某柴油機(jī)拉缸原因分析與處理

摘 要：為排查某型柴油機(jī)拉缸事故的原因，采用故障樹的方法對可能的原因逐一進(jìn)行檢查分析，確定高負(fù)荷工況下緊急停車，缸套產(chǎn)生裂紋末及時(shí)處理是拉缸的原因。惡劣工況后的隱患排查是柴油機(jī)安全運(yùn)行的重要措施。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；拉缸；活塞；缸套；故障分析

中圖分類號：TK428 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）27-0175-04

Abstract： In order to investigate the cause of a cylinder pulling accident in a certain type of diesel engine， the fault tree method was used to examine and analyze possible causes one by one. It was determined that the cause of cylinder pulling was due to emergency parking under high load conditions and no timely treatment of cylinder liner cracks. Hazard investigation after harsh working conditions is an important measure for the safe operation of diesel engines.

Keywords： diesel engine; cylinder pulling; piston; cylinder liner; fault analysis

拉缸現(xiàn)象是指柴油機(jī)活塞組件與氣缸套工作表面相互作用而出現(xiàn)刮痕、燒傷和咬死等損傷，根據(jù)損傷程度的不同，通常又把這些刮痕、燒傷和咬死分別稱為劃傷、拉缸和咬缸?；钊h(huán)與缸套之間的拉缸發(fā)生在柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的初期，一旦磨合結(jié)束，就幾乎不再發(fā)生。

柴油機(jī)拉缸后輕則使氣缸密封不嚴(yán)而漏氣造成功率下降，啟動(dòng)困難；重則造成活塞、連桿、缸套和缸頭等重要部件損壞；更甚者會造成曲軸損壞、整機(jī)損毀，出現(xiàn)嚴(yán)重的質(zhì)量事故和安全事故。因此對于出現(xiàn)柴油機(jī)拉缸故障我們一定要做到原因分析清楚，隱患排查到位，避免二次事故。

1 某柴油機(jī)拉缸過程

2023年5月，某廠內(nèi)燃機(jī)TBD620V12柴油機(jī)按維修說明書和相關(guān)修理工藝的規(guī)定要求進(jìn)行了h級修理。于2023年5月31日在廠內(nèi)開展臺架試驗(yàn)，31日上午9時(shí)開始空車啟動(dòng)，6月1日15：00時(shí)發(fā)生故障。

1.1 具體故障現(xiàn)象

1）6月1日11：00分，在1 500 r/min轉(zhuǎn)速下，增加負(fù)荷逐步從1 125 kW到1 250 kW（100%），過程中于負(fù)荷增至1 190 kW時(shí)柴油機(jī)突發(fā)瞬時(shí)停車。檢查柴油機(jī)運(yùn)動(dòng)部件及控制系統(tǒng)并未發(fā)現(xiàn)明顯異常，未出現(xiàn)故障報(bào)警提示。

2）經(jīng)檢查和電控調(diào)整后繼續(xù)起機(jī)臺架試驗(yàn)。于當(dāng)日15點(diǎn)啟動(dòng)后升速至1 500 r/min轉(zhuǎn)速，逐步加負(fù)載至625 kW。在此負(fù)載情況下運(yùn)行約3 min后柴油機(jī)出現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)異響、曲軸箱壓力高報(bào)警、透氣管有白色蒸汽冒出等現(xiàn)象，隨即現(xiàn)場突卸負(fù)載并停車，經(jīng)現(xiàn)場情況判斷為A2缸嚴(yán)重拉缸。

1.2 部件損壞情況

1）活塞、活塞環(huán)：活塞環(huán)卡死在活塞環(huán)槽內(nèi)，活塞360°圓周內(nèi)嚴(yán)重鋁質(zhì)燒熔及拉缸痕跡（圖1）。

2）連桿組件：連桿襯套磨損嚴(yán)重；連桿大端軸瓦情況良好，內(nèi)徑尺寸128.13 mm，連桿未見明顯損壞（圖2、圖3）。

3）氣缸套：缸套下部O型圈處的圓周方向300°范圍內(nèi)裂紋明顯，缸套內(nèi)壁鋁質(zhì)燒熔殘留物明顯，缸套內(nèi)壁全域拉痕嚴(yán)重（圖4、圖5）。

