打樁船主機(jī)缸套磨損機(jī)理、檢測及預(yù)防措施研究

陳維克　陳厚祥　黃金球

摘要：打樁船主機(jī)中的缸套和活塞環(huán)是其主要的摩擦學(xué)系統(tǒng)，氣缸套磨損是主機(jī)最常見的故障形式，因此研究主機(jī)缸套磨損產(chǎn)生機(jī)理、檢測方法和預(yù)防措施，對提高打樁船柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)壽命和工作可靠性具有重要意義。本文探討了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套磨損的形成規(guī)律，分析了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套磨損產(chǎn)生的機(jī)理及其危害，給出了缸套一活塞環(huán)的磨損檢測方法，提出了在使用和保修中減少柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套磨損應(yīng)注意的幾個(gè)問題，為打樁船柴油機(jī)的正常使用提供參考。

關(guān)鍵詞：打樁船主機(jī)；氣缸套磨損機(jī)理；磨損檢測方法；預(yù)防措施

中圖分類號(hào)：U664 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-7973（2016）06-0068-02

在打樁船主機(jī)運(yùn)行過程中，活塞環(huán)一缸套在氣體壓力和慣性力作用下會(huì)產(chǎn)生磨損，過大的磨損將直接影響柴油機(jī)的性能和使用壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)降低氣缸內(nèi)壁與活塞環(huán)之間的密封性能，使柴油機(jī)出現(xiàn)啟動(dòng)困難、功率降低、燃油和機(jī)油的消耗量增大、使用壽命縮短以及排氣冒黑煙等現(xiàn)象。

由于活塞環(huán)位于氣缸不同位置和工作條件不同，氣缸套的磨損是不均勻的，一般情況是活塞環(huán)運(yùn)動(dòng)到上止點(diǎn)處時(shí)，由于頂環(huán)直接承受發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)氣體的高壓作用，使頂環(huán)與氣缸套摩擦面在上止點(diǎn)附近的載荷最大，溫度最高，潤滑油膜最薄，第一道活塞環(huán)與氣缸套內(nèi)壁的接觸部位磨損量最大，最大磨損量可達(dá)0.2-0.3mm。由第一道活塞環(huán)位置向下缸套內(nèi)壁磨損量明顯減小，缸套呈錐型。在特殊情況下，工作中產(chǎn)生磨粒磨損時(shí)則磨損呈類似的腰鼓型。在氣缸套內(nèi)壁上部不與活塞環(huán)接觸的部位，幾乎沒有磨損，形成肩臺(tái)。由于活塞環(huán)側(cè)壓力較大，缸套內(nèi)壁的橫向磨損大于縱向磨損，造成失圓。多缸發(fā)動(dòng)機(jī)各缸的磨損量也不均勻，一般是負(fù)荷高的氣缸其缸套磨損量較大。

如何判斷缸套一活塞環(huán)的磨損產(chǎn)生原因，監(jiān)測磨損及其變化，提出磨損預(yù)防措施，從而延長船舶主機(jī)工作壽命，成為科技者研究的主要問題之一。本文研究活塞環(huán)一缸套磨損的產(chǎn)生原因、檢測方法及預(yù)防措施，為研究缸套一活塞環(huán)的磨損判斷、監(jiān)測和預(yù)防提供參考。

1.打樁船主機(jī)磨損機(jī)理

1.1磨損形式

打樁船主機(jī)的活塞環(huán)一缸套在高溫、高壓、變載荷及往復(fù)運(yùn)動(dòng)中，缸套內(nèi)表面易出現(xiàn)磨損，其主要的磨損形式如下：

（1）缸壁的腐蝕磨損。主機(jī)燃料柴油中S、P和N成分的存在，氣缸內(nèi)可燃混合氣燃燒后產(chǎn)生水蒸氣和酸性氧化物，生成礦物酸和有機(jī)酸并附在氣缸壁上，使氣缸產(chǎn)生嚴(yán)重的化學(xué)腐蝕。

（2）缸壁的磨料磨損。燃燒生成的顆粒物、空氣中的灰塵微粒、潤滑油中的雜質(zhì)顆粒以及缸套磨損產(chǎn)生的金屬顆粒等形成大量堅(jiān)硬的磨粒顆粒，在活塞環(huán)一缸套間發(fā)生磨粒磨損，特別是燃燒生成的顆粒物和空氣帶人的塵埃是氣缸套磨損的主要磨粒來源。

