大功率發動機缸套異常磨損原因分析與優化

摘要：某大功率高速發動機在臺架磨合試驗結束后，使用內窺鏡檢查缸套時發現缸套表面異常磨損，磨損部位的珩磨網紋消失。通過建立故障樹，圍繞零部件制造質量、裝配過程、運行使用等方面進行逐項排查，并根據故障原因制定了解決方案。結果表明：缸套磨損是由整機隔振裝置彈性剛度一致性差引起的。通過對缸套抵抗熱變性能力進行仿真計算，優化改進了缸套的冷卻結構，有效改善了缸套的承熱和變形，為其他發動機類似設計提供了參考和依據。

關鍵詞：發動機；缸套；磨損

0 前言

缸套是發動機的重要零部件之一，在發動機運行過程中，缸套內部承受高溫、高壓燃氣做功產生的熱負荷，外部則由冷卻水以熱交換的方式帶走部分熱量。這種外冷內熱的輻射差對缸套的材料性能提出了很高的要求，同時缸套內表面加工有密集的珩磨網紋，其作用是增強缸套表面的附油能力，以降低活塞上下往復運行的摩擦力。如果缸套表面的珩磨網紋被破壞或發生異常磨損，造成缸套與活塞發生干摩擦，輕則缸套出現異常磨損，重則發生拉缸事故，導致發動機無法正常運行［1］。

1 故障現象

某發動機為船用20 缸V 型高速大功率發動機，以發動機輸出端視角將其分為A 排、B 排，單排10 個氣缸。在發動機臺架磨合試驗結束后使用內窺鏡檢查缸套時，發現整機有9 個氣缸缸套內表面存在片狀異常磨損，所有缸套的磨損狀態均表現為片狀磨痕，磨損部位珩磨紋消失，磨損痕跡貫穿缸套整個工作行程，對應的活塞環工作面存在磨損痕跡，其運動靈活、無卡滯現象，活塞頂和活塞裙表面未見異常磨損痕跡。各缸磨損部位的分布情況（黑色部分）見圖1。

經統計，磨損主要發生在非推力側，各缸磨損面的高度相同，且與活塞環上下運行最大行程相吻合，經拆檢勘驗可以判定：異常磨損主要發生在活塞環與缸套之間。以B2、B8 缸缸套內壁為例，具體磨損情況如圖2 所示。

2 可能原因分析和排查

根據現場勘驗情況及缸套異常磨損機理，結合發動機缸套異常磨損排查經驗，分析造成缸套異常磨損的可能原因如圖3 所示［2］。經現場初步勘驗，缸套磨損表現為片狀式磨痕，結合故障樹，圍繞零部件制造質量、發動機裝配、使用、清潔度等方面對故障缸進行檢測。

2. 1 零部件質量問題

2. 1. 1 缸套內孔直徑

檢查缸套內孔直徑尺寸為230+0.046-0.010 mm，根據圖紙要求分別測量距離缸套頂部不同高度位置（d1、d2、d3）處缸套的內徑尺寸，其中d1、d2、d3 分別代表距離缸套頂部40 mm、80 mm 及130 mm 位置，缸套內徑過大或過小均會影響缸套與活塞之間的摩擦配合，超差嚴重時會導致潤滑油膜被破壞，進而發生干摩擦。檢查發現發動機缸套內徑裝配值全部滿足要求，磨合試驗結束后復測故障缸的缸套內徑，除磨損部位內徑超差外，其余部位內徑全部滿足要求，具體如圖4 所示。

2. 1. 2 活塞頂

活塞頂材料屬于馬氏體耐熱鋼，淬火后在高溫（超過700 ℃）下洛氏硬度仍能保持30 HRC 以上，說明其可在較高溫度下工作。同時，由于活塞頂受熱不均勻，導致活塞頂外圓受熱面通常呈現出不規則的橢圓凸臺形狀。在故障排除過程中應核查故障缸活塞頂型線的加工檢驗記錄，包括檢查活塞頂外圓型線尺寸、形位公差等，以滿足活塞頂的設計要求。經過檢驗，活塞頂符合設計要求。

