柴油機(jī)活塞熔頂故障分析

李永衡，王振鵬

（江西銅業(yè)集團(tuán)公司 德興銅礦，江西 德興 334224）

關(guān)健詞：熔頂；活塞;活塞環(huán)；麿合；閉口間隙

1 引言

一臺(tái)中聯(lián)QY25汽車起重機(jī)的柴油機(jī)（型號(hào)：WP7.270E30）連續(xù)3次出現(xiàn)熔頂故障，給維修工作帶來了很大的困擾。由于起重設(shè)備在礦山設(shè)備的維修中起著非常重要的作用，所以一定要找出柴油機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)熔頂故障的原因，杜絕今后再出現(xiàn)類似的故障。

2 柴油機(jī)三次熔頂故障

2.1 柴油機(jī)第一次出現(xiàn)熔頂

柴油機(jī)第一次故障在2017年6月份。因發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸墊漏水，更換了柴油機(jī)缸墊。出廠半個(gè)月后，在一次起重作業(yè)時(shí)，柴油機(jī)出現(xiàn)了異響，并伴有濃煙。對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行解體后，發(fā)現(xiàn)了柴油機(jī)第五缸出現(xiàn)了嚴(yán)重的熔頂。

首先，對(duì)可能產(chǎn)生事故的原因進(jìn)行分析，尤其對(duì)第五缸的冷卻噴嘴及燃油噴嘴進(jìn)行重點(diǎn)檢測(cè)。通過試驗(yàn)、檢測(cè)，這些零件工作均正常。由于第五缸完全熔頂，無法觀測(cè)到第五缸的活塞環(huán)的情況，而觀察到第六缸的活塞環(huán)時(shí)，發(fā)現(xiàn)有顆粒物卡在第六缸氣環(huán)的側(cè)隙內(nèi)，缸套有輕微刮痕，頂部明顯有過燒痕跡。排除了其它的可能性之后，認(rèn)為在維修過程中有遺留顆粒物卡在第五缸氣環(huán)的端隙或側(cè)隙上，造成拉缸進(jìn)而產(chǎn)生熔頂。經(jīng)檢修更換了第五缸的缸套、活塞、活塞環(huán)及連桿。雖然故障判正確，但新安裝的第五缸活塞環(huán)閉口間隙值偏小，未經(jīng)有效磨合，緊接著導(dǎo)致第五缸的第二次活塞熔頂。

2.2 柴油機(jī)第二次出現(xiàn)熔頂

柴油機(jī)第二次故障在2017年7月份。出廠7天后，在一次上山爬坡的過程中柴油機(jī)出現(xiàn)了異響，并伴有濃煙，同時(shí)發(fā)現(xiàn)副水箱完全沒有水，主水箱水也不夠，水箱底部緩沖墊處因有銹蝕孔而出現(xiàn)滲漏。在對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行解體時(shí)發(fā)現(xiàn)，柴油機(jī)第五缸又出現(xiàn)了嚴(yán)重的熔頂。

首先對(duì)各缸的機(jī)油冷卻噴嘴進(jìn)行了檢測(cè)，其次對(duì)各缸的噴油嘴進(jìn)行了檢測(cè)。通過檢測(cè)，這些零部件工作均正常。綜合這些情況，當(dāng)時(shí)初步認(rèn)為主要是柴油機(jī)水箱漏水，造成柴油機(jī)缺水，同時(shí)因環(huán)境溫度高，加上爬了11km的長(zhǎng)坡，最終造成拉缸產(chǎn)生高溫而熔頂。由于未找到真正的故障原因，又出現(xiàn)了第三次活塞熔頂。

2.3 柴油機(jī)第三次出現(xiàn)熔頂

柴油機(jī)第三次故障在2017年9月。柴油機(jī)更換了一至六缸的缸套、連桿及活塞配件，出廠10天后，在一次爬200m陡山坡運(yùn)行過程中，柴油機(jī)又出現(xiàn)了異響，排氣管產(chǎn)生大量濃煙并伴有缸內(nèi)大量竄氣現(xiàn)象。對(duì)柴油機(jī)解體后發(fā)現(xiàn)：第二缸出現(xiàn)了嚴(yán)重的熔頂，第一及第三缸出現(xiàn)嚴(yán)重拉缸。經(jīng)過認(rèn)真檢測(cè)，沒有發(fā)現(xiàn)缺水情況，各缸的機(jī)油冷卻噴嘴及噴油嘴經(jīng)檢測(cè)均正常。針對(duì)這種情況，對(duì)產(chǎn)生活塞拉缸及熔頂原因必須作進(jìn)一步的分析。

