淺談某大功率主機缸套活塞異常磨損原因

摘要：當大功率柴油機處于運行狀態的時候，會產生磨損問題，主要是缸套異常磨損、活塞異常磨損以及活塞環出現大范圍的異常磨損。要對引起磨損故障問題的因素進行分析，明確零部件的質量和裝配質量，最終得出結論，活塞銷內套管中的彈性擋圈產生斷裂，導致潤滑油中斷供給，致使缸套產生異常磨損。本論文著重于研究某大功率主機缸套活塞異常磨損原因。

關鍵詞：主機缸套;大功率;活塞;異常磨損;原因

中圖分類號：TK423.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0152-02

0 ?引言

在某柴油機燃燒室中，活塞和氣缸套是重要的構件。燃燒室的工作環境非常不好，通過部件容易受到高溫、高壓的影響，使其性能下降，同時還會受到冷卻水的腐蝕，或者外層脫落而形成麻點狀小洞和針狀小孔。如果不能正常燃燒，就會使柴油機的各項性能指標受到影響，出現異常狀況，導致有關的零部件受損。在各型柴油機中的缸套經常發生異常磨損，要有效解決磨損的原因，就需要對造成這種現象的原因進行分析。

1 ?故障描述

對這臺柴油機采用系泊試驗，當設備安裝結束就可以進入到試驗環節。這個試驗的工作量比較大，所以在設備裝船之前需要由產品制造廠進行臺架試驗，將試驗報告提交給船廠。當系泊試驗結果合格之后，開始測速試航，此時一個缸產生異常響聲[1-3]，隨著曲軸箱防爆門打開，探測器開始報警。當發生這個故障之后，對這個缸采用吊缸檢查的方式，發現活塞的外表面出現磨損，缸套的內表面也有嚴重的磨損。在活塞銷孔一側卡內套管中沒有擋圈，內套管發生斷裂，具體位置是在過渡圓角處[4]。經過進一步檢查，還發現在油底殼中有很多金屬粉末。（圖1：活塞外表面;圖2：缸套內表面）

經過對故障現場勘察，發現活塞頂已經出現嚴重的磨損，活塞裙部的磨損更加嚴重。沿著活塞裙部的一周，超過三分之二出現程度不同的縱向拉痕，拉痕的深度可以達到3 毫米，已經基本抹掉了活塞裙部的石墨層，其外表面已經呈現出金屬鋁合金的顏色[5-7]。在缸套內表面出現磨損，甚至還有大范圍的大擦痕。沿著活塞銷的軸向方向有非常嚴重的擦痕，這里還有金屬被高溫熔灼之后變成黑色的現象。

通過拆卸檢查，發現活塞銷內套管已經出現斷裂，從靠近自由端的一側向圓角處過渡段的斷裂程度最為嚴重，自由端側沒有擋圈，輸出端側有擋圈，且沒有被破壞。在柴油機的油底殼中找到了已經斷裂的擋圈，還有一些金屬殘留物。

2 ?導致故障的原因

柴油機的活塞所采用的是鋼頂、鋁裙組合的方式。活塞銷為是空心浮動式的，使用鋼質卡環將兩端定位，在活塞銷孔中安裝一套管，與活塞銷構成一個環形的冷卻油腔。冷卻潤滑油源自于連桿的頂部，向塞頂部流動。

在活塞上安裝的活塞環一共是6道，其中頂環1道，壓力環3道和刮油環2道，處于活塞裙上的第二道刮油環槽位置設置一個油孔，刮下的潤滑油從這個孔向油底殼里流動。

根據拆檢情況對故障產生的原因做出判斷，是由于內套管定位彈性擋圈出現斷裂引起的，使缸套出現磨損。

通過對彈性擋圈產生斷裂的原因進行分析，結果如下：

其一，彈性擋圈部件存在質量問題，由于擋圈的質量不合格，裝配擋圈和擋圈槽之后產生間隙非常大的問題，當擋圈松動脫落之后，內套管向外躥，缸套出現嚴重磨損主要由于這種因素引起的。

