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船用柴油機拉缸故障及分析

時(shí)間:2022-07-25 來(lái)源:本站 閱讀:

拉缸現象是船用柴油機在生產(chǎn)、運行工作中一種危害性很大也很常見(jiàn)的發(fā)動(dòng)機故障。湖南發(fā)電機用戶(hù)反應,拉缸時(shí)候產(chǎn)生的磨損量很大,可達到正常磨損的幾十甚至幾百倍。柴油機的拉缸根據損傷的程度輕緩不同可以分為擦傷、劃傷和咬死等幾種故障。前兩者是屬于輕微的拉缸行為,通??勺孕行迯?。若及時(shí)發(fā)現情況,排除故障,可以避免大的漏洞和損失。若拉缸逐步嚴重,造成活塞與汽缸壁粘連,輕者損壞活塞和汽缸,重者咬死活塞,活塞卡死在缸套里,柴油機熄火,搖轉曲軸不動(dòng)。而拉斷活塞或連桿、打壞機器、以致造成重大事故。因此對柴油機拉缸故障的形成機理進(jìn)行分析,找出早期預報和正確的應對措施,對柴油機正確管理使用,提高可靠性和延長(cháng)使用壽命,以及提高管理人員對故障的排除應變能力,都有很重要的意義。

所謂拉缸現象就是在柴油機的運轉過(guò)程中的故障,發(fā)生拉缸現象的時(shí)候,外部跡象表現為:

1、發(fā)動(dòng)機聲音沉悶、異常,有噠噠噠或吭吭吭地異常聲響。

2、發(fā)動(dòng)機有震動(dòng)現象。

3、缸套和活塞拉傷,在壓縮和作功行程時(shí)汽缸中發(fā)生串氣現象、串機油嚴重、油消耗量增加。

4、溫度異常。排氣溫度上升、冷卻水溫度升高、潤滑油溫度明顯提高,轉速不穩定、啟動(dòng)困難,曲柄箱出口冒煙,運轉無(wú)力,功率不足,柴油機功率下降。

拉缸產(chǎn)生后,應將活塞連桿取下,觀(guān)察活塞—環(huán)—汽缸壁工作表面沿活塞運動(dòng)方向出現的片狀或者條狀的蘭色條紋,形成一定面積的拉毛,其表面硬度比原基體組織有所增高。并伴隨有變色(暗紅或發(fā)藍)的現象,甚至活塞環(huán)折斷、卡死、拉斷活塞或連桿、打壞機器。

眾所周知,船用柴油機是一種熱能動(dòng)力機械,工作條件十分惡劣,承受著(zhù)較高的熱負荷和機械負荷。燃燒室是柴油燃燒和工質(zhì)膨脹的場(chǎng)所,活塞、缸套及汽缸蓋等是構成燃燒室的主要零部件,其所處的工作環(huán)境是高溫、高壓以及帶有化學(xué)腐蝕性的混合油氣直接作用于燃燒室組件。若維護保養不好,則拉缸故障時(shí)有發(fā)生。

現代研究表明,柴油機活塞(環(huán))—缸套的潤滑狀態(tài)處在混合潤滑模型狀態(tài),即有時(shí)處于流體潤滑狀態(tài)、有時(shí)處于邊界潤滑狀態(tài)。拉缸故障產(chǎn)生的內部機理籠統地說(shuō)是汽缸內壁與活塞環(huán)、活塞之間的工作表面具有一定的硬度和表面粗糙度,在一定溫度條件下相互配合工作,機油起著(zhù)潤滑、冷卻、清洗和密封的作用。

若由于某種原因,油膜變薄或遭到破壞,因潤滑不良出現干摩擦或半干摩擦,造成局部高溫粘附磨損的過(guò)程。而活塞與缸套之間的潤滑油膜惡化中斷是產(chǎn)生拉缸的必要前提。由于活塞與缸套之間的潤滑油膜一旦中斷,則兩者表面的金屬由原來(lái)的液體摩擦變成固體間的干摩擦或半干摩擦,由于摩擦副表面的高速運動(dòng)產(chǎn)生的摩擦熱,這樣的熱量積累的高溫會(huì )超過(guò)金屬的熔點(diǎn),引起活塞或活塞環(huán)與缸套表面發(fā)生顯微熔化、撕脫并較終焊接在一起?;钊\動(dòng)時(shí)兩表面熔焊點(diǎn)又被該力扯斷拉開(kāi)隨之冷卻,這樣就出現了一個(gè)表面的材料轉移黏附在另一滑動(dòng)面上形成堅硬層或脫落為磨料。如果油膜能及時(shí)得到補救恢復,可起到清洗和冷卻作用,則溫度下降,微小熔著(zhù)部分脫落而不會(huì )擴展,如果油膜恢復遲緩,熔著(zhù)擴展將導致大范圍異常磨損,缸壁、活塞,活塞環(huán)急速受到嚴重損傷,在缸壁表面上呈現熔融流動(dòng)狀態(tài),顯出不均勻、不規則邊緣的溝痕和褶皺,持續發(fā)展而產(chǎn)生拉缸。另外,從發(fā)動(dòng)機機油和空氣管路進(jìn)入摩擦區的硬質(zhì)微粒造成的損壞,也會(huì )促進(jìn)拉缸情況的發(fā)生。

