2-3第三節(jié) 活塞環(huán)與氣缸套的摩擦磨損

1、第三節(jié)活塞環(huán)與氣缸套的摩擦磨損一、摩擦形式活塞環(huán)一氣缸套是柴油機(jī)中一對重要的具有往復(fù)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副。活塞環(huán)與氣缸套受到高溫、 高壓燃?xì)獾淖饔煤蜎_刷，產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力與熱應(yīng)力。工作表面受到腐蝕與嚴(yán)重的摩擦?；钊?往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度在行程中點(diǎn)最大、止點(diǎn)位置為零。所以，在惡劣的工作條件和低的運(yùn)動(dòng)速度下難于 形成理想的液體動(dòng)壓潤滑。一般來說，活塞行程的中部工作表面易于實(shí)現(xiàn)液體摩擦，形成液體動(dòng) 壓潤滑，在上、下止點(diǎn)附近工作表面間形成極薄的邊界油膜，實(shí)現(xiàn)邊界潤滑。氣缸中的高溫不利于液體油膜建立。因?yàn)楦邷兀節(jié)櫥驼扯冉档突蜓趸冑|(zhì)，使活塞頭部 變形影響正常配合間隙，使缸壁上已形成的油膜蒸發(fā)、氧化和燒損。形成油膜

2、的有利條件是：行 程中點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度最大；己形成的油膜在下一個(gè)行程被更新之前暴露在高溫中的時(shí)間極短，僅有幾 分之一秒；現(xiàn)代氣缸油中的添加劑使?jié)櫥偷目寡趸捕ㄐ源蟠筇岣撸鰪?qiáng)了高溫下保持油膜的 能三氣缸套的正常磨損柴油機(jī)的技術(shù)狀態(tài)和使用壽命很大程度上取決于氣缸套的磨損情況。在正常工作條件下氣缸 套磨損是不可避免的。一般只要?dú)飧滋椎哪p量在允許范圍之內(nèi) 最大允許磨損量為0.4%-0.8% 缸套內(nèi)徑)，氣缸套就處于正常工作狀態(tài)。氣缸套正常磨損的標(biāo)志氣缸套正常運(yùn)轉(zhuǎn)工況下正常磨損的特征是最大磨損部位在氣缸套上部，即活塞位于上止點(diǎn)時(shí) 第1、2道活塞環(huán)對應(yīng)的缸壁處，并沿缸壁向下磨損量逐漸減小，氣缸內(nèi)孔呈喇叭狀

3、。氣缸套左右 舷方向的磨損大于首尾方向的磨損。圖2-7為氣缸套正常磨損后缸壁縱向形狀和磨損量示意圖。正常磨損的參數(shù)：圓度誤差、圓柱度誤差、內(nèi)徑增量缸徑最大增量)小于說明書或有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值；缸套磨損率：鑄鐵缸套 0.1mm/kh,鍍鉻缸套在0.00.03mm/kh之間；氣缸工作表面清潔光滑，無明顯劃痕、擦傷等磨損痕跡。正常磨損原因(1處于邊界潤滑部位的局部金屬直接接觸引起的粘著磨損，或因過薄的油膜被工作表面的尖 鋒刺破，或因高溫、速度低等使油膜未能形成或遭破壞。(2進(jìn)入氣缸的新鮮空氣中的灰塵，燃油或滑油燃燒生成的各種氧化物、炭粒和灰分，潤滑油 中的機(jī)械雜質(zhì)及運(yùn)動(dòng)副的摩擦產(chǎn)物等均會(huì)引起磨粒磨損，

4、且以氣缸上部最為嚴(yán)重。(3燃油中硫分的燃燒產(chǎn)物對缸壁的硫酸腐蝕。由于活塞在上止點(diǎn)時(shí)第l道環(huán)對應(yīng)缸壁處含酸 量最大，為缸套下部的4倍，造成缸套上部嚴(yán)重的腐蝕磨損。氣缸上部燃?xì)鉁囟扰c壓力對硫酸露 點(diǎn)的影響，使上部凝結(jié)較多的酸。三、氣缸套的異常磨損異常磨損的特征氣缸套和活塞環(huán)的磨損率均很高，大大超過正常磨損率。一般鑄鐵缸套磨損率 0.1mm/kh 活塞環(huán)磨損率 0.5mm/kh。缸套工作表面臟污，有明顯的劃痕、擦傷、撕裂等拉缸和咬缸現(xiàn)象，或者缸壁表面發(fā)藍(lán)， 有明顯的燒灼現(xiàn)象。缸套工作表面形貌和金相組織發(fā)生變化。(3異常磨損的磨損產(chǎn)物顆粒較大。一般正常磨損的磨屑直徑1印，而異常磨損的磨屑直徑達(dá) 253

