浅谈某大功率主机缸套活塞异常磨损原因

摘要：当大功率柴油机处于运行状态的时候，会产生磨损问题，主要是缸套异常磨损、活塞异常磨损以及活塞环出现大范围的异常磨损。要对引起磨损故障问题的因素进行分析，明确零部件的质量和装配质量，最终得出结论，活塞销内套管中的弹性挡圈产生断裂，导致润滑油中断供给，致使缸套产生异常磨损。本论文着重于研究某大功率主机缸套活塞异常磨损原因。

关键词：主机缸套;大功率;活塞;异常磨损;原因

中图分类号：TK423.2                                    文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）09-0152-02

0  引言

在某柴油机燃烧室中，活塞和气缸套是重要的构件。燃烧室的工作环境非常不好，通过部件容易受到高温、高压的影响，使其性能下降，同时还会受到冷却水的腐蚀，或者外層脱落而形成麻点状小洞和针状小孔。如果不能正常燃烧，就会使柴油机的各项性能指标受到影响，出现异常状况，导致有关的零部件受损。在各型柴油机中的缸套经常发生异常磨损，要有效解决磨损的原因，就需要对造成这种现象的原因进行分析。

1  故障描述

对这台柴油机采用系泊试验，当设备安装结束就可以进入到试验环节。这个试验的工作量比较大，所以在设备装船之前需要由产品制造厂进行台架试验，将试验报告提交给船厂。当系泊试验结果合格之后，开始测速试航，此时一个缸产生异常响声[1-3]，随着曲轴箱防爆门打开，探测器开始报警。当发生这个故障之后，对这个缸采用吊缸检查的方式，发现活塞的外表面出现磨损，缸套的内表面也有严重的磨损。在活塞销孔一侧卡内套管中没有挡圈，内套管发生断裂，具体位置是在过渡圆角处[4]。经过进一步检查，还发现在油底壳中有很多金属粉末。（图1：活塞外表面;图2：缸套内表面）

经过对故障现场勘察，发现活塞顶已经出现严重的磨损，活塞裙部的磨损更加严重。沿着活塞裙部的一周，超过三分之二出现程度不同的纵向拉痕，拉痕的深度可以达到3 毫米，已经基本抹掉了活塞裙部的石墨层，其外表面已经呈现出金属铝合金的颜色[5-7]。在缸套内表面出现磨损，甚至还有大范围的大擦痕。沿着活塞销的轴向方向有非常严重的擦痕，这里还有金属被高温熔灼之后变成黑色的现象。

通过拆卸检查，发现活塞销内套管已经出现断裂，从靠近自由端的一侧向圆角处过渡段的断裂程度最为严重，自由端侧没有挡圈，输出端侧有挡圈，且没有被破坏。在柴油机的油底壳中找到了已经断裂的挡圈，还有一些金属残留物。

2  导致故障的原因

柴油机的活塞所采用的是钢顶、铝裙组合的方式。活塞销为是空心浮动式的，使用钢质卡环将两端定位，在活塞销孔中安装一套管，与活塞销构成一个环形的冷却油腔。冷却润滑油源自于连杆的顶部，向塞顶部流动。

在活塞上安装的活塞环一共是6道，其中顶环1道，压力环3道和刮油环2道，处于活塞裙上的第二道刮油环槽位置设置一个油孔，刮下的润滑油从这个孔向油底壳里流动。

根据拆检情况对故障产生的原因做出判断，是由于内套管定位弹性挡圈出现断裂引起的，使缸套出现磨损。

通过对弹性挡圈产生断裂的原因进行分析，结果如下：

其一，弹性挡圈部件存在质量问题，由于挡圈的质量不合格，装配挡圈和挡圈槽之后产生间隙非常大的问题，当挡圈松动脱落之后，内套管向外蹿，缸套出现严重磨损主要由于这种因素引起的。

