某型中速船用柴油机气缸套拉缸的原因分析及解决措施

叶启华，邹世顺

（广州柴油机厂股份有限公司，广州510371）

1 引言

某型中速船用柴油机气缸套容易出现拉缸现象，对该型柴油机的正常装机、试验、交货造成较大影响，因而引起厂家技术部门的高度重视。经过详细的技术分析，决定通过对发生缸套拉缸的柴油机进行拆检、改进再试验等方式查找出问题根源，最终解决了该型柴油机气缸套拉缸的问题。

2 拉缸问题简介

该型柴油机配置的气缸套分别由两条生产线生产供应，两条生产线共用一套缸套外形尺寸图纸。其中一条生产线（生产线A）生产的缸套一直使用良好，未曾出现大范围拉缸现象；而另一条生产线（生产线B）生产的缸套，经常在柴油机磨合阶段就出现大范围拉缸的异常磨损情况。

为加以区分，将由生产线A 和生产线B 生产加工的缸套分别称为缸套A 和缸套B。

缸套B 发生拉缸后的状况见图1。从图片观察，异常磨损类型为擦伤型的粘着磨损。

参考柴油机拉缸相关处理经验和结合实际情况分析，导致该型柴油机缸套发生拉缸现象有如下可能性原因：

（1）设计和装配因素

① 活塞环和缸套配合间隙过小、活塞环开口过小、活塞环张力过大；

② 活塞和缸套配合间隙不合理；

③ 活塞销窜出拉伤缸套；

④ 缸套尺寸不符合要求、内壁网纹设置不当影响润滑；

（2）管理和使用因素

① 燃油品质差、燃烧碳粒过多加重磨损；

② 滑油品质差或滑油量过少造成润滑不良；

③ 缸套磨合不足情况下高负荷运行；

④ 缸套冷却不良造成缸套和活塞局部温度过高。

3 拉缸原因的分析

下面对上述可能造成拉缸的原因进行分析。

（1）设计和装配因素

① 对发生拉缸的零部件进行拆检，测量缸套、活塞、活塞环均符合图纸要求，自然配合间隙也在设定范围内。可初步判断各零部件设计合理，不存在摩擦副配合尺寸不适而造成拉缸的情况；

② 经过测量和计算，活塞环开口尺寸裕度足够，不存在高温膨胀后油环与缸套卡死的情况；检查活塞销也未发生窜出等异常现象；

③ 对于缸套内壁网纹和活塞油环张力的影响，将在下面作详细分析。

（2）管理和使用

① 拉缸异常磨损发生在出厂试验磨合阶段。出厂试验使用标准0#柴油，入库的每批次柴油均经过检验并带合格证书，柴油质量有保障；该型柴油机经过多年的使用验证，燃烧系统的性能一直十分稳定，燃烧质量也有保证；同时通过相关拆检，未发现缸套、活塞或缸头有大量积碳现象。因此可排除燃油和燃烧质量差的因素；

② 柴油机在台架进行正式出厂试验前，严格按照要求先对整机进行一定时间的热磨合运转，所以缸套不存在磨合不足就带高负荷运行的情况；

③ 出厂试验过程严格按照试验流程，逐步暖车和增加负荷，不存在运行中冷却水温过低现象；查阅试验记录，发生异常磨损时，冷却水温正常（进机约65 ℃，出机＜85 ℃）；对发生磨损的缸套拆卸后检查冷却水腔，符合设计要求；

检查发生缸套异常磨损对应的活塞（见图2），未发现有发蓝或者明显烧灼现象；在其余条件相同的情况下，只有缸套B 发生异常磨损情况。上述这些可初步排除缸套冷却不足的因素。

（3）缸套内壁网纹和活塞油环张力因素

柴油机工作过程中，缸套和活塞环摩擦负荷极大，因此要求缸套内壁具有良好的贮存润滑油和油膜分布能力。在设计中，把缸套内壁珩磨成平台网纹，即表面加工成一种沟槽和小平台均匀相间的交叉网纹，用于储油和建立油膜。

为了分析缸套平台网纹和活塞油环张力对磨损的影响，将通过以下试验来分析和验证。

4 试验过程及结果分析

4.1 试验配置

对发生拉缸后的缸套B 进行内壁的微观测量，发现缸套B 的内壁网纹轮廓芯部高度Rk和芯部以上峰顶高度Rpk较大，且轮廓算术平均偏差Ra较大（粗糙度高）。缸套在与活塞环配合形成摩擦副时，其网纹波峰与活塞环接触面积较大，有效油膜的面积则较小，存在导致润滑失效形成拉缸异常磨损的可能性；同时，缸套B 的内表面网纹芯部以下峰谷深度Rvk 也较大，沟槽内储油量有可能过多，造成滑油消耗量增大；图3 为发生拉缸的缸套B 的平台网纹微观图。