另一些學(xué)者則認為“摩擦界面溫度升高導致粘著(zhù),摩擦副表面的強烈摩擦導致硬化表面的強烈摩擦導致硬化相的破裂甚至折斷等因素是產(chǎn)生拉缸的根本原因。拉缸首先在接觸載荷較大的局部區域發(fā)生,再進(jìn)一步擴展,從磨損機理來(lái)看是從正常磨損到嚴重磨粒磨損的突變?!?/span>

影響拉缸產(chǎn)生的因素很多,很復雜,而各種因素之間往往存在著(zhù)相互影響和相互制約的關(guān)系,具有不確定性。但根本原因就是潤滑不良和局部負載過(guò)大。大的方面可以概括起來(lái)為:活塞組和汽缸套的結構設計問(wèn)題;工藝水平問(wèn)題;安裝質(zhì)量問(wèn)題;磨合運轉程序問(wèn)題;潤滑油的選擇;燃油的處理以及使用和維護等方面的問(wèn)題。而每一個(gè)方面的原因都有很多,例如:僅其中之一活塞組方面的原因就可能有:

(1)活塞材料選擇或熱處理不當;活塞表面對硬度對拉缸有極大的影響,如果活塞熱處理過(guò)程中升溫速率、淬火溫度和保溫時(shí)間等某一參數稍有偏差,則會(huì )產(chǎn)生表面硬度低,活塞的內應力不能完全消除,使活塞金相組織處于不穩定狀態(tài),當活塞質(zhì)軟,熱膨脹系數大、高溫時(shí)強度差,發(fā)動(dòng)機在高速運轉、機器溫度升高、機油稀薄的情況下,活塞受力面的合金很容易熔化,使摩擦阻力增大,導致發(fā)動(dòng)機自動(dòng)熄火,熄火瞬間可能形成粘缸,如果熄火頻繁,汽缸很快就會(huì )被粘積的鋁合金層破壞,形成串氣,串煙,最后形成拉缸。

(2)活塞結構設計不合理;由于活塞在工作中受熱變形,所以為了使活塞在工作中能有一個(gè)合理的形狀,有理想的貼合面,所以某些活塞有個(gè)錐體,而設計不合理的錐度無(wú)法保證在大負荷下彌補活塞由于受熱、受力而產(chǎn)生的變形,拉痕為三角形和八字形的拉缸活塞,可能與錐度過(guò)小有關(guān)。還有鋁合金活塞在工作過(guò)程中由于受熱及受力和金屬分布不均等原因,會(huì )造成活塞在活塞銷(xiāo)軸線(xiàn)方向伸長(cháng),為了使活塞在工作時(shí)候膨脹留變形余地,在制造加工時(shí)候將活塞做成橢圓形。

(3)活塞過(guò)熱,導致活塞過(guò)熱又有許多因素,包括噴油時(shí)刻太早,冷卻水損失、水垢太多,水泵停轉等造成冷卻不足或完全沒(méi)有,缸套過(guò)熱保不住油膜,缸套與活塞呈半干摩擦狀態(tài),運轉吃力,密封不好造成串氣等因素。單就其中某一因素來(lái)說(shuō),如果水垢過(guò)多過(guò)厚,汽缸水套變成隔熱層,當發(fā)動(dòng)機轉速升高,溫度上升,負荷加重而需要迅速散熱的時(shí)候,水垢不但不能迅速傳熱,反而起到保溫的作用。因此,發(fā)動(dòng)機汽缸的熱量不能迅速傳遞到循環(huán)水中去,從而導致機體溫度升高,由于機體溫度過(guò)高,使活塞熱膨脹量超過(guò)較大值,將配缸間隙完全消除,造成拉缸,此外,潤滑油在高溫下變得稀薄,使活塞環(huán)和汽缸壁之間的摩擦系數增大,表面粗糙度增大,而造成拉缸。

