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毕业论文轮机工程柴油机活塞环常见故障的分析及处理 摘要 活塞环和活塞、缸套、缸盖组成燃烧室，是柴油机燃烧室的重要部分之一。具有保持活塞与气缸套之间的有效密封作用和将活塞热量传递给气缸壁的散热作用，以及调节气缸润滑的作用。活塞环又是柴油机的易损零件，主要损坏形式有：过度磨损、折断、粘着、弹力丧失等。活塞环的工作性能直接影响汽缸和柴油机的工作性能。因为活塞环为易损件，船舶上损坏后一般采用换新处理，所以轮机员应注意活塞环的检修和日常维护管理工作。本文结合活塞环的具体实例，阐述了活塞环产生故障的原因和影响因素，以及处理方法，并对其日常运行提出了切实可行的管理建议。 关键词 活塞环；搭口间隙；损坏；维护管理 I Marine Diesel Engine Piston Ring Common Failure of Analysis and Treatment Abstract The combustion chamber is made up of piston rings,pistons, cylinder and cylinder head .Piston ring is an significant part of combustion chamber. With the pistons and cylinder liner to maintain an effective seal between the piston and cylinder liner .The heat will be transmitted to the piston cylinder wall, and adjust the role of the cylinder lubrication. Piston ring is also vulnerable parts of the engine, the main form of damage: excessive wear, broken, adhesion, such as loss of elasticity。Piston ring direct impact on the performance of diesel engine cylinder and the work performance. Because the piston rings for wearing parts, the damage to the ship after the general use of replacement treatment, the Engineer of the ship should pay attention to routine maintenance and overhaul management. This paper combine the specific example of a piston ring on the failure of the causes and effects of factors, and treatment methods and their practical day-to-day operation of the proposed management proposals. Key words Piston rings;Interface gap;Damage;Maintaining managemant II 目录 0 引言-1 1 活塞环概况-1 1.1 压缩环(气环)-1 1.2 油环-2 1.3 承磨环-2 2 活塞环的主要故障-2 3 活塞环的故障分析-3 3.1 活塞环和缸套配合状况-3 3.2 活塞环搭口间隙的影响-3 3.3 活塞环与气缸套润滑状况-4 3.4 活塞环和环槽配合状况-4 3.5 油料的影响-5 3.6 管理不当造成的影响-5 4 断环现象分析及处理措施-6 4.1 断环后的工作征状-6 4.2 断环判断和检查-6 4.3 断环时应急处理-6 5 日常维护管理应注意的事项-7 结论-8 致谢语-9 参考文献-10 III 王东庭：轮机工程专业毕业论文 0 引言 活塞环的主要作用是密封燃烧室,保证活塞到达上止点时,燃烧室内的新鲜空气有足够的温度和压力,满足燃油自燃的温度，并使燃烧迅速、及时、完善;切实保证气缸高压燃气膨胀作功而不泄漏，对燃油燃烧和柴油机的工作状态起着至关重要的作用。