船用柴油機(jī)拉缸故障分析

徐 歡 俞 劍 徐 飛

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913）

對(duì)船用柴油機(jī)而言，拉缸是比較常見(jiàn)的故障，且會(huì)影響船舶的正常行駛。從柴油機(jī)拉缸故障角度來(lái)看，其形成的主要原因?yàn)楦滋缀突钊g的油膜變薄或者發(fā)生破損，導(dǎo)致潤(rùn)滑效果較差，更有甚者還會(huì)產(chǎn)生干摩擦狀況，引起缸套與活塞間溫度的急劇上升，造成其工作表面出現(xiàn)顯微熔化、撕裂或者是黏著，若油膜緩慢恢復(fù)或者難以恢復(fù)，則會(huì)引起大規(guī)模的異常磨損，活塞、缸套內(nèi)壁將會(huì)造成嚴(yán)重破損，在缸壁外表產(chǎn)生熔融流動(dòng)態(tài)，長(zhǎng)期發(fā)展下去則會(huì)導(dǎo)致拉缸。

1 船用柴油機(jī)簡(jiǎn)介

柴油機(jī)有著十分復(fù)雜的系統(tǒng)，應(yīng)用涉及領(lǐng)域極其廣泛。船用柴油機(jī)通常是由機(jī)體、配氣機(jī)構(gòu)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、電器系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)以及燃油系統(tǒng)等部分構(gòu)成。隨著新工藝、新材料及新技術(shù)的迅速發(fā)展，逐漸被運(yùn)用于柴油機(jī)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)領(lǐng)域，綜合技術(shù)水平大幅提升。從柴油機(jī)機(jī)體方面來(lái)看，其主要包含缸套、缸體、油底殼以及缸蓋等部分，作為柴油機(jī)的“骨架”，機(jī)體不僅可以用于支持及安裝其他零件，并且還是配氣機(jī)構(gòu)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、供給系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)等系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分，承受高壓和高溫，及周期性改變的燃?xì)庾饔昧ΑT性力等力的作用，工作環(huán)境十分嚴(yán)格。為了確保連桿、活塞、凸輪軸以及曲軸等零件“耐久、可靠”的運(yùn)作，機(jī)體應(yīng)當(dāng)具備較高的強(qiáng)度及剛度，對(duì)這些部件提供強(qiáng)有力的支持。

2 船用柴油機(jī)拉缸故障現(xiàn)象及形成原因分析

2.1 故障現(xiàn)象

目前，船用柴油機(jī)拉缸故障現(xiàn)象主要包括：

第一，竄氣聲或者異響聲。在柴油機(jī)出現(xiàn)拉缸故障時(shí)，以金屬棒某端貼近耳朵，另端靠近氣缸體外表，可清楚地聽(tīng)見(jiàn)不正常、沉重的響聲，比如：套缸和活塞間發(fā)生的干磨擦而引起的異響聲；在加大柴油機(jī)的油門(mén)時(shí)，敲缸聲更加雜亂、嚴(yán)重，同時(shí)還可聽(tīng)到顫抖般的異響聲；如果柴油機(jī)處在怠速狀態(tài)，則會(huì)聽(tīng)見(jiàn)竄氣聲或者敲缸聲；在潤(rùn)滑油加油口位置處可以聽(tīng)見(jiàn)漏氣的聲音，與敲缸聲響極其類(lèi)似[1]。

第二，柴油機(jī)的基本參數(shù)發(fā)生改變。如果柴油機(jī)的潤(rùn)滑油溫度、排氣溫度、活塞冷卻液出口處的溫度、氣缸冷卻水出口處的溫度出現(xiàn)不正常的上升，或者柴油機(jī)功率降低、轉(zhuǎn)速失衡等，則此時(shí)可考慮已經(jīng)出現(xiàn)拉缸故障。由于在柴油機(jī)剛出現(xiàn)拉缸故障時(shí)，溫度并不會(huì)有比較顯著的上升，在拉缸發(fā)展至特定程度的時(shí)候，在同種運(yùn)行狀態(tài)條件下，柴油機(jī)的所有溫度參數(shù)都會(huì)有較大幅度的變化。