其二，擋圈與擋圈環槽裝配不復合標準，彈性擋圈沒有完全進入到擋圈槽中，當柴油機處于運轉狀態的時候，擋圈在長期振動下脫落，內套管向外躥，缸套出現嚴重磨損。

3 ?排查故障的方法

對產生故障的原因進行預估，采用排查有關零部件的方式加以驗證。

3.1 檢查彈性擋圈的質量

3.1.1 檢查擋圈材料

對彈性擋圈進行檢查，其是采用XC75彈簧鋼材料。按照中法材料對照表，與65Mn彈簧鋼進行對照，對存在質量問題的彈性擋圈采用取樣的方法進行分析，獲得檢測結果。（表1：擋圈材料檢測結果）

根據對擋圈材料進行檢測所獲得的結果，彈性擋圈中所含有的化學成分不合格。另外，隨機選擇兩件彈性擋圈，檢測材料的硬度，所獲得的結果是，洛氏硬度HRC39.7和HRC41.1。按照工業緊固件“孔用彈性擋圈”國標標準，對65Mn孔用彈性擋圈的熱處理硬度要達到洛氏硬度HRC44-51。很顯然，這個故障件材料的硬度與國標要求不符合。

3.1.2 擋圈的規格

按照專利方所提供的設計圖紙要求，與國標件要求進行對照，可以明確這個孔用擋圈的規格是：外徑45.5毫米，擋圈的厚度是1.5毫米。測量擋圈的規格，基本的規格是45毫米，厚度是1.48毫米。很顯然，擋圈的規格與國標要求不符合。

3.2 擋圈的裝配質量

通過對活塞銷的裝配記錄進行復查，沒有發現不正常之處，裝配工藝符合要求。由于彈性擋圈的所有裝配都不具備可追溯性，所以需要采用模擬操作的方式。設定活塞銷的尺寸、擋圈的尺寸都與規定的條件復合，然后對安裝的過程模擬操作。采用這種試驗方式可以對擋圈的裝配質量進行評估。根據試驗的結果，明確擋圈已經完全進入到擋圈槽當中，由此可以說明，缸套磨損的原因不是由于擋圈沒有完全進入到擋圈槽當中所導致的。（圖3：活塞銷內套管的彈性擋圈）

4 ?結束語

通過上面的研究可以明確，如果故障系彈性擋圈存在質量問題，在使用的時候就不能發揮應有的作用。彈性擋圈長期處于熱環境中，就會失效，當柴油機處于運行狀態的時候，就會出現彈性擋圈脫落的問題，缸套與活塞之間就會出現異常磨損。另外，從一端躥出內套管，從原來簡支梁轉變為懸臂梁，在不正常受力的作用下，隨著活塞運動產生牽引力，內套管端部在剪切力的影響下就會斷裂。如果內套管產生斷裂，潤滑油不能向活塞的頂部流動，活塞與缸套之間的潤滑油不能有效供應，不能發揮潤滑作用，缸套就會產生異常磨損。為了避免產生這種現象，就要注意檢查缸套活塞運動組件，保證零部件不會存在質量問題，降低故障發生率。

參考文獻：

[1]王云霞，閻逢元，嚴潔，等.摩擦磨損試驗機模擬活塞環-缸套摩擦行為的功能開發[J].分析測試技術與儀器，2019，025（2）：101-105.

[2]麻凱，袁成清，郭智威，等.雙螺紋凹槽織構對缸套-活塞環摩擦磨損性能的影響[J].內燃機工程，2019，040（2）：59-66.

[3]趙高巖，董非，張飛朋，等.活塞結構參數對裙部磨損狀況的影響研究[J].機械設計與制造，2019（6）：142-145.

[4]唐令，何鵬飛，馬國政，等.缸套-活塞環摩擦副表面性能強化研究進展[J].表面技術，2019，048（8）：185-198.

[5]何星，毛杰鍵，周梓發，等.基于聯合仿真的柴油機缸套-活塞環磨損計算分析[J].潤滑與密封，2019，044（5）：123-128.

[6]何星，李若亭，毛杰鍵，等.環境與工況對柴油機缸套-活塞環磨損的影響[J].潤滑與密封，2020，341（1）：111-117.

[7]孫志宏，趙建平，竇振寰，等.某型大功率柴油機缸套異常磨損分析[J].柴油機，2020，042（1）：56-60.

作者簡介：嚴繼斌（1967-），男，湖北鄂州人，學士，高級工程師，研究方向為材料科學和工程技術。