2. 1. 3 活塞環

活塞環除了具有密封燃燒室氣體的作用外，還能將活塞70% 左右的熱量傳遞給缸套。因此，作為發動機零部件設計中的關鍵零件，活塞環對燃燒和做功起到至關重要的作用。由于活塞環開口處受熱后有外張趨勢，根據其彈力、應力，以及結構參數設計結果，需要復查活塞環寬度、厚度、開口尺寸等，檢查發現除個別氣缸開口尺寸超差外，其余全部滿足設計要求。由于活塞環開口尺寸超差為個別現象，可能與拆檢過程中的擴撐工藝有關，因此結合活塞環的裝配檢驗記錄，分析認為活塞環尺寸滿足設計要求，具體檢查情況如圖5所示。

2. 1. 4 珩磨網紋

缸套表面的珩磨網紋可以有效保證潤滑油的附著性，對于在活塞上下運行過程中的布油也非常有利。如果珩磨網紋被破壞，會直接導致缸套表面粗糙度增加和布油能力下降，影響活塞與缸套之間的摩擦配合，進而發生異常磨損。檢查缸套未磨損部位的珩磨網紋，包括粗糙度及輪廓算數不平度等發現，所有磨損氣缸在非磨損部位的珩磨網紋全部滿足設計要求，如圖6 所示。

2. 1. 5 彈性支撐

該型發動機彈性支撐有黑色和紅色2 種顏色狀態，由于加工制造過程不同，導致2 種支撐的顏色存在區別，但理論上其彈性剛度均滿足使用要求。其中，A 排7 件支撐中有4 件為紅色、3 件為黑色，B 排7 件支撐均為黑色。拆除2 種裝機彈性支撐，并領取庫存的黑色支撐進行壓載試驗，測量2 種支撐的彈性剛度并進行對比，檢查發現紅色支撐剛度均低于使用要求的下限（剛度要求為1.57×106～2.35×106 N/m），黑色支撐剛度全部滿足使用要求（見表1）。

2. 2 裝配質量問題

2. 2. 1 活塞冷卻油噴嘴安裝位置

發動機活塞連桿機構如圖7 所示。活塞與缸套由頂環、2 道氣環和油環密封，活塞環、活塞頂、活塞裙與缸套構成了一對重要的摩擦副，潤滑方式為飛濺潤滑，通過活塞環向上泵油并通過油環將潤滑油刮回油底殼。活塞冷卻油道的潤滑油從活塞裙底部進入活塞頂進行冷卻，以減小活塞頂的熱負荷和熱變形。活塞往復運動過程中，在垂直于曲軸方向活塞與缸套存在側推力作用。利用紅外定位工裝來校驗活塞冷卻油噴嘴位置，檢查發現噴嘴安裝位置全部滿足裝配要求。

2. 2. 2 發動機頂裙同軸度

發動機頂裙同軸度超差會對受熱后相關零部件的變形產生不良影響，也會影響燃燒室內部的摩擦性。對故障缸進行拆檢，采用三坐標儀來檢查各缸活塞頂裙同軸度（要求≤0.05），檢查發現全部滿足設計要求。活塞頂裙同軸度檢查情況如圖8所示。

2. 2. 3 發動機曲軸止推間隙

發動機曲軸止推間隙是作為發動機裝配誤差和運動件受熱軸向膨脹變形的補償量，如果止推間隙超差，可能導致活塞整體軸向竄動，而缸套緊固在機身上無法移動，即活塞與缸套兩邊的間隙超差，不利于活塞與缸套之間的摩擦配合。曲軸止推間隙實測值為0.35 mm，滿足止推間隙要求（0.3～0.9 mm）。

2. 3 發動機使用運行問題

如果發動機在運行過程中未按標準臺架試驗工況開展相關試驗，或由于系統因素導致發動機長時間超負荷工作，發動機熱負荷超標后，其排氣溫度、爆壓等參數異常，燃燒室積炭加重，缸套變形失控，很容易導致缸套發生異常磨損。