第三，掃氣箱與曲軸箱升溫。當(dāng)出現(xiàn)拉缸故障時(shí)，因?yàn)楦滋椎臏囟壬仙?，從而造成掃氣箱與曲軸箱也會(huì)升溫，導(dǎo)致此些空間內(nèi)的水份及潤(rùn)滑油蒸發(fā)成煙霧，引起掃氣箱向外冒煙，甚至?xí)?dǎo)致掃氣箱著火。當(dāng)潤(rùn)滑油的加油蓋打開(kāi)時(shí)，從加油口位置處會(huì)有很多煙氣冒出，同時(shí)能夠聞到油焦味；在對(duì)柴油機(jī)的排氣管進(jìn)行檢查時(shí)，可以看到較多的藍(lán)黑煙氣。

第四，如果拉缸故障比較嚴(yán)重，則會(huì)造成盤(pán)車(chē)曲軸無(wú)法正常運(yùn)行。出現(xiàn)拉缸現(xiàn)象的氣缸曲拐在越過(guò)上死點(diǎn)時(shí)，則會(huì)發(fā)出敲擊聲，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)柴油機(jī)功率降低、轉(zhuǎn)速放緩等情況；對(duì)出現(xiàn)拉缸故障的氣缸采取單缸停油檢查方式，竄氣聲與敲擊聲會(huì)漸漸削弱。一般情況下，如果拉缸故障相對(duì)輕微，則柴油機(jī)依然可以正常工作；如果故障比較嚴(yán)重，柴油機(jī)就會(huì)熄火，難以再次啟動(dòng)；如果故障極其嚴(yán)重，則會(huì)驟然熄火、停車(chē)，盤(pán)車(chē)時(shí)曲軸同樣無(wú)法正常運(yùn)行。

2.2 故障分類(lèi)

現(xiàn)階段，船用柴油機(jī)拉缸故障的常見(jiàn)類(lèi)型主要有以下幾種：

第一，粘著磨損，又可稱(chēng)作熔著磨損，其屬于金屬熔結(jié)過(guò)程，通常被人們叫做“粘缸”，嚴(yán)重威脅著缸套內(nèi)壁的穩(wěn)定性。其主要是因?yàn)闅飧滋變?nèi)壁、活塞環(huán)以及活塞間的潤(rùn)滑油膜由于受各類(lèi)因素影響而發(fā)生破損又或是無(wú)法建立，部分滑動(dòng)面出現(xiàn)干摩擦、形成極大的摩擦熱，造成部分滑動(dòng)面形成顯微的粘著和熔化[2]。

第二，磨粒磨損，其根本成因在于機(jī)械硬質(zhì)顆粒進(jìn)入到氣缸中，嵌入氣缸套、活塞環(huán)與活塞的滑動(dòng)面中間，對(duì)摩擦外表形成磨料作用而造成磨損。

第三，復(fù)合磨損，其主要指的是缸套摩擦副和活塞組同時(shí)出現(xiàn)以上兩種磨損形式，比如首先出現(xiàn)磨粒磨損而造成燃?xì)飧Z氣，導(dǎo)致油膜受損，從而造成粘著磨損。復(fù)合磨損，是多種磨損互相作用的結(jié)果，其磨損速度通常超過(guò)單一磨損形式，具有更強(qiáng)的破壞性。

第四，腐蝕磨損，其主要是由磨損與腐蝕共同作用的結(jié)果。氣缸中的燃油在燃燒過(guò)程中往往會(huì)形成酸性氣體，如果缸壁溫度小于水蒸氣的露點(diǎn)溫度，則水蒸氣與酸性氣體就會(huì)通過(guò)化學(xué)反應(yīng)而形成硝酸、碳酸以及硫酸等物質(zhì)，附著于氣缸壁上，產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)與化學(xué)反應(yīng)，從而生成腐蝕產(chǎn)物。此些金屬腐蝕物在活塞環(huán)與活塞循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中會(huì)剝落，露出的金屬則會(huì)再次被腐蝕，如此也就加快了缸套的磨損速度。

