毕业论文船用柴油机拉缸故障及分析

1、船用柴油机拉缸故障及分析摘要 本文介绍了船用柴油机的拉缸现象和此现象产生的主要外部表现迹象；并且分析了拉缸现象产生的内部机理和外部原因，通过分析进一步提出了针对这些不同情况下的不同故障而采取不同的对策。关键词 船用柴油机；拉缸现象；对策；润滑Cylinder Scuffing of Main engine and AnalysisAbstract Introduced the ship with the diesel engine the main exteriorperformance sign which pulls the cylinder phenomenon and thisphen

2、omenon produces; And analyzed has pulled internal mechanism andthe external reason which the cylinder phenomenon produced, furtherproposed through the analysis took the different countermeasure inview of these different situation in different breakdown.Key words Marine diesel engine；Scuffing phenome

3、non；Countermeasure；lubrication目录0 引言-11 拉缸表现迹象-12 发生拉缸现象的机理-23 影响拉缸的有关因素及常见原因-2 3.1拉缸的有关因素-3 3.2拉缸的常见原因-44 预防拉缸的措施-6 4.1换活塞环工艺-6 4.2减少气缸套磨损的途径-85 拉缸的不同情况的应急处理、临时措施和预防对策-9结论-10致谢语-11参考文献-120 引言拉缸现象是船用柴油机在生产、运行工作中一种危害性很大也很常见的发动机故障。拉缸时候产生的磨损量很大，可达到正常磨损的几十甚至几百倍。柴油机的拉缸根据损伤的程度轻缓不同可以分为擦伤、划伤和咬死等几种故障。前两者是属于轻

4、微的拉缸行为，通常可自行修复。若及时发现情况，排除故障，可以避免大的漏洞和损失。若拉缸逐步严重，造成活塞与汽缸壁粘连，轻者损坏活塞和汽缸，重者咬死活塞，活塞卡死在缸套里，柴油机熄火，摇转曲轴不动。而拉断活塞或连杆、打坏机器、以致造成重大事故。因此对柴油机拉缸故障的形成机理进行分析，找出早期预报和正确的应对措施，对柴油机正确管理使用，提高可靠性和延长使用寿命，以及提高管理人员对故障的排除应变能力，都有很重要的意义。1 拉缸表现迹象所谓拉缸现象就是在柴油机的运转过程中的故障，发生拉缸现象的时候，外部迹象表现为。1） 发动机声音沉闷、异常，有哒哒哒或吭吭吭地异常声响。2） 发动机有震动现象。3） 缸

5、套和活塞拉伤，在压缩和作功行程时汽缸中发生串气现象、串机油严重、油消耗量增加。4） 温度异常。排气温度上升、冷却水温度升高、润滑油温度明显提高，转速不稳定、启动困难，曲柄箱出口冒烟，运转无力，功率不足，柴油机功率下降。拉缸产生后，应将活塞连杆取下，观察活塞环汽缸壁工作表面沿活塞运动方向出现的片状或者条状的兰色条纹，形成一定面积的拉毛，其表面硬度比原基体组织有所增高。并伴随有变色（暗红或发蓝）的现象，甚至活塞环折断、卡死、拉断活塞或连杆、打坏机器。2 拉缸现象的机理众所周知，船用柴油机是一种热能动力机械，工作条件十分恶劣，承受着较高的热负荷和机械负荷。燃烧室是柴油燃烧和工质膨胀的场所，活塞、缸套

6、及汽缸盖等是构成燃烧室的主要零部件，其所处的工作环境是高温、高压以及带有化学腐蚀性的混合油气直接作用于燃烧室组件。若维护保养不好，则拉缸故障时有发生。现代研究表明，柴油机活塞（环）缸套的润滑状态处在混合润滑模型状态，即有时处于流体润滑状态、有时处于边界润滑状态。拉缸故障产生的内部机理笼统地说是汽缸内壁与活塞环、活塞之间的工作表面具有一定的硬度和表面粗糙度，在一定温度条件下相互配合工作，机油起着润滑、冷却、清洗和密封的作用。若由于某种原因，油膜变薄或遭到破坏，因润滑不良出现干摩擦或半干摩擦，造成局部高温粘附磨损的过程。而活塞与缸套之间的润滑油膜恶化中断是产生拉缸的必要前提。由于活塞与缸套之间的润

