【船机帮】船舶柴油机缸套磨损机理及原因

气缸套是柴油机系统中的主要部件，其工作的好坏直接影响着柴油机的性能。

船用柴油机在当今远洋船舶推进装置市场上占支配地位，它的使用寿命直接影响其工作可靠性，甚至船舶营运效益及安全。

气缸套磨损状况是确定柴油机检修周期以及维护费用的重要因素之一，研究气缸套磨损是船用柴油机研究的重要课题之一。

气缸套产生磨损的原因相当复杂，它涉及到许多因素，其中很多因素还有相互关系。

因此事实上不能把产生磨损的原因归结为一个或少数几个因素。

本文分别从其机理、主要影响因素和原因进行分析。

气缸套的磨损形式可分为：

磨粒磨损、粘着磨损、腐蚀磨损和疲劳磨损。

在正常运转的柴油机里，这几种磨损可能同时出现，至于某一特定时间内哪类磨损形式占主导地位，这由许多因素而定，其中尤其以操作条件最为重要。 

1.磨粒磨损  

由于柴油机进气中夹带有坚硬的外来物质，或燃油及润滑油携带的机械杂质及燃烧所形成的炭粒、沥青质等硬质颗粒进入缸套，在缸套和活塞的摩擦面之间形成磨粒，磨粒与两摩擦面产生挤压、切削或滚撞，使金属从缸套及活塞表面脱落下来，成为碎粒(磨损产物)等物质，并使金属的一个表面或二个表面受到损伤，这就是磨粒磨损。

磨粒主要来源于： 

燃油在催化裂化过程中留下的催化剂粉末；燃油在贮存和运输过程中进入的锈、砂和其它硬质颗粒、磨屑；燃烧生成的灰分；随空气进入缸套的灰尘以及被污染的缸套油等。

2.粘着磨损

在薄膜润滑(边界润滑)的条件下，摩擦面间只有一层极薄的油膜，摩擦表面的部分尖峰会刺破油膜发生直接接触，或者由于润滑条件差、局部高温等原因，使滑动表面缺乏充足的润滑油膜，也使摩擦表面间发生金属的直接接触。

当两滑动表面在压力下有极微小部分的金属直接接触摩擦时，便形成局部高温，使两者熔融粘着、脱落，逐步扩大形成粘着磨损。

这种磨损在一般情况下，以活塞在上止点第一道活塞环附近最严重。

影响粘着磨损的因素很多，主要有缸套、活塞、 活塞环等的材质、机械加工质量、外形尺寸及形状精度，缸套润滑油孔布置，缸套油的供给数量和品质，缸套表面的温度，装置对中情况等。 

3.腐蚀磨损  

腐蚀磨损是由于燃油中所含的硫分在燃烧时生成了二氧化硫(SO₂)，然后又转化为三氧化硫(SO₃)。

燃油中的氢燃烧后生成水蒸气，三氧化硫与水蒸气反应则生成了对金属有严重腐蚀的硫酸。

硫的燃烧产物的露点受到许多因素的影响，燃料中硫分增加和缸套中的压力提高时，露点会提高。

在工作行程开始时，虽然压力高，但温度也高，使酸性氧化物和水蒸气无法凝结。

当活塞下行暴露出缸套较冷部分时，水和三氧化硫蒸汽与金属接触开始凝结，硫酸的凝结量取决于缸套表面温度、局部地区的蒸汽浓度和缸套壁是否有完整的油膜等因素。

缸套上的腐蚀层与金属基体结合弱，在磨损中剥落，使缸套壁上布满疏松的细小孔穴，这是腐蚀磨损的显著特征。

由硫酸引起的腐蚀称为低温腐蚀或冷腐蚀，腐蚀磨损和所用燃油的硫分含量有很大关系。

柴油机使用重油时，其磨损比用低硫柴油时要高2～3倍，含硫量高于 0.7％～1％时，磨损会剧烈增加。 

4.疲劳磨损 

疲劳磨损是摩擦表面在交变循环载荷作用下，使材料表面疲劳产生塑性变形和微裂纹，进而扩展、材料脱落的现象。 

气缸套和活塞环两摩擦表面为点或线接触时，由于局部的弹性变形形成了小的接触区。

这些小的接触区形成的摩擦副如果受变化接触应力的作用，则在其反复作用下，表层将产生裂纹。

疲劳磨损一般由两个阶段组成：

裂纹萌生和裂纹扩展。 

扩展后产生材料断裂剥落，而在基体表面留下一个凹坑。 

气缸套疲劳磨损是接触表面长期受到交变应力作用的结果，而且即便是存在油膜，应力也能通过油膜作用在表面上，在表面或表层的薄弱处引发裂纹。

众所周知，在上止点附近，因承受燃烧高温，且速度低，加之油环的限油作用，润滑油很难供应到上止点区，从而造成上止点附近的油膜最薄，同时在上止点附近，活塞环内壁上的气体压力和热应力都最大。 

