某型中速船用柴油機氣缸套拉缸的原因分析及解決措施

葉啟華，鄒世順

（廣州柴油機廠股份有限公司，廣州510371）

1 引言

某型中速船用柴油機氣缸套容易出現拉缸現象，對該型柴油機的正常裝機、試驗、交貨造成較大影響，因而引起廠家技術部門的高度重視。經過詳細的技術分析，決定通過對發生缸套拉缸的柴油機進行拆檢、改進再試驗等方式查找出問題根源，最終解決了該型柴油機氣缸套拉缸的問題。

2 拉缸問題簡介

該型柴油機配置的氣缸套分別由兩條生產線生產供應，兩條生產線共用一套缸套外形尺寸圖紙。其中一條生產線（生產線A）生產的缸套一直使用良好，未曾出現大范圍拉缸現象；而另一條生產線（生產線B）生產的缸套，經常在柴油機磨合階段就出現大范圍拉缸的異常磨損情況。

為加以區分，將由生產線A 和生產線B 生產加工的缸套分別稱為缸套A 和缸套B。

缸套B 發生拉缸后的狀況見圖1。從圖片觀察，異常磨損類型為擦傷型的粘著磨損。

參考柴油機拉缸相關處理經驗和結合實際情況分析，導致該型柴油機缸套發生拉缸現象有如下可能性原因：

（1）設計和裝配因素

① 活塞環和缸套配合間隙過小、活塞環開口過小、活塞環張力過大；

② 活塞和缸套配合間隙不合理；

③ 活塞銷竄出拉傷缸套；

④ 缸套尺寸不符合要求、內壁網紋設置不當影響潤滑；

（2）管理和使用因素

① 燃油品質差、燃燒碳粒過多加重磨損；

② 滑油品質差或滑油量過少造成潤滑不良；

③ 缸套磨合不足情況下高負荷運行；

④ 缸套冷卻不良造成缸套和活塞局部溫度過高。

3 拉缸原因的分析

下面對上述可能造成拉缸的原因進行分析。

（1）設計和裝配因素

① 對發生拉缸的零部件進行拆檢，測量缸套、活塞、活塞環均符合圖紙要求，自然配合間隙也在設定范圍內。可初步判斷各零部件設計合理，不存在摩擦副配合尺寸不適而造成拉缸的情況；

② 經過測量和計算，活塞環開口尺寸裕度足夠，不存在高溫膨脹后油環與缸套卡死的情況；檢查活塞銷也未發生竄出等異常現象；

③ 對于缸套內壁網紋和活塞油環張力的影響，將在下面作詳細分析。

（2）管理和使用

① 拉缸異常磨損發生在出廠試驗磨合階段。出廠試驗使用標準0#柴油，入庫的每批次柴油均經過檢驗并帶合格證書，柴油質量有保障；該型柴油機經過多年的使用驗證，燃燒系統的性能一直十分穩定，燃燒質量也有保證；同時通過相關拆檢，未發現缸套、活塞或缸頭有大量積碳現象。因此可排除燃油和燃燒質量差的因素；

② 柴油機在臺架進行正式出廠試驗前，嚴格按照要求先對整機進行一定時間的熱磨合運轉，所以缸套不存在磨合不足就帶高負荷運行的情況；

③ 出廠試驗過程嚴格按照試驗流程，逐步暖車和增加負荷，不存在運行中冷卻水溫過低現象；查閱試驗記錄，發生異常磨損時，冷卻水溫正常（進機約65 ℃，出機＜85 ℃）；對發生磨損的缸套拆卸后檢查冷卻水腔，符合設計要求；

檢查發生缸套異常磨損對應的活塞（見圖2），未發現有發藍或者明顯燒灼現象；在其余條件相同的情況下，只有缸套B 發生異常磨損情況。上述這些可初步排除缸套冷卻不足的因素。

（3）缸套內壁網紋和活塞油環張力因素

柴油機工作過程中，缸套和活塞環摩擦負荷極大，因此要求缸套內壁具有良好的貯存潤滑油和油膜分布能力。在設計中，把缸套內壁珩磨成平臺網紋，即表面加工成一種溝槽和小平臺均勻相間的交叉網紋，用于儲油和建立油膜。

為了分析缸套平臺網紋和活塞油環張力對磨損的影響，將通過以下試驗來分析和驗證。

4 試驗過程及結果分析

4.1 試驗配置

對發生拉缸后的缸套B 進行內壁的微觀測量，發現缸套B 的內壁網紋輪廓芯部高度Rk和芯部以上峰頂高度Rpk較大，且輪廓算術平均偏差Ra較大（粗糙度高）。缸套在與活塞環配合形成摩擦副時，其網紋波峰與活塞環接觸面積較大，有效油膜的面積則較小，存在導致潤滑失效形成拉缸異常磨損的可能性；同時，缸套B 的內表面網紋芯部以下峰谷深度Rvk 也較大，溝槽內儲油量有可能過多，造成滑油消耗量增大；圖3 為發生拉缸的缸套B 的平臺網紋微觀圖。

