船用柴油機(jī)活塞環(huán)故障分析畢業(yè)論文

1、天津海運(yùn)職業(yè)學(xué)院畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 題 目:船舶柴油機(jī)活塞環(huán)故障分析系 名:輪機(jī)工程系專(zhuān) 業(yè):輪機(jī)工程技術(shù)班 級(jí): 10-01(高職學(xué) 號(hào): xxxxxxxxxxx姓 名: xxxxxx指導(dǎo)教師: xxxxxx xxxxxx 完成日期: 2013年 4月 10日目錄1. 活塞環(huán)的工作條件 -22. 活塞環(huán)的主要故障 -33. 影晌活塞環(huán)工作的主要因素 -4 3.1活塞環(huán)硬度和缸套硬度匹配 -5 3.2活塞環(huán)搭口間隙 -6 3.3活塞環(huán)和缸套的幾何配合狀況 -7 3.4活塞環(huán)槽 -8 3.5燃油品質(zhì)和氣杠油量 -9 3.6日常維護(hù)修理 -10 結(jié)束語(yǔ) -11 致謝 -11 參考文獻(xiàn) -12

2、內(nèi)容摘要活塞環(huán)是柴油機(jī)燃燒室的組成零件之一。 具有保持活塞與氣缸套之間有效密封的 作用和將活塞熱量傳遞給汽缸壁的散熱作用, 以及調(diào)節(jié)氣缸潤(rùn)滑油的作用。 活塞環(huán)又 是柴油機(jī)的易損零件。主要損壞形式有:過(guò)度磨損、折斷、粘著、和彈力喪失等。此 文通過(guò)對(duì)活塞環(huán)故障實(shí)例的分析, 闡述了產(chǎn)生故陣的主要原因和主要影響因素, 對(duì)日 常運(yùn)行管理提出了切實(shí)可行的建議,還對(duì)新型活塞環(huán)磨損監(jiān)控系統(tǒng)作了簡(jiǎn)單介紹。關(guān)健詞 活塞環(huán) 搭口間隙 故障 維護(hù)管理 影響 監(jiān)控前言活塞環(huán)的主要作用是密封燃燒室, 保證活塞到達(dá)上止點(diǎn)時(shí), 燃燒室內(nèi)的新鮮空氣 有足夠的溫度和壓力,滿(mǎn)足燃油自燃的溫度,并使燃燒迅速、及時(shí)和完善 ; 切實(shí)保證

3、 氣缸內(nèi)高壓燃?xì)馀蛎涀鞴Χ恍孤? 對(duì)燃油燃燒和柴油機(jī)的工作狀態(tài)起著至關(guān)重要的 作用。眾所周知,活塞環(huán)的密封作用,是靠活塞環(huán)本身的彈性,和在氣缸內(nèi)氣體壓力 的作用下緊貼于氣缸壁和活塞環(huán)槽平面來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 但是, 活塞環(huán)和氣缸套這對(duì)摩擦副 工作條件非常惡劣, 摩擦損失占到整個(gè)柴油機(jī)摩擦損失功率的 55%-65%。 活塞環(huán)運(yùn) 行中的管理和維護(hù),對(duì)保證柴油機(jī)的安全可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行顯得尤為重要。第一章 活塞環(huán)的工作條件船用十字頭式長(zhǎng)沖程低速柴油機(jī)中,每個(gè)活塞大約有 4-6道氣環(huán)。第一道活塞 環(huán)直接受到高溫高壓燃?xì)獾淖饔?; 其它環(huán)由于燃?xì)饨?jīng)活塞環(huán)的搭口,氣缸壁面和環(huán)槽 處的漏泄, 也受到燃?xì)獠煌潭鹊淖饔?/p>

4、。 通常氣缸內(nèi)氣體經(jīng)上兩道氣環(huán)密封后, 第二 道環(huán)下方氣體壓力下降到氣缸內(nèi)壓力的 10%左右。 因此, 密封的主要作用是靠上面兩 道氣環(huán)。工作中, 活塞環(huán)被活塞帶動(dòng)相對(duì)于氣缸套做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 由于氣體壓力, 活塞往復(fù) 運(yùn)動(dòng)的慣性力, 活塞環(huán)與氣缸套之間產(chǎn)生的摩擦力, 以及活塞橫向振動(dòng)和氣口掛碰等 作用,使活塞環(huán)在環(huán)槽中產(chǎn)生十分復(fù)雜的運(yùn)動(dòng),其中有 :軸向運(yùn)動(dòng)、徑向運(yùn)動(dòng)、回轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng),扭曲振動(dòng)等。由于氣缸套壁面失國(guó)、存在錐度,活塞環(huán)在本身彈力作用下還要 產(chǎn)生張合的交變運(yùn)動(dòng)?；钊h(huán)在高溫高壓下工作, 潤(rùn)滑條件較差, 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)十分復(fù)雜, 使環(huán)同氣缸套及 環(huán)槽之間產(chǎn)生嚴(yán)重的磨擦。 柴油機(jī)運(yùn)行中, 還會(huì)因燃燒