7、滑油膜一旦中断，则两者表面的金属由原来的液体摩擦变成固体间的干摩擦或半干摩擦，由于摩擦副表面的高速运动产生的摩擦热，这样的热量积累的高温会超过金属的熔点，引起活塞或活塞环与缸套表面发生显微熔化、撕脱并最终焊接在一起。活塞运动时两表面熔焊点又被该力扯断拉开随之冷却，这样就出现了一个表面的材料转移黏附在另一滑动面上形成坚硬层或脱落为磨料。如果油膜能及时得到补救恢复，可起到清洗和冷却作用，则温度下降，微小熔着部分脱落而不会扩展，如果油膜恢复迟缓，熔着扩展将导致大范围异常磨损，缸壁、活塞，活塞环急速受到严重损伤，在缸壁表面上呈现熔融流动状态，显出不均匀、不规则边缘的沟痕和褶皱，持续发展而产生拉缸。另外

8、，从发动机机油和空气管路进入摩擦区的硬质微粒造成的损坏，也会促进拉缸情况的发生。另一些学者则认为“摩擦界面温度升高导致粘着，摩擦副表面的强烈摩擦导致硬化表面的强烈摩擦导致硬化相的破裂甚至折断等因素是产生拉缸的根本原因。拉缸首先在接触载荷较大的局部区域发生，再进一步扩展，从磨损机理来看是从正常磨损到严重磨粒磨损的突变。”3 影响拉缸的有关因素及常见原因3.1 拉缸的有关因素影响拉缸产生的因素很多，很复杂，而各种因素之间往往存在着相互影响和相互制约的关系，具有不确定性。但根本原因就是润滑不良和局部负载过大。大的方面可以概括起来为：活塞组和汽缸套的结构设计问题；工艺水平问题；安装质量问题；磨合运转程

9、序问题；润滑油的选择；燃油的处理以及使用和维护等方面的问题。而每一个方面的原因都有很多，例如：仅其中之一活塞组方面的原因就可能有：1）活塞材料选择或热处理不当。活塞表面对硬度对拉缸有极大的影响，如果活塞热处理过程中升温速率、淬火温度和保温时间等某一参数稍有偏差，则会产生表面硬度低，活塞的内应力不能完全消除，使活塞金相组织处于不稳定状态，当活塞质软，热膨胀系数大、高温时强度差，发动机在高速运转、机器温度升高、机油稀薄的情况下，活塞受力面的合金很容易熔化，使摩擦阻力增大，导致发动机自动熄火，熄火瞬间可能形成粘缸，如果熄火频繁，汽缸很快就会被粘积的铝合金层破坏，形成串气，串烟，最后形成拉缸。2）活塞

10、结构设计不合理。由于活塞在工作中受热变形，所以为了使活塞在工作中能有一个合理的形状，有理想的贴合面，所以某些活塞有个锥体，而设计不合理的锥度无法保证在大负荷下弥补活塞由于受热、受力而产生的变形，拉痕为三角形和八字形的拉缸活塞，可能与锥度过小有关。还有铝合金活塞在工作过程中由于受热及受力和金属分布不均等原因，会造成活塞在活塞销轴线方向伸长，为了使活塞在工作时候膨胀留变形余地，在制造加工时候将活塞做成椭圆形。3）活塞过热。导致活塞过热又有许多因素，包括喷油时刻太早，冷却水损失、水垢太多，水泵停转等造成冷却不足或完全没有，缸套过热保不住油膜，缸套与活塞呈半干摩擦状态，运转吃力，密封不好造成串气等因素

11、。单就其中某一因素来说，如果水垢过多过厚，汽缸水套变成隔热层，当发动机转速升高，温度上升，负荷加重而需要迅速散热的时候，水垢不但不能迅速传热，反而起到保温的作用。因此，发动机汽缸的热量不能迅速传递到循环水中去，从而导致机体温度升高，由于机体温度过高，使活塞热膨胀量超过最大值，将配缸间隙完全消除，造成拉缸，此外，润滑油在高温下变得稀薄，使活塞环和汽缸壁之间的摩擦系数增大，表面粗糙度增大，而造成拉缸。4）配缸间隙大小等。活塞和汽缸的装配间隙是严格按照规定的，间隙大了冷车时候会“敲缸”，同时可能造成串气、串油等；间隙小了热车时可能会“拉缸”，因此装配活塞时应严格控制其配缸间隙。有关柴油机产生拉缸的具