众所周知，活塞环的密封作用，是靠活塞环本身的弹性和在气缸内气体压力的作用下紧贴于气缸壁和活塞环槽平面来实现的。但是活塞环和缸套这对运动副工作条件非常恶劣，他们之间的磨擦损失占到整个柴油机磨擦损失功率的 55 %65 %，活塞环会出现粘着、折断、磨损和弹力丧失等故障1，因此,在对运行中的活塞环的管理和维护方面，对保证燃油燃烧的完善程度和柴油机的安全、可靠和经济运行尤为重要。 1 活塞环概况 根据活塞环所起的作用不同有压缩环(气环)和刮油环两种2。 1.1 压缩环 压缩环主要是用来保证活塞和气缸之间在相对运动条件下的密封。刮油环的作用是除去气缸套表面过多的滑油，通常用于筒形活塞式柴油机。而十字头式柴油机气缸是采用注油润滑，一般只装气环，在活塞裙比较长的活塞上还要装承磨环。 压缩环的主要作用是防止气缸中的气体漏泄和将活塞上的部分热量传给气缸。压缩环的密封作用是依靠本身的弹性和作用在它上面以及漏到环的内侧的气体压力，使环紧紧贴合到气缸壁和环槽壁上，如图1.1所示。这样就阻止了气体通过活塞与气缸壁之间的间隙漏至气缸下部空间。 图1.1 压缩环的密封作- 1 - 王东庭：轮机工程专业毕业论文 1.2 油环 在筒形活塞柴油机中，做回转运动的曲柄销轴承把润滑油甩到气缸壁上。活塞和气缸套之间就是依靠这样飞溅来的油进行润滑的，因此称飞溅润滑。由于飞溅到气缸壁上的滑油过多气环会通过泵油作用把它泵入燃烧室，这不仅增加了滑油的消耗量，而且还会严重地污染活塞、气缸、气阀和排气道，因此筒形活塞要在气环下面装设12道刮油环。新型柴油机通常只装设一道刮油环。 1.3 承磨环 活塞的承磨环是专为活塞与气缸的磨合而设置的。超短裙活塞可不装承磨环，短裙活塞装12道，长裙活塞装24道。 2 活塞环的主要故障 活塞环的主要故障有折断、粘着、弹力丧失和异常磨损等。当上述一种或一种以上故障同时发生时,一般会伴随着排气温度升高、排气冒黑烟及缸套冷却水温度升高等现象。 例如本轮主机为TBD620V12 型柴油机 , 有此在运行中发现一号柴油机第4缸和第5缸运行发生异常,导致主机启动困难,油门比正常情况下大了很多,同时伴有主机透平喘振,减速运行也未见有明显的改观。通过对各缸示功图测量分析发现,第4缸和第5缸的压缩压力分别为 5.18MPa和5.16MPa,而其他各缸的压缩压力则为 6.10MPa左右。吊缸时发现,第4缸除最下面一道油环还正常外 , 其余各道活塞环全部折断为碎块状，环的径向尺寸最大处为2.6mm, 最薄处仅为1.8mm, 活塞环槽严重烧损、变形。第5缸第一道活塞环粘着在环槽中,第二、三道活塞环则都发生了不同形式的断裂。 从上述故障可以发现,当活塞环由于故障而使其密封性能降低或丧失后,会发生不同程度的气缸窜气,气缸内的新鲜空气量明显减少,造成相应的气缸压缩压力降低3、排气温度升高、冷却液温度升高，使整个柴油机功率降低。柴油机处于低转速、高负荷下工作,空气量的减少使燃烧恶化,废气的能量较正常情况下有明显的增加,增压器的转速升高,扫气压力升高,而柴油机的转速基本不变,柴油机空气消耗量也基本稳定,同时断- 2 - 王东庭：轮机工程专业毕业论文 环和粘着将会使燃气发生倒灌到扫气箱,严重时将会发生扫气箱着火,这些因素造成了增压器的背压升高,使其在小流量高背压的状态下工作 , 破坏了增压器的正常匹配,从而发生增压器喘振甚至损坏增压器。 