船用柴油机活塞环故障分析 毕业论文

天津海运职业学院

毕业设计（论文）

题目：船舶柴油机活塞环故障分析

系名：轮机工程系

专业：轮机工程技术

班级： 10-01（高职）

学号： xxxxxxxxxxx

姓名： xxxxxx

指导教师： xxxxxx xxxxxx 完成日期： 2013年4月10日

目录

1. 活塞环的工作条件----------------------------------------------2

2. 活塞环的主要故障----------------------------------------------3

3. 影晌活塞环工作的主要因素--------------------------------------4 3.1活塞环硬度和缸套硬度匹配------------------------------------5 3.2活塞环搭口间隙----------------------------------------------6 3.3活塞环和缸套的几何配合状况----------------------------------7 3.4活塞环槽----------------------------------------------------8 3.5燃油品质和气杠油量------------------------------------------9 3.6日常维护修理------------------------------------------------10 结束语------------------------------------------------------------11 致谢--------------------------------------------------------------11 参考文献----------------------------------------------------------12

内容摘要

活塞环是柴油机燃烧室的组成零件之一。具有保持活塞与气缸套之间有效密封的作用和将活塞热量传递给汽缸壁的散热作用，以及调节气缸润滑油的作用。活塞环又是柴油机的易损零件。主要损坏形式有：过度磨损、折断、粘着、和弹力丧失等。此文通过对活塞环故障实例的分析，阐述了产生故阵的主要原因和主要影响因素，对日常运行管理提出了切实可行的建议，还对新型活塞环磨损监控系统作了简单介绍。

关健词活塞环搭口间隙故障维护管理影响监控

前言

活塞环的主要作用是密封燃烧室，保证活塞到达上止点时，燃烧室内的新鲜空气有足够的温度和压力，满足燃油自燃的温度，并使燃烧迅速、及时和完善;切实保证气缸内高压燃气膨胀作功而不泄漏，对燃油燃烧和柴油机的工作状态起着至关重要的作用。众所周知，活塞环的密封作用，是靠活塞环本身的弹性，和在气缸内气体压力的作用下紧贴于气缸壁和活塞环槽平面来实现的。但是，活塞环和气缸套这对摩擦副工作条件非常恶劣，摩擦损失占到整个柴油机摩擦损失功率的55%---65%。活塞环运行中的管理和维护，对保证柴油机的安全可靠和经济运行显得尤为重要。

第一章活塞环的工作条件

船用十字头式长冲程低速柴油机中，每个活塞大约有4--6道气环。第一道活塞环直接受到高温高压燃气的作用;其它环由于燃气经活塞环的搭口，气缸壁面和环槽处的漏泄，也受到燃气不同程度的作用。通常气缸内气体经上两道气环密封后，第二道环下方气体压力下降到气缸内压力的10%左右。因此，密封的主要作用是靠上面两道气环。

工作中，活塞环被活塞带动相对于气缸套做往复运动。由于气体压力，活塞往复运动的惯性力，活塞环与气缸套之间产生的摩擦力，以及活塞横向振动和气口挂碰等作用，使活塞环在环槽中产生十分复杂的运动，其中有:轴向运动、径向运动、回转运动，扭曲振动等。由于气缸套壁面失国、存在锥度，活塞环在本身弹力作用下还要产生张合的交变运动。

活塞环在高温高压下工作，润滑条件较差，运动状态十分复杂，使环同气缸套及环槽之间产生严重的磨擦。柴油机运行中，还会因燃烧不良，滑油过多将活塞环粘着在环槽中，使活塞环失去密封作用，甚至损坏。

第二章活塞环的主要故障

活塞环的主要故障有折断、粘着、拉缸和异常磨损等。当上述一种或一种以上故障同时发生时，一般会伴随着排气温度升高、排气冒黑烟及缸套冷却水沮度升高等现象的发生。

例如某轮主机为MAN B&W6L60MC(E)型柴油机，运行中发现第一缸和第三缸运行异常，导致主机启动困难;空载主机转速为84 r/min时，油门竟达72格(以前正常时只有58格);同时伴有主机透平喘振;减速运行也没见有明显的改观。测量各缸示功图发现，第一缸和第三缸的压缩压力分别为5. 6MPa和5. 4MPa，而其它缸压缩压力则为6. 3MPa左右。吊缸发现:第一缸，除最下面一道活塞环正常外，其余各道活塞环全部折断为碎块状(最长的一段也不足20cm )，环的径向厚度最薄处仅为12. 4mm(最大处为16. 9mm)，且烧损严重;第三缸，第一道活塞环严重粘着在环槽中，其余各道都发生了不同形式的断裂。