4）其余氣缸套內(nèi)壁均有不同程度的鋁質(zhì)細(xì)小顆粒，A5缸有1條明顯的貫穿拉痕。

2 原因分析

2.1 故障排查

主要對修理過程、試驗(yàn)情況進(jìn)行了排查，對可能造成拉缸的故障原因進(jìn)行了事實(shí)求是的分析。

2.1.1 修理過程

經(jīng)查本次修理，過程記錄詳細(xì)。該機(jī)A2缸的氣缸套、活塞環(huán)、連桿上襯套、連桿瓦、連桿螺栓在修理中進(jìn)行了換新，檢查測量相關(guān)尺寸及配合間隙符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，具體數(shù)值見表1。

2.1.2 試驗(yàn)過程

本次臺架磨合試驗(yàn)第一階段5月31日16：00開始至20：25結(jié)束，第二階段6月1日9：00開始至11：00因突發(fā)停車結(jié)束，第三階段6月1日15：00開始至15：20因A2缸拉缸故障結(jié)束。共計(jì)用時(shí)7 h 45 min，最高有效磨合功率為1 125 kW。

在磨合過程中出現(xiàn)1 190 kW功率時(shí)柴油機(jī)突發(fā)停車故障。由參試人員在臺架工位上對啟動(dòng)預(yù)供滑油泵進(jìn)行盤車未發(fā)現(xiàn)卡滯等異?，F(xiàn)象；檢查滑油離心濾器未發(fā)現(xiàn)異常金屬顆粒物；拆卸曲柄箱門蓋檢查連桿推力正常；檢查電調(diào)控制系統(tǒng)并調(diào)整電調(diào)控制參數(shù)。再次啟動(dòng)柴油機(jī)并在1 500 r/min轉(zhuǎn)速下逐步加負(fù)載在50%時(shí)，突發(fā)A2缸嚴(yán)重拉缸故障。在查閱柴油機(jī)在臺架試驗(yàn)時(shí)記錄的熱工參數(shù)，該機(jī)的滑油壓力0.46～0.48 MPa，淡水壓力0.12～0.18 MPa，淡水溫度57→75 ℃，排溫214→426 ℃，未見明顯異常。

2.2 原因分析

造成拉缸的原因是多方面的，由于設(shè)計(jì)、安裝及使用不當(dāng)?shù)榷紩斐衫?。根?jù)拉缸諸多因素，結(jié)合前期修理過程、試驗(yàn)情況以及零部件損壞情況進(jìn)行了逐項(xiàng)細(xì)致排查。

1）活塞連桿組、缸套等配合間隙不良。經(jīng)查：本次修理人員擁有該機(jī)維修資格證書，修理過程嚴(yán)格按照維修規(guī)范和相關(guān)工藝執(zhí)行，該機(jī)的裝配數(shù)據(jù)符合標(biāo)準(zhǔn)值。其中A2缸的詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1，因此首先可排除維修不規(guī)范，裝配間隙不良的因素。

2）部件修理安裝不到位。經(jīng)查：修理過程嚴(yán)格按照維修規(guī)范和相關(guān)工藝執(zhí)行，檢查該機(jī)的其余11缸活塞連桿、冷卻油噴嘴等緊固螺栓，緊固力矩符合；且該柴油機(jī)在臺架上已穩(wěn)定運(yùn)行7 h，最高穩(wěn)定工況曾運(yùn)行至轉(zhuǎn)速1 500 r/min，水力測功儀負(fù)載1 100 kW。因此也可排除修理安裝不到位的基本因素。

3）滑油油質(zhì)不良或嚴(yán)重變質(zhì)。經(jīng)查：本次試驗(yàn)用滑油牌號為CD-40，符合TBD620V12柴油機(jī)用滑油規(guī)定。滑油全部換新且柴油機(jī)在臺架前期進(jìn)行充分的滑油系統(tǒng)投油直至系統(tǒng)干凈。因此可排除滑油油質(zhì)的因素。

4）柴油機(jī)超速（或超負(fù)荷）運(yùn)行。經(jīng)查：本次磨合試驗(yàn)的試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min（即額定轉(zhuǎn)速），期間最高負(fù)荷為1 190 kW，接近其柴油機(jī)的1 250 kW（100%負(fù)荷），但未到達(dá)，且出現(xiàn)柴油機(jī)拉缸現(xiàn)象工況為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min，625 kW，功率只占額定功率的50%，未出現(xiàn)超速或超負(fù)荷運(yùn)行情況。因此可排除該因素。

