柴油機活塞熔頂故障分析

李永衡，王振鵬

（江西銅業集團公司 德興銅礦，江西 德興 334224）

關健詞：熔頂；活塞;活塞環；麿合；閉口間隙

1 引言

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

2 柴油機三次熔頂故障

2.1 柴油機第一次出現熔頂

柴油機第一次故障在2017年6月份。因發動機氣缸墊漏水，更換了柴油機缸墊。出廠半個月后，在一次起重作業時，柴油機出現了異響，并伴有濃煙。對柴油機進行解體后，發現了柴油機第五缸出現了嚴重的熔頂。

首先，對可能產生事故的原因進行分析，尤其對第五缸的冷卻噴嘴及燃油噴嘴進行重點檢測。通過試驗、檢測，這些零件工作均正常。由于第五缸完全熔頂，無法觀測到第五缸的活塞環的情況，而觀察到第六缸的活塞環時，發現有顆粒物卡在第六缸氣環的側隙內，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，認為在維修過程中有遺留顆粒物卡在第五缸氣環的端隙或側隙上，造成拉缸進而產生熔頂。經檢修更換了第五缸的缸套、活塞、活塞環及連桿。雖然故障判正確，但新安裝的第五缸活塞環閉口間隙值偏小，未經有效磨合，緊接著導致第五缸的第二次活塞熔頂。

2.2 柴油機第二次出現熔頂

柴油機第二次故障在2017年7月份。出廠7天后，在一次上山爬坡的過程中柴油機出現了異響，并伴有濃煙，同時發現副水箱完全沒有水，主水箱水也不夠，水箱底部緩沖墊處因有銹蝕孔而出現滲漏。在對柴油機進行解體時發現，柴油機第五缸又出現了嚴重的熔頂。

首先對各缸的機油冷卻噴嘴進行了檢測，其次對各缸的噴油嘴進行了檢測。通過檢測，這些零部件工作均正常。綜合這些情況，當時初步認為主要是柴油機水箱漏水，造成柴油機缺水，同時因環境溫度高，加上爬了11km的長坡，最終造成拉缸產生高溫而熔頂。由于未找到真正的故障原因，又出現了第三次活塞熔頂。

2.3 柴油機第三次出現熔頂

柴油機第三次故障在2017年9月。柴油機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陡山坡運行過程中，柴油機又出現了異響，排氣管產生大量濃煙并伴有缸內大量竄氣現象。對柴油機解體后發現：第二缸出現了嚴重的熔頂，第一及第三缸出現嚴重拉缸。經過認真檢測，沒有發現缺水情況，各缸的機油冷卻噴嘴及噴油嘴經檢測均正常。針對這種情況，對產生活塞拉缸及熔頂原因必須作進一步的分析。

3 活塞熔頂的主要因素及活塞環裝配數據測量分析

導致柴油機活塞熔頂主要因素有如下幾點：活塞頂部嚴重積炭；活塞環膠結或斷裂；供油不均；噴油嘴工作不良；柴油機產生爆震；機油冷卻噴嘴堵塞；柴油機長時間超負荷超速運行，或柴油機散熱不良；活塞缸套組件質量或裝配質量不合格；經常猛轟油門，柴油機高速大負荷運行及溫度過高［1-3］。

針對第三次熔頂，進行了各種檢測，排除了熔頂的其它因素，認為熔頂是因為活塞環與缸套拉缸造成的。而活塞缸套組件經檢測均合格；活塞與缸套的裝配間隙也在標準范圍之內。那么問題應該出現在活塞環的裝配間隙上，所以對活塞環的各種裝配間隙進行了分析。

圖1 側背隙測量值示意圖

圖2 閉口間隙示意圖

3.1 側面間隙

如圖1所示，在熱態時，活塞環槽上、下平面向環的兩平面方向膨脹，環兩平面也向活塞環槽上、下平面方向膨脹， 使環有卡死在環槽內的傾向。因此，在冷態裝配時，環與活塞環槽的配合應有側隙。側隙大小應合適。側隙太大時，引起竄氣、泵油；側隙太小，會使環卡死在環槽內。

對一至六缸的氣環進行測量，第一道的氣環側隙在0.19mm至0.20mm之間，符合標準；第二道壓縮環的側隙在0.08mm至0.09mm之間，符合標準；第三道油環的側隙在0.03mm至0.04mm之間，符合標準［4］。

3.2 背面間隙

如圖1所示，在熱態時，環也要向徑向膨脹，但環在彈性作用下，緊緊壓在氣缸壁上，所以，環只有收縮，活塞環的內圓柱面直徑變小，可是，活塞環槽底部直徑因膨脹變大。所以，活塞環的內圓柱面就可能和活塞環槽底部接觸而抵死。因而，冷態時，活塞環與活塞環槽的配合應有背隙，背隙大小應合適。背隙大，則泵油多。背隙小，則環會擠死在槽內。

對一至六缸的氣環進行測量，第一道氣環的背隙在0.7mm至0.9mm之間，符合標準；第二道壓縮環的背隙在0.9mm至1.0mm之間，符合標準；第三道油環的背隙在0.5mm至0.6mm之間，符合標準［5］。

3.3 閉口間隙

如圖2所示，因柴油機運轉時產生熱量，活塞環也隨之膨脹，這時活塞環向外張開，就受氣缸壁的限制，活塞環就收縮，使活塞環的兩端閉口間隙變小。因此，活塞環的閉口間隙必須適合，不可太大，否則會竄氣、泵油嚴重；閉口間隙太小，則活塞環兩端面被抵住而變形，卡死在活塞環槽內造成拉缸［4］。現場實際檢測的三道環的閉口間隙數據如下表。