3 活塞熔頂?shù)闹饕蛩丶盎钊h(huán)裝配數(shù)據(jù)測(cè)量分析

導(dǎo)致柴油機(jī)活塞熔頂主要因素有如下幾點(diǎn)：活塞頂部嚴(yán)重積炭；活塞環(huán)膠結(jié)或斷裂；供油不均；噴油嘴工作不良；柴油機(jī)產(chǎn)生爆震；機(jī)油冷卻噴嘴堵塞；柴油機(jī)長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷超速運(yùn)行，或柴油機(jī)散熱不良；活塞缸套組件質(zhì)量或裝配質(zhì)量不合格；經(jīng)常猛轟油門，柴油機(jī)高速大負(fù)荷運(yùn)行及溫度過高［1-3］。

針對(duì)第三次熔頂，進(jìn)行了各種檢測(cè)，排除了熔頂?shù)钠渌蛩?，認(rèn)為熔頂是因?yàn)榛钊h(huán)與缸套拉缸造成的。而活塞缸套組件經(jīng)檢測(cè)均合格；活塞與缸套的裝配間隙也在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。那么問題應(yīng)該出現(xiàn)在活塞環(huán)的裝配間隙上，所以對(duì)活塞環(huán)的各種裝配間隙進(jìn)行了分析。

圖1 側(cè)背隙測(cè)量值示意圖

圖2 閉口間隙示意圖

3.1 側(cè)面間隙

如圖1所示，在熱態(tài)時(shí)，活塞環(huán)槽上、下平面向環(huán)的兩平面方向膨脹，環(huán)兩平面也向活塞環(huán)槽上、下平面方向膨脹， 使環(huán)有卡死在環(huán)槽內(nèi)的傾向。因此，在冷態(tài)裝配時(shí)，環(huán)與活塞環(huán)槽的配合應(yīng)有側(cè)隙。側(cè)隙大小應(yīng)合適。側(cè)隙太大時(shí)，引起竄氣、泵油；側(cè)隙太小，會(huì)使環(huán)卡死在環(huán)槽內(nèi)。

對(duì)一至六缸的氣環(huán)進(jìn)行測(cè)量，第一道的氣環(huán)側(cè)隙在0.19mm至0.20mm之間，符合標(biāo)準(zhǔn)；第二道壓縮環(huán)的側(cè)隙在0.08mm至0.09mm之間，符合標(biāo)準(zhǔn)；第三道油環(huán)的側(cè)隙在0.03mm至0.04mm之間，符合標(biāo)準(zhǔn)［4］。

3.2 背面間隙

如圖1所示，在熱態(tài)時(shí)，環(huán)也要向徑向膨脹，但環(huán)在彈性作用下，緊緊壓在氣缸壁上，所以，環(huán)只有收縮，活塞環(huán)的內(nèi)圓柱面直徑變小，可是，活塞環(huán)槽底部直徑因膨脹變大。所以，活塞環(huán)的內(nèi)圓柱面就可能和活塞環(huán)槽底部接觸而抵死。因而，冷態(tài)時(shí)，活塞環(huán)與活塞環(huán)槽的配合應(yīng)有背隙，背隙大小應(yīng)合適。背隙大，則泵油多。背隙小，則環(huán)會(huì)擠死在槽內(nèi)。

對(duì)一至六缸的氣環(huán)進(jìn)行測(cè)量，第一道氣環(huán)的背隙在0.7mm至0.9mm之間，符合標(biāo)準(zhǔn)；第二道壓縮環(huán)的背隙在0.9mm至1.0mm之間，符合標(biāo)準(zhǔn)；第三道油環(huán)的背隙在0.5mm至0.6mm之間，符合標(biāo)準(zhǔn)［5］。

3.3 閉口間隙

如圖2所示，因柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生熱量，活塞環(huán)也隨之膨脹，這時(shí)活塞環(huán)向外張開，就受氣缸壁的限制，活塞環(huán)就收縮，使活塞環(huán)的兩端閉口間隙變小。因此，活塞環(huán)的閉口間隙必須適合，不可太大，否則會(huì)竄氣、泵油嚴(yán)重；閉口間隙太小，則活塞環(huán)兩端面被抵住而變形，卡死在活塞環(huán)槽內(nèi)造成拉缸［4］。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)的三道環(huán)的閉口間隙數(shù)據(jù)如下表。

表1 活塞環(huán)閉口間隙 mm

從表1中看出，第一道氣環(huán)的閉口間隙較小，第二道及第三道密封環(huán)閉口間隙較大，其原理利用第二、三道密封環(huán)較大的閉口間隙將其上部的壓力泄去，增大第一道環(huán)的上下壓差，以便活塞頂上的高壓氣體可以輕易地將缸壁上的機(jī)油吹下，減少機(jī)油的消耗。所以第二、三道環(huán)是不會(huì)出現(xiàn)閉口間隙過小的問題，下面通過計(jì)算來確認(rèn)第一道環(huán)的閉口間隙允許的最小值。