3 活塞环的故障分析 3.1 活塞环和缸套配合状况的原因 随着柴油机的运行,缸套会产生不均匀的磨损,在周向和轴向会分别产生圆度和圆柱度,活塞环在气缸内上下运动时,活塞环会产生周期性的张合运动; 同时活塞环的圆度同缸套的圆度不可避免会有误差,特别是换用新活塞环后，在活塞环和缸套的密封配合面上会产生不同程度的漏光度,通常要求新的活塞环安装在气缸中时总的周向漏光度要小于90°,连续漏光度小30°,在搭口两侧的30°范围之内不许漏光。但近年来受经济利益的驱动,很多船公司大量使用国产活塞环代替原厂家的备件。由于加工工艺的不同及制造上产生的较大尺寸误差4,再加之材质不稳定,使得漏光度过大,同时活塞环在高温下工作时弹性降低过大,当遇到环槽积碳卡滞时,漏光度就会增大,使高压的燃气从漏光处作用在环的外工作面上,使活塞环楔入到环槽中,有可能使环卡死在环槽中而产生抱环现象;或当气体压力降低时,原来被压入的活塞环在自身弹性的作用下重新弹出。这样周期性的重复作用 ,时间长了,就会在强度薄弱处产生活塞环的疲劳折断。实践证明，活塞环上述的压入现象是造成环断裂的主要原因。 3.2 活塞环搭口间隙的原因 活塞环的搭口可以保证活塞环在工作时有受热膨胀的余地,同时可以使活塞环在正常工作时有一定的周向运动。当活塞环的搭口间隙过小时,会使活塞在工作时的热膨胀受到限制而在搭口处产生挤压,从而容易在搭口的对侧发生环的折断现象。 由于活塞环和缸套在运行中会产生磨损,环的搭口间隙会逐渐增大。当搭口间隙过大时,会使活塞环的径向力产生严重不平衡，其径向力主要是环自身的弹力和气体作用在环背的气体力,搭口间隙的存在使气体力的合力的方向如图3.2所示,这样就会在搭口的对侧产生不均匀的磨损,严重时造成环的断裂,同时也使活塞环的径向厚度减小,弹性降低,如果环槽结碳严重时容易发生环粘着故障。 - 3 - 王东庭：轮机工程专业毕业论文 图3.2 活塞环受力图3.3 活塞环与气缸套润滑状况的原因 理想的全液体润滑,主要取决于运动副的运动形式、速度以及润滑油的性能等因素,而活塞环在缸套内的运动在全行程中的速度始终在变化,在上下止点的运动速度为零,同时收到高温燃气的冲击作用,因此在两者之间很难形成良好的润滑，这是活塞环工作条件恶劣的至关原因,尤其是活塞在上止点附近时,润滑状态处于边界润滑5,有时甚至是干摩擦状态。正常情况下,活塞头部同缸套之间不会产生摩擦,随着柴油机的运行,在活塞头的周围会产生积碳,这些积碳硬度大且难于清除，积碳的增多使活塞头部的直径增大,当活塞在汽缸内运动时,头部的积碳同缸套之间产生摩擦,不但会使缸套的磨损率增大,同时会严重破坏润滑油膜,使滑油消耗量和活塞环的磨损率明显增大。 3.4 活塞环和环槽配合情况的原因 活塞环槽的磨损主要是由于活塞环在槽中的扭曲作用引起的。由于长期使用,在活塞环的扭曲作用下环槽会产生不均匀磨损,同时,活塞头部在工作时会受热变形使环槽缩小且向下倾斜,这就影响了活塞环同环槽的正常配合,使环在环槽中呈倾斜状态(如图3中A所示)。因此在吊缸检修时要仔细测量对环槽的几何尺寸(如图 3 图B所示),如发现环槽倾斜过大或磨损过大形成了凸台时,应用手持砂轮将凸台进行磨平或送厂进行恢复性修理。 - 4 - 王东庭：轮机工程专业毕业论文 图3 环塞环槽倾斜状态图与环槽几何尺寸图3.5 油料的影响 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,其性能指标也相差很大,如果使用统一的标准对燃油进行处理, 例如分油机比重环直径的大小对不同比重的燃油,在不同加热温度时有不同的要求,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,而汽缸注油量不作调整,造成汽缸注油量增加,过多的汽缸油由于泵油作用在环槽处形成积聚,当汽缸内温度过高时积聚的滑油形成燃烧,为活塞环的粘着和折断创造了条件。 3.6 管理不当 由于冷却不良是第一道环温度过高，环局部被烧坏失去弹性，润滑不良造成不正常磨损，最高爆炸压力过大，使环的机械应力增大，严重时会造成断环6。 