表1 活塞環閉口間隙 mm

從表1中看出，第一道氣環的閉口間隙較小，第二道及第三道密封環閉口間隙較大，其原理利用第二、三道密封環較大的閉口間隙將其上部的壓力泄去，增大第一道環的上下壓差，以便活塞頂上的高壓氣體可以輕易地將缸壁上的機油吹下，減少機油的消耗。所以第二、三道環是不會出現閉口間隙過小的問題，下面通過計算來確認第一道環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必須大于下面計算值［5］。

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

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

通過（1）式計算的數據可以看出，第一道氣環都小于最小間隙，存在拉缸風險。

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

理論上計算出，當活塞環閉口間隙值為0.37mm，活塞環與缸套的溫差達到90.9℃時，其活塞環閉口間隙值為零，如溫差繼續升高，其端口相抵。根據國標GB/T1149，其氣環與缸套最高正常溫差設定為100℃。

通過上面數據分析得出，當活塞環與缸套的溫差超過90.9℃，存在拉缸、熔頂風險。當設備在大功率下爬坡及作業，極易導致活塞環與缸套的溫差超過90.9℃，使活塞環兩端口間隙消除，并被抵住而變形。首先造成拉缸，如繼續工作則進一步惡化造成熔頂。

4 柴油機磨合對活塞環閉口間隙的影響

磨合過程的實質是一個摩擦副從一個機加工的原始狀態經過動態磨損而達到的低磨損的階段過程，即經過一個負載從小到大，轉速從低到高的磨合，使摩擦副處于低磨損表面狀態的過程，這時柴油機才能出廠并在正常的負荷條件下使用。

檢測到缸套內壁的表面粗糙度約Ra1.6（Rz6.3），活塞環外壁的表面粗糙度為Ra0.4（Rz1.6）。經過8h的磨合后，檢測到缸套內壁的表面粗糙度約Ra0.4（Rz1.6），峰值減少值為：

當峰值減少時，缸套直徑的方向便會增加，其增加值為：

當直徑增大時，活塞環向外擴張，設閉口間隙增加值為Si。則

柴油機經過8h的磨合，Rz減少了，理論上其閉口間隙擴大了0.03mm，實際上對第一道環的閉口間隙進行檢測，其間隙都在0.4mm以上，達到了（1）式計算所得的最小間隙標準。隨著柴油機磨合的繼續，平均磨損率會進一步降低，達到穩定期后，閉口間隙最后趨于穩定［6］。

從上面的計算得知，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，達到最小允許值。這時柴油機一般情況下也不會出問題，但會顯得很“嬌氣”。這是由于柴油機進氣系統及燃燒過程中難免會有一些微小顆粒產生，閉口間隙難免受到其影響。所以在最小閉口間隙的基礎上，其閉口間隙要修整增加0.10mm［7］，滿足柴油機在各種惡劣環境下能正常使用，使起重設備更好地適應采區坡長、坡陡及粉塵大的工作環境。

5 柴油機發生熔頂的原因及經驗教訓

根據上面的分析，了解到第一道氣環閉口間隙值大小的重要性，下面歸納三次熔頂的主要原因及經驗教訓。

5.1 柴油機的第一次熔頂

主要是在維修過程中遺留下的顆粒物卡在第五缸氣環的端隙或側隙上。在起吊重物的大功率工況下，因為端隙有異物將第一道氣環卡死在缸套內，造成拉缸而產生熔頂；或因為側隙上卡有異物導致第一道氣環卡死失去彈性，無法完全與缸套接觸影響散熱，同時有高溫氣體進入到活塞環與缸套之間，在起吊重物的大功率工況下，活塞因其頂部高溫聚集而產生熔頂。

5.2 柴油機的第二熔頂

第二次熔頂后，對六缸燃油噴嘴進行了檢測，經檢測熔頂的第五缸噴油嘴噴油量是六缸中最少的，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，其它缸并沒有產生拉缸，而且完好無損，主要是由于第五缸第一道氣環閉口間隙值偏小，在爬長坡的大功率工況下，氣環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 柴油機的第三次熔頂

第三次熔頂發生在第一道氣環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，與第二次熔頂的原因類似，其閉口間隙值偏小是造成拉缸、熔頂的根本原因。

5.4 經驗教訓

通過分析，三次熔頂都是在大功率工況下出現的。水箱缺水會造成整個柴油機升溫，在大功率工況下更易在活塞頂上聚集大量的熱量，加速了柴油機拉缸、熔頂的進程，但第一道氣環閉口間隙值偏小是產生熔頂的根本原因。柴油機連續三次出現熔頂故障，必須認真總結，為今后維修及裝配提供一些經驗和教訓。

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

（2）在沒有維修標準的情況下，對關鍵數據進行計算、認證。如，在沒有活塞環閉口間隙標準值的情況下，不能將活塞環作為“標準件”直接安裝；

（3）大、中修后的柴油機需要經過有效磨合后才能出廠，并在出廠后需要進行一定時間的低負荷運轉，使閉口間隙值穩定在標準范圍內［6］；

（4）水箱一旦出現缺水，一定要找出漏水點，而不是以加水來應付；

（5）加強對操作人員的培訓，養成良好的駕駛習慣，了解柴油機在猛踩油門、缺機油、缺冷卻液的情況下運行，對機體的危害性極大。

6 結論

在柴油機修理實踐中，經常會遇到一些原因不明的問題和困擾，但只要維修人員針對技術問題認真思考，許多難題便會迎刃而解。該車柴油機反復多次發生拉缸、熔頂故障，其原因就是：維修人員在沒有維修標準的情況下，沒有對其閉口間隙值進行計算、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檢修出廠后沒有注重低負荷磨合。這些因素，引起了多起重復性故障。