又如某轮主机型号SULZER 6RTA62，当时运转约7千小时，应该是很好管理的机器。某航次开航第一天就发生了主机第一缸扫气箱着火爆炸，排烟温度超乎异常的升高，涡轮增压器转速迅速上升并发出啸叫声。紧急停车后，立即组织第一缸吊缸，清洁检查扫气道和排烟管，发现:有两道活塞环磨损已超出极限(尽管主机仅运行7千小时);其余的也已磨损1. 3mm;活塞环槽严重积碳;第一道和第二道活塞环搭口粘在一起;四周呈不均匀磨损状态;扫气箱中所有的口琴阀基本上已烧坏或变形;活塞杆气封弹黄均已断裂;扫气箱油泥沉积高达20cm。

活塞环异常磨损引起增压器损坏。活塞环故障使其密封性能降低或丧失后，会发生不同程度的气缸窜气，这样气缸内的新鲜空气会明显减少、相应压缩压力降低，导致排气温度升高。排气温度的升高，使废气的能量较正常情况下有明显的增加，增压器的转速升高，扫气压力升高;而柴油机的转速基本不变，柴油机空气消耗量也基本稳定;同时断环和粘着将会使燃气发生倒灌到扫气箱，严重时将会发生扫气箱着火，这些因素造成了增压器的背压升高，因而发生增压器喘振，甚至损坏增压器。据NKK 船级社统计，装有SULZER RTA主机的船舶,1993年以前，有10多台主机涡轮增压器因活塞坏异常磨损而损坏;1993年又有23条船发生类似故障;1994年故障又呈上升趋势。统计数据同时表明，有多条船舶是重复发生类似故障，其损坏的形式是活塞环

异常磨损后，不能有效密封燃烧室，高温高压燃气倒窜，火星点燃具有适宜燃烧条件的扫气箱，引起扫气箱燃烧，大烟气进人气缸，形成不完全燃烧，随之气体携带未燃尽的颗粒状油气进人排烟管，在排烟管中继续燃烧，废气能量急剧增加，使涡轮增压器超速，轴承承受不了，破损后导致转子和外壳破坏，还可能导致口琴阀组损坏和活塞杆气封弹簧断裂。通常这种损坏过程仅需3---4分钟就能完成，所以要求值班轮机员和轮机长特别注意。

第三章影响活塞环工作的主要因素

3.1 活塞环硬度和缸套硬度匹配

通常SULZER主机缸套有两种类型，一种硬度相对较硬，另一种则较软。一般欧洲和中国的专利厂均生产后一种缸套，而日本的制造厂则生产前面一种。对应于两种缸套，配备有各种硬度的活塞环，如果选择不当，则会造成缸套磨损过快，或是活塞环磨损过快。应当首先了解主机现装缸套的硬度，然后再决定订购什么硬度的活塞环，不能盲目订购，以免造成异常磨损，带来损失。

3.2 活塞环搭口间隙

活塞环的搭口间隙可以保证活塞环在工作时有足够的受热膨胀余地，同时可以使活塞环在正常工作时有一定的周向运动。

活塞环搭口间隙过小，会使活塞环在工作时的热膨胀受到限制而在搭口处产生挤压，从而容易在搭口的对侧发生环的折断现象。

由于活塞环和气缸套在运行中会产生磨损，环的搭口间隙会逐渐增大。活塞环的径向力，主要是环自身的弹力，和气体作用在环背的气体力。搭口间隙的存在使气体力的合力方向朝环内圆面分体，如图1所示。