(4)配缸間隙大小等?;钊推椎难b配間隙是嚴格按照規定的,間隙大了冷車(chē)時(shí)候會(huì )“敲缸”,同時(shí)可能造成串氣、串油等;間隙小了熱車(chē)時(shí)可能會(huì )“拉缸”,因此裝配活塞時(shí)應嚴格控制其配缸間隙。有關(guān)柴油機產(chǎn)生拉缸的具體外部原因和影響因素較多,這里就不一一列舉。下面我們根據拉缸后結果出發(fā),分析出一些針對性有建設性的意見(jiàn)。

柴油機在使用過(guò)程中對有經(jīng)驗的操作者來(lái)說(shuō),可根據拉缸的種種跡象采取應急措施。一般正確的操作方法是:先減速運行,然后逐漸卸去負荷,再過(guò)渡到停車(chē)狀態(tài)。停車(chē)后還應在未完成冷卻前盤(pán)一兩次車(chē),防止汽缸被咬死。

具體步驟如下:

1,將操縱手柄退回一格或者數格,從而減少供油,降低主機運轉速度。

2、使用專(zhuān)用工具把事故發(fā)生的汽缸油泵柱塞抬起,使該缸暫時(shí)停止噴油。

3、搖動(dòng)該缸的注油器,加強活塞與汽缸之間的潤滑。

4、打開(kāi)該缸的示功閥,釋壓放出汽缸內的氣體及污物。

5、加強活塞的冷卻,以便把活塞的熱量部分帶走,防止活塞與缸套咬死。切不可加強缸套的冷卻,否則汽缸冷卻收縮,把活塞咬死,引發(fā)更大事故。

拉缸產(chǎn)生的因素是多方面的,而針對某一具體拉缸的情況有各種不同的原因,針對這些原因應采取的對策也各不相同。下面舉一些典型的情況進(jìn)行分析。

如有發(fā)現異常磨損、劃痕嚴重,有外界硬微粒成為磨料等狀況,可能的原因是:

(1)燃油系統不清潔;

(2)汽缸潤滑油系統不清潔;

(3)啟動(dòng)空氣系統不清潔;

(4)零件加工階段清潔處理不好。

此時(shí)建議采取的對策:維護好潤滑系統,防止機械雜質(zhì)和積碳混入機油和燃油內,在使用中對三濾(機油濾清器、燃油濾清器和空氣濾清器)要及時(shí)而且正確的維護和清洗。加強裝配的清潔度,嚴防灰塵吸入汽缸內。

如有發(fā)現活塞裙部擦傷的狀況,那么可能的原因是:

(1)活塞裙部結構設計不合理;

(2)活塞材料選擇不當,熱處理方式不當,材料線(xiàn)膨脹系數大;

(3)配缸間隙過(guò)小。

我們建議采取的對策是:正確履行磨合工藝,其中包括冷磨合、空載熱磨合等等。對活塞的結構進(jìn)行重新設計或適當切削拉缸的部位;選用合適的活塞材料;選用適當的熱處理工藝;選擇正規廠(chǎng)家生產(chǎn)的汽缸、活塞組件,并配以適當間隙的活塞環(huán)。

如發(fā)現活塞環(huán)卡死,膠結等情況發(fā)生,那么可能的原因是:

(1)活塞環(huán)間隙過(guò)??;

(2)活塞環(huán)嚴重積碳(汽缸潤滑油質(zhì)量不好或油量過(guò)多);

(3)活塞頭部過(guò)熱(活塞冷卻不良);

(4)超負荷工作。

可以采取的對策是:

正確選擇活塞環(huán)的開(kāi)口間隙和邊間隙,使用合適的潤滑油,定期更換潤滑油并保證一定的液面高度;注意檢查刮油環(huán)的情況,從而保證能在缸壁上形成油膜。改善活塞的冷卻條件,清理冷卻系統中的污垢,保證較好的冷卻效果;合理操作使用發(fā)動(dòng)機,不超負荷工作。

另外,注意主機的冷卻適中,保持正常的工作溫度,避免主機長(cháng)時(shí)間超負荷運行。參照柴油機使用說(shuō)明,定期拆開(kāi)檢查、清洗、更換易受損部件。

以上處理方法,主要圍繞拉缸涉及的成因入手分析,而采取的對策針對原因展開(kāi),我們應該從基礎和根本上加強對柴油機嚴謹科學(xué)的系統設計,合理細致的維護保養和規范的管理使用,并進(jìn)一步提高柴油機燃燒室各零部件的潤滑質(zhì)量,才是防止、避免發(fā)生柴油機拉缸故障的較佳方法。

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