秦 珩，焦宇飛，向 軍，梁前超，邵夢麟

(1.海軍訓(xùn)練艦支隊(duì)裝備部，遼寧大連 116018;2.91287部隊(duì)，上海 200083;3.海軍工程大學(xué)，湖北武漢 430033)

某船發(fā)電機(jī)組柴油機(jī)拉缸事故計(jì)算分析及其預(yù)防

秦 珩1，焦宇飛2，向 軍1，梁前超3，邵夢麟3

(1.海軍訓(xùn)練艦支隊(duì)裝備部，遼寧大連 116018;2.91287部隊(duì)，上海 200083;3.海軍工程大學(xué)，湖北武漢 430033)

文章介紹了某柴油機(jī)活塞拉缸事故的計(jì)算分析及其預(yù)防措施。結(jié)合活塞、缸套等主要部件技術(shù)指標(biāo)的檢查情況，詳細(xì)敘述活塞拉缸的拆檢情況及故障現(xiàn)象，并計(jì)算活塞環(huán)等運(yùn)動(dòng)部件的磨損量，找到引起拉缸事故的原因。在總結(jié)柴油機(jī)發(fā)生拉缸的機(jī)理的基礎(chǔ)上，從柴油機(jī)的日常使用和維護(hù)方面提出了預(yù)防柴油機(jī)拉缸事故的措施。

柴油機(jī);拉缸;預(yù)防措施;維護(hù)

柴油機(jī)拉缸是指活塞、活塞環(huán)與汽缸工作面因相互作用被損傷而影響柴油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。根據(jù)工作面的損傷程度，分為擦傷、劃傷、咬傷和咬死4種狀態(tài)［1-2］。這是在無外來物的情況下，由于活塞環(huán)外表面與汽缸表面接觸滑動(dòng)時(shí)，在極小的表面積上產(chǎn)生很高的溫度，繼而引起汽缸壁與活塞環(huán)之間燒熔、粘著，當(dāng)所產(chǎn)生的熱量散失以后，在活塞環(huán)上產(chǎn)生碳化物。這種燒熔、粘著物或碳化物就像一把鋒利的刀具，切去汽缸壁上的金屬，從而形成一道道深淺不規(guī)則的溝槽［3-4］。

拉缸是柴油機(jī)工作過程中容易發(fā)生的故障現(xiàn)象之一，尤其高速強(qiáng)化的柴油機(jī)在試車、磨合、試航、大風(fēng)浪航行、登陸等不正常工況條件下工作時(shí)更為突出［5］。因此。判斷識(shí)別柴油機(jī)拉缸是首要進(jìn)行解決的問題。

某船有4臺(tái)發(fā)電柴油機(jī)組，在正常啟動(dòng)后發(fā)現(xiàn)空氣分離器進(jìn)氣管螺栓檢查孔有少量滑油冒出，經(jīng)分析后初步認(rèn)為燃燒室內(nèi)的燃?xì)飧Z入曲軸箱，造成曲軸箱內(nèi)背壓過高，將潤滑分配器傳動(dòng)軸的潤滑油壓出所致，拆開曲軸箱與增壓器連接透氣管，發(fā)現(xiàn)管口有藍(lán)煙冒出。將柴油機(jī)滑油取樣送質(zhì)控室檢驗(yàn)，光譜分析結(jié)果顯示，F(xiàn)e、Al含量比正常使用時(shí)超出30倍多。又對柴油機(jī)回油濾器進(jìn)行拆檢，發(fā)現(xiàn)濾芯上有大量呈片狀的鐵、鋁切層屑粒，判斷故障為活塞拉缸所致。

1 故障情況分析

4臺(tái)柴油機(jī)先后在運(yùn)行3 000 h左右出現(xiàn)拉缸故障，故障現(xiàn)象基本相同，都發(fā)現(xiàn)了活塞環(huán)斷裂、活塞裙和活塞環(huán)槽嚴(yán)重?fù)p壞等現(xiàn)象 (No.3柴油機(jī)的缸套有嚴(yán)重拉痕)。在柴油機(jī)上還存在滑油有異常金屬磨粒、排氣冒藍(lán)煙的現(xiàn)象。這些情況說明柴油機(jī)拉缸故障的原因有一定的共性。