注油量过大，环槽中的滑油在高温下积碳，环槽底面硬的积碳使唤收到的弯曲、变形，最终导致疲劳断裂，只要有一处断裂，漏气量增大，积碳就会更加严重，使唤多处断裂，并使环槽磨损加剧。 活塞环安装时方向错误造成断裂。 - 5 - 王东庭：轮机工程专业毕业论文 4 断环现象分析及处理措施 断环一般多发生在第一道和第二道环，而这两道环对密封性能又起着关键的作用，所以断环时必造成燃烧室密封的破坏其断环的现象和原因如下： 4.1 断环后的工作征状 气缸的压缩压力和爆炸压力明显降低、冒黑烟、排气温度升高。由于断环，气缸的密封性下降，造成压缩过程中大量气体的泄搌，使气缸的压缩压力、压缩终点温度明显下降，燃油滞燃期明显廷长，燃烧点后移到上死点后，使爆压下降后燃严重。冒黑烟，排气温度升高，冷却水温度也可能升高，柴油机的指示功率下降，效率也明显下降。 滑油消耗急剧增。由于第一道或第二道气环断裂使部分高温燃气直接进入下面几道环，滑油燃烧位置下移，活塞环泵油的距离明显变短，断环的刮油作用丧失，使滑弛消耗大大增加，造成滑油的过量消耗。 扫气箱易着火。由于高温燃气漏人扫气箱，使扫气箱温度升高，引起下部积油着火。 柴油机起动困难，柴油机中有多缸同时发生断环时，由于起动时气缸温度偏低及压缩过程漏气的共同影响，使柴油机达到发火转速时不能发火，造成起动失败。 4.2 断环判断和检查 出现断环现象时需确认是否发生断环一般的方法是：对于运转中的柴油机，可通过测试压缩压力来判断，当测定的压缩压力小于规定规定值，并伴有扫气箱温度升高或扫气箱易着火时有可能是环漏气或断环。如果在柴油机运行时缸内有断续声响，随后消失，则可能是环被气口挂断。 4.3 断环时应急处理 断环的碎片可能冲人排气管甚至冲入废气涡轮增压器，打碎增压器叶片，造成严重故障，也可能引起起拉缸，损伤缸套并使活塞环槽的变形。因此，确认已断环时必须进行吊缸更换，以保证气缸的密封性，若当时情况不允许停车吊缸检修或无备件，则应降低转速，降低该缸的喷油量或停油，并保证故障缸的良好润滑，适当增大供油提前角7，起动时换成轻油密切注意断环缸有无异常声音，使柴油机安全运行到达港口进行修理。 - 6 - 王东庭：轮机工程专业毕业论文 5 日常维护管理应注意的事项 做好各项日常管理工作，对避免活塞环故障有重要作用 1）长期低负荷和超负荷运行都是不是科学使用主机的方法8。前者是消极被动管理，将会引起恶性循环；后者则是盲目开超速车，工作于超负荷区域，加快了活塞环的磨损。本轮主机制造厂规定，额定转速为1500r/min,转速超过1650r/min即为超负荷，因此有时有些特殊情况需要加车，出于主机安全的考虑，也不能把转速调到1650r/min以上,并不能盲目的使主机超负荷。当然长期处于低负荷也是不行的，要适当调节负荷在合适的范围内。 2）保证气缸油的供给量，值班人员应定期查看和维护汽缸油泵工作状况，保证气缸油管路通畅和正常，出现的活塞环故障，其实，除长期正常磨损的原因外，在补充气缸油日用柜时，将油柜出油阀关死，将导致供油中断，如果加上处理不及时。就很容易造成活塞环故障。在柴油机低转速、低负荷工作或频繁用车，应适当增加气缸注油量，以改善活塞环的润滑状态，减少活塞头的周围积碳，使润滑油膜不易破坏，减少活塞环的磨损率。 3）无论新船还是老龄船，适当延长磨合期，保证运行期的各参数在适当范围之内，对保证柴油机的正常运行和使用寿命，都至关重要。在柴油机换用新的缸套或活塞环后，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，活塞环和气缸套表面由于形状和粗糙度等没有完全匹配，而使摩擦面过热发生过度磨损或拉缸。 4）实际运行过程中,活塞环搭口间隙的大小是判断活塞环磨损状况的重要指标9。因此在日常管理过程中,运行一定的时间后就应测量活塞环的搭口间隙 ,在柴油机停车时,进入到扫气室通过扫气口进行测量,同时可利用此机会检查活塞环的工作面状况及有无粘着现象,当发现有环粘着现象时,应在可能的时间内进行吊缸检修。