5、不良, 滑油過(guò)多將活塞環(huán)粘著 在環(huán)槽中,使活塞環(huán)失去密封作用,甚至損壞。第二章 活塞環(huán)的主要故障活塞環(huán)的主要故障有折斷、 粘著、 拉缸和異常磨損等。 當(dāng)上述一種或一種以上故 障同時(shí)發(fā)生時(shí), 一般會(huì)伴隨著排氣溫度升高、 排氣冒黑煙及缸套冷卻水沮度升高等現(xiàn) 象的發(fā)生。例如某輪主機(jī)為 MAN B&W6L60MC(E型柴油機(jī),運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)第一缸和第三缸 運(yùn)行異常, 導(dǎo)致主機(jī)啟動(dòng)困難 ; 空載主機(jī)轉(zhuǎn)速為 84 r/min時(shí), 油門(mén)竟達(dá) 72格 (以前正常 時(shí)只有 58格 ; 同時(shí)伴有主機(jī)透平喘振 ; 減速運(yùn)行也沒(méi)見(jiàn)有明顯的改觀。測(cè)量各缸示功 圖發(fā)現(xiàn),第一缸和第三缸的壓縮壓力分別為 5. 6MPa和 5.

6、4MPa,而其它缸壓縮壓力 則為 6. 3MPa 左右。吊缸發(fā)現(xiàn) :第一缸,除最下面一道活塞環(huán)正常外,其余各道活塞 環(huán)全部折斷為碎塊狀 (最長(zhǎng)的一段也不足 20cm ,環(huán)的徑向厚度最薄處僅為 12. 4mm(最大處為 16. 9mm,且燒損嚴(yán)重 ; 第三缸,第一道活塞環(huán)嚴(yán)重粘著在環(huán)槽中,其 余各道都發(fā)生了不同形式的斷裂。又如某輪主機(jī)型號(hào) SULZER 6RTA62,當(dāng)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)約 7千小時(shí),應(yīng)該是很好管理的 機(jī)器。 某航次開(kāi)航第一天就發(fā)生了主機(jī)第一缸掃氣箱著火爆炸, 排煙溫度超乎異常的 升高,渦輪增壓器轉(zhuǎn)速迅速上升并發(fā)出嘯叫聲。緊急停車(chē)后,立即組織第一缸吊缸, 清潔檢查掃氣道和排煙管,發(fā)現(xiàn) :有兩

7、道活塞環(huán)磨損已超出極限 (盡管主機(jī)僅運(yùn)行 7千 小時(shí) ; 其余的也已磨損 1. 3mm; 活塞環(huán)槽嚴(yán)重積碳 ; 第一道和第二道活塞環(huán)搭口粘在一 起 ; 四周呈不均勻磨損狀態(tài) ; 掃氣箱中所有的口琴閥基本上已燒壞或變形 ; 活塞桿氣封 彈黃均已斷裂 ; 掃氣箱油泥沉積高達(dá) 20cm ?；钊h(huán)異常磨損引起增壓器損壞。 活塞環(huán)故障使其密封性能降低或喪失后, 會(huì)發(fā) 生不同程度的氣缸竄氣, 這樣氣缸內(nèi)的新鮮空氣會(huì)明顯減少、 相應(yīng)壓縮壓力降低, 導(dǎo) 致排氣溫度升高。 排氣溫度的升高, 使廢氣的能量較正常情況下有明顯的增加, 增壓 器的轉(zhuǎn)速升高,掃氣壓力升高 ; 而柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速基本不變,柴油機(jī)空氣消耗量也基

8、本 穩(wěn)定 ; 同時(shí)斷環(huán)和粘著將會(huì)使燃?xì)獍l(fā)生倒灌到掃氣箱,嚴(yán)重時(shí)將會(huì)發(fā)生掃氣箱著火, 這些因素造成了增壓器的背壓升高, 因而發(fā)生增壓器喘振, 甚至損壞增壓器。 據(jù) NKK 船級(jí)社統(tǒng)計(jì),裝有 SULZER RTA 主機(jī)的船舶 ,1993年以前,有 10多臺(tái)主機(jī)渦輪增壓 器因活塞壞異常磨損而損壞 ;1993年又有 23條船發(fā)生類(lèi)似故障 ;1994年故障又呈上升 趨勢(shì)。 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)同時(shí)表明, 有多條船舶是重復(fù)發(fā)生類(lèi)似故障, 其損壞的形式是活塞環(huán)異常磨損后, 不能有效密封燃燒室, 高溫高壓燃?xì)獾垢Z, 火星點(diǎn)燃具有適宜燃燒條件 的掃氣箱,引起掃氣箱燃燒,大煙氣進(jìn)人氣缸,形成不完全燃燒,隨之氣體攜帶未燃 盡的

9、顆粒狀油氣進(jìn)人排煙管, 在排煙管