閉口間隙按GB/T1149選取，但最小間隙S必須大于下面計(jì)算值［5］。

（1）式中：D為缸徑；α為熱膨脹系數(shù)，合金鑄鐵α=1.2×10-5/℃；△t為活塞環(huán)與缸套的溫差，氣環(huán)為100℃，油環(huán)為80℃。

WP7.270E30柴油機(jī)，缸徑108mm，活塞環(huán)為合金鑄鐵，通過（1）式計(jì)算其最小間隙。

通過（1）式計(jì)算的數(shù)據(jù)可以看出，第一道氣環(huán)都小于最小間隙，存在拉缸風(fēng)險(xiǎn)。

如表1所示，常溫下第二、三缸第一道活塞環(huán)閉口間隙值為0.37mm，但隨著活塞環(huán)與缸套溫差升高其閉口間隙值逐漸變小直至為零。通過（1）式可以計(jì)算出活塞環(huán)與缸套在什么溫差內(nèi)，其閉口間隙值等于零，設(shè)這溫差為△t。

理論上計(jì)算出，當(dāng)活塞環(huán)閉口間隙值為0.37mm，活塞環(huán)與缸套的溫差達(dá)到90.9℃時(shí)，其活塞環(huán)閉口間隙值為零，如溫差繼續(xù)升高，其端口相抵。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T1149，其氣環(huán)與缸套最高正常溫差設(shè)定為100℃。

通過上面數(shù)據(jù)分析得出，當(dāng)活塞環(huán)與缸套的溫差超過90.9℃，存在拉缸、熔頂風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)設(shè)備在大功率下爬坡及作業(yè)，極易導(dǎo)致活塞環(huán)與缸套的溫差超過90.9℃，使活塞環(huán)兩端口間隙消除，并被抵住而變形。首先造成拉缸，如繼續(xù)工作則進(jìn)一步惡化造成熔頂。

4 柴油機(jī)磨合對(duì)活塞環(huán)閉口間隙的影響

磨合過程的實(shí)質(zhì)是一個(gè)摩擦副從一個(gè)機(jī)加工的原始狀態(tài)經(jīng)過動(dòng)態(tài)磨損而達(dá)到的低磨損的階段過程，即經(jīng)過一個(gè)負(fù)載從小到大，轉(zhuǎn)速?gòu)牡偷礁叩哪ズ?，使摩擦副處于低磨損表面狀態(tài)的過程，這時(shí)柴油機(jī)才能出廠并在正常的負(fù)荷條件下使用。

檢測(cè)到缸套內(nèi)壁的表面粗糙度約Ra1.6（Rz6.3），活塞環(huán)外壁的表面粗糙度為Ra0.4（Rz1.6）。經(jīng)過8h的磨合后，檢測(cè)到缸套內(nèi)壁的表面粗糙度約Ra0.4（Rz1.6），峰值減少值為：

當(dāng)峰值減少時(shí)，缸套直徑的方向便會(huì)增加，其增加值為：

當(dāng)直徑增大時(shí)，活塞環(huán)向外擴(kuò)張，設(shè)閉口間隙增加值為Si。則

柴油機(jī)經(jīng)過8h的磨合，Rz減少了，理論上其閉口間隙擴(kuò)大了0.03mm，實(shí)際上對(duì)第一道環(huán)的閉口間隙進(jìn)行檢測(cè)，其間隙都在0.4mm以上，達(dá)到了（1）式計(jì)算所得的最小間隙標(biāo)準(zhǔn)。隨著柴油機(jī)磨合的繼續(xù)，平均磨損率會(huì)進(jìn)一步降低，達(dá)到穩(wěn)定期后，閉口間隙最后趨于穩(wěn)定［6］。

從上面的計(jì)算得知，即使閉口間隙小于最小值，但通過磨合減小Rz峰值，使閉口間隙增大，達(dá)到最小允許值。這時(shí)柴油機(jī)一般情況下也不會(huì)出問題，但會(huì)顯得很“嬌氣”。這是由于柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)及燃燒過程中難免會(huì)有一些微小顆粒產(chǎn)生，閉口間隙難免受到其影響。所以在最小閉口間隙的基礎(chǔ)上，其閉口間隙要修整增加0.10mm［7］，滿足柴油機(jī)在各種惡劣環(huán)境下能正常使用，使起重設(shè)備更好地適應(yīng)采區(qū)坡長(zhǎng)、坡陡及粉塵大的工作環(huán)境。