（3）缸壁的粘著磨損。氣缸套內(nèi)壁與活塞環(huán)在高溫、高壓條件下工作，高溫使?jié)櫥驼扯冉档?、燒損，高壓增加了活塞環(huán)一缸套接觸應(yīng)力，使兩者間的潤滑油膜不易形成；同時(shí)，氣缸套和活塞環(huán)兩者之間的相對速度高達(dá)10-25m/s，因此，會(huì)使缸壁與活塞環(huán)形成半干摩擦或干摩擦，使活塞環(huán)一缸套直接接觸而產(chǎn)生粘著，在缸套壁上形成粘著斑痕，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)咬缸現(xiàn)象。

（4）缸壁的復(fù)合磨損。氣缸套內(nèi)壁往往不是單一的磨損形式，常常發(fā)生腐蝕、磨粒和粘著等磨損形式的兩種及以上，相互促進(jìn)，加劇了缸套的磨損。

1.2產(chǎn)生原因

（1）燃燒不充分。燃油供給系統(tǒng)噴油嘴壓力不正常，噴油嘴針閥與針閥體故障，造成柴油霧化狀態(tài)不良，導(dǎo)致柴油燃燒不充分而產(chǎn)生結(jié)碳顆粒物，引起缸套的磨損。

（2）空氣過濾不好。主機(jī)的空氣濾清器失效，過濾效果不好，導(dǎo)致空氣不經(jīng)過濾直接進(jìn)入氣缸；或者空氣濾芯沒有及時(shí)地維護(hù)保養(yǎng)，過臟或破損；油浴式空氣濾清器油盤內(nèi)機(jī)油平面過低而導(dǎo)致空氣過濾效果不好，空氣中大量塵埃進(jìn)入燃燒室。

（3）啟動(dòng)不正常。冷機(jī)快速啟動(dòng)、強(qiáng)制超負(fù)荷啟動(dòng)和啟動(dòng)次數(shù)頻繁等，都會(huì)加快氣缸套的磨損。

（4）潤滑不良。潤滑油油量不足；潤滑系統(tǒng)有故障而導(dǎo)致機(jī)油壓力低、流量??；沒有及時(shí)維護(hù)保養(yǎng)潤滑系統(tǒng)使得機(jī)油過臟，甚至變質(zhì)，均會(huì)使氣缸套磨損速度加快。

（5）冷卻不良。冷卻系統(tǒng)故障，導(dǎo)致冷卻水壓力、流量不足，缸套溫度增加，粘著磨損加劇。

1.3氣缸套磨損的危害

由于活塞環(huán)-缸套磨損的積累，缸套與活塞環(huán)之間的接觸密封性降低，活塞環(huán)搭扣間隙增大，會(huì)產(chǎn)生竄氣、竄油、壓縮不良等現(xiàn)象，導(dǎo)致打樁船主機(jī)啟動(dòng)困難、燃油及機(jī)油耗量增大，功率下降；各缸磨損不均勻，還會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性變差，輸出扭矩不均勻，容易產(chǎn)生推進(jìn)系統(tǒng)扭振，破壞軸系，降低推進(jìn)效率，從而影響打樁船主機(jī)的使用壽命和打樁船安全性、可靠性。

2.活塞環(huán)-缸套磨損檢測

在線檢測打樁船主機(jī)活塞環(huán)-缸套的磨損及其發(fā)展趨勢，可以有效預(yù)測磨損故障，提高打樁船主機(jī)的可靠性和打樁船航行的安全性。打樁船主機(jī)的活塞環(huán)-缸套磨損的在線監(jiān)測是指通過直接安裝在被檢測設(shè)備上的傳感器，采集所需數(shù)據(jù)信息并利用軟件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)工作過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測。在線監(jiān)測法主要是以測量缸套與活塞的相對運(yùn)動(dòng)或間隙變化（氣缸密封性）為依據(jù)來判斷磨損情況，目前常用方法有振聲監(jiān)測法、電容監(jiān)測法、壓電監(jiān)測法、磁傳感監(jiān)測法、油樣分析法、瞬時(shí)轉(zhuǎn)速法、啟動(dòng)電流法、氣缸壓力監(jiān)測法。