12、体外部原因和影响因素较多，这里就不一一列举。下面我们根据拉缸后结果出发，分析出一些针对性有建设性的意见。3.2拉缸的常见原因柴油机出现拉缸现象时，轻者起动困难、功率下降、排出大量黑烟、振动加剧、机体内发出敲击声；重者活塞卡死在缸套里，发生胀缸或咬缸事故，柴油机熄火，曲轴无法转动，活塞、活塞环、缸套等零部件严重损坏。低速柴油机拉缸破坏的过程比较长，而中速柴油机拉缸破坏的过程一般仅有几十分钟，甚至几分钟内发生巨大破坏。因此，要尽一切可能来避免拉缸现象的发生。经分析造成柴油机拉缸故障的常见原因如下：1）冷却水不足，气缸套润滑不良水套里的冷却水由于大量消耗、泄漏严重或放水螺塞松脱，冷却水流尽都会造成温

13、度过高。此时虽然润滑系统没问题，但因为机件过热破坏了油膜，极易缸套与活塞呈半干摩擦状态，运转吃力、冒黑烟，极易造成缸套与活塞拉伤。气缸套润滑油量不足，机油浓度过大或过小，与活塞配合间隙过小等原因，都会使气缸套表面因局部润滑不良、摩擦严重而使其温度过高。遇此情况应立即熄火，否则，缸套与活塞便会形成干摩擦，进而咬滞形成粘缸。粘缸后因机件正热，切忌加冷水以免激裂零件。应摇转曲轴使其自行冷却然后修复。 压力 旧环 新环 图 对比法检查活塞环弹力2）活塞与缸套配合间隙过大或过小若配合间隙过大，活塞环的弹性变差或消失（如下图），活塞在往复运动中回出现摆头现象，从而敲击缸壁，破坏运动件的正常润滑油膜，导致干

14、摩擦而引起拉缸。若配合间隙过小，机器重载作业时又会因活塞受热膨胀，使该间隙完全消失造成活塞与缸套无油膜直接摩擦而发生拉缸。为此，修理柴油机时应细心地测量，选用分组记号相同的活塞缸套组件使其配合间隙保持在技术规定范围内。使用柴油机时，若发现油底壳下窜气严重，则应及时检测活塞与气缸的配合间隙，必要时锁缸修复或更换活塞缸套组件。3）活塞环折断或开口间隙小活塞环装入气缸后应留有技术规定的开口间隙，防止柴油机工作时受热膨胀拉坏缸套或卡死在缸套里。安装前将环放在缸套内，用活塞顶推平用塞规量好其开口间隙。活塞连同活塞环往缸套里安装时一定要用专用工具，可以用薄铁皮卷成筒或用同型号的废缸套车制的喇叭口形状的专用

15、工具将活塞环箍住。那种用起子撬着活塞环安装活塞的方法常会在安装时使活塞环折断，试车时就会将缸套拉伤。组合环中的油环往缸套里安装时更应使用专用工具，防止圆刮环不能卡在环槽里，进入缸筒时翻倒将缸套拉坏。4）活塞销与活塞的配合间隙过大或过小若配合间隙过小，活塞销装入后会挤压活塞变形，从而破坏活塞与缸壁的正常配合，并引起拉缸。若配合间隙过大，柴油机高速运转时活塞销会在销孔中来回窜动并撞坏卡簧或卡簧槽，导致活塞销外窜而造成拉缸事故。因此在修理柴油机时，对活塞销与活塞的配合间隙务必严格控制在技术规定的尺寸内。5）活塞销卡环损坏、脱落活塞销装入活塞后不要忘记装上卡环，以免活塞销窜出拉坏缸套。另外，活塞销在工

16、作中折断脱出，或因活塞卡环槽损坏，卡环脱出，都会造成拉缸，或当卡簧疲劳折断或因张力不够而从环槽内窜出时也会引起拉缸。修理柴油机时应定期检查或更换卡簧，同时查看活塞上的卡簧环槽是否完好，注意卡簧在槽内是否牢靠、贴合。活塞销卡环损坏、脱落的原因有卡环疲劳折断，卡环张紧力不够，在环槽中活动将环槽磨大后窜出活塞销与销座孔间隙过大，活塞销两端有窜动量撞坏卡环或卡槽。6）缸套的圆度或圆柱度超出允许范围缸套经长期使用后，若圆度或圆柱度超出技术标准的允许范围，密封性便会大幅度下降，造成燃烧室内的高温高压气体窜入活塞裙部，使其温度迅速上升并破坏润滑油膜而引起拉缸，这时应及早更换超标的缸套。7）缸套阻水圈不符合技

