船用柴油机活塞损坏原因分析

闫佳兵

摘要：船用柴油机活塞作为发动机的关键零件之一，在高温高压的恶劣环境中极易受到热应力、机械应力、烧蚀及腐蚀等不良影响从而造成损坏。本文从分析船用柴油机活塞的材料和活塞各部位损坏原因入手，对船用柴油机活塞损坏原因进行了全面而细致的分析。

关键词：柴油机活塞;损坏;检测;材料

1  活塞的材料

由于工作环境的恶劣等原因，活塞的材料应该符合：足够的强度、硬度、优秀的热传导、耐腐蚀、耐磨损及出色的热稳定性等特点。为了减小运动所产生的惯性力，同时要求相对密度较小，随着发动机强化程度不断提高，各国已愈来愈多地采用过共晶硅铝合金，含硅量为17%-26%不等[1]。由钢顶或球墨铸铁顶与铝合金裙或球铁裙两部分组成的组合式活塞有着许多优点。船用柴油机活塞的材料大多是选择铝合金、铸铁和铸钢。中低速柴油机活塞的材料为铸铁。活塞的硬度大概在HB180至220之间。中高速柴油机活塞的材料为铝合金，Si含量12%左右的ZL108是国内采用最多的材料。低速二冲程活塞的材料为ZG25铸钢和ZG25Mo、ZG35CrMo合金铸钢。裙部的材料不选铸钢，而选择灰铸铁HT25-47和HT30-54。

2  活塞的损坏原因分析

在船用低速二冲程主机工作时，活塞与汽缸盖、气缸套组成燃烧室，直接受到高温、高压燃气和往复惯性力的作用，所以活塞承受很高的热应力与机械应力[2]。由于发动机的工作原理导致的活塞常处于高温、高压和高速的工作环境内。活塞顶部的燃烧室是活塞工作环境最恶劣的地方，由于不正常工作，例如爆燃、燃烧不充分，容易导致活塞顶部发生损坏。活塞在超负荷工作时进行无数次的往复运动，极易产生金属疲劳，导致活塞发生形变和裂纹。

2.1 活塞顶部损坏原因分析

2.1.1 活塞顶部烧蚀损坏的情况

活塞顶部发生烧蚀现象，会有薄层发生脱落，导致顶部厚度变小，强度降低，形状发生改变，以至于对活塞柴油机的正常运转产生影响。

2.1.2 活塞顶部的烧蚀损坏分析

在船用低速二冲程主机工作时，活塞承受很高的热应力与机械应力。活塞在往复运动中承受着摩擦与撞击，在润滑不良时更为严重。在内燃机工作过程中，燃烧室内与活塞顶面直接接触的燃气，最高温度达到2000℃左右，循环平均温度也在800℃左右，使活塞承受很大的热负荷[3]。

柴油机活塞顶部烧蚀损坏较为常见，因为柴油机活塞头部与柴油燃烧时直接接触，极易产生热腐蚀，尤其当船舶发生颠簸、柴油机不能正常工作时。所以，当活塞头部温度较高的时候，如果发生氧化和脱碳，会导致活塞头部表面的化学成分发生改变，活塞头部的组织材料发生变化。在所有原因的影响下，活塞头部的表面的金属会改变为层状结构，大小不一，深浅各异的麻点，严重时发生脱落。大直径的活塞由于受热面积大，更容易发生热腐蚀损坏情况。

2.2 活塞外圆表面的损坏分析

2.2.1 活塞外圆表面发生磨损的情况

①活塞的裙部的直径变小;

②活塞的气缸和活塞之间的间隙变大;

③活塞的横截面和原尺寸相比产生圆度误差。

2.2.2 活塞外圆表面损坏分析

活塞外圆表面的过度磨损主要由于中、小型筒状活塞式柴油机的活塞起导向作用并承受侧推力，因此容易发生外圆表面的过度磨损[4]。同时活塞环槽内的活塞环如发生断裂，则会导致活塞顶部的外圆表面和汽缸壁直接接触，造成摩擦损伤，但该种情况一般不多见。上述情况都可导致活塞尺寸变化，进而导致活塞外圆表面的损坏。

