船舶主機(jī)活塞環(huán)故障分析

徐寧

摘要：本文結(jié)合活塞環(huán)故障及磨損原因的具體實(shí)例，詳細(xì)闡述了產(chǎn)生故障的主要原因和影響因素，并對其日常運(yùn)行提出了切實(shí)可行的管理建議。

關(guān)鍵詞：活塞環(huán)搭口間隙維護(hù)管理

活塞環(huán)的主要用于密封燃燒室，當(dāng)活塞到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)，燃燒室內(nèi)有足夠的溫度和壓力的新鮮空氣，溫度超過燃油自燃的溫度，使迅速燃燒。保證氣缸內(nèi)高壓燃?xì)馀蛎涀鞴Χ恍孤；钊h(huán)的密封是靠活塞環(huán)本身的彈性，氣缸內(nèi)氣體壓力的作用下緊貼于氣缸壁和活塞環(huán)槽平面來實(shí)現(xiàn)的。但是，活塞環(huán)和氣缸套這對摩擦副工作條件非常惡劣，摩擦損失占到整個(gè)柴油機(jī)摩擦損失功率的一半以上。

1、活塞環(huán)工況

工作中，活塞環(huán)被活塞帶動(dòng)相對于氣缸套做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由于氣體壓力，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性力，活塞環(huán)與氣缸套之間產(chǎn)生的摩擦力，以及活塞橫向振動(dòng)和氣口掛碰等作用，使活塞環(huán)在環(huán)槽中產(chǎn)生十分復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，其中有：軸向運(yùn)動(dòng)、徑向運(yùn)動(dòng)、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，扭曲振動(dòng)等。

船用高速柴油機(jī)中，每個(gè)活塞大約有2--3道氣環(huán)。第一道活塞環(huán)直接受到高溫高壓燃?xì)獾淖饔茫黄渌h(huán)由于燃?xì)饨?jīng)活塞環(huán)的搭口，氣缸壁面和環(huán)槽處的漏泄，也受到燃?xì)獠煌潭鹊淖饔?。通常氣缸?nèi)氣體經(jīng)上兩道氣環(huán)密封后，第二道環(huán)下方氣體壓力下降到氣缸內(nèi)壓力的十分之一。因此，密封的主要作用是靠上面兩道氣環(huán)。

活塞環(huán)在高溫高壓下工作，潤滑條件較差，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)十分復(fù)雜，使環(huán)同氣缸套及環(huán)槽之間產(chǎn)生嚴(yán)重的磨擦。柴油機(jī)運(yùn)行中，還會(huì)因燃燒不良，滑油過多將活塞環(huán)粘著在環(huán)槽中，使活塞環(huán)失去密封作用，甚至損壞。

2活塞環(huán)搭口間隙對性能的影響

活塞環(huán)的搭可以保證活塞環(huán)在工作時(shí)有受熱膨脹的余地，同時(shí)可以使活塞環(huán)在正常工作時(shí)有一定的周向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞環(huán)的搭口間隙過小時(shí)，會(huì)使活塞在工作時(shí)的熱膨脹受到限制而在搭口處產(chǎn)生擠壓，從而容易在搭口的對側(cè)發(fā)生環(huán)的折斷現(xiàn)象。由于活塞環(huán)和缸套在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生磨損，環(huán)的搭口間隙會(huì)逐漸增大。當(dāng)搭口間隙過大時(shí)，會(huì)使活塞環(huán)的徑向力產(chǎn)生嚴(yán)重不平衡，其徑向力主要是環(huán)自身的彈力和氣體作用在環(huán)背的氣體力，搭口間隙的存在使氣體力的合力的方向，這樣就會(huì)在搭口的對側(cè)產(chǎn)生不均勻的磨損，嚴(yán)重時(shí)造成環(huán)的斷裂，同時(shí)也使活塞環(huán)的徑向厚度減小，彈性降低，如果環(huán)槽結(jié)碳嚴(yán)重時(shí)容易發(fā)生環(huán)粘著故障。