5）柴油機(jī)活塞環(huán)刮油效果不良。經(jīng)查：本次修理活塞環(huán)全部換新，打開其余11只缸的氣缸蓋檢查缸套內(nèi)壁情況，在盤車狀態(tài)下缸壁上未見明顯滑油殘留，刮油效果良好。各缸套內(nèi)均有鋁質(zhì)細(xì)小顆?；蜉p微劃痕，A5缸有1條明顯的貫穿拉痕。分析為A2缸拉缸后造成的鋁質(zhì)顆粒飛散至各缸造成。因此可排除活塞環(huán)的因素。 6）柴油機(jī)滑油壓力不足，潤滑不良。經(jīng)查：試驗(yàn)記錄，滑油壓力0.46～0.48 MPa，滿足該機(jī)試驗(yàn)時(shí)“滑油壓力0.44～0.48 MPa，低于0.3 MPa報(bào)警，低于0.2 MPa停機(jī)”的要求。因此可排除滑油壓力不足的因素。

7）滑油系統(tǒng)雜質(zhì)過多。經(jīng)查在突發(fā)停車時(shí)檢查滑油濾芯，未見明顯雜質(zhì)，連桿大端軸瓦工作面良好，且本次A2缸拉缸為圓周360°全范圍發(fā)生，不符合雜質(zhì)引起局部范圍內(nèi)的拉缸現(xiàn)象。可排除該因素。

8）柴油機(jī)積碳過多，造成雜質(zhì)進(jìn)入活塞與缸套間隙。本次磨合試驗(yàn)為該機(jī)修后的首次動(dòng)車試驗(yàn)，總試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)長未達(dá)8 h，各缸燃燒室均未見明顯積碳。因此可排除積碳雜質(zhì)進(jìn)入活塞與缸套間隙造成拉缸的因素。

9）柴油機(jī)冷卻效果不良，導(dǎo)致氣缸套和活塞溫度過高，過熱膨脹。經(jīng)查：A2缸活塞缸套嚴(yán)重拉缸，活塞環(huán)卡死在活塞環(huán)槽內(nèi)，活塞圓周表面鋁質(zhì)燒熔明顯，缸壁鋁質(zhì)燒熔物附著明顯，A2缸存在明顯的活塞過熱現(xiàn)象。因此活塞冷卻效果不良可能是A2缸的拉缸原因之一。

10）柴油機(jī)潤滑油里進(jìn)冷卻水，導(dǎo)致潤滑不良。經(jīng)查：缸套在下部O型圈密封處出現(xiàn)明顯的圓周裂紋斷裂現(xiàn)象，連桿上襯套有明顯磨損漏銅現(xiàn)象，活塞銷與活塞嚴(yán)重卡死，顯示該故障發(fā)生時(shí)活塞銷關(guān)鍵部位潤滑不良。因此潤滑油進(jìn)冷卻水，活塞得不到良好潤滑可能也是A2缸的拉缸原因之一。

經(jīng)過對可能造成柴油機(jī)缸套拉缸的10種因素的梳理以及對該機(jī)的事故情況拆檢，修理、試驗(yàn)情況調(diào)查，從A2缸的活塞、連桿、活塞銷、軸瓦、襯套、活塞環(huán)、缸套等部件的損傷特性分析，認(rèn)為造成本次A2缸嚴(yán)重拉缸的可能因素為以下2點(diǎn)。

一是柴油機(jī)冷卻效果不良，導(dǎo)致氣缸套和活塞溫度過高，過熱膨脹。故障發(fā)生過程推理：柴油機(jī)在高負(fù)載工況下突發(fā)停車，柴油機(jī)的熱負(fù)荷未能及時(shí)得到系統(tǒng)循環(huán)冷卻，造成氣缸套和活塞溫度過高產(chǎn)生過熱膨脹，此時(shí)，柴油機(jī)A2缸因內(nèi)部過熱已存在拉缸隱患。然工人在初期檢查時(shí)沒能通過盤車及時(shí)發(fā)現(xiàn)該隱患，以致下午再次動(dòng)車給柴油機(jī)逐步加負(fù)載后該機(jī)A2缸運(yùn)行發(fā)展至嚴(yán)重拉缸事故。

二是柴油機(jī)潤滑油里進(jìn)冷卻水，導(dǎo)致潤滑不良。故障發(fā)生過程推理：柴油機(jī)在高負(fù)載工況下突發(fā)停車，柴油機(jī)的熱負(fù)荷未能及時(shí)得到系統(tǒng)循環(huán)冷卻，A2缸缸套在缸套密封圈位置出現(xiàn)熱應(yīng)力而發(fā)生裂紋質(zhì)量問題，工人在初期檢查時(shí)沒能通過盤車和拆檢道門蓋發(fā)現(xiàn)該質(zhì)量問題，以致下午再次動(dòng)車時(shí)冷卻水經(jīng)裂紋處泄漏進(jìn)缸套、活塞之間，當(dāng)工人給柴油機(jī)逐步加負(fù)載后該機(jī)A2缸運(yùn)行情況惡劣以致發(fā)展到嚴(yán)重拉缸事故。

