SO3浓度已超过腐蚀风险浓度的下限，相应地，露点增加到130℃左右。当硫含量为0.2%~0.5%时，露点温度接近水蒸气的冷凝温度，不易形成液体，降低了硫酸形成的概率。而使用的气缸油碱度低，不能充分中和生成的硫酸，也会产生低温腐蚀。（2）由于气缸冷却水出口温度偏低，使气缸壁温慢慢降低，水蒸气大量凝结，和气缸内的酸性气体溶解，形成酸，附着在缸壁上加快腐蚀。还有柴油机经常冷车启动、缸套水温度波动幅度过大、缸套出水温差过大等均容易形成低温腐蚀。（3）气缸内空气过多会使SO2氧化成SO3，容易融于液体形成酸。所以空气过剩系数越大，过剩氧越多，SO3也越多，越容易低温腐蚀磨损，这是一个恶性循环。当空气系数降低时，烟气中的SO3浓度会显著降低，接近或小于腐蚀风险浓度，露点也会降低，又增大了腐蚀的风险，当然，并非空气系数越低越好，轮机员要根据柴油机的说明书参数进行最佳调整。因此扫气压力并不是越高越好。（4）柴油机扫气温度偏低。过低的扫气温度会造成气缸内的温度显著下降，也不利于水汽的分离，所以扫气温度控制在40~50度为宜。（5）空气冷却器的水分离装置发生故障，加压空气中的水无法分离，大量水进入气缸，为产生硫酸提供了有利条件。2.2.2磨粒磨损磨粒磨损：硬质金属颗粒一旦进入活塞气缸套的外部摩擦体表面或进入活塞的内部摩擦体表面就会形成金属磨粒，磨粒与两者的摩擦体表面之间产生相互挤压、滚撞，使部分金属磨粒从缸体脱落，又会造成二次金属磨粒磨损，所以防止硬质金属颗粒进入气缸，也是预防磨损的一种措施。磨粒主要成分来源于：燃油在其他催化剂的裂解中燃烧留下的其他催化剂固体粉末；进入燃油气缸中的钢铁锈、沙等其他硬质固体颗粒；磨屑；汽油燃烧之后生成的固体灰分；随着被空气污染进入燃油气缸的固体灰尘以及被空气污染的汽缸油等。磨料运动磨损的主要物理特征之一是其在气缸壁磨料表面沿着与活塞应变运动平行方向边缘具有几乎平行的高度线性轴向运动痕迹。与腐蚀性磨损不同，磨损量从底部到顶部呈现自然过剩，而腐蚀性磨损量则呈现从顶部到顶部的突然过渡。一般情况下，造成磨粒磨损的主要原因有如下几点：（1）增压器滤网筛孔过大或滤网有破损。（2）劣质燃油在气缸燃烧过程产生的颗粒催化剂和磨粒，这些颗粒对气缸危害极其大，主机用氧化硅、铝和镁等催化剂中的颗粒混合燃烧劣质液化燃油后，这些催化颗粒在燃油气缸内持续燃烧使发焦凝结变大，进入缸体轴套和活塞环之间，造成磨料磨损。（3）燃油在储存、驳运过程中油柜中的杂志颗粒带入燃油系统，而燃油系统缺少滤器，或滤器筛孔太粗，不能有效地过滤杂质。（4）使用被污染的汽缸油。（5）腐蚀磨损后，缸壁脱落的金属微粒造成的二次磨粒磨损。（6）气缸注油器发生异常，不能控住准确的注油量，往往会使注油量过多，缸壁上附着在过多的汽缸油，在高温下被烤焦为硬质碳粒，掉入活塞环和缸套之间的间隙，加剧磨损。（7）如果在柴油机扫气箱中积聚的氧化残碳物过多，则很容易被向下的活塞产生的巨大气流飞溅入气缸。随着扫气气流通过扫气口两次进入气缸，落在气缸套和活塞环之间，形成恶性循环，增加磨料，加剧气缸磨损。（8）进排气凸轮磨损过度，是进排气定时有误，造成燃烧不良，后燃加重，使燃烧的硬质产物增加，加剧磨损。（9）汽缸油的碱值偏高，当使用高碱值的汽缸油，在燃烧过程过，中和酸之后，剩余的碱在高温高压下形成灰白色沉积颗粒，造成磨料磨损。（10）扫气气道的排放管有异物堵塞。当扫气排放管堵塞时，一些燃烧产物从燃烧室中掉落，含有各种金属、非金属杂质、催化剂等颗粒，有些硬度很高，这些颗粒用高压气体和多余的气缸机油进入扫气箱，造成活塞下部空间积碳和积油[3]。