17、术要求若阻水圈太细，缸套装入机体后会因密封不严而向油底壳渗水。若阻水圈太粗，缸套强行压入机体后便会引起缸壁变形，从而影响到缸套与活塞组件的正常配合并易引起拉缸。因此。阻水圈的规格和弹性应符合技术要求，阻水圈装入缸套后应高出其外圆缸套配合面。8）活塞连杆组对中不良或缸套台肩上端面凸出量不对由于安装不当，活塞连杆组的中心线与气缸套中心线偏移过大，或者连杆沿活塞销方向产生弯曲变形，使活塞偏向一边或歪斜，造成局部表面摩擦严重温度过高，缸套装入机体后，其台肩上端面应凸出缸体平面。若凸出量不够，则不能压严缸垫而容易冲缸垫。若凸出量过大，就会导致缸套变形并引发拉缸。4 预防拉缸的措施4.1 换活塞环工艺活塞

18、环是易损件，损坏后一般采用换新处理。所以换活塞环工作是经常性的检修工作。为了保证装配质量，在配活塞环时应注意以下问题。 1）新环的检查使用活塞环的备件前应对其进行必要的检查：（1）外观检查首先清洁新环表面的油脂和锈痕，仔细观察活塞环有无变形和表面碰伤、裂纹等损坏。一般新环上都有标记，如无标记，应测量活塞环尺寸及确定下端面。（2）测量搭口间隙和平面间隙间隙过小时应分别修锉搭口两端和环的上端面，切不可修锉下端面，并防止修锉时损伤环表面和产生变形。（3）测量环的径向厚度和环槽深度要求环的径向厚度比环槽深度小0.5mm1.0mm，否则修锉环的内圆表面使符合要求。（4）检查环的弹力可采用测量活塞环自由开

19、口来检查。一般活塞环自由开口a与环直径D的关系为：a=(0.100.13)D mm （1）2）新环的修配（1）修锉搭口。为了防止活塞环搭口两端锋利棱边刮伤缸壁及挂住气口，应将搭口两端修锉成较大圆角，一般圆角半径为3mm5mm，目前，有的新环在制造时已将搭口修锉好，故安装前不需要修锉。（2）修锉上、下两端的棱边。为了减少气缸的磨损和擦伤及有利润滑，应修锉活塞环上、下两端棱边的尖锋和毛刺。（3）新环检查后为保证各种间隙值而提出的修配工作。3）气缸套内圆工作面的磨损测量 1）测量部位沿气缸套纵向几个确定的测量点的横截面上测量气缸套内径，对同一横截面内首尾方向（y-y，即平行曲轴方向）和左右弦方向（x

20、-x，即垂直曲轴方向）的直径进行测量，如图所示。 1 x 2 y y 3 4 x图 气缸套测量部位大型二冲程柴油机气缸套磨损测量部位一般在说明书中均有明确规定和随机测量定位样板。测量时，只需将样板分别安装在气缸套首尾和左右方向即可依样板上定位孔测量各截面上相互垂直的2个直径。中、小型四冲程筒状活塞式柴油机如无测量定位样板又无明确规定时，可参照以下四个位置进行测量：（1）当活塞位于上止点时，第一道活塞环对应的缸壁位置；（2）当活塞位于行程中点时，第一道活塞环对应的缸壁位置；（3）当活塞位于行程中点时，末道刮油环对应的缸壁位置；（4）当活塞位于下止点时，末道刮油环对应的缸壁位置；除以上四点外，可依

21、缸套长短和要求在气缸套适当部位增加测量点。2）记录与计算测量时应准确记录各测量点的数据，依此数据计算出各横截面的圆度并求出最大圆度；计算出首尾、左右两个纵截面的圆柱度并找出最大圆柱度；计算出内径增量；与上一次测量比较，确定两次测量的间隔时间以便计算出这一段时间内缸套的磨损率。将计算出的最大圆度、最大圆柱度或最大内径增量与说明书或标准比较，进而确定磨损程度，选择相应的修复工艺。4.2 减少气缸套磨损的途径柴油机运转期间，防止拉缸减少气缸套磨损的重要措施就是加强柴油机的运行管理，主要从以下途径实现：1）加强燃油和燃烧的管理。燃油质量及其燃烧质量对缸套磨损影响很大，加强燃油品质的选择和净化处理可有效