2.1振聲監(jiān)測法

在柴油機(jī)運(yùn)行過程中缸套與活塞之間的間隙發(fā)生變化時(shí)，會(huì)影響活塞撞擊缸套的速度和位置變化，激勵(lì)特征的變化會(huì)導(dǎo)致機(jī)身振動(dòng)特性的變化。機(jī)體表面振聲監(jiān)測法通過分析振動(dòng)特性的變化規(guī)律進(jìn)而推斷出缸套一活塞的磨損狀況。采用機(jī)體表面振聲的方法，得到表面振動(dòng)特征值的改變可以反映缸套間隙的變化，即反映缸套磨損情況。一般選取激勵(lì)較少的膨脹行程或者排氣行程，測點(diǎn)一般選在柴油機(jī)燃燒上止點(diǎn)附近正對活塞主撞擊處的機(jī)體側(cè)面，可避免其他振源的干擾。在對振動(dòng)信號(hào)處理方面，主要是通過分析時(shí)頻、幅頻、頻帶能量等方面的特性來選取最優(yōu)特征參數(shù)，支持向量機(jī)（sVM）法、小波變換法、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的Hilbert變換法、分形維數(shù)法等方法，是當(dāng)前常用的數(shù)據(jù)處理方法。

2.2氣缸壓力監(jiān)測法

由于柴油機(jī)氣缸套一活塞環(huán)的摩擦磨損會(huì)使活塞環(huán)外周面與氣缸壁之間的間隙變大，導(dǎo)致活塞環(huán)失去正常工作下的氣密性，引起柴油機(jī)氣缸大量漏氣，從而導(dǎo)致壽命終結(jié)。通過測量發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸壓力曲線，計(jì)算出氣缸漏氣量的變化規(guī)律，根據(jù)其漏氣量來判斷氣缸的磨損量。

2.3瞬時(shí)轉(zhuǎn)速監(jiān)測法

柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)是作用在曲軸上總切向力矩變化的直接反映，是氣體壓力、往復(fù)慣性力、摩擦力及負(fù)載等共同作用的結(jié)果。氣體壓力的波動(dòng)會(huì)在瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)中體現(xiàn)出來，利用瞬時(shí)轉(zhuǎn)速診斷氣體壓力變化，進(jìn)而判斷柴油機(jī)性能好壞。

2.4光電監(jiān)測法

光電法是利用光纖位移傳感器接收的人射光和發(fā)射光強(qiáng)度的比例關(guān)系確定被測距離這一特性，將光纖位移傳感器通過火花塞或者噴油器安裝孔進(jìn)入氣缸內(nèi)部，掃描氣缸磨損形貌，將測量結(jié)果擬合為柱體，與標(biāo)準(zhǔn)氣缸的柱體模型比較，從而得到氣缸磨損量的檢測方法。

2.5油液分析法

油液分析技術(shù)主要原理是根據(jù)潤滑油中各種磨粒的含量及比例，推斷發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦磨損的情況。對一般柴油發(fā)動(dòng)機(jī)而言，主要是檢測潤滑油中鐵元素的含量，間接判斷活塞和氣缸的磨損程度?，F(xiàn)有的油液分析技術(shù)有鐵譜分析技術(shù)、光譜分析技術(shù)和放射性核素技術(shù)等。

2.6磁傳感監(jiān)測法

利用磁性傳感器的磁電阻效應(yīng)，通過其檢測活塞環(huán)運(yùn)動(dòng)和磨損引起磁場大小和方向的變化來確定活塞環(huán)的磨損量。磨損量的具體確定，則依據(jù)傳感器輸出信號(hào)的變化量與活塞環(huán)磨損量的對應(yīng)關(guān)系，即不同磨損量與磁場強(qiáng)度幅值的對應(yīng)關(guān)系。

