【船机帮】某型中速船用柴油机气缸套拉缸的原因分析及解决措施

时间：2021-05-26

编辑：E航网

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船机故障心莫慌，遇事不决船机帮

导读

某型中速船用柴油机气缸套容易出现拉缸现象，对该型柴油机的正常装机、试验、交货造成较大影响，因而引起厂家技术部门的高度重视。

经过详细的技术分析，决定通过对发生缸套拉缸的柴油机进行拆检、改进再试验等方式查找出问题根源，最终解决了该型柴油机气缸套拉缸的问题。

一

拉缸问题简介

该型柴油机配置的气缸套分别由两条生产线生产供应，两条生产线共用一套缸套外形尺寸图纸。

其中一条生产线（生产线 A）生产的缸套一直使用良好，未曾出现大范围拉缸现象；

而另一条生产线（生产线 B）生产的缸套，经常在柴油机磨合阶段就出现大范围拉缸的异常磨损情况。

为加以区分，将由生产线 A 和生产线 B 生产加工的缸套分别称为缸套 A 和缸套 B。

缸套 B 发生拉缸后的状况见图1。

图 1 发生拉缸的缸套 B

从图片观察，异常磨损类型为擦伤型的粘着磨损。

参考柴油机拉缸相关处理经验和结合实际情况分析，导致该型柴油机缸套发生拉缸现象有如下可能性原因：

（1）设计和装配因素

① 活塞环和缸套配合间隙过小、活塞环开口过小、活塞环张力过大；

② 活塞和缸套配合间隙不合理；

③ 活塞销窜出拉伤缸套；

④ 缸套尺寸不符合要求、内壁网纹设置不当影响润滑；

（2）管理和使用因素

① 燃油品质差、燃烧碳粒过多加重磨损；

② 滑油品质差或滑油量过少造成润滑不良；

③ 缸套磨合不足情况下高负荷运行；

④ 缸套冷却不良造成缸套和活塞局部温度过高。

二

拉缸原因分析

下面对上述可能造成拉缸的原因进行分析。

1.设计和装配因素

(1)对发生拉缸的零部件进行拆检，测量缸套、活塞、活塞环均符合图纸要求，自然配合间隙也在设定范围内。

可初步判断各零部件设计合理，不存在摩擦副配合尺寸不适而造成拉缸的情况；

(2)经过测量和计算，活塞环开口尺寸裕度足够，不存在高温膨胀后油环与缸套卡死的情况；检查活塞销也未发生窜出等异常现象；

(3)对于缸套内壁网纹和活塞油环张力的影响，将在下面作详细分析。

2.管理和使用

(1)拉缸异常磨损发生在出厂试验磨合阶段。

出厂试验使用标准 0# 柴油，入库的每批次柴油均经过检验并带合格证书，柴油质量有保障；

该型柴油机经过多年的使用验证，燃烧系统的性能一直十分稳定，燃烧质量也有保证；

同时通过相关拆检，未发现缸套、活塞或缸头有大量积碳现象。

因此可排除燃油和燃烧质量差的因素；

(2)柴油机在台架进行正式出厂试验前，严格按照要求先对整机进行一定时间的热磨合运转，所以缸套不存在磨合不足就带高负荷运行的情况；

(3) 出厂试验过程严格按照试验流程，逐步暖车和增加负荷，不存在运行中冷却水温过低现象；

查阅试验记录，发生异常磨损时，冷却水温正常（进机约 65 ℃，出机＜ 85 ℃）；

对发生磨损的缸套拆卸后检查冷却水腔，符合设计要求；

图 2 发生拉缸的柴油机活塞

检查发生缸套异常磨损对应的活塞（见图 2），未发现有发蓝或者明显烧灼现象；

在其余条件相同的情况下，只有缸套 B 发生异常磨损情况。

上述这些可初步排除缸套冷却不足的因素。

3.缸套内壁网纹和活塞油环张力因素

柴油机工作过程中，缸套和活塞环摩擦负荷极大，因此要求缸套内壁具有良好的贮存润滑油和油膜分布能力。

在设计中，把缸套内壁珩磨成平台网纹，即表面加工成一种沟槽和小平台均匀相间的交叉网纹，用于储油和建立油膜。

为了分析缸套平台网纹和活塞油环张力对磨损的影响，将通过以下试验来分析和验证。

三

试验过程及结果分析

1.试验配置

对发生拉缸后的缸套 B 进行内壁的微观测量，发现缸套 B 的内壁网纹轮廓芯部高度 Rk 和芯部以上峰顶高度 Rpk 较大，且轮廓算术平均偏差Ra 较大（粗糙度高）。