5、0網(wǎng)。氣缸套異常磨損在吊缸檢修時(shí)可以直觀判斷，或通過測量缸徑計(jì)算出的磨損率、內(nèi)徑增量(或 圓柱度誤差)和圓度誤差等來判斷。圖2-7 （b） （g）為缸套異常磨損后縱截面形狀和磨損量的示意圖。圖（bX（c）、（d）為典型的異常磨粒磨損。（b為缸套上部因新氣攜大量塵埃進(jìn)入氣缸和燃燒不 良產(chǎn)生大量積炭引起的磨損。（c為潤滑油中機(jī)械雜質(zhì)過多，筒狀活塞式柴油機(jī)缸套潤滑自下向上 布油，造成下部嚴(yán)重磨損。（d為上述兩種因素并存時(shí)造成的嚴(yán)重磨損。圖（e為缸套異常粘著磨損。特點(diǎn)是活塞位于上止點(diǎn)時(shí)第l道活塞環(huán)對應(yīng)缸壁磨損異常增大， 甚至出現(xiàn)大面積拉傷的拉缸現(xiàn)象。圖（f、（g）是典型的腐蝕磨損。（f）是燃油含硫量高

6、或柴油機(jī)經(jīng)常冷車起動(dòng)使缸套上部腐蝕磨 損嚴(yán)重，磨損量為正常磨損量的1一2倍。腐蝕產(chǎn)物脫落引發(fā)二次磨粒磨損，使缸套中部磨損加重， 磨損量為正常磨損的4一6倍。（g）是冷卻水溫過低導(dǎo)致的缸套下部嚴(yán)重腐蝕磨損。以上各種情況是典型的，原因是單一的，然而實(shí)船柴油機(jī)缸套磨損情況則是復(fù)雜的，原因是 多方面的。輪機(jī)員在分析缸套異常磨損原因時(shí)應(yīng)依實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)工況全面考慮，具體分析。異常磨損的原因船舶航行期間，柴油機(jī)氣缸套發(fā)生異常磨損主要是工作中的問題引起，在分析原因時(shí)應(yīng)首先 分析工作參數(shù)和維護(hù)管理工作對磨損的影響，這是研究問題的起點(diǎn)，解決問題的方向。1）燃油和燃燒的質(zhì)量燃油中的含硫量是氣缸套產(chǎn)生腐蝕磨損的重要原因，

7、燃油中含硫量超過0.7%1.0%時(shí)，磨損 急劇增加。因?yàn)楹蛄吭黾邮沽蛩崮Y(jié)溫度（即露點(diǎn)）升高，在氣缸工作條件下容易發(fā)生腐蝕。含硫 量高的燃油燃燒時(shí)生成較多的炭粒，并促進(jìn)積炭的形成，加重磨粒磨損。燃油中灰分含量高時(shí)，燃燒后生成金屬氧化物或金屬鹽，增加缸套的磨粒磨損。船用低速柴油機(jī)燃用低質(zhì)燃料油對缸套的磨損較燃用低硫柴油高2一3倍。燃料油中的沒有除 掉的極硬的硅酸鋁顆粒，嚴(yán)重增加了缸套的磨粒磨損。燃油燃燒不良，如燃燒不完全、后燃等均會(huì)使炭粒增加，磨損加重。2）冷卻水溫的管理氣缸套冷卻水溫控制不佳會(huì)使缸套磨損增加。一般來說冷卻水出口溫度過低，使缸壁溫度過 低，硫酸腐蝕加熏；冷卻水出口溫度過高，缸壁

8、冷卻不良，溫度較高，致使缸壁上油膜蒸發(fā)，滑 油氧化，積炭嚴(yán)重，導(dǎo)致粘著磨損。同時(shí)，缸壁溫度過高不僅熱負(fù)荷增加還影響活塞環(huán)的散熱， 使環(huán)的磨損加重。實(shí)踐證明，適當(dāng)提高缸套冷卻水出口溫度，使缸套表面溫度高于露點(diǎn)，可有效地防止腐蝕， 減少磨損。一般出口溫度控制在8595C時(shí)缸套磨損量較小。3）潤滑油的管理活塞環(huán)與缸套工作表面間的邊界油膜極薄，它有賴于潤滑油中極性團(tuán)的物質(zhì)。合適的潤滑油 或含有極性添加劑的潤滑油能夠形成承受較高負(fù)荷的邊界油膜。潤滑油的其他品質(zhì)，如抗氧化安 定性、殘?zhí)恐档纫怖跉飧诐櫥?。柴油機(jī)燃用低質(zhì)燃油時(shí)，氣缸油的堿值應(yīng)與其匹配，以中和燃油燃燒時(shí)產(chǎn)生的酸，有效地降 低腐蝕磨損。因此，潤

