船用柴油机活塞环断环原因分析及管理

活塞环是柴油机燃烧室的组成部件之一，具有保持活塞与气缸套之间的有效密封和将活塞热量传递给气缸壁的散热作用，以及调节气缸润滑油的作用。因此,活塞环的工作情况对燃油燃烧的完善程度和柴油机的工作状态起着至关重要的作用，活塞环的运行管理和维护,对保证柴油机的安全、可靠和经济运行尤为重要。在柴油机运转过程当中，活塞环的工作条件十分恶劣。工作时,第一道活塞环直接受到高温、高压燃气的作用,其它环也受到燃气不同程度的作用。由于气体压力、活塞环与气缸套间产生的摩擦力以及活塞横向振动等因素的影响，使活塞环在环槽中的运动十分复杂。其中有轴向运动和轴向振动,径向运动和径向振动,扭曲振动等。由于缸套有锥度,环在本身弹力作用下产生张合运动，因此使活塞环产生严重的摩擦磨损。活塞环是柴油机的易损部件,主要损坏形式有:过度磨损,折断,粘着和弹力丧失等。笔者主要针对船用柴油机活塞环在运行过程中出现的折断原因进行了分析，给出了一些预防措施和对策及一些日常管理注意事项，希望能通过加强对活塞环的运行管理和维护,提高活塞环运行寿命,提高柴油机的工作性能。一、活塞环折断的原因活塞环折断是活塞环常见的损坏形式。一般多是第一、第二道活塞环发生折断,折断部位多在搭口附近。引起活塞环折断原因很多,除材料缺陷和加工质量外，轮机管理的问题也会导致活塞环在使用中损坏。主要有:a.活塞环安装时方向错误造成折断。b.活塞环过度磨损使环的强度不能满足要求而断环。目前的活塞环材料多为合金铸铁、球墨铸铁、灰铸铁等脆性材料,且在铸造过程中内部组织可能出现气孔、裂纹或成分的偏析使局部强度下降或裂纹处产生应力集中,工作中造成冲击断裂或疲劳断裂。c.活塞环径向胀缩疲劳。活塞环弹性不足,使环与缸壁不能紧贴,以致燃气泄漏将环压入环槽,当缸内燃气压力降低时,环又从槽内弹出。活塞环因不断径向胀缩而疲劳折断。d.活塞环搭口间隙过小。运转中活塞环搭口间隙过小导致搭口处无充分膨胀余地，造成内部热应力增大而对顶弯曲,在搭口对面折断。尤其对高增压柴油机,因燃烧室温度过高,尤其要注意搭口间隙。e.环槽过度磨损。环槽被磨损成喇叭状,使环槽面支承不良,在燃气压力反复作用下,环受到反复的扭转和弯曲作用而发生疲劳断裂。f.环槽内严重积碳。由于活塞顶部和气缸表面的间隙过大、燃烧不良、高温使润滑油烧损或氧化等产生,使环在环槽中的运动严重受阻,也会导致环严重磨损,从而强度下降而断环。环槽下端面的积碳尚软时,环仍可活动和保持气缸密封性。当积碳增多使环活动受阻时，环与缸壁强力作用刮下的滑油和金属屑混合，在燃气作用下在环槽下端面形成局部坚硬积碳。环在此坚硬积碳下受到周期性燃气压力作用,发生弯曲疲劳折断。g.由于缸套使用时间过长,磨合不良或润滑不良，润滑油品牌使用不当等原因造成缸套的严重磨损。在上、下死点位置产生阶梯状磨损引起凸肩,在连杆大端产生较大磨损或连杆大小端轴承修理后使原来死点位置发生变化时，在惯性力作用下造成撞击断环。h.使用燃油的经常变动。船上使用的燃油由于加油港经常变动,不同国家、厂家的燃油由于其产地和冶炼工艺的不同,其性能指标也有很大差异。如果在净化燃油时不采取措施,将影响燃油处理的质量。燃油中的灰分过高，将造成活塞环和缸套间的磨损加剧,这些因素必然影响柴油机的燃烧过程,造成燃烧室内温度过高。同时由于某些柴油机长期在低转速、低负荷下工作或进出港频繁用车,而气缸注油量不作调整,造成气缸注油量增加,过多的气缸油由于泵油作用在环槽处形成积聚，当气缸内温度过高时积聚的滑油形成燃烧,为活塞环的折断创造了条件。i.滑油和燃油的配合问题。从燃油的性质上来分析,有的燃油所含的硫分较高,如雷氏1000s燃油。因此当燃油燃烧时所产生的SO₂和SO₃也就比较多。而SO₂和SO₃在高温下呈气态,直接与金属作用会引起气体腐蚀，并促使积碳和胶质沉积物坚硬化,增加了缸套、活塞环的磨损。