测取搭口间隙的数值一是要同说明书中要求的数值进行比较,以判断搭口间隙是否超过极限;二是要同上一次测量的搭口间隙进行比较,以判断活塞环的磨损率,如果在一定的时间间隔内,环的磨损率突然增大,则应查找原因予以解决。通过每道活塞环的档案不但可以系统的分析活塞环的故障现象,并分析比较不同备件的质量、燃油以及滑油等对磨损率的影响。实践证明,虽然定期测量活塞环的搭口间隙会给轮机管理人员带来额外的工作量,但对- 7 - 王东庭：轮机工程专业毕业论文 柴油机的维护管理及故障预防可以起到事半功倍的作用。 5）正常运行过程中要控制冷却水、冷却油等的温度和压力在要求的范围之内,同时要注意参数的比较,最重要的是各参数的变化速度;定期测量示功图,通过对压缩压力、最大爆炸压力、燃烧始点、负荷分配等分析,判断燃烧过程进行的好坏和汽缸、活塞环等的工作状态,发现有故障预兆时要及时查找原因而采取相应处理措施。 结论 活塞环故障，原因是多方面的，必须综合分析，预防措施是必须规范维修和使用，增加监控设备，丰富监控手段也是重要方面。 随着现代柴油机监控技术的发展，如油液分析技术，磨损监控技术10，缸套油膜监控技术等新技术已经在新船上得到应用，这为轮机员分析判断活塞环及缸内的工作状态提供了有利的依据。但是过分依赖检测系统提供的数据也是不可取的，只有将自己的判断与检测系统提供的数据结合起来综合分析，并通过适当的拆检加以佐证，这样才能提高轮机管理人员的科学管理水平。 目前在船舶柴油机中使用的活塞环种类繁多，主要区别在于活塞环的材料、搭口形式、表面涂层和断面形状的不同。每种环都有其优点和不足，要根据柴油机的特点选择合适的环，以达到良好的密封效果。目前正在逐步得到应用的等离子喷镀技术使活塞环镀层中含有钛、钨、铬、钼等多种金属成分，大大改善了单一金属镀层的不足。使活塞环的耐磨性、抗腐蚀性、耐高温性有了明显的提高。随着纳米技术在船舶机械领域的应用，不久的将来，必将使活塞环的综合性能得到全面提高。 - 8 - 王东庭：轮机工程专业毕业论文 致谢语 首先我要感谢我的轮机长李国栋同志的悉心指导,在我做论文时给予了我莫大的帮助,不但教我如何处理穴蚀的发生，同时在我资料紧缺的情况下给我提供了部分论文材料，他总是能对我所做的论文进行中肯的指正，并提供了许多宝贵的意见。 感谢母校集美大学轮机工程学院四年来对我的教育和栽培，使我无论是在学习能力还是工作能力都得到了巨大的提高，能够充分适应船舶工作。 最后衷心的感谢在百忙中抽出时间评阅我论文的老师！您辛苦了！祝您家庭美满，工作顺利，身体健康！ - 9 - 王东庭：轮机工程专业毕业论文 参考文献 1周明顺船舶主机活塞环故障分析C青岛，2001.2425. 2黄少竹主编船舶柴油机M大连：大连海事大学出版社,2005.110115. 3Liu Ying，Zhang BinetcIdentification of Characteristic Parameters of Fuel Injection Pressure of Diesel Engine Based on Radial Basis Function Neural NetworkJMechanical Systems and Signal Processing，1992：5659 4曹关桐XX年代船用柴油机进展J航海技术，1995：3841 5黄根法.船用柴油机的润滑及保证措施J.航海技术 2001:3234. 6李品芳,黄加亮.船舶管理M. 大连: 大连海事大学出版社,2006.155159. 7曹关桐XX年代船用柴油机进展J航海技术，1994：3136 8张春来,于少青.船舶安全管理中的人为因素J. 大连海事大学学报,2003(1):3536. 9中国船级社.船舶机械计划保养系统检验指南.1997.2528. 10郑凤阁,沈鼎新.轮机自动化M.大连: 大连海事大学出版社,2006.150159. - 10 -