為驗證以上的可能性，針對缸套B 平臺網紋的上述缺陷對其作優化設計，將原平臺網紋的缸套B 和改進平臺網紋的缸套B 分別搭配原活塞油環和較低張力規格活塞油環同時進行試驗驗證。

經技術分析，決定對缸套B 和活塞油環作以下調整（表1）：

（1）對缸套B 進行改進，原網紋用金剛油石條珩磨，現改用碳化硅油石條珩磨（網紋Rk相對較小，網紋也更均勻）；

表1 缸套B 內壁網紋規格修改

（2）減小活塞油環的張力，把標稱值F 分別減小40 N 和減小70 N。

本次試驗在一臺6 缸柴油機上進行，該柴油機裝配有原缸套B 和修改的缸套B（下文分別簡稱“原缸套”和“改進缸套”），并分別搭配不同張力油環作比對試驗。

4.2 試驗過程

（1）磨合

在磨合運行約四小時后，用反光鏡照缸檢查，發現第三缸出現拉缸（擦傷粘著磨損）情況，其余各缸檢查正常。

（2）重新磨合和出廠試驗

為驗證網紋對潤滑和磨損的影響，對出現拉缸的第三缸，更換上新修復的缸套B，同時搭配張力為原標稱值F 的活塞油環。

更換后重新磨合，照缸套檢查無異常；然后按常規流程作出廠試驗；出廠試驗完成后，拆卸缸蓋、活塞檢查，情況如下：

① 各個缸套工作表面經磨合后加工痕跡消除；缸套工作表面大部分呈現光滑、潔凈和明亮，無傷損或變色（見圖5）；

② 各個缸套在上止點往下附近的位置，有高約40 mm 的明顯泛黃痕跡，痕跡區域沿缸套圓周呈環形分布（見圖4）；

③ 在各個活塞第一道環往上附近區域，有明顯泛黃痕跡，且存在一定燒結積碳，其中油環張力較大的第3 缸泛黃痕跡和積碳相對較少（見圖5）。

（3）調整配置后復試

出廠試驗過程中，第三缸的使用效果顯示，網紋經優化設計的缸套B 搭配原來張力較大的活塞油環使用時，運行和磨合情況正常。為進一步驗證，將其余各缸的活塞油環均更換成原標稱值F 的統一規格，同時把第一缸缸套更換成改進后的缸套B。

更換配件后重做試驗。試驗完成后拆卸第2、6 號氣缸進行檢查，缸套在上止點往下附近位置呈圓周分布的泛黃痕跡顏色變淺，其他無明顯變化。

4.3 試驗結果和分析

最終拆檢結果經質檢部門確認，氣缸套、活塞油環和活塞的磨損為正常磨合后的狀況，符合出廠要求。至此，本臺柴油機所有磨合和出廠試驗順利完成，關于缸套B 和油環的試驗項目也順利結束。

本次試驗結果分析如下：

（1）原缸套B 內表面網紋輪廓芯部高度Rk 和芯部以上峰頂高度Rpk較大，在運行過程中缸套尖峰部位將直接與活塞環接觸，其余部位才是通過油膜間接接觸（微觀圖見圖6）。當尖峰接觸部位多時油膜接觸部分必然減小，缸套和活塞環處于干摩擦的面積就大，極易造成拉缸。尤其搭配大張力油環時，拉缸的趨勢更大；

（2）缸套B 搭配小張力規格的活塞油環時能勉強使用，但會因油環刮油力不足造成缸套內壁殘留滑油較多，最終導致滑油消耗和燃燒積碳增多；

（3）改進后的缸套B 通過調整網紋輪廓芯部高度Rk 和芯部以上峰頂高度Rpk，使網紋尖峰高度降低、尖峰數量減小，從而減小甚至消除了尖峰與活塞環直接接觸的區域、增加油膜接觸的范圍；同時在精磨網紋過程中，控制降低缸套內表面粗糙度，潤滑效果得到較大提高，此時的缸套B 可適應原款大張力油環，運行中不再產生拉缸的異常磨損情況。圖7 為改進后的缸套內壁網紋微觀圖。

5 結論

通過對各種可能引起缸套異常磨損原因的排查和試驗驗證，最終找出了缸套B 發生異常磨損的原因：具有強刮油能力的大張力油環，搭配原款網紋的缸套，不能建立有效的潤滑油膜，滿足不了缸套潤滑的要求。

綜上所述，造成缸套B 拉缸的原因為缸套內壁網紋設置不合理，導致油膜分布不足、缸套潤滑不良。對此，綜合考慮潤滑油消耗以及摩擦副的磨損極限和壽命，保持油環張力不變的情況下，修改缸套B 的內表面網紋珩磨工藝為本次缸套異常磨損的最優解決方案。