某型中速船用柴油機(jī)氣缸套拉缸的原因分析及解決措施

葉啟華，鄒世順

（廣州柴油機(jī)廠股份有限公司，廣州510371）

1 引言

某型中速船用柴油機(jī)氣缸套容易出現(xiàn)拉缸現(xiàn)象，對該型柴油機(jī)的正常裝機(jī)、試驗、交貨造成較大影響，因而引起廠家技術(shù)部門的高度重視。經(jīng)過詳細(xì)的技術(shù)分析，決定通過對發(fā)生缸套拉缸的柴油機(jī)進(jìn)行拆檢、改進(jìn)再試驗等方式查找出問題根源，最終解決了該型柴油機(jī)氣缸套拉缸的問題。

2 拉缸問題簡介

該型柴油機(jī)配置的氣缸套分別由兩條生產(chǎn)線生產(chǎn)供應(yīng)，兩條生產(chǎn)線共用一套缸套外形尺寸圖紙。其中一條生產(chǎn)線（生產(chǎn)線A）生產(chǎn)的缸套一直使用良好，未曾出現(xiàn)大范圍拉缸現(xiàn)象；而另一條生產(chǎn)線（生產(chǎn)線B）生產(chǎn)的缸套，經(jīng)常在柴油機(jī)磨合階段就出現(xiàn)大范圍拉缸的異常磨損情況。

為加以區(qū)分，將由生產(chǎn)線A 和生產(chǎn)線B 生產(chǎn)加工的缸套分別稱為缸套A 和缸套B。

缸套B 發(fā)生拉缸后的狀況見圖1。從圖片觀察，異常磨損類型為擦傷型的粘著磨損。

參考柴油機(jī)拉缸相關(guān)處理經(jīng)驗和結(jié)合實際情況分析，導(dǎo)致該型柴油機(jī)缸套發(fā)生拉缸現(xiàn)象有如下可能性原因：

（1）設(shè)計和裝配因素

① 活塞環(huán)和缸套配合間隙過小、活塞環(huán)開口過小、活塞環(huán)張力過大；

② 活塞和缸套配合間隙不合理；

③ 活塞銷竄出拉傷缸套；

④ 缸套尺寸不符合要求、內(nèi)壁網(wǎng)紋設(shè)置不當(dāng)影響潤滑；

（2）管理和使用因素

① 燃油品質(zhì)差、燃燒碳粒過多加重磨損；

② 滑油品質(zhì)差或滑油量過少造成潤滑不良；

③ 缸套磨合不足情況下高負(fù)荷運行；

④ 缸套冷卻不良造成缸套和活塞局部溫度過高。

3 拉缸原因的分析

下面對上述可能造成拉缸的原因進(jìn)行分析。

（1）設(shè)計和裝配因素

① 對發(fā)生拉缸的零部件進(jìn)行拆檢，測量缸套、活塞、活塞環(huán)均符合圖紙要求，自然配合間隙也在設(shè)定范圍內(nèi)?？沙醪脚袛喔髁悴考O(shè)計合理，不存在摩擦副配合尺寸不適而造成拉缸的情況；

② 經(jīng)過測量和計算，活塞環(huán)開口尺寸裕度足夠，不存在高溫膨脹后油環(huán)與缸套卡死的情況；檢查活塞銷也未發(fā)生竄出等異常現(xiàn)象；

③ 對于缸套內(nèi)壁網(wǎng)紋和活塞油環(huán)張力的影響，將在下面作詳細(xì)分析。

（2）管理和使用

① 拉缸異常磨損發(fā)生在出廠試驗?zāi)ズ想A段。出廠試驗使用標(biāo)準(zhǔn)0#柴油，入庫的每批次柴油均經(jīng)過檢驗并帶合格證書，柴油質(zhì)量有保障；該型柴油機(jī)經(jīng)過多年的使用驗證，燃燒系統(tǒng)的性能一直十分穩(wěn)定，燃燒質(zhì)量也有保證；同時通過相關(guān)拆檢，未發(fā)現(xiàn)缸套、活塞或缸頭有大量積碳現(xiàn)象。因此可排除燃油和燃燒質(zhì)量差的因素；

② 柴油機(jī)在臺架進(jìn)行正式出廠試驗前，嚴(yán)格按照要求先對整機(jī)進(jìn)行一定時間的熱磨合運轉(zhuǎn)，所以缸套不存在磨合不足就帶高負(fù)荷運行的情況；