不论是直流扫气，还是弯流扫气，都会影响扫气效果，导致一些微小的硬质颗粒难以排出，致使气缸磨损加剧，也会有部分掉入曲轴的滑油循环柜，造成一系列的加剧磨损现象。2.2.3熔着磨损熔着磨损:抛光的表面肉眼看起来很光滑，但在显微镜下观察时，表面由锯齿状边缘和谷部组成。在边界润滑的情况下，摩擦物体表面只有一层非常薄的一个油膜，看似光滑的摩擦物体表面可能会刺穿这个油膜，与金属直接接触。当在两个滑动面之间在压力作用下，很少的金属直接相互地碰撞产生摩擦，就可能会在一定范围内形成局部的高温，使两个熔体相互黏住、脱落，逐渐增加而形成熔化性的磨损。对于一般的二冲程主机而言，因熔着磨损而造成不同程度的异常磨损的概率很大。熔着磨损的主要原因包括气缸套、活塞环和活塞环所用材料、加工的质量、尺寸及其形成精确性、气缸喷油正时的精度、气缸润滑油孔位置的设定、气缸油的喷射量及其质量、气缸套表面温度等。在熔着磨损过程中发展得很严重的话就会导致柴油机拉缸。2.2.4拉缸事故气缸内活塞式运动零件的纵向损失：这些纵向损失通常是发生在十字头式的柴油机中，主要原因是由于柴油机的机器安装质量差或者运行过程中的异常磨损，导致固定零件引导板的工作面和运动零件中心线之间的中央点不平行或相对距离较远，或以上二种情形同时出现。上述条件下的存在可能会造成活塞之上止点或下止点在气缸内极左或极右。或者当气缸活塞接近上、下两个停止点的指定位置时，向一侧方向偏移,使得气缸活塞在一个往复运动中就会产生较大的横向摆动和摩擦冲击，破坏了活塞油膜的完整形状，加剧了活塞环与气缸套的摩擦磨损，严重一些情况下就可能会直接造成活塞和气缸套发生卡死事故。柴油机的拉缸事故可根据气缸运行时间和损坏特性分为两类：（1）第一类是柴油机在运行初期，进行磨合工作，或者是在柴油机在新建或大修之后的磨合阶段。主要损坏的部位分布在气缸套和活塞环的工作表面，严重的时候会延伸到活塞裙部。（2）第二类发生在主机稳定运转一段时间之后，由于管理员的操作不当或维护保养不及时，造成活塞的活塞裙面磨损，致使气缸套内上止点附近壁面严重磨损及气口颈部出现裂纹。发生拉缸的现象有以下几种：柴油机运转声音不正常，会发出“嗒嗒”或“吭吭”的声音。由于气缸内摩擦过大导致柴油机转速下降或停车。曲轴箱或扫气箱冒烟或着火。（4）排烟温度、冷却水温度和滑油温度均有明显上升且转速有所下降。（5）吊缸检查可发现缸套和活塞环，活塞工作表面为蓝色或暗红色，有纵向拉痕及凹坑。当值班轮机员遇到以上几种现象使时，且分析判断为拉缸事故，应立即使用机旁电话通知轮机长，报告驾驶台，所有轮机员全部就位。听从船长轮机长的统一指挥，并根据航行工况，天气、海域、航道情况、主机的状态参数和结构特点等，采取积极有效的处理措施，保证航行安全的情况下，把损失降到最低。在日常管理中，为预防此类事故的发生，我们通常会做以下预防措施：保证气缸内运动部件的对中性。气缸套内圆表面采用波纹加工或衍磨加工。气缸套内圆表面强化处理。活塞环外表面强化处理。2.3气缸套的磨损机理缸套的磨损是一个具有综合性质的复杂过程，其中典型的磨损原理大致可以划分为三大类，即腐蚀性磨损、磨料磨损和黏着性磨损。在正常工作运行的柴油发动机中,所有三种类型的磨损都有可能会同时发生，并且哪种磨损机制在给定的时间内占据了主导地位，其中运行环境和操作条件是最重要的。一般来说，上述三种磨损可能同时出现并相互作用，但在某些特殊条件下却很有可能会以磨粒磨损的形式出现，为了正确地判断和采取有效措施，必须根据实际的情况对此进行认真的判断与分析。 