这样通过油膜传给气缸壁的压力及切向力即摩擦力也最大，造成气缸套材料发生严重的塑性变形，变形层深度也较深，当活塞下行，气体压力和热应力都迅速减小，如此周期反复, 造成在上止点区气缸套磨损严重，且烧屑较厚，尺寸较大。 

合理地选择材料及材料的硬度(硬度高则抗疲劳磨损能力强)，选择粘度高的润滑油，加入极压添加剂及减小摩擦面的粗糙度值等，可以提高气缸套抗疲劳磨损的能力。

影响缸套磨损的具体因素很多，而且错综复杂，相互联系，彼此影响。合理地解决这些问题，可以减少磨损，延长缸套工作寿命。

1.润滑油质量对缸套磨损的影响

由于缸套内油膜很薄，一般小于0.1μm，故属于边界润滑。

决定这种表层吸附膜性质的主要不是滑油的粘度，而是润滑油的油性，即润滑油在金属表面的吸附能力和分散能力。

润滑油中含有如脂肪酸一类活性物质，构成链型极性化合物，在其端部有极性团，使分子能牢固地吸附在金属表面上。

因此，只有合适的润滑油，其中含有添加剂(如极压添加剂等)，才能形成有足够强度的边界油膜来承受较高的负荷，并减少磨损。

在腐蚀磨损情况下，润滑油中碱性添加剂的分散性对磨损有很大影响，分散性越好，磨损越轻。 

润滑油的残炭值(此值表示滑油在受热后炭化的倾向，此值越大，则润滑油结炭、焦化倾向越大，越易形成炭垢)应当低一点，润滑油还应具有好的抗氧化学安定性(即在使用中受 热时，抵抗空气氧化作用的能力)，以免在停车期间留在摩擦面上的润滑油受到氧化而形成胶质，使磨损加剧。