9、滑油品質(zhì)不良或不適，堿值不當(dāng)或輪機(jī)員對潤滑油管理、使用不善，如油壓不足、斷油、長期使用不化驗(yàn)、不更換以致滑油變質(zhì)等，均會(huì)引起缸套異常磨損。四、活塞環(huán)與氣缸套的磨合柴油機(jī)或運(yùn)動(dòng)副在投入正常運(yùn)轉(zhuǎn)之前應(yīng)進(jìn)行磨合，這一過程絕對不可省略?；钊h(huán)與套磨合 不良就投入運(yùn)轉(zhuǎn)，必然會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的粘著磨損，不磨合就更不具備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的條件，所以，磨合 運(yùn)轉(zhuǎn)是決定柴油機(jī)工作壽命的重要階段。一臺(tái)新造柴油機(jī)在制造廠臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行磨合運(yùn)轉(zhuǎn)。裝船后，配合精度、工作參數(shù)等都可能 發(fā)生變化，所以開航前還需進(jìn)行嚴(yán)格的磨合運(yùn)轉(zhuǎn)。船舶營運(yùn)中主、副柴油機(jī)的運(yùn)動(dòng)副損壞后成對 更換或只更換其一時(shí)，在投入正常運(yùn)轉(zhuǎn)前也需要進(jìn)行磨合運(yùn)轉(zhuǎn)。柴油機(jī)吊缸

10、檢修中更換氣缸套或活塞環(huán)時(shí)，在投入額定(使用)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)之前均需磨合運(yùn)轉(zhuǎn)?；?塞環(huán)與氣缸套良好磨合，消除表面的初始粗糙度。形成適于工作條件下保持油膜的形貌，如圖2-8 所示。若磨合不良，可能在運(yùn)轉(zhuǎn)初期甚至磨合期中發(fā)生拉缸事故，如有的新造船舶在重載試航時(shí) 產(chǎn)生磨合拉缸，致使船舶不能如期出廠投入營運(yùn)?；钊h(huán)一氣缸套磨合良好的標(biāo)志活塞環(huán)一氣缸套磨合運(yùn)轉(zhuǎn)后，可盤車從氣口觀察或吊缸檢查，如具有以下情況視為良好磨合:缸壁表面潤濕、光亮、清潔、無油污和積炭，或油污不嚴(yán)重且易清除；工作表面無明顯磨損、拉痕等；環(huán)表面上有一圈發(fā)亮的磨合帶，環(huán)在環(huán)槽中活動(dòng)自如。如果情況恰與上述相反，則表明磨合不良，甚至產(chǎn)生磨合拉缸的

11、嚴(yán)重情況。實(shí)現(xiàn)活塞環(huán)一氣缸套良好磨合的關(guān)鍵影響磨合質(zhì)量的關(guān)鍵是管理和工藝方面的因素。潤滑磨合運(yùn)轉(zhuǎn)中的潤滑不僅應(yīng)有利于油膜的形成和保持，還應(yīng)有利于磨合。為此，對氣缸潤滑油 的粘度、總堿值及注油量等均應(yīng)注意。理想的油膜應(yīng)均勻地覆蓋在整個(gè)氣缸工作表面上，充分潤滑氣缸和充分中和缸壁上的酸，避 免局部磨損增大。低粘度氣缸油具有良好的均布性和散熱性，有利于磨合。磨合運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)加速磨損的過程，在短時(shí)間內(nèi)獲得初期有效的磨損和用較短的時(shí)間完 成磨合。為了滿足上述要求，氣缸油總堿值應(yīng)與燃油含硫量匹配，以充分中和缸壁上的硫酸，降 低腐蝕磨損。燃用重油時(shí)磨合運(yùn)轉(zhuǎn)應(yīng)選用低堿值氣缸油，以加速磨損。如選用高堿值氣缸油