为验证以上的可能性，针对缸套B 平台网纹的上述缺陷对其作优化设计，将原平台网纹的缸套B 和改进平台网纹的缸套B 分别搭配原活塞油环和较低张力规格活塞油环同时进行试验验证。

经技术分析，决定对缸套B 和活塞油环作以下调整（表1）：

（1）对缸套B 进行改进，原网纹用金刚油石条珩磨，现改用碳化硅油石条珩磨（网纹Rk相对较小，网纹也更均匀）；

表1 缸套B 内壁网纹规格修改

（2）减小活塞油环的张力，把标称值F 分别减小40 N 和减小70 N。

本次试验在一台6 缸柴油机上进行，该柴油机装配有原缸套B 和修改的缸套B（下文分别简称“原缸套”和“改进缸套”），并分别搭配不同张力油环作比对试验。

4.2 试验过程

（1）磨合

在磨合运行约四小时后，用反光镜照缸检查，发现第三缸出现拉缸（擦伤粘着磨损）情况，其余各缸检查正常。

（2）重新磨合和出厂试验

为验证网纹对润滑和磨损的影响，对出现拉缸的第三缸，更换上新修复的缸套B，同时搭配张力为原标称值F 的活塞油环。

更换后重新磨合，照缸套检查无异常；然后按常规流程作出厂试验；出厂试验完成后，拆卸缸盖、活塞检查，情况如下：

① 各个缸套工作表面经磨合后加工痕迹消除；缸套工作表面大部分呈现光滑、洁净和明亮，无伤损或变色（见图5）；

② 各个缸套在上止点往下附近的位置，有高约40 mm 的明显泛黄痕迹，痕迹区域沿缸套圆周呈环形分布（见图4）；

③ 在各个活塞第一道环往上附近区域，有明显泛黄痕迹，且存在一定烧结积碳，其中油环张力较大的第3 缸泛黄痕迹和积碳相对较少（见图5）。

（3）调整配置后复试

出厂试验过程中，第三缸的使用效果显示，网纹经优化设计的缸套B 搭配原来张力较大的活塞油环使用时，运行和磨合情况正常。为进一步验证，将其余各缸的活塞油环均更换成原标称值F 的统一规格，同时把第一缸缸套更换成改进后的缸套B。

更换配件后重做试验。试验完成后拆卸第2、6 号气缸进行检查，缸套在上止点往下附近位置呈圆周分布的泛黄痕迹颜色变浅，其他无明显变化。

4.3 试验结果和分析

最终拆检结果经质检部门确认，气缸套、活塞油环和活塞的磨损为正常磨合后的状况，符合出厂要求。至此，本台柴油机所有磨合和出厂试验顺利完成，关于缸套B 和油环的试验项目也顺利结束。

本次试验结果分析如下：

（1）原缸套B 内表面网纹轮廓芯部高度Rk 和芯部以上峰顶高度Rpk较大，在运行过程中缸套尖峰部位将直接与活塞环接触，其余部位才是通过油膜间接接触（微观图见图6）。当尖峰接触部位多时油膜接触部分必然减小，缸套和活塞环处于干摩擦的面积就大，极易造成拉缸。尤其搭配大张力油环时，拉缸的趋势更大；

（2）缸套B 搭配小张力规格的活塞油环时能勉强使用，但会因油环刮油力不足造成缸套内壁残留滑油较多，最终导致滑油消耗和燃烧积碳增多；

（3）改进后的缸套B 通过调整网纹轮廓芯部高度Rk 和芯部以上峰顶高度Rpk，使网纹尖峰高度降低、尖峰数量减小，从而减小甚至消除了尖峰与活塞环直接接触的区域、增加油膜接触的范围；同时在精磨网纹过程中，控制降低缸套内表面粗糙度，润滑效果得到较大提高，此时的缸套B 可适应原款大张力油环，运行中不再产生拉缸的异常磨损情况。图7 为改进后的缸套内壁网纹微观图。

5 结论

通过对各种可能引起缸套异常磨损原因的排查和试验验证，最终找出了缸套B 发生异常磨损的原因：具有强刮油能力的大张力油环，搭配原款网纹的缸套，不能建立有效的润滑油膜，满足不了缸套润滑的要求。

综上所述，造成缸套B 拉缸的原因为缸套内壁网纹设置不合理，导致油膜分布不足、缸套润滑不良。对此，综合考虑润滑油消耗以及摩擦副的磨损极限和寿命，保持油环张力不变的情况下，修改缸套B 的内表面网纹珩磨工艺为本次缸套异常磨损的最优解决方案。