3活塞環(huán)和缸套配合的影響

活塞環(huán)和缸套潤滑狀況的影響能否形成理想的全液體潤滑，主要取決于運(yùn)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)形式、速度以及潤滑油的性能等因素，而活塞環(huán)在缸套內(nèi)的運(yùn)動(dòng)在全行程中的速度始終在變化，在上下死點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度為零，同時(shí)收到高溫燃?xì)獾臎_擊作用.因此在兩者之間很難形成良好的潤滑，這是活塞環(huán)工作條件惡劣的至關(guān)原因.尤其是活塞在上死點(diǎn)附近時(shí)，潤滑狀態(tài)處于邊界潤揖，有時(shí)甚至是干摩擦狀態(tài)。正常情況下，活塞頭部同缸套之間不會(huì)產(chǎn)生摩擦，隨著柴油機(jī)的運(yùn)行，在活塞頭的周圍會(huì)產(chǎn)生積碳，這些積碳硬度大且難于清除，積碳的增多使活塞頭部的直徑增大，當(dāng)活塞在汽缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，頭部的積碳同缸套之間產(chǎn)生摩擦，不但會(huì)使缸套的磨損率增大，同時(shí)會(huì)嚴(yán)重破壞潤滑油膜，使滑油消耗量和活塞環(huán)的磨損率明顯增大。

4活塞環(huán)的故障類型

活塞環(huán)的主要故障包括粘著、拉缸、折斷以及異常磨損等。當(dāng)以上一種或一種以上故障同時(shí)發(fā)生時(shí)，會(huì)伴有排氣溫度升高、排氣冒黑煙及缸套冷卻水沮度升高等現(xiàn)象。

活塞環(huán)異常磨損引起增壓器損壞。活塞環(huán)故障使其密封性能降低或喪失后，會(huì)發(fā)生不同程度的氣缸竄氣，這樣氣缸內(nèi)的新鮮空氣會(huì)明顯減少、相應(yīng)壓縮壓力降低，導(dǎo)致排氣溫度升高。有多條船舶是重復(fù)發(fā)生類似故障，其損壞的形式是活塞環(huán)異常磨損后，不能有效密封燃燒室，高溫高壓燃?xì)獾垢Z，火星點(diǎn)燃具有適宜燃燒條件的掃氣箱，引起掃氣箱燃燒，大煙氣進(jìn)人氣缸，形成不完全燃燒，隨之氣體攜帶未燃盡的顆粒狀油氣進(jìn)人排煙管，在排煙管中繼續(xù)燃燒，廢氣能量急劇增加，使渦輪增壓器超速，軸承承受不了，破損后導(dǎo)致轉(zhuǎn)子和外殼破壞，還可能導(dǎo)致口琴閥組損壞和活塞桿氣封彈簧斷裂。通常這種損壞過程僅需3---4分鐘就能完成，所以要求值班輪機(jī)員和輪機(jī)長特別注意。

5維護(hù)管理的影響

做好各項(xiàng)日常管理工作對避免活塞環(huán)粘著、折斷等故障起著重要作用。（1）在柴油機(jī)換用新的缸套和活塞環(huán)時(shí)，一定要保持低速、低負(fù)荷下磨合足夠的時(shí)問，同時(shí)在磨合期內(nèi)要加大汽缸油的注油量。這樣可以避免在磨合期內(nèi).環(huán)和缸套表面由于形狀和粗糙度等沒有完全匹配，而使磨擦面過熱產(chǎn)生拉缸或活塞環(huán)折斷。（2）正常運(yùn)行過程中，要控制冷卻水、冷卻油等的溫度和壓力在要求的范圍之內(nèi)，同時(shí)要注意參數(shù)的比較，最重要的是各參數(shù)的變化速度；定期測量示功圖，通過對壓縮壓力、最大爆炸壓力、燃燒始點(diǎn)、負(fù)荷分配等分析.判斷燃燒過程進(jìn)行的好壞和汽缸、活塞環(huán)等的工作狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)有故障預(yù)兆時(shí)要及時(shí)查找原因而采取相應(yīng)處理措施。（3）定期打開掃氣箱測量活塞環(huán)的搭口間隙，建立各活塞環(huán)的檔案，同時(shí)通過掃氣氣口檢查活塞環(huán)、缸套、汽缸注油量等的基本情況，如發(fā)現(xiàn)有活塞環(huán)的粘著、斷裂等現(xiàn)象時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行吊缸檢修。