22、地防止和减少腐蚀磨损和磨粒磨损。对目前船上广泛使用的低质燃油的缺点采取相应措施，尤其是粘度（见下表）、杂质和硫分，以减少其引起的各种磨损。保证燃油完全燃烧，以防止和减少由于燃烧不良引起的缸套磨损。表 几种典型柴油机的燃油进机粘度 柴油机机型 燃油进机粘度/cstB&W 6S60MC 1012MAN/B&W 10L90MC 1214广柴6320ZCD-6 11132）保证良好的气缸润滑条件。加强气缸润滑的日常管理，对气缸润滑油品质的选择、净化处理、定时定量供给及供油设备的维护等均应认真按规定处理。3）关注气缸冷却水温度。冷却水温度过高或过低均会加剧缸套的磨损。加强冷却水的管理和定

23、期进行水处理，注意水温的变化和调节使水温保持在要求的温度范围等4）保持活塞与气缸套之间的正常配合间隙。活塞运动装置具有良好的对中性，是其正常运转的重要工艺条件，定期吊缸检测调整活塞与气缸之间的配合间隙，以免产生敲缸、拉缸等故障。据统计，在气缸套磨损原因中由于装置不正引起的磨损约占1/3。5 拉缸的不同情况的应急处理、临时措施柴油机在使用过程中对有经验的操作者来说，可根据拉缸的种种迹象采取应急措施。一般正确的操作方法是：先减速运行，然后逐渐卸去负荷，再过渡到停车状态。停车后还应在未完成冷却前盘一两次车，防止汽缸被咬死8。具体步骤如下：1）将操纵手柄退回一格或者数格，从而减少供油，降低主机运转速度

24、。2）使用专用工具把事故发生的汽缸油泵柱塞抬起，使该缸暂时停止喷油。3）摇动该缸的注油器，加强活塞与汽缸之间的润滑。4）打开该缸的示功阀，释压放出汽缸内的气体及污物。5）加强活塞的冷却，以便把活塞的热量部分带走，防止活塞与缸套咬死。切不可加强缸套的冷却，否则汽缸冷却收缩，把活塞咬死，引发更大事故。拉缸产生的因素是多方面的，而针对某一具体拉缸的情况有各种不同的原因，针对这些原因应采取的对策也各不相同。下面举一些典型的情况进行分析。如有发现异常磨损、划痕严重，有外界硬微粒成为磨料等状况，可能的原因是：燃油系统不清洁；汽缸润滑油系统不清洁；启动空气系统不清洁；零件加工阶段清洁处理不好。此时建议采取的

25、对策：维护好润滑系统，防止机械杂质和积碳混入机油和燃油内，在使用中对三滤（机油滤清器、燃油滤清器和空气滤清器）要及时而且正确的维护和清洗。加强装配的清洁度，严防灰尘吸入汽缸内。如有发现活塞裙部擦伤的状况，那么可能的原因是：活塞裙部结构设计不合理；活塞材料选择不当，热处理方式不当，材料线膨胀系数大；配缸间隙过小。我们建议采取的对策是：正确履行磨合工艺，其中包括冷磨合、空载热磨合等等。对活塞的结构进行重新设计或适当切削拉缸的部位；选用合适的活塞材料；选用适当的热处理工艺；选择正规厂家生产的汽缸、活塞组件，并配以适当间隙的活塞环。如发现活塞环卡死，胶结等情况发生，那么可能的原因是：活塞环间隙过小；活塞环严重积碳（汽缸润滑油质量不好或油量过多）；活塞头部过热（活塞冷却不良）；超负荷工作。可以采取的对策是：正确选择活塞环的开口间隙和边间隙，使用合适的润滑油，定期更换润滑油并保证一定的液面高度；注意检查刮油环的情况，从而保证能在缸壁上形成油膜。改善活塞的冷却条件，清理冷却系统中的污垢，保证最好的冷却效果；合理操作使用发动机，不超负荷工作。另外，注意主机的冷却适中，保持正常的工作温度，避免主机长时间超负荷运行。参照柴油机使用说明