③ 出廠試驗過程嚴(yán)格按照試驗流程，逐步暖車和增加負(fù)荷，不存在運行中冷卻水溫過低現(xiàn)象；查閱試驗記錄，發(fā)生異常磨損時，冷卻水溫正常（進(jìn)機(jī)約65 ℃，出機(jī)＜85 ℃）；對發(fā)生磨損的缸套拆卸后檢查冷卻水腔，符合設(shè)計要求；

檢查發(fā)生缸套異常磨損對應(yīng)的活塞（見圖2），未發(fā)現(xiàn)有發(fā)藍(lán)或者明顯燒灼現(xiàn)象；在其余條件相同的情況下，只有缸套B 發(fā)生異常磨損情況。上述這些可初步排除缸套冷卻不足的因素。

（3）缸套內(nèi)壁網(wǎng)紋和活塞油環(huán)張力因素

柴油機(jī)工作過程中，缸套和活塞環(huán)摩擦負(fù)荷極大，因此要求缸套內(nèi)壁具有良好的貯存潤滑油和油膜分布能力。在設(shè)計中，把缸套內(nèi)壁珩磨成平臺網(wǎng)紋，即表面加工成一種溝槽和小平臺均勻相間的交叉網(wǎng)紋，用于儲油和建立油膜。

為了分析缸套平臺網(wǎng)紋和活塞油環(huán)張力對磨損的影響，將通過以下試驗來分析和驗證。

4 試驗過程及結(jié)果分析

4.1 試驗配置

對發(fā)生拉缸后的缸套B 進(jìn)行內(nèi)壁的微觀測量，發(fā)現(xiàn)缸套B 的內(nèi)壁網(wǎng)紋輪廓芯部高度Rk和芯部以上峰頂高度Rpk較大，且輪廓算術(shù)平均偏差Ra較大（粗糙度高）。缸套在與活塞環(huán)配合形成摩擦副時，其網(wǎng)紋波峰與活塞環(huán)接觸面積較大，有效油膜的面積則較小，存在導(dǎo)致潤滑失效形成拉缸異常磨損的可能性；同時，缸套B 的內(nèi)表面網(wǎng)紋芯部以下峰谷深度Rvk 也較大，溝槽內(nèi)儲油量有可能過多，造成滑油消耗量增大；圖3 為發(fā)生拉缸的缸套B 的平臺網(wǎng)紋微觀圖。

為驗證以上的可能性，針對缸套B 平臺網(wǎng)紋的上述缺陷對其作優(yōu)化設(shè)計，將原平臺網(wǎng)紋的缸套B 和改進(jìn)平臺網(wǎng)紋的缸套B 分別搭配原活塞油環(huán)和較低張力規(guī)格活塞油環(huán)同時進(jìn)行試驗驗證。

經(jīng)技術(shù)分析，決定對缸套B 和活塞油環(huán)作以下調(diào)整（表1）：

（1）對缸套B 進(jìn)行改進(jìn)，原網(wǎng)紋用金剛油石條珩磨，現(xiàn)改用碳化硅油石條珩磨（網(wǎng)紋Rk相對較小，網(wǎng)紋也更均勻）；

表1 缸套B 內(nèi)壁網(wǎng)紋規(guī)格修改

（2）減小活塞油環(huán)的張力，把標(biāo)稱值F 分別減小40 N 和減小70 N。

本次試驗在一臺6 缸柴油機(jī)上進(jìn)行，該柴油機(jī)裝配有原缸套B 和修改的缸套B（下文分別簡稱“原缸套”和“改進(jìn)缸套”），并分別搭配不同張力油環(huán)作比對試驗。

4.2 試驗過程

（1）磨合

在磨合運行約四小時后，用反光鏡照缸檢查，發(fā)現(xiàn)第三缸出現(xiàn)拉缸（擦傷粘著磨損）情況，其余各缸檢查正常。

（2）重新磨合和出廠試驗

為驗證網(wǎng)紋對潤滑和磨損的影響，對出現(xiàn)拉缸的第三缸，更換上新修復(fù)的缸套B，同時搭配張力為原標(biāo)稱值F 的活塞油環(huán)。