6活塞環(huán)和環(huán)槽配合狀況的影響

活塞環(huán)槽的磨損主要是由于活塞環(huán)在槽中的扭曲作用引起的。由于長期使用，在活塞環(huán)的扭曲作用下環(huán)槽會(huì)產(chǎn)生不均勻磨損，同時(shí)，活塞頭部在工作時(shí)會(huì)受熱變形使環(huán)槽縮小且向下傾斜，這就影響了活塞環(huán)同環(huán)槽的正常配合，使環(huán)在環(huán)槽中呈傾斜狀態(tài)。因此在吊缸檢修時(shí)要仔細(xì)測量對環(huán)槽的幾何尺寸，如過大形成了凸臺(tái)時(shí)，應(yīng)用手持砂輪將凸臺(tái)進(jìn)行磨平或進(jìn)廠進(jìn)行恢復(fù)性修理。

7油料對活塞環(huán)的影響

船上使用的燃油由于加油港經(jīng)常變動(dòng)，不同國家、廠家的燃油由于其產(chǎn)地和冶煉工藝的不同，其性能指標(biāo)也相差很大，如果使用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)對燃油進(jìn)行處理，例如分油機(jī)比重環(huán)直徑的大小對不同比重的燃油，在不同加熱溫度時(shí)有不同的要求，如果在凈化燃油時(shí)不采取措旌，將影響燃油處理的質(zhì)量，燃油中的灰分過高，將造成活塞環(huán)和缸套間的磨損加劇，這些因素必然影響柴油機(jī)的燃燒過程，造成燃燒室內(nèi)溫度過高；同時(shí)由于某些柴油機(jī)長期在低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷下工作或進(jìn)出港頻繁用車，而汽缸注油量不作調(diào)整，造成汽缸注油量增加.過多的汽缸油由于泵油作用在環(huán)槽處形成積聚，當(dāng)汽缸內(nèi)溫度過高時(shí)積聚的滑油形成燃燒，為活塞環(huán)的粘著和折斷創(chuàng)造了條件。

8結(jié)束語

無論新船還是老齡船，適當(dāng)延長磨合期，保證運(yùn)行期的各參數(shù)在適當(dāng)范圍之內(nèi)，對保證柴油機(jī)的正常運(yùn)行和使用壽命，都至關(guān)重要。在柴油機(jī)換用新的缸套和/或活塞環(huán)后，一定要保持低速、低負(fù)荷下磨合足夠的時(shí)間，同時(shí)在磨合期內(nèi)要加大氣缸油的注油量，這樣可以避免在磨合期內(nèi)，活塞環(huán)和氣缸套表面由于形狀和粗糙度等沒有完全匹配，而使摩擦面過熱發(fā)生過度磨損或拉缸。隨著現(xiàn)代柴油機(jī)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，如油液分析技術(shù)、磨損監(jiān)控技術(shù)、缸套油膜監(jiān)控技術(shù)等已經(jīng)在新型現(xiàn)代化船舶上得到應(yīng)用，這為輪機(jī)員分析判斷活塞環(huán)及汽缸內(nèi)的工作狀態(tài)提供了有利的依據(jù)。無論對于新船還是老齡船，適當(dāng)延長磨臺(tái)期，保證運(yùn)行期的各參數(shù)在適當(dāng)范圍之內(nèi)，對保證柴油機(jī)的正常運(yùn)行和使用壽命都是至關(guān)重要的。

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