2.3 故障形成原因

第一，有異物進(jìn)入氣缸。如果異物進(jìn)入到氣缸中，在柴油機(jī)處于高速工作狀態(tài)時(shí)就會(huì)被活塞多次沖擊，燃燒室內(nèi)溫度上升，活塞沖擊強(qiáng)度比較大，異物容易發(fā)生破碎，破碎以后的大多數(shù)異物通常會(huì)跟隨排氣沖程被廢氣吹出后而造成渦輪增壓器受到損壞，還有少許異物會(huì)進(jìn)入到氣缸套與活塞中間，在活塞反復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中而導(dǎo)致活塞受傷，最后引起拉缸現(xiàn)象。

第二，潤(rùn)滑不良。氣缸潤(rùn)滑不良，很難在缸壁上生成整體性的油膜，導(dǎo)致缸套和活塞環(huán)磨損更加嚴(yán)重，造成漏氣增加，外泄的燃?xì)鈺?huì)導(dǎo)致缸壁油膜受到損壞，引起柴油機(jī)出現(xiàn)拉缸問(wèn)題。氣缸潤(rùn)滑不良的影響因素主要包含如下幾點(diǎn)：（1）氣缸套注油孔被堵塞、注油器發(fā)生故障、注油管接頭出現(xiàn)漏油等因素造成氣缸供油中斷又或是潤(rùn)滑油不足；（2）氣缸油質(zhì)量差、氣缸油規(guī)格選用不適等其他因素造成潤(rùn)滑油質(zhì)量較差；（3）四沖程柴油機(jī)的刮油環(huán)刮油過(guò)多。

第三，受活塞環(huán)質(zhì)量影響?；钊h(huán)和缸套屬于是一對(duì)摩擦副，有著互相影響、互相限制的因素，在缸套拉傷時(shí)也會(huì)出現(xiàn)環(huán)拉傷，活塞環(huán)受損還會(huì)對(duì)缸套造成影響。活塞環(huán)品質(zhì)不佳會(huì)加速拉缸問(wèn)題的出現(xiàn)，活塞環(huán)硬度不滿(mǎn)足需求，鍍鉻層容易發(fā)生脫落，特別是搭扣周?chē)?，受力過(guò)度集聚，脫落后的活塞環(huán)或許會(huì)造成缸套劃傷，剝落位置的缸套和環(huán)無(wú)法通過(guò)油膜密封，在缸套中活塞環(huán)會(huì)形成周向運(yùn)作，導(dǎo)致缸套惡化范圍不斷擴(kuò)大，環(huán)和缸套的互相作用最后引發(fā)拉缸[3]。除此以外，活塞環(huán)發(fā)生形變，在活塞環(huán)中發(fā)生卡滯現(xiàn)象，環(huán)槽間隙太小、活塞環(huán)尺寸不符合要求，同樣會(huì)導(dǎo)致拉缸問(wèn)題。

第四，缸套質(zhì)量問(wèn)題。缸套質(zhì)量如果有問(wèn)題，同樣會(huì)引起拉缸故障。其常見(jiàn)影響因素主要包括缸套自身的材質(zhì)不符合要求，鑄造以后的金相組織未達(dá)到要求，鐵素體含量較高、石墨集聚狀況；缸套加工過(guò)程中粗糙度較高，缸套硬度比較低，無(wú)法滿(mǎn)足圖紙需求；缸套掃氣口位置處有銳邊或者凸點(diǎn)，缸套注油口的油槽存在高點(diǎn)與毛刺，缸套內(nèi)徑尺寸大小與圖紙要求不符。