綜上所述，本次柴油機(jī)拉缸的原因是柴油機(jī)高負(fù)載工況下突發(fā)停車后未能夠進(jìn)行全面故障隱患排查，二次啟動(dòng)導(dǎo)致拉缸。

3 檢修恢復(fù)方案

3.1 柴油機(jī)A2缸技術(shù)修復(fù)

①拆卸A2缸活塞連桿組、氣缸套。②更換氣缸套及O型密封件，測量新氣缸套內(nèi)徑尺寸，安裝后需對O型密封件部位再次測量缸套內(nèi)徑，應(yīng)在170.01～170.03 mm。③檢查連桿外表面有無明顯損傷，對連桿大端齒面進(jìn)行探傷檢查，連桿在不帶大小端襯套及軸瓦的情況下進(jìn)行三坐標(biāo)測量其平行度和扭曲度，其值應(yīng)滿足：連桿平行度小于等于0.03 mm，連桿扭曲度小于等于0.05 mm。④更換連桿小端襯套、大端軸瓦后重新測量內(nèi)徑，計(jì)算相應(yīng)的配合間隙，其配合間隙標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)滿足在0.076～0.127 mm。⑤更換活塞、活塞環(huán)及活塞銷、卡環(huán)，需對以上部件的更換按相關(guān)要求進(jìn)行配重選擇，測量其相關(guān)尺寸。⑥檢查氣缸蓋底平面有無異常，檢查進(jìn)排氣閥的開閉是否正常。⑦按技術(shù)規(guī)范要求進(jìn)行各零部件的回裝。

3.2 調(diào)速功能檢查

①打開端蓋檢查調(diào)速器執(zhí)行器內(nèi)部齒圈全行程轉(zhuǎn)動(dòng)有無異常和卡滯現(xiàn)象。②來回推拉執(zhí)行拉桿及反饋彈簧，檢查其有無異常。③對控制箱進(jìn)行電調(diào)刷機(jī)后重新匹配油門電流。

3.3 隱患排查

①拆卸油底殼，清潔油底殼內(nèi)部殘留的金屬異物，更換滑油、更換油底殼密封件。②拆卸其余11只氣缸蓋及活塞連桿組，清潔缸套內(nèi)壁及活塞上的鋁沫，檢查缸套內(nèi)壁有無裂紋隱患。檢查后按技術(shù)規(guī)范要求進(jìn)行各零部件的回裝。③回裝后檢查各連桿大端的前后推力，在曲軸上應(yīng)有明顯擺動(dòng)。④測量曲軸推力間隙，其標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。⑤檢查、復(fù)測、調(diào)整各缸氣閥間隙應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。⑥檢查各活塞冷卻油噴嘴通道，應(yīng)予暢通。⑦清潔滑油冷卻器，更換滑油濾芯，對滑油系統(tǒng)進(jìn)行全面投油清潔。⑧整機(jī)壓水檢查，泵水壓力為0.3 MPa，時(shí)間15 min，檢查各部位無滲漏。

3.4 質(zhì)量提交

①按磨合試驗(yàn)大綱進(jìn)行柴油機(jī)臺架重新磨合和負(fù)載提交。②提交結(jié)束后按要求抽檢連桿瓦及其他工作。③拆檢滑油濾器檢查有無金屬顆粒，化驗(yàn)臺架后的滑油。

參考文獻(xiàn)：

[1] 林海，鄭志強(qiáng)，馮顯.淺析大功率柴油機(jī)高寒地區(qū)冬季冷啟動(dòng)運(yùn)行易發(fā)生拉缸故障的原因分析[J].中國設(shè)備工程，2020（17）：18-19.

[2] 劉江濤，張鵬，李治明，等.某船用柴油機(jī)機(jī)組拉缸故障原因分析及解決方案[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（5）：50-52.

[3] 杜榮銘.船舶柴油機(jī)[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，1997.

[4] 袁任光，林由娟.柴油機(jī)選用與故障排除[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[5] 王秀芬.柴油機(jī)拉缸故障影響因素分析及預(yù)防措施[J].河北農(nóng)機(jī)，2016（5）：15.