当搭口间隙过大时，会在搭口的对侧产生较大磨损，同时也图1活塞环受力图使环的径向厚度减小，弹性降低，严重时造成环的断裂，如果环槽结碳严重则容易发生环粘着故库。

活塞环搭口间隙的大小是判断活塞环磨损情况的重要指标，因此在日常管理过程中，运行一定的时间后就应当侧量活塞环的搭口间隙。侧量时可制作专用的测量工具，使其同活塞环直径相适应。在柴油机停车时，进人到扫气室通过扫气口进行侧量，同

时可利用此机会检查活塞环的工作面状况及有无粘着现象。当发现有活塞环粘着现象时，应及时吊缸检修。侧取的搭口间隙数值，一是要同说明书中要求的数值比较，以判断搭口间隙是否超过极限;二是要同上一次侧量的搭口间晾比较，判断活塞环的磨损率，如果在一定的时间间隔内，活塞环的磨损率突然增大，则应查找原因予以解决。

实践证明，虽然定期测量搭口间隙会给轮机管理人员带来额外的工作量，但对柴油机的维护管理和故障预防可以起到事半功倍的作用。

3.3 活塞环和缸套的几何配合状况

随着柴油机的运行，气缸套会产生不均匀磨损，在周向和轴向会分别产生椭圆度、锥度和不圆柱度。活塞环在气缸内上下运动时，活塞环会产生周期性的张合运动;同时活塞环的椭圆度同缸套的椭国度不可避免会有误差，特别是换用新的活塞环后，在活塞环和缸套的密封配合面上会产生不同程度的漏光度。通常要求新的活塞环安装在气缸中时总的周向漏光度要小于90度，连续漏光度要小于30度，在搭口两侧的30度范围之内不能有漏光，一般质量好的新活塞环都能达到上述要求。

图2

检查安装新的备件活塞环时，必须认真检查环的几何尺寸(厚度，高度，直径等)及表面光洁度，尤其注意检查弹性。弹性的大小检验可通过用力将自由状态下活塞环的搭口闭合或将开口增大一倍，看其放松后开口间隙的变化量是否小于原开口间隙的10%，否则弹性过小。也可以将备用环标准环共同施加相同的力，比较图2备用环检查示意图两环开口间隙的大小，其方法如图2所示。

3.4 活塞环槽

柴油机在运行过程中，活塞环不仅随着活塞在缸套中作上下往复运动，而且在环槽内作着径向的、周向的复杂的交变运动，支持、制约活塞环的环槽的形状，影响甚大。活塞环槽的磨损主要由于活塞环在槽中的扭曲变形引起。由于长期使用，在活塞

环的扭曲作用下活塞环会产生不均匀磨损;同时，活塞头部在工作时会受热变形使环槽缩小且向下倾斜，影响活塞环同环摘的正常配合，使环在环槽中呈倾斜状态。因此，在吊缸检修时要仔细测量环槽的几何尺寸，如图3所示。

若发现环槽倾田3环枪几何尺寸斜过大或磨损过大形成了凸台时，应用手持砂轮将凸台磨平或送厂进行恢复性修理。查阅某轮主机的检修记录，发现某缸连续几次吊缸都是由于第4道活塞环断裂，而且运行时间都很短。吊缸发现该环槽已经磨成喇叭形.环槽下表面异常磨损并呈明显的锥形，活塞环换新只运行650小时左右就粉碎性断裂，最后只好更换活塞头。

3.5 燃油品质和气缸油量

爆发压力与压缩压力之差，对活塞环的影响很大。不同产地、不同标号的燃油，理化性能相差甚大，而燃油的品质对爆发压力的影响是相当直接的。由于加油港经常变动，船上常使用不同国家、厂家的燃油。因产地和炼油工艺的不同，其性能指标也不同，不能使用同样的方法对燃油进行处理(例如分油机比重环直径的大小，对不同比重的燃油，在不同加热温度时有不同的要求)。燃油中的灰分过高，将加剧活塞环和缸套的磨损，必然影响柴油机的燃烧过程，造成燃烧室内温度过高。

过多的气缸油，由于泵油作用在环槽处形成积碳，当气缸内温度过高时积聚的滑油燃烧，为活塞环的枯着和折断创造了条件。

3.6 日常维护修理

做好各项日常管理工作，对避免活塞环故障有重要作用。

正常运行过程中，要控制冷却水、冷却油等的温度和压力在要求的范围内，同时要注意参数的比较，最重要的是各参数的变化速度;定期侧量示功图，通过分析压缩压力，最大爆发压力，燃烧始点，负荷分配等，判断燃烧过程的好坏和气缸、活塞环等零部件的工作状态;发现有故障预兆，要及时查找原因，并采取相应处理措施。