由于該型柴油機(jī)是連體缸排，油底殼上沒有道門蓋，檢查活塞、缸套必須要吊缸排。起吊主、副缸排后發(fā)現(xiàn):副排第3缸活塞前部活塞銷左側(cè)凹穴處有直徑大約4 cm左右的熔孔，活塞頂部有熔槽到達(dá)熔孔。第1道和第2道活塞環(huán)間的環(huán)槽部位也基本燒熔，活塞表面有摩擦痕跡。副排其它幾個(gè)缸的第1道和第2道活塞環(huán)基本斷裂，活塞環(huán)槽磨損嚴(yán)重 (有的已經(jīng)磨成斜面)并有活塞環(huán)在環(huán)槽內(nèi)敲擊的痕跡，主排第3缸活塞表面也有摩擦痕跡，活塞環(huán)槽也已經(jīng)磨損。至事故發(fā)生，幾臺(tái)同型號的柴油機(jī)工作計(jì)時(shí)器顯示累計(jì)工作時(shí)間不到3 000 h。

從柴油機(jī)的使用記錄看，該柴油機(jī)未發(fā)生超負(fù)荷現(xiàn)象，各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)均在正常范圍之內(nèi)，拆檢后的噴油器經(jīng)檢驗(yàn)壓力正常、霧化良好，可以排除因柴油機(jī)超負(fù)荷或噴油器工作不正常引起的拉缸故障。從對故障柴油機(jī)拆檢的情況看，冷卻水腔無異常水垢，可以排除因冷卻水腔堵塞、導(dǎo)致柴油機(jī)冷卻不良引起的拉缸故障。發(fā)生故障的柴油機(jī)的滑油，從滑油化驗(yàn)結(jié)果看，未見異常。從活塞環(huán)材質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果看，故障柴油機(jī)活塞環(huán)材質(zhì)正常。從活塞表面和外形嚴(yán)重磨損的情況看 (磨損最嚴(yán)重的活塞環(huán)，其截面由梯形磨損成三角形)，引發(fā)柴油機(jī)故障的主要原因是柴油機(jī)活塞環(huán)經(jīng)受了長時(shí)間的異常磨損，從而導(dǎo)致活塞環(huán)先行斷裂，進(jìn)而引發(fā)柴油機(jī)的拉缸故障。因此，下面以柴油機(jī)的主要摩擦副活塞環(huán)的磨損量計(jì)算為例，分析確定該型柴油機(jī)的拉缸原因。

2 計(jì)算分析

每臺(tái)柴油機(jī)共有12個(gè)汽缸、每缸活塞上共有活塞環(huán)4根:其中1#活塞環(huán)截面示意圖、2#活塞環(huán)截面示意圖、3#活塞環(huán)截面示意圖、4#活塞環(huán)截面示意圖如圖1所示，每根環(huán)的磨損量均不相同，它們的磨損量分布如圖2、圖3所示。

圖1 柴油機(jī)活塞環(huán)截面示意圖

圖2 某缸活塞環(huán)磨損量及工作時(shí)間圖

圖3 多缸氣環(huán)磨損量及工作時(shí)間圖

柴油機(jī)活塞環(huán)磨損計(jì)算如表1所示。取柴油機(jī)拉缸較為嚴(yán)重的No.3機(jī)和情況相對好一些的No.2機(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。其中對No.3機(jī)、No.2機(jī)的活塞環(huán)進(jìn)行了大量計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析后，認(rèn)為這2臺(tái)機(jī)的工作時(shí)間若在正常磨損情況下 (選取國內(nèi)常見的中速機(jī)和高速機(jī)的活塞環(huán)端面磨損率數(shù)據(jù)，按最大磨擦率計(jì))，其活塞環(huán)的最大磨損量為0.99 mm，其平均工作時(shí)間為19 844 h。如果考慮該柴油機(jī)工作時(shí)間約為10 a，故其電化學(xué)腐蝕較大，其腐蝕磨損率要大于正常磨損率。若加大一倍，柴油機(jī)工作時(shí)間也達(dá)到9 942 h，為正常壽命的2倍，已經(jīng)大大超過了說明書規(guī)定的翻修期要求，故其異常磨損的結(jié)論可以成立。