2.3 活塞裂纹的损坏分析

2.3.1 活塞裂纹的发生损坏的情况

对于发生裂纹损坏，常见以下几种情况：

存在于凹型顶面活塞，径向裂纹;

存在于平顶活塞，径向和四周均存在裂纹;

存在于第一和第二道环槽的环带，在机械应力和热应力的同时作用下，发生裂纹，严重时会碎断。

2.3.2 活塞裂纹的损坏分析

在柴油机工作时，由于柴油燃烧不充分以及活塞顶部采用凹坑形状等原因，活塞顶部各个部位都存在温度差。另外，活塞的周期性往复运动是由燃烧柴油产生的爆发压力引起的，最大气体压力可达6到9MPa。在活塞工作很长时间之后，这种现象会越来越明显，极易造成活塞顶部材料组织疲劳，从而产生裂纹。出现裂纹的部位一般在活塞的顶部、环槽处、冷却一侧。

环槽处出现裂纹的主要原因是当活塞环槽发生磨损，其间隙会变大，活塞环在环槽内晃动，使环槽带应力集中，超过允许的载荷从而发生损坏。该损伤一般存在于活塞第一道環槽和第二道环槽的环带处。

冷却一侧的损伤的主要原因是机械应力过大所导致的，同时活塞冷却侧的设计有缺陷，毛坯材料质量未达到标准也可能造成损伤。

有个别活塞，活塞与活塞杆的配合面也会发生损坏现象。这主要是由于活塞工作时，温度达到460摄氏度，该配合面受到的热应力和重油爆燃时的冲击应力巨大，导致其产生轴向的裂纹。

2.4 活塞环槽的损坏分析及损坏情况

2.4.1 活塞环槽的损坏的情况

活塞环槽发生损坏后，活塞环槽和活塞环之间的平面间隙变大，导致活塞环的密封性降低，因此会发生漏气、压力不足等问题。活塞环槽发生损坏在第一、二道磨损较为严重。活塞环槽发生损坏后变形，由原来的矩形变化成梯形。

2.4.2 活塞环槽的损坏分析

在柴油机实际使用过程中发现活塞环槽，特别是第一道环槽的磨损是影响活塞使用寿命的关键。该损坏方式在铝活塞中比较常见。引起活塞环槽损坏的原因有很多种：①活塞通过镶嵌在活塞环槽内的活塞环和汽缸壁紧密接触，活塞环与环槽发生相对运动，不间断的进行环的上、下的往复运动，环的膨胀、压缩的径向运动、环的开口部分的回转和扭曲运动，导致了环槽发生磨损;②活塞工作的时候，进气孔可能吸进空气中的硬质微粒和燃烧后残留的硬质炭粒。尤其是燃烧不充分的时候，会残留更大、更硬质的微小硬质粒子，附着在活塞环与环槽的配合面上，导致活塞环槽端面发生非正常磨损;③活塞的环槽在工作时，与汽缸壁发生巨大的摩擦，导致温度升高。高温会破坏润滑油油膜的结构，导致润滑不充分，从而导致活塞环槽发生形变，因此活塞环槽的损坏发生几率变大;④活塞工作的时候，如果活塞环发生损坏，会造成高温燃气泄漏。当高温燃气和活塞环槽直接接触时，会使活塞环槽的一、二道环槽产生轴向裂纹，严重时直接穿透环槽。

参考文献：

[1]杨学培.国外柴油机活塞发展的特点及分析[J].内燃机配件，1983（01）.

[2]郑铁刚.浅谈船用低速主机活塞修理工艺[J].华章，2012（22）：269.

[3]崔慧敏.基于CAN总线的活塞销外圆直径监测系统[J].仪器科学与技术，2004.

[4]孙广文.船用柴油机主要零部件故障原因及案例分析[J].轮机工程，2008.