2.4 故障的診斷

第一，檢查冷卻系統(tǒng)。一是檢查冷卻液的質(zhì)量。高質(zhì)量的冷卻液應(yīng)當(dāng)是透明、清澈、無(wú)異味的，以目視方式進(jìn)行檢查，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)懸浮物、發(fā)泡以及渾濁等現(xiàn)象，同樣沒(méi)有聞到具有刺激性的味道，則可確定冷卻液的質(zhì)量是良好的。二是檢查冷卻液的位置。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處在非運(yùn)行冷態(tài)時(shí)，需要對(duì)液位進(jìn)行檢查。在主水箱蓋開(kāi)啟以前，應(yīng)當(dāng)明確冷卻液溫度已降低至50℃下；與此同時(shí)，還需對(duì)主、副水箱的液位實(shí)施檢查，確保其滿(mǎn)足要求。三是對(duì)節(jié)溫器進(jìn)行檢查。節(jié)溫器通?？墒褂么蠹s5 年時(shí)間，長(zhǎng)期使用則會(huì)導(dǎo)致閥門(mén)靈敏度有所降低，開(kāi)度同樣會(huì)大幅減少。相關(guān)研究表明：在80±2℃環(huán)境下，發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)溫器的開(kāi)啟行程是1 mm；當(dāng)溫度達(dá)到95℃時(shí)則會(huì)實(shí)現(xiàn)全開(kāi)狀態(tài)，其升程是10 mm。四是對(duì)風(fēng)扇和水泵進(jìn)行檢查。對(duì)水泵外觀實(shí)施檢查，觀察是否存在泄漏問(wèn)題，搖動(dòng)水泵軸沒(méi)有松動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)風(fēng)扇皮帶的張緊度展開(kāi)檢測(cè)，如果皮帶稍松則需及時(shí)加以調(diào)整。

第二，檢查潤(rùn)滑系統(tǒng)。一是對(duì)機(jī)油泵進(jìn)行檢查。將機(jī)油泵拆卸下來(lái)，以手搖動(dòng)油泵驅(qū)動(dòng)齒輪，看是否存在松動(dòng)問(wèn)題；用機(jī)油注滿(mǎn)機(jī)油泵，讓驅(qū)動(dòng)齒輪處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，如果感覺(jué)存在比較大的阻力，則可初步判定機(jī)油泵并未發(fā)生損壞。二是檢查機(jī)油。在手指上滴一點(diǎn)油且稍微捻動(dòng)，如果觀察到有金屬閃光，則可確定是拉缸磨損故障引起的金屬顆粒；如果發(fā)生機(jī)油黏度比較低的情況，其或許是機(jī)油發(fā)生變質(zhì)而導(dǎo)致的后果，也或許是燃油進(jìn)入而引起的。由于黏度下降會(huì)嚴(yán)重影響油膜的生成，所以需要對(duì)黏度下降問(wèn)題保持高度關(guān)注。三是對(duì)機(jī)油濾清器進(jìn)行檢查[4]。將機(jī)油濾清器拆卸下來(lái)，對(duì)閥門(mén)、進(jìn)出口進(jìn)行清洗及檢查，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常情況；更換新的濾芯后裝復(fù)即可。

3 船用柴油機(jī)拉缸故障的預(yù)防措施

第一，強(qiáng)化對(duì)潤(rùn)滑和冷卻系統(tǒng)的養(yǎng)護(hù)。對(duì)于柴油機(jī)的潤(rùn)滑和冷卻系統(tǒng)，應(yīng)加大養(yǎng)護(hù)力度，保障潤(rùn)滑和冷卻系統(tǒng)可以正常運(yùn)行。需進(jìn)一步提高對(duì)潤(rùn)滑油位和冷卻水位的檢查頻率，如果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題需立即進(jìn)行補(bǔ)充，著重關(guān)注柴油機(jī)的壓力和溫度，發(fā)生異常狀況時(shí)需立即排除，不可“帶病”工作。需定期對(duì)潤(rùn)滑、冷卻濾清器及其管路實(shí)施維護(hù)，確保其可以維持優(yōu)良的運(yùn)行狀態(tài)，降低拉缸故障發(fā)生的可能性。

第二，在維修裝配過(guò)程中，應(yīng)積極推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新。對(duì)活塞環(huán)的彈力與間隙、缸套和活塞的配合尺寸等進(jìn)行嚴(yán)格檢查，確保其符合要求。在進(jìn)行活塞連桿裝配作業(yè)以前，應(yīng)確?；钊自谙鄳?yīng)范圍內(nèi)；在裝配過(guò)程中，應(yīng)完全根據(jù)維修工藝步驟完成裝配工作，防止由于裝配不到位而引起拉缸問(wèn)題。