表1 柴油機(jī)活塞環(huán)磨損計(jì)算

由于活塞環(huán)已經(jīng)斷裂，缸套變形嚴(yán)重，根據(jù)現(xiàn)場拆檢情況，認(rèn)為拉缸故障是第3缸活塞環(huán)斷裂所引起。活塞環(huán)斷裂后在環(huán)槽內(nèi)竄動(dòng)，破壞潤滑油膜，使活塞和缸套產(chǎn)生粘結(jié)，造成拉缸，并引起其他幾個(gè)缸的活塞環(huán)斷裂。高溫燃?xì)馔ㄟ^活塞粘結(jié)磨損部位竄氣，加劇了潤滑油膜的破壞，使活塞局部溫度升高，最終導(dǎo)致活塞熔穿。以上計(jì)算得出柴油機(jī)活塞環(huán)過度磨損是造成活塞環(huán)斷裂引起拉缸的最主要原因，而活塞環(huán)斷裂的其他原因還有如下幾點(diǎn)。

1)柴油機(jī)裝配質(zhì)量問題。該型機(jī)缸排采用連體缸排型式，缸套安裝時(shí)，必須先將缸排整體加熱，缸套放在-180℃的液氮中冷卻，然后安裝到缸排上，缸套與缸排裝配間隙按照要求，如果安裝后缸套尺寸不符合要求，會(huì)引起該缸活塞密封性變差，活塞環(huán)受力不均勻，經(jīng)過一段時(shí)間工作后，容易引起活塞環(huán)斷裂、活塞環(huán)與環(huán)槽異常磨損、拉缸等故障。

2)缸套冷卻水道問題。本機(jī)所用的汽缸套是雙層螺旋槽式結(jié)構(gòu)，其冷卻水通道較窄，容易被水垢堵塞，降低冷卻效果。嚴(yán)重時(shí)如水垢將水道完全堵塞，極易造成缸套局部過熱，冷卻不良，活塞和活塞環(huán)過熱變形，破壞汽缸密封，造成活塞環(huán)斷裂、拉缸，直至活塞局部過熱熔化。

3)活塞環(huán)自身缺陷質(zhì)量不符合要求。當(dāng)活塞環(huán)端面磨損嚴(yán)重后，活塞環(huán)布油和冷卻將出現(xiàn)問題，造成活塞環(huán)與缸套間干摩擦，從而引起活塞環(huán)斷裂。

3 預(yù)防措施

本次事故中，活塞環(huán)斷裂是造成拉缸的主要原因?；钊h(huán)斷裂后導(dǎo)致正常的潤滑狀態(tài)被破壞而引起活塞與缸套產(chǎn)生粘結(jié)，最后發(fā)生拉缸事故。因此，從柴油機(jī)拉缸機(jī)理來看，拉缸最根本原因就是潤滑不良和局部負(fù)載過大，缸套與活塞或活塞環(huán)直接接觸而產(chǎn)生高溫熔融后的粘著磨損所致。柴油機(jī)在使用過程中，如遇到拉缸故障或其它機(jī)損事故，就立即采取應(yīng)急措施。一般正確的操作方法是先減速運(yùn)行，然后逐漸卸去負(fù)荷，再過渡到停車狀態(tài)。停車后還應(yīng)在未完成冷卻前盤一兩次車，防止汽缸被咬死。切不可加強(qiáng)缸套的冷卻，否則汽缸冷卻收縮，把活塞咬死，引發(fā)重大事故。

為防止類似事故的再次發(fā)生，我們要針對柴油機(jī)拉缸的根本原因在日常使用與維護(hù)中注意加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的管理。

1)防止機(jī)械雜質(zhì)和積碳混入滑油和燃油內(nèi)，在使用中對三濾 (機(jī)油濾清器、燃油濾清器和空氣濾清器)要及時(shí)正確的維護(hù)和清洗，有條件的對滑油定期進(jìn)行檢測，避免潤滑油的污染，保持添加劑發(fā)揮正常的功效，并定期或視情更換潤滑油。