按要求,当柴油机使用高硫分的燃油时,应使用强的或高碱性专用滑油,因高碱性的润滑油可以中和由于以上原因所生成的酸,并能减少机件的磨损。如果主机在运行中没有使用与燃油相匹配的气缸油，有时甚至用机油来代替气缸油。这样,滑油中和燃烧生成酸的能力下降,造成酸性物质对活塞、活塞环的腐蚀更加严重,导致经常发生活塞环折断现象。j.针对二冲程的柴油机，由于活塞环会挂住气口,将导致二冲程柴油机扫气口处倒角不够,活塞环也会被气口挂断造成断环。二、预防措施和对策引起船用柴油机活塞环折断原因是相当多的，在日常管理和维修保养过程中正确地按其说明书操作,主机修理时严格把好技术质量关,是减少活塞环折断、延长使用寿命的可靠保证和重要途径。a.备车时、完车后做好缸套的布油工作,在主机吊缸时，必须把缸套内壁注油孔下面的润滑油槽清洁干净。如缸套注油孔有阻塞的话,设法疏通。备车前主机缸套、活塞冷却水保暖到适当温度（通常为50~60℃)。b.尽可能地在任何时候与船长取得联系，抵港时间过早或受潮等原因不开慢车。即使要开的话,每隔半小时再开一段时间快车，以防活塞环、气口结碳,快慢车期间绝不能让缸套、活塞冷却水温度忽高忽低,以便影响它们的使用寿命和工作可靠性。c.主机修理时和平时运行期间定期检查、清洁扫气箱,保证放残系统畅通。航行中每隔2h必须排渣放残一次,并且要听到“啪啪”泄气声后,才算标准放残。平时打开缸套、扫气箱观察孔时,如果发现油泥较多,及时检查气缸油供给是否过多或其它原因,总之要查出原因并消除之。气缸润滑良好的标志:盘车检查第一道环干,其余环有湿润的油,但无结碳和环粘结现象,活塞裙部有油的光泽。d.活塞组件组装时尽量要上车床检验，使其组件径向及活塞杆断面跳动量在规定范围内，否则会引起活塞或裙单边磨损,甚至整个活塞单边磨损。e.活塞环槽过度磨损后应尽早换下，送专业工厂镀铬进行翻修。最理想是环槽天地两侧一起镀铬，有利于提高环的均匀耐磨性。翻修后的活塞头上第一道环与第二道环天地尺寸接近上限值，以防热膨胀系数不一样,防止磨合时环咬死。f.吊缸时,第一道环与第二道环尺寸超出常规，但未到极限,尽量更换新环,不允许用其它几道旧环来装配。活塞环装入活塞环槽之前,应仔细地清洁,检查环槽是否良好。装时准确测量天地、搭口间隙,并用专用工具装配。平时备用环应在指定地点平放固定妥并上好油。g.如果发生活塞环突然折断现象，应立即停车，吊缸更换活塞环,以保证气缸的密封性。若当时情况不允许停止吊缸或无备件,则应降低转速,并降低该缸的喷油量或停油,并保证故障缸良好润滑,适当增大喷油提前角。启动时换成轻油,密切注意环缸有无异常声音,使柴油机安全运行到达港口进行修理。如果活塞环连续折断,应将环嵌进环槽,一面上下轻轻振动,一面转动,检查环和环槽的间隙。对那些磨损严重的环槽进行抛光车削,换用较厚的环,或者更新活塞。三、活塞环的日常管理和维护a.定期对气缸内进行观察和吊缸检查，及时检查活塞环的工作状态,定期测量活塞环的搭口间隙,清除环槽中的积碳和油垢,建立各活塞环的档案,同时通过扫气气口检查活塞环、缸套、气缸注油量等的基本情况,对磨损严重的活塞环应予以换新。b.在柴油机换用新的缸套和活塞环时，一定要保持低速、低负荷下磨合足够的时间,同时在磨合期内要加大气缸油的注油量。这样可以避免在磨合期内，环和缸套表面由于形状和粗糙度等没有完全匹配,而使摩擦面过热产生拉缸或活塞环折断。c.在安装新的活塞环及对备件进行检查时,必须加强对环的几何尺寸（如厚度、高度、直径等）及表面光洁度进行认真检查，尤其要注意检查其弹性的大小。弹性的大小检验可通过用力将自由状态下活塞环的搭口闭合或将开口增大一倍，看其开口间隙的变化量是否小于原开口间隙的10%，否则弹性过小;或将备用环同标准环共同施加相同的力,比较其开口间隙的大小。d.加强对柴油机的维护和管理，适当提高冷却水的温度,尽量减少低温腐蚀。同时,应使用与燃油相匹配的气缸油,以提高滑油的中和能力,降低酸性物质对活塞环及环槽的腐蚀。四、结论活塞环是柴油机中重