长期低负荷和超负荷运行都不是科学使用主机的方法。前者是操作者对主机缺乏

认识，心中没底，追求暂时的太平，消极被动管理，将会引起恶性循环;后者则是盲目开英雄车，工作于超负荷区域，加快了活塞环的磨损。该主机制造厂规定，转速超过200r/min即为超负荷。

能否形成理想的润滑，主要取决于摩擦副的运动形式、速度以及润滑油的性能等因素。活塞环在气缸套内全行程运动中的速度始终在变化(在上下止点的运动速度为零)，同时受到高温燃气的冲击作用，因此很难形成良好的润滑，这是活塞环工作条件恶劣的重要原因。尤其是活塞在上止点附近，润滑状态处于边界润滑，有时甚至是干摩擦状态。正常情况下，活塞头部和缸套之间不会产生摩擦，随着柴油机的运行，在活塞头的周围会产生积碳，这些积碳硬度大且难以清除，积碳的增多使活塞头部的直径增大，当活塞在气缸内运动时，头部的积碳同气缸套之间产生摩擦，不但会使气缸套的磨损率增大，同时会严重破坏润滑抽膜，使活塞环的磨损率明显增大。柴油机低转速、低负荷工作或进出港频繁用车，应适当增加气缸注油量。SULZER RTA 主机说明书比较详细的介绍了气缸油的正常供给量。每次调整的变化量最好不要超过0.05克/马力小时(0.068g/kw·h).

无论新船还是老龄船，适当延长磨合期，保证运行期的各参数在适当范围之内，对保证柴油机的正常运行和使用寿命，都至关重要。在柴油机换用新的缸套和/或活塞环后，一定要保持低速、低负荷下磨合足够的时间，同时在磨合期内要加大气缸油的注油量,这样可以避免在磨合期内，活塞环和气缸套表面由于形状和粗糙度等没有完全匹配，而使摩擦面过热发生过度磨损或拉缸。

定期打开扫气箱测量活塞环的搭口间隙，建立各活塞环的档案，同时通过扫气口检查活塞环、缸套、气缸油注油量等的基本情况，如发现有活塞环的粘着、断裂等现象时应及时吊缸检修。

结束语

活塞环故障，原因是多方面的，必须综合分析。预防措施是必须规范维修和使用，增加监控设备，丰富监控手段也是重要方面。

随着现代柴油机监控技术的发展，如油液分析技术，磨损监控技术，缸套油膜监控技术等新技术已经在新船上得到应用，这为轮机员分析判断活塞环及其缸内的工作状态提供了有利的依据。

当然，新技术也存在一些不完善的地方，像上述的SIPW A-TP系统有时误报普则会给轮机管理人员带来麻烦，但是如果由此把该系统看成累赞则是不可取的。然而过分依赖监测系统提供的数据也是不可取的，只有将自己的判断与监测系统提供的数据结合起来综合分析，并通过适当的拆检加以佐证，这样才能提高轮机管理人员的科学管理水平。

致谢

大学三年学习时光已经接近尾声，在此我想对我的母校，我的老师同学们表达我由衷的谢意。感谢我的家人对我大学三年学习的默默支持；感谢我的母校天津海运职业学院给了我在大学三年深造的机会，让我能继续学习和提高。老师们课堂上的激情洋溢，课堂下的谆谆教诲；同学们在学习中的认真热情，生活上的主动热心，所有的这些都让我的三年充满感动。这次我的毕业论文指导老师张晓强老师对我的关心和支持尤为重要。从选题到查阅资料，论文提纲的确定，中期论文的修改，后期论文格式调整等各个环节中都给予我悉心的指导。这几个月来，张老师不仅在学业上给以我指导，同时还在思想上给我以无微不至的关怀，在此向张晓强老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。感谢在整个毕业论文期间和我密切合作的同学，在此，我再一次真诚地向帮助过我的老师和同学表示感谢！

参考文献

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