12、則易 發(fā)生拉缸故障，堿值越高拉缸發(fā)生率越大。因?yàn)楦邏A值氣缸油降低磨損，延長磨合期，當(dāng)負(fù)荷增 大時(shí)摩擦表面金屬粘著而產(chǎn)生拉缸。圖2-9為磨合時(shí)氣缸油堿值對氣缸的影響。實(shí)踐證明，低速二沖程柴油機(jī)在磨合過程中不同運(yùn)轉(zhuǎn)階段選用不同堿值氣缸油可獲良好磨合 效果。磨合初期選用不含堿性的純礦物油，隨后選用中度堿值氣缸油，最后使用高堿值氣缸油。 圖2-10為某造機(jī)廠柴油機(jī)磨合時(shí)氣缸油分段選用情況。磨合時(shí)應(yīng)加大氣缸油注油量，有利于油膜形成，改善活塞環(huán)與氣缸的密封性，清除摩擦表面 上的積炭污物。磨合開始后24h內(nèi)以最大極限供油量磨合運(yùn)轉(zhuǎn)，以后按程序逐漸減少注油量，最 后恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的注油量。表2-2為Sulze

13、r RTA型柴油機(jī)新機(jī)磨合程序和供油率。定距槳主機(jī)變距槳主機(jī)氣缸油供油率額定轉(zhuǎn)速(%)磨合時(shí)間(h)額定功率(% )磨合時(shí)間(h)約 g/(kWh)約 g/(kWh)約701約30132.2約751約40132.2約801約50132.2約852約6022.51.8約903約7532.51.8約906約85621.510101.51.1表2-2表2-2Sulzer RTA型柴油機(jī)磨合程序與供油率摩擦表面形貌活塞環(huán)和氣缸套的工作表面形貌要有利于磨合。通?；钊h(huán)和氣缸套的材料均采用耐磨鑄鐵。 為了提高表面的磨合性和抗拉缸性能，對零件表面進(jìn)行改性處理，使零件工作表面覆蓋一層耐磨 和有利于磨合的金屬，

14、或者對零件表面采用特殊的加工方法使之具有適于磨合的初始粗糙度?；钊h(huán)外圓表面采用磷化、氧化、鍍錫或鍍銅等工藝，在表面上分別形成一層磷化膜、氧化 鐵膜或鍍層，來改善環(huán)表面的初期磨合性能和抗拉缸性能。此外，還可在環(huán)外圓表面噴鋁，使表 面的抗拉缸性能更好。氣缸套內(nèi)圓表面采用磷化處理、松孔鍍鉻等工藝，使在表面形成多孔的磷化膜或鉻鍍層，可 提高磨合效果和抗拉缸性能。缸套內(nèi)圓表面采用珩磨加工或波紋切削，使表面形成具有最佳初始 粗糙度的特殊形貌，保證必要的磨合磨損和要求的磨損速度。圖2-11為RD型柴油機(jī)氣缸套工作 表面波紋切削后的特殊螺紋形貌?？茖W(xué)合理的磨合程序磨合運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)要求負(fù)荷、轉(zhuǎn)速和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的分配必須

15、科學(xué)合理，才能順利完成磨合。低負(fù)荷下 長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，表面很難達(dá)到初期有效磨損，延誤適時(shí)投入正常運(yùn)轉(zhuǎn)，很不經(jīng)濟(jì)；短時(shí)間高負(fù)荷下額 定負(fù)荷)運(yùn)轉(zhuǎn)，容易造成過度磨損，產(chǎn)生漏氣或拉缸。為了在較短時(shí)間內(nèi)使工作表面達(dá)到初期有效 磨損，形成適合工作條件下保持油膜的表面形貌，應(yīng)按照一定的原則制訂磨合運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速與時(shí)間 分配或負(fù)荷與時(shí)間分配的磨合程序。磨合程序應(yīng)依照轉(zhuǎn)速由低到高、負(fù)荷由小到大、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間分 配合理的原則制訂。制訂磨合程序時(shí)定距槳主機(jī)應(yīng)按轉(zhuǎn)速一時(shí)間分配、變距槳應(yīng)按負(fù)荷或功率一時(shí)間分配進(jìn)行磨 合運(yùn)轉(zhuǎn)，如表2-2五、減少氣缸套磨損的途徑船舶主、副柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間，減少氣缸套磨損、防止產(chǎn)生異常磨損的重要措施就是加強(qiáng)維護(hù) 管理，主要從以下途徑實(shí)現(xiàn)：加強(qiáng)燃油和燃燒的管理燃油質(zhì)量及其燃燒質(zhì)量直接影響缸套磨損。加強(qiáng)燃油品質(zhì)的選擇和凈化處理可有效地防止和 減少腐蝕磨損和磨粒磨損。對目前船上廣泛使用的低質(zhì)燃油的缺點(diǎn)粘度高、雜質(zhì)和硫分大等)采取 相應(yīng)措施，以減少其所引起的各種磨損。保證燃油的完全燃燒，防止和減少因燃燒不良引起的磨 損。保證良好的氣缸潤滑條件加強(qiáng)氣缸潤滑的日常管理，對潤滑油品質(zhì)的選擇，凈