第三，強(qiáng)化對(duì)燃油系統(tǒng)的檢查和養(yǎng)護(hù)。根據(jù)需求定期進(jìn)行維護(hù)或是更換全新的燃油濾清器且定期排水，避免因?yàn)槿加蜎_刷而導(dǎo)致潤(rùn)滑失效，加大缸套與活塞間的拉傷及磨損。與此同時(shí)，還需選擇正規(guī)途徑采購(gòu)燃油，防止劣質(zhì)燃油進(jìn)入到柴油機(jī)中，防止因?yàn)榱淤|(zhì)燃油導(dǎo)致柴油機(jī)潤(rùn)滑失效而引起拉缸故障。

第四，高度重視柴油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的各類(lèi)態(tài)參數(shù)值。在船舶行駛過(guò)程中，所有值班人員都需對(duì)柴油機(jī)的工作狀態(tài)及工況參數(shù)保持高度關(guān)注。（1）排溫指標(biāo)。檢查各缸排煙的溫度是否符合規(guī)范要求，通常誤差需確保在均值的5%以?xún)?nèi)；燃燒室密封效果差、油頭滴油以及高壓油泵發(fā)生故障等，均會(huì)造成排煙溫度處于不正常狀態(tài)。（2）汽缸油注油量指標(biāo)。對(duì)應(yīng)指標(biāo)需滿(mǎn)足說(shuō)明書(shū)的具體規(guī)定。注油率過(guò)大，不僅會(huì)導(dǎo)致?tīng)I(yíng)運(yùn)成本的增加、汽缸油的浪費(fèi)、活塞環(huán)粘著、工件處沉積物更多、氣口由于積碳過(guò)多而逐漸變窄等問(wèn)題，同時(shí)還會(huì)引起掃氣箱著火；過(guò)小的注油率，難以確保氣缸油膜的完整性，引起更加惡劣的咬缸事件。對(duì)于注油率而言，維持缸套最低磨損量和活塞環(huán)最大清潔度是其度量的最佳指標(biāo)。（3）測(cè)示功圖。在柴油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，需多次測(cè)取柴油機(jī)的“P-Q 功率圖”和“P-V示功圖”，對(duì)各缸的工況狀態(tài)展開(kāi)全面分析，及時(shí)加以調(diào)整也是極其必要的[5]。若“P-Q 功率圖”中某缸的圖形面積比較小，那么也就代表該缸所做的功較小，其或許是高壓油泵或者油頭發(fā)生故障；若“P-V 示功圖”中某缸的壓縮壓力顯著偏低，那么也就代表燃燒室的密封效果較差，其或許是排氣閥發(fā)生燒蝕漏氣；若某缸的爆壓過(guò)高，那么就需及時(shí)調(diào)整VIT 或是單缸油門(mén)。（4）滑油指標(biāo)?，F(xiàn)階段的活塞冷卻均是借助套管式的主機(jī)系統(tǒng)油進(jìn)行冷卻，對(duì)回油溫度和流量實(shí)施檢查，如果回油溫度較高、流量較小，則代表活塞冷卻不到位，造成活塞頭溫度過(guò)高，進(jìn)而引起拉缸故障。（5）檢查掃氣箱。每月定期檢查柴油機(jī)的掃氣箱，觀察各道活塞的磨損指標(biāo)是否符合要求、外表面是否足夠光亮、活塞頭積碳數(shù)量、活塞令是否有卡死現(xiàn)象等等；與此同時(shí)，還需對(duì)缸套掃氣口是否有凸臺(tái)和倒角、活塞下是否有斷令和金屬等展開(kāi)檢查。利用柴油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)時(shí)監(jiān)控，再根據(jù)每月的定期檢查情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決好各項(xiàng)問(wèn)題。

4 結(jié)論

綜上所述，柴油機(jī)是船舶必不可少的構(gòu)成部分，在船舶日常運(yùn)行中起著不可替代的重要作用。但是，在船舶行駛過(guò)程中，由于受各方面因素的影響，而導(dǎo)致船舶柴油機(jī)發(fā)生拉缸故障。當(dāng)發(fā)生拉缸故障時(shí)，應(yīng)及時(shí)診斷、分析故障，掌握故障形成的根本原因，且采取有效的防范措施，以確保船舶的安全行駛。