第三章：气缸套的修复方法3.1正常磨损的修复当气缸套的磨损不大，不超过规格或规定标准，但内圆表面只有轻微的划伤或划伤时，可由船上轮机员修复:（1）轻微纵向拉痕（宽≤0.2%，深≤0.05%，数量≤3条）用高精度的金刚砂石或细细的砂纸打磨（与水平成20°-30°交叉打磨）形成相互交叉的打磨痕迹，使拉痕表面光滑后继续安装使用。当气缸套内圆表面上的纵向拉痕超过上述规定的条件时，应换新后，把旧的送到船厂通过机械加工的方法消除拉痕。（2）当擦伤较轻（深度＜0.5mm）时用油石、锉刀、风砂轮等进行手工处理将其清除,使其表面平整光滑后再重新使用。3.2异常磨损的修复（1）镗缸修复：当气缸套内圆表面产生较大拉痕、擦伤和磨台，或气缸套的圆度和圆柱度超标时，但内径增量尚符合标准时，采用镗缸方法消除表面损伤和几何形状误差，但镗缸后的内径增量仍应在标准之内。（2）尺寸修复法:当缸径增量超标时，在保证缸套壁厚和强度的前提下对缸套进行镗孔，消除缸套表面内圆的误差及刻痕、划痕、磨床等损伤，并根据镗孔后的缸孔配置设计了新的活塞组件，以恢复活塞与缸套之间的配合间隙。（3）恢复原尺寸法。当一个气缸套的内径外扩增量大于标准值时，镗缸首先就会消除气缸套的内圆表面产生的几何形态误差及其对表面的损伤。根据对于气缸套厚度的设计要求，壁厚可以通过镀铬、焊铁或者是镀锌、铝镁等工艺手法进行处理，也可以用来恢复气缸套最初的直径和活塞相互作用的配合间隙。如果气缸套处理过后还是无法达到使用标准，予以换新处理。修理后，气缸套必须在正常运行之前进行磨合运转。磨合应根据柴油机手册的要求或根据修理状态进行。第四章：预防和管理措施4.1.制造和安装工艺气缸套常采用合金铸铁，如高磷铸铁、磷铬铸铁和含硼铸铁等。高磷酸锰铸铁的导热储油固化能力和导热耐磨性均比较高。气缸套件也可以通过利用一些动力增强的技术手段使用来大幅改善气缸性能。常用的手段有内圆表面高频淬火、激昨光表面淬火,松孔镀铬和内外表面的离子渗氮。这些多种增强保护手段均可以小幅度地有效提高气缸套的坚韧性和耐磨度，增强其疲劳性。气缸套內圆表面的这种增强性能的处理方法必须和位于活塞环外表面的增强性能的方法相匹配，形成合理的气缸摩擦副。重要的一点就是我们需要特别注意如何保证对活塞组件和缸套的装配质量，并要保证它们的正常的运行协调。据统计认为气缸套总磨损量的30%是由于装配不正、间隙不合适引起的。活塞与气缸套的轴线不重合，甚至倾斜，会使润滑状况恶化，磨损加剧，造成严重的擦伤和拉缸。间隙不适宜，容易产生敲缸拉缸等故障。在安装过程中，要平稳，缓慢的操作，避免活塞与气缸套之间的碰撞，安装后要检查活塞的对中性，及其活塞环的间隙，达到说明书的要求，并经过轮机长的同意之后才可以开启试车。4.2.日常管理使用（1）加强燃油和燃烧的管理。提升燃油品质的选择和燃油的高效净化可减少对气缸套的异常磨损，延长主机的寿命。使用劣质燃油时应增强燃油的净化水平，以确保燃油尽可能完全燃烧,减少由于燃烧不充分而引起的异常磨损。（2）保证良好的气缸润滑。对于二冲程柴油机，首先要选择合适的高品质汽缸油，当主机运转在不同的工况下，要调整不同工况的汽缸油注油率。四冲程柴油机使用飞溅润滑，但要确保油底壳的润滑油量处在合适的位置。（3）注意缸套冷却水温度。缸套冷却水温度不能过低也不能过高。要时刻注意水温的变化，为保持在要求的温度范围内,同时加强对冷却水的管理,定期进行水处理。（4）日常中要定期检查扫气口，通过借助手电筒、反光镜、塞尺、非金属棒等工具进行操作，检查扫气口主要是为了检查活塞头的运行状况、活塞环