復查發動機臺架試驗各工況下的運行參數，各項熱工參數包括發動機排溫、爆壓、增壓器轉速、潤滑油溫度等均滿足試驗大綱要求，未發生異常報警情況。在幾乎相同的環境條件下將該發動機與前期出廠的發動機試驗參數進行對比，結果表明試驗參數基本相同，同時拆檢確認噴油器啟噴壓力和燃燒室積炭程度全部滿足工作要求，因此可以排除發動機的使用問題。

2. 4 清潔度問題

本次故障磨損缸較多，且全部為片狀磨痕。一般情況下，如果是清潔度控制出現問題，磨損基本呈現為線狀孤立劃痕。結合拆檢過程，對潤滑油過濾器、系統潤滑油管路、油品、進氣管的清潔度進行檢查，未發現明顯清潔度較差的情況，因此基本可以排除清潔度差造成缸套異常磨損的可能［3］。

3 故障原因分析

根據拆檢排查情況，分析認為造成缸套異常磨損的原因為發動機彈性支撐剛度超差，同時缸套自身承受熱變形能力冗余性偏弱也是出現異常磨損的因素之一。

該發動機為彈性安裝狀態，通過機腳連接安裝在彈性支撐上，其中A 排、B 排兩側共布置彈性支撐14 件，主要用于抵消發動機運行過程中產生的振動，保證發動機運轉的平穩性。發動機彈性支撐布置情況如圖9 所示。

現場檢查發現，A 排靠近自由端連續4 件彈性支撐剛度超差，均低于使用要求下限。由于該區域支撐剛度不足，發動機在運行過程中產生的振動和變形無法完全被有效消除，且各部位變形情況不均勻，特別是機身，其在做功行程中承受的主軸承蓋傳遞的力矩無法消除，直接導致發動機振動異常超標。在發動機運行過程中，燃燒室相關的運動件運轉不平穩，可能會導致缸套與活塞的間隙減小甚至消失，附著在珩磨網紋中的油膜被破壞，長期運行會導致缸套表面發生大面積磨損。

4 改進優化試驗驗證

根據故障原因，現場更換了剛度超差的彈性支撐，并重新按照工藝要求進行發動機的靜置壓載，同時為了提高缸套強度，提高燃燒狀態下缸套抵抗熱變形的能力，將缸套外表面冷卻水孔數量由24個增加至32 個（如圖10 所示），以增大缸套外表面的冷卻面積，減少缸套在高溫高壓下出現異常變形的情況。

利用Ansys 仿真軟件對改進后缸套結構的應力情況進行計算分析，如圖11 所示。表2 為改進后缸套的應力計算結果。由表2 可知，改進后缸套拉伸應力和壓縮應力均滿足發動機設計要求。

改進后缸套按工藝要求換裝在發動機上，并在彈性支撐壓載滿足要求后進行發動機臺架試驗驗證。試驗結束后，采用內窺鏡檢查缸套內表面，未發現異常磨損情況，即缸套表面工作狀態全部滿足使用要求。

經動態驗證，缸套異常磨損現象消失，確認改進后缸套強度得到明顯提升，能夠滿足發動機全生命周期的使用要求。

5 結語

缸套作為重要的摩擦副零件，除了自身承受熱負荷和機械負荷外，發動機整體產生的振動對其工作狀態的影響也很大。為了使發動機彈性支撐在裝配后滿足性能要求，后續在彈性支撐裝配前對支撐剛度進行測量，增加彈性支撐剛度的質量控制點，并將同一臺發動機的所有支撐剛度偏差控制在一定范圍內，盡量在發動機壓載后保持其高度的一致性，減少試驗過程中產生的不平衡振動情況。同時，通過對缸套冷卻水孔進行設計改進，減少了缸套在高溫高壓下的異常變形，能夠更好地適應大功率、高負荷發動機對缸套的設計要求。

參考文獻

［ 1 ］ 張順先，韋斌. 發動機拉缸故障原因分析與預防措施[J]. 內燃機與配件，2007（6）：17-18.

［ 2 ］ 張維新. 船舶柴油機拉缸故障原因分析及預防措施[J]. 裝備制造技術，2018（3）：220-221.

［ 3 ］ 譚傳省. 船用發動機的拉缸故障[J]. 內燃機與配件，2019（11）：140-141.