5 柴油機(jī)發(fā)生熔頂?shù)脑蚣敖?jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

根據(jù)上面的分析，了解到第一道氣環(huán)閉口間隙值大小的重要性，下面歸納三次熔頂?shù)闹饕蚣敖?jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

5.1 柴油機(jī)的第一次熔頂

主要是在維修過程中遺留下的顆粒物卡在第五缸氣環(huán)的端隙或側(cè)隙上。在起吊重物的大功率工況下，因?yàn)槎讼队挟愇飳⒌谝坏罋猸h(huán)卡死在缸套內(nèi)，造成拉缸而產(chǎn)生熔頂；或因?yàn)閭?cè)隙上卡有異物導(dǎo)致第一道氣環(huán)卡死失去彈性，無法完全與缸套接觸影響散熱，同時(shí)有高溫氣體進(jìn)入到活塞環(huán)與缸套之間，在起吊重物的大功率工況下，活塞因其頂部高溫聚集而產(chǎn)生熔頂。

5.2 柴油機(jī)的第二熔頂

第二次熔頂后，對(duì)六缸燃油噴嘴進(jìn)行了檢測(cè)，經(jīng)檢測(cè)熔頂?shù)牡谖甯讎娪妥靽娪土渴橇字凶钌俚?，但由于第五缸更換了新的缸套，其閉口間隙值為0.38，小于通過（1）式計(jì)算所得的最小允許值0.40。在其它缸噴油量大于第五缸的情況下，其它缸并沒有產(chǎn)生拉缸，而且完好無損，主要是由于第五缸第一道氣環(huán)閉口間隙值偏小，在爬長(zhǎng)坡的大功率工況下，氣環(huán)與缸套的溫差在加大，使閉口間隙值減小，最終被抵住而變形造成拉缸、熔頂。

5.3 柴油機(jī)的第三次熔頂

第三次熔頂發(fā)生在第一道氣環(huán)閉口間隙值較小的第二缸、第三缸，從表1看出，其二、三缸的閉口間隙值是偏小的，與第二次熔頂?shù)脑蝾愃?，其閉口間隙值偏小是造成拉缸、熔頂?shù)母驹颉?/p>

5.4 經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

通過分析，三次熔頂都是在大功率工況下出現(xiàn)的。水箱缺水會(huì)造成整個(gè)柴油機(jī)升溫，在大功率工況下更易在活塞頂上聚集大量的熱量，加速了柴油機(jī)拉缸、熔頂?shù)倪M(jìn)程，但第一道氣環(huán)閉口間隙值偏小是產(chǎn)生熔頂?shù)母驹?。柴油機(jī)連續(xù)三次出現(xiàn)熔頂故障，必須認(rèn)真總結(jié)，為今后維修及裝配提供一些經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。

（1）在維修中要做到干凈、整潔，防止顆粒異物進(jìn)入到缸套內(nèi)，如有異物進(jìn)入要進(jìn)行有效清理；

（2）在沒有維修標(biāo)準(zhǔn)的情況下，對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、認(rèn)證。如，在沒有活塞環(huán)閉口間隙標(biāo)準(zhǔn)值的情況下，不能將活塞環(huán)作為“標(biāo)準(zhǔn)件”直接安裝；

（3）大、中修后的柴油機(jī)需要經(jīng)過有效磨合后才能出廠，并在出廠后需要進(jìn)行一定時(shí)間的低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，使閉口間隙值穩(wěn)定在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)［6］；

（4）水箱一旦出現(xiàn)缺水，一定要找出漏水點(diǎn)，而不是以加水來應(yīng)付；

（5）加強(qiáng)對(duì)操作人員的培訓(xùn)，養(yǎng)成良好的駕駛習(xí)慣，了解柴油機(jī)在猛踩油門、缺機(jī)油、缺冷卻液的情況下運(yùn)行，對(duì)機(jī)體的危害性極大。

6 結(jié)論

在柴油機(jī)修理實(shí)踐中，經(jīng)常會(huì)遇到一些原因不明的問題和困擾，但只要維修人員針對(duì)技術(shù)問題認(rèn)真思考，許多難題便會(huì)迎刃而解。該車柴油機(jī)反復(fù)多次發(fā)生拉缸、熔頂故障，其原因就是：維修人員在沒有維修標(biāo)準(zhǔn)的情況下，沒有對(duì)其閉口間隙值進(jìn)行計(jì)算、論證，其閉口間隙值沒有得到有效的修正；駕駛員在汽車起重機(jī)檢修出廠后沒有注重低負(fù)荷磨合。這些因素，引起了多起重復(fù)性故障。