更換后重新磨合，照缸套檢查無異常；然后按常規(guī)流程作出廠試驗；出廠試驗完成后，拆卸缸蓋、活塞檢查，情況如下：

① 各個缸套工作表面經(jīng)磨合后加工痕跡消除；缸套工作表面大部分呈現(xiàn)光滑、潔凈和明亮，無傷損或變色（見圖5）；

② 各個缸套在上止點往下附近的位置，有高約40 mm 的明顯泛黃痕跡，痕跡區(qū)域沿缸套圓周呈環(huán)形分布（見圖4）；

③ 在各個活塞第一道環(huán)往上附近區(qū)域，有明顯泛黃痕跡，且存在一定燒結(jié)積碳，其中油環(huán)張力較大的第3 缸泛黃痕跡和積碳相對較少（見圖5）。

（3）調(diào)整配置后復(fù)試

出廠試驗過程中，第三缸的使用效果顯示，網(wǎng)紋經(jīng)優(yōu)化設(shè)計的缸套B 搭配原來張力較大的活塞油環(huán)使用時，運行和磨合情況正常。為進(jìn)一步驗證，將其余各缸的活塞油環(huán)均更換成原標(biāo)稱值F 的統(tǒng)一規(guī)格，同時把第一缸缸套更換成改進(jìn)后的缸套B。

更換配件后重做試驗。試驗完成后拆卸第2、6 號氣缸進(jìn)行檢查，缸套在上止點往下附近位置呈圓周分布的泛黃痕跡顏色變淺，其他無明顯變化。

4.3 試驗結(jié)果和分析

最終拆檢結(jié)果經(jīng)質(zhì)檢部門確認(rèn)，氣缸套、活塞油環(huán)和活塞的磨損為正常磨合后的狀況，符合出廠要求。至此，本臺柴油機(jī)所有磨合和出廠試驗順利完成，關(guān)于缸套B 和油環(huán)的試驗項目也順利結(jié)束。

本次試驗結(jié)果分析如下：

（1）原缸套B 內(nèi)表面網(wǎng)紋輪廓芯部高度Rk 和芯部以上峰頂高度Rpk較大，在運行過程中缸套尖峰部位將直接與活塞環(huán)接觸，其余部位才是通過油膜間接接觸（微觀圖見圖6）。當(dāng)尖峰接觸部位多時油膜接觸部分必然減小，缸套和活塞環(huán)處于干摩擦的面積就大，極易造成拉缸。尤其搭配大張力油環(huán)時，拉缸的趨勢更大；

（2）缸套B 搭配小張力規(guī)格的活塞油環(huán)時能勉強(qiáng)使用，但會因油環(huán)刮油力不足造成缸套內(nèi)壁殘留滑油較多，最終導(dǎo)致滑油消耗和燃燒積碳增多；

（3）改進(jìn)后的缸套B 通過調(diào)整網(wǎng)紋輪廓芯部高度Rk 和芯部以上峰頂高度Rpk，使網(wǎng)紋尖峰高度降低、尖峰數(shù)量減小，從而減小甚至消除了尖峰與活塞環(huán)直接接觸的區(qū)域、增加油膜接觸的范圍；同時在精磨網(wǎng)紋過程中，控制降低缸套內(nèi)表面粗糙度，潤滑效果得到較大提高，此時的缸套B 可適應(yīng)原款大張力油環(huán)，運行中不再產(chǎn)生拉缸的異常磨損情況。圖7 為改進(jìn)后的缸套內(nèi)壁網(wǎng)紋微觀圖。

5 結(jié)論

通過對各種可能引起缸套異常磨損原因的排查和試驗驗證，最終找出了缸套B 發(fā)生異常磨損的原因：具有強(qiáng)刮油能力的大張力油環(huán)，搭配原款網(wǎng)紋的缸套，不能建立有效的潤滑油膜，滿足不了缸套潤滑的要求。

綜上所述，造成缸套B 拉缸的原因為缸套內(nèi)壁網(wǎng)紋設(shè)置不合理，導(dǎo)致油膜分布不足、缸套潤滑不良。對此，綜合考慮潤滑油消耗以及摩擦副的磨損極限和壽命，保持油環(huán)張力不變的情況下，修改缸套B 的內(nèi)表面網(wǎng)紋珩磨工藝為本次缸套異常磨損的最優(yōu)解決方案。