2.7啟動(dòng)電流監(jiān)測法

柴油機(jī)在啟動(dòng)倒拖情況下，啟動(dòng)電機(jī)所需的電流（啟動(dòng)電流）是波動(dòng)的。針對單一氣缸而言，當(dāng)處于壓縮行程時(shí)，阻力矩明顯增大，需要較大的啟動(dòng)電流來產(chǎn)生相應(yīng)的啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩。過了壓縮行程上止點(diǎn)，氣缸內(nèi)被壓縮氣體膨脹做功，起助力作用，啟動(dòng)電流小。因此，通過啟動(dòng)電流波形可作為判斷各缸氣密性或磨損情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.缸套磨損預(yù)防措施

根據(jù)打樁船主機(jī)磨損狀態(tài)的檢測及磨損趨勢的判斷，在缸套磨損的預(yù)防上采取如下措施：

3.1重視打樁船主機(jī)的磨損智能監(jiān)控

根據(jù)缸套的磨損檢測方法和打樁船主機(jī)的機(jī)型特點(diǎn)，合理選擇、設(shè)計(jì)和設(shè)置檢測系統(tǒng)，安裝信號(hào)傳感器，對打樁船主機(jī)工作中的各種信號(hào)進(jìn)行檢測、儲(chǔ)存、分析、報(bào)警。

3.2正確操作打樁船主機(jī)

正確起動(dòng)，冷車起動(dòng)時(shí)，由于溫度低、機(jī)油粘度大、流動(dòng)性差，影響機(jī)油泵供油，加之缸壁上的原有機(jī)油在發(fā)動(dòng)機(jī)停車后沿缸壁下流，造成起動(dòng)瞬時(shí)氣缸得不到應(yīng)有的潤滑，缸套內(nèi)壁磨損大大增加。因此，冷車起動(dòng)時(shí)，應(yīng)先讓潤滑系統(tǒng)壓油、活車，待缸套表面得到潤滑后再起動(dòng)。起動(dòng)后應(yīng)空車運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間，待溫度升高，直至溫度正常、供油充分，方可正常操作。

保持主機(jī)溫度正常，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的正常溫度應(yīng)為65℃以下。當(dāng)溫度過低時(shí)，缸套潤滑受到影響，而且其內(nèi)易于產(chǎn)生酸性物質(zhì)，使磨損增大。當(dāng)溫度過高時(shí)，缸套磨損加劇，甚至?xí)斐伞袄住笔鹿省?/p>

避免長時(shí)間超負(fù)荷工作。主機(jī)長期進(jìn)行超負(fù)荷工作，溫度上升、機(jī)油變稀，造成潤滑不良，加速氣缸套的磨損。超負(fù)荷工作，導(dǎo)致燃料燃燒不完全，缸套等零件積炭增多，使缸套磨損加快。

3.3合理維修

保持潤滑良好，主要是保證機(jī)油壓力符合發(fā)動(dòng)機(jī)說明書的規(guī)定、保持機(jī)油的數(shù)量和質(zhì)量符合要求、按季節(jié)選用粘度適當(dāng)?shù)臋C(jī)油和在維修活塞環(huán)時(shí)選用彈力合適的活塞環(huán)。保證維修質(zhì)量，嚴(yán)格按照主機(jī)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行維修，杜絕因修理、裝配不當(dāng)?shù)热藶橐蛩囟垢滋啄p加劇。重視對打樁船主機(jī)的空氣濾清器、機(jī)油濾清器和柴油濾清器的定期維護(hù)工作。

4.結(jié)論

（1）根據(jù)打樁船主機(jī)的活塞環(huán)一缸套的磨損機(jī)理，做到主機(jī)使用維護(hù)正確、技術(shù)保養(yǎng)及時(shí)、技術(shù)狀態(tài)良好及工作正常。當(dāng)出現(xiàn)非正常磨損時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體工況及磨損特征找出原因，予以排除。

（2）柴油機(jī)中缸套一活塞環(huán)磨損監(jiān)測方法多，選擇檢測方式應(yīng)當(dāng)在提高精度的基礎(chǔ)上，盡量降低成本，盡可能不破壞缸體原有結(jié)構(gòu)，檢測操作簡單，將不同的方法有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)功能互補(bǔ)，可使檢測結(jié)果更精確，加強(qiáng)柴油機(jī)缸套一活塞環(huán)的實(shí)車動(dòng)態(tài)觀察。

（3）注意打樁船主機(jī)的正確使用，合理維修，積極預(yù)防缸套的磨損。