使用低质燃油时，缸套油通常采用碱值为30～80(含氢氧化钾值mg/g)的高碱性滑油。

用这种高碱油可中和酸，从而有效地降低腐蚀磨损。

当然，对于不使用重油的柴油机，采用高碱性润滑油，反而因碱性过高带来害处，加剧磨损。

因此对润滑油的适配性十分重视，不同的摩擦副组成和工况条件，特别是燃油成分，应采用不同性能的润滑油。

此外，应经常注意对润滑油的进行滤清与换新，否则润滑油老化，杂质增多，将增加缸套的磨损。 

2. 柴油机工作条件对缸套磨损的影响

柴油机运转的工况对缸套和活塞环的磨损也是一个重要的影响因素。

对磨损有较大影响的工况有：

缸套的温度、柴油机的冷却水温度、发动机负荷和活塞运动速度、扫气温度及排气温度及燃油燃烧等。 

(1)缸套温度和柴油机的冷却水温度。

缸套的温度非常重要，如果温度太低，可能会出现腐蚀磨损，但温度太高却又会发生活塞环的粘着和油膜的破坏。

最理想的温度，是整个缸套表面部分温度高于硫酸的露点，这样就可以避免发生腐蚀。

缸套冷却水的温度是由柴油机机型、滑油的种类、燃烧状态等因素来决定的，所以不同的柴油机有不同的最佳温度。 

而冷却温度不当，会对缸套磨损产生很大影响。

冷却水温不宜过低，冷却水温度过低，不仅会使柴油机热损失增多，更不利的是使得缸套内外壁的温差增大，致使热应力增大，时间一长，缸套等部件就会出现裂纹。

当使用劣质燃油时，低水温还容易引起缸套内凝聚硫酸，使酸腐蚀加剧，并使炭垢物增多，这都会使磨损增加。

但是过高的淡水出口温度对机组也是不利的，淡水出口温度高，就说明缸套内表面温度高，缸壁上的油膜容易蒸发；而且滑油氧化严重，炭垢物增多。 

缸壁温度过高，滑油氧化速度进行得很快。

此时润滑油粘度降低，油膜容易破坏，尤其是在使用高蒸发度润滑油时，情况更严重，缸套磨损会加剧。

许多柴油机试验表明，冷却水温在75～80℃为宜，此时磨损量较低。

对于开式冷却系统，由于水温度高，易出现水垢而妨碍热传导，应控制55℃以下。

为使被冷却部件的冷热均匀，淡水进、出口温度差应不大于12℃。 

(2)发动机负荷和活塞运动速度。

目前，大多数船用发动机都倾向于大部分时间在低负荷下运转，尤其是以低速航行为宜。

如果发动机因某种原因超负荷，对缸套润滑会产生最有害的影响。

磨损的增大，大都是由于活塞和缸套的过热和变形所引起的。 

此外，活塞运动速度对磨损过程有很大影响，它不仅会使磨损发生量的变化，而且亦会引起质的变化。

摩擦表面温度随速度增加而升高，当表面温度升至200℃左右时，缸套表面油膜遭到破坏，摩擦状况由边界摩擦转化为干摩擦。

此外，温度上升也会使表面及其吸附层性质变差。 

负荷也有类似的效应，因此一般机器都对使用的负荷和速度均有一定的限制。

超速超负荷工作，都会引起异常的磨损。 

(3) 扫气温度及排气温度。

在潮湿气候地区里，可能有过量的冷凝水随扫气进入缸套，这个问题在采用较高扫气压力的现代大功率柴油机中，会更严重。

如果空气冷却器的管子温度相当低，水分就会凝结在管子上，而水珠滴下之后能随扫气带进缸套里去。

这种水分是非常有害的，因为水分会从缸套壁上洗去油膜，并与燃油中的硫燃烧后所产生的SO₂、 SO₃气体结合而形成硫酸，导致发生磨损和划伤。

排气温度在一定程度上也反映了负荷的大小。

排气温度升高，则缸套磨损随之增加。

在400℃以下时，排气温度升高使磨损率增加的趋势不太明显，而到400℃附近，这种趋势变得很明显。

其原因是：

①缸套和活塞环表面在高温燃气作用下，难以建立正常的润滑油膜；

②燃烧不完全导致结炭增多，使缸套易遭受磨粒磨损。 

③燃烧不良除了对缸套温度有影响外，所产生的不完全燃烧产物也会影响润滑，其中一部分混入了缸套壁上的润滑油里，在筒状活塞式柴油机中，便会随曲轴箱油一起循环起来。

这些燃烧产物就在活塞环槽里堆积，填塞了槽背，因而造成活塞环的卡死；这些燃烧产物也可能在涡轮增压器叶片上堆积，或在二冲程柴油机气口里堆积起来。这类沉积物既能降低输出功率，同时会使燃烧进一步恶化。 

燃油的性质对燃烧当然有影响，如十六烷值等等。

这里值得一提的是，燃油喷射器的雾化粘度必须小心控制，以便保证燃烧良好。 

使喷油器保持在良好状态，以便能确保有良好的喷油形状和正确的燃烧过程，这一点是非常重要的。

在喷油嘴上形成积炭，必须定期地经常清洁，否则会造成燃油雾化不良，或燃油喷射角度不对，造成燃油冲击活塞顶或缸套壁，并能把温度升高到不利的状况。 

因此，正确使用燃油以免因污染(尤其是防止水的污染) 而发生机损故障是显得非常重要的。

对燃油的净化处理是确保柴油机正常运转状态的一项重要措施。

常用的有离心式分油机、过滤器、均质器及燃料添加剂等，这些方法对燃油净化处理都是行之有效的。

3.装配质量对缸套磨损的影响

经验表明，柴油机装配质量对缸套磨损影响很大。

装配不正和间隙不对会使摩擦副产生额外磨损。

间隙过大，则活塞侧推动能增加，并且高压燃气窜气严重，这都会加重磨损，在低负荷时更是如此。

若间隙过小，容易造成活塞环在缸套内卡滞，也会加剧磨损。

所以缸套与活塞之间的装配间隙应按规定调整好，保证其良好运行条件。

活塞与缸套的中心线重合及对中情况也是装配质量的一个重要方面，如果活塞在缸套内部运动时偏在一边或倾倒，则会造成单边局部严重磨损。

END