缸套在与活塞环配合形成摩擦副时，其网纹波峰与活塞环接触面积较大，有效油膜的面积则较小，存在导致润滑失效形成拉缸异常磨损的可能性；同时，缸套 B 的内表面网纹芯部以下峰谷深度 Rvk 也较大，沟槽内储油量有可能过多，造成滑油消耗量增大；

图 3 为发生拉缸的缸套 B 的平台网纹微观图。

图 3 发生拉缸的缸套 B 网纹

为验证以上的可能性，针对缸套 B 平台网纹的上述缺陷对其作优化设计，将原平台网纹的缸套 B 和改进平台网纹的缸套 B 分别搭配原活塞油环和较低张力规格活塞油环同时进行试验验证。

经技术分析，决定对缸套 B 和活塞油环作以下调整（表 1）：

（1）对缸套 B 进行改进，原网纹用金刚油石条珩磨，现改用碳化硅油石条珩磨（网纹 Rk 相对较小，网纹也更均匀）；

（2）减小活塞油环的张力，把标称值F分别减小40N 和减小70N。

本次试验在一台 6 缸柴油机上进行，该柴油机装配有原缸套 B 和修改的缸套 B（下文分别简称“原缸套” 和“改进缸套”），并分别搭配不同张力油环作比对试验。

2.试验过程

（1）磨合在磨合运行约四小时后，用反光镜照缸检查，发现第三缸出现拉缸（擦伤粘着磨损）情况，其余各缸检查正常。

（2）重新磨合和出厂试验

为验证网纹对润滑和磨损的影响，对出现拉缸的第三缸，更换上新修复的缸套B，同时搭配张力为原标称值 F的活塞油环。

更换后重新磨合，照缸套检查无异常；

然后按常规流程作出厂试验；

出厂试验完成后，拆卸缸盖、活塞检查，情况如下：

① 各个缸套工作表面经磨合后加工痕迹消除；缸套工作表面大部分呈现光滑、洁净和明亮，无伤损或变色（见图 5）；

图 4 出厂试验后缸套磨损状况

② 各个缸套在上止点往下附近的位置，有高约 40 mm 的明显泛黄痕迹，痕迹区域沿缸套圆周呈环形分布（见图 4）；

图 5 出厂试验后活塞状况

③ 在各个活塞第一道环往上附近区域，有明显泛黄痕迹，且存在一定烧结积碳，其中油环张力较大的第 3 缸泛黄痕迹和积碳相对较少（见图 5）。

（3）调整配置后复试

出厂试验过程中，第三缸的使用效果显示，网纹经优化设计的缸套 B 搭配原来张力较大的活塞油环使用时，运行和磨合情况正常。

为进一步验证，将其余各缸的活塞油环均更换成原标称值 F 的统一规格，同时把第一缸缸套更换成改进后的缸套 B。

更换配件后重做试验。

试验完成后拆卸第 2、6号气缸进行检查，缸套在上止点往下附近位置呈圆周分布的泛黄痕迹颜色变浅，其他无明显变化。

3.试验结果和分析

最终拆检结果经质检部门确认，气缸套、活塞油环和活塞的磨损为正常磨合后的状况，符合出厂要求。

至此，本台柴油机所有磨合和出厂试验顺利完成，关于缸套 B 和油环的试验项目也顺利结束。

本次试验结果分析如下：

（1）原缸套 B 内表面网纹轮廓芯部高度 Rk 和芯部以上峰顶高度 Rpk 较大，在运行过程中缸套尖峰部位将直接与活塞环接触，其余部位才是通过油膜间接接触（微观图见图6）。

图 6 原缸套与活塞环配合微观图

当尖峰接触部位多时油膜接触部分必然减小，缸套和活塞环处于干摩擦的面积就大，极易造成拉缸。

尤其搭配大张力油环时，拉缸的趋势更大；

（2）缸套 B 搭配小张力规格的活塞油环时能勉强使用，但会因油环刮油力不足造成缸套内壁残留滑油较多，最终导致滑油消耗和燃烧积碳增多；

（3）改进后的缸套 B 通过调整网纹轮廓芯部高度 Rk 和芯部以上峰顶高度 Rpk，使网纹尖峰高度降低、尖峰数量减小，从而减小甚至消除了尖峰与活塞环直接接触的区域、增加油膜接触的范围；同时在精磨网纹过程中，控制降低缸套内表面粗糙度，润滑效果得到较大提高，此时的缸套 B可适应原款大张力油环，运行中不再产生拉缸的异常磨损情况。

图 7 为改进后的缸套内壁网纹微观图。