2)每次啟動(dòng)柴油機(jī)前，均應(yīng)向機(jī)內(nèi)壓油預(yù)潤滑;盡量減少柴油機(jī)啟動(dòng)、停車次數(shù)，注意將柴油機(jī)控制在額定轉(zhuǎn)速和額定功率內(nèi)工作，避免超速和超負(fù)荷，避免突加速和突加負(fù)荷。注意柴油機(jī)潤滑油和冷卻水的溫度，避免柴油機(jī)機(jī)件過熱，冷卻系統(tǒng)失效，保證汽缸內(nèi)潤滑油膜得以持續(xù)存在。

3)柴油機(jī)修理或更換摩擦副部件后，正確履行磨合工藝，其中包括空載磨合和負(fù)載磨合。每次啟動(dòng)帶負(fù)載時(shí)確保機(jī)器有一定時(shí)間的過渡。避免冷車啟動(dòng)后就突加負(fù)荷。

4)柴油機(jī)各定時(shí)、各壓力調(diào)定適宜。如噴油定時(shí)、配氣定時(shí)要調(diào)整在規(guī)定的范圍內(nèi);潤滑油和冷卻水的壓力、溫度調(diào)整符合規(guī)范。

5)機(jī)器零部件拆卸修理后，回裝時(shí)一定要按有關(guān)要求控制好安裝間隙，保證裝配質(zhì)量。

4 結(jié)束語

1)從運(yùn)動(dòng)副磨損計(jì)算的結(jié)果看，多機(jī)的磨損趨勢是一致的。磨損量在一個(gè)數(shù)量級上，其中B端最大 (C端磨損并不是最大)， 故計(jì)算出的柴油機(jī)工作時(shí)間達(dá)到9 900 h以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過柴油機(jī)的正常工作時(shí)間3 000 h，所以異常磨損是導(dǎo)致拉缸的最主要原因。

2)磨損測試結(jié)果顯示2#活塞環(huán)的磨損量最大，其截面形狀也由矩形磨成了三角形，這與柴油機(jī)拆檢情況相一致。

3)加強(qiáng)巡視和管理，參照柴油機(jī)使用說明，定期拆開檢查、清洗、更換易受損部件，在機(jī)器運(yùn)行時(shí)認(rèn)真檢查，不放過任何可疑現(xiàn)象。只有從根本上加強(qiáng)對柴油機(jī)科學(xué)規(guī)范的管理使用，合理細(xì)致的維護(hù)保養(yǎng)，確保柴油機(jī)燃燒室各零部件的潤滑質(zhì)量，防止柴油機(jī)拉缸事故的發(fā)生。

［1］顧卓明.輪機(jī)維護(hù)與修理［M］.北京:人民交通出版社，2008.

［2］蔣世明，何果龍，王小偉，等.某船用主機(jī)連續(xù)拉缸的故障分析及其預(yù)防措施［J］.中國修船，2009，22(3):17-19.

［3］梁前超，程智斌.艦船動(dòng)力機(jī)械維修工藝學(xué)［Z］.武漢:海軍工程大學(xué)，2008.

［4］孫繼成.柴油機(jī)拉缸故障的分析與維修措施［J］.黑龍江科技信息，2013(10):38-40.

［5］陸俊蚰.船舶建造質(zhì)量檢驗(yàn)［M］.北京:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2004.

Calculation analysis and precaution methods of diesel engine cylinder score fault for a generating set were described.The overhaul condition and fault phenomenon were analyzed in detail combining the inspection result of technical indexes of piston and cylinder liner.The reason of cylinder score fault was found by calculating the wear mass loss of piston ring.Based on summarizing its generating mechanism，the precaution methods of diesel engine cylinder score fault were put forward from daily use and maintenance aspects.

diesel engine;cylinder score fault;precaution method;maintain

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.04.004

HJ20140203專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目

秦珩 (1981-)，男，遼寧大連人，高級工程師，碩士，研究方向?yàn)榕灤瑒?dòng)力維修。

2015-04-07