其二，挡圈与挡圈环槽装配不复合标准，弹性挡圈没有完全进入到挡圈槽中，当柴油机处于运转状态的时候，挡圈在长期振动下脱落，内套管向外蹿，缸套出现严重磨损。

3  排查故障的方法

对产生故障的原因进行预估，采用排查有关零部件的方式加以验证。

3.1 检查弹性挡圈的质量

3.1.1 检查挡圈材料

对弹性挡圈进行检查，其是采用XC75弹簧钢材料。按照中法材料对照表，与65Mn弹簧钢进行对照，对存在质量问题的弹性挡圈采用取样的方法进行分析，获得检测结果。（表1：挡圈材料检测结果）

根据对挡圈材料进行检测所获得的结果，弹性挡圈中所含有的化学成分不合格。另外，随机选择两件弹性挡圈，检测材料的硬度，所获得的结果是，洛氏硬度HRC39.7和HRC41.1。按照工业紧固件“孔用弹性挡圈”国标标准，对65Mn孔用弹性挡圈的热处理硬度要达到洛氏硬度HRC44-51。很显然，这个故障件材料的硬度与国标要求不符合。

3.1.2 挡圈的规格

按照专利方所提供的设计图纸要求，与国标件要求进行对照，可以明确这个孔用挡圈的规格是：外径45.5毫米，挡圈的厚度是1.5毫米。测量挡圈的规格，基本的规格是45毫米，厚度是1.48毫米。很显然，挡圈的规格与国标要求不符合。

3.2 挡圈的装配质量

通过对活塞销的装配记录进行复查，没有发现不正常之处，装配工艺符合要求。由于弹性挡圈的所有装配都不具备可追溯性，所以需要采用模拟操作的方式。设定活塞销的尺寸、挡圈的尺寸都与规定的条件复合，然后对安装的过程模拟操作。采用这种试验方式可以对挡圈的装配质量进行评估。根据试验的结果，明确挡圈已经完全进入到挡圈槽当中，由此可以说明，缸套磨损的原因不是由于挡圈没有完全进入到挡圈槽当中所导致的。（图3：活塞销内套管的弹性挡圈）

4  结束语

通过上面的研究可以明确，如果故障系弹性挡圈存在质量问题，在使用的时候就不能发挥应有的作用。弹性挡圈长期处于热环境中，就会失效，当柴油机处于运行状态的时候，就会出现弹性挡圈脱落的问题，缸套与活塞之间就会出现异常磨损。另外，从一端蹿出内套管，从原来简支梁转变为悬臂梁，在不正常受力的作用下，随着活塞运动产生牵引力，内套管端部在剪切力的影响下就会断裂。如果内套管产生断裂，润滑油不能向活塞的顶部流动，活塞与缸套之间的润滑油不能有效供应，不能发挥润滑作用，缸套就会产生异常磨损。为了避免产生这种现象，就要注意检查缸套活塞运动组件，保证零部件不会存在质量问题，降低故障发生率。

参考文献：

[1]王云霞，阎逢元，严洁，等.摩擦磨损试验机模拟活塞环-缸套摩擦行为的功能开发[J].分析测试技术与仪器，2019，025（2）：101-105.

[2]麻凯，袁成清，郭智威，等.双螺纹凹槽织构对缸套-活塞环摩擦磨损性能的影响[J].内燃机工程，2019，040（2）：59-66.

[3]赵高岩，董非，张飞朋，等.活塞结构参数对裙部磨损状况的影响研究[J].机械设计与制造，2019（6）：142-145.

[4]唐令，何鹏飞，马国政，等.缸套-活塞环摩擦副表面性能强化研究进展[J].表面技术，2019，048（8）：185-198.

[5]何星，毛杰键，周梓发，等.基于联合仿真的柴油机缸套-活塞环磨损计算分析[J].润滑与密封，2019，044（5）：123-128.

[6]何星，李若亭，毛杰键，等.环境与工况对柴油机缸套-活塞环磨损的影响[J].润滑与密封，2020，341（1）：111-117.

[7]孙志宏，赵建平，窦振寰，等.某型大功率柴油机缸套异常磨损分析[J].柴油机，2020，042（1）：56-60.

作者简介：严继斌（1967-），男，湖北鄂州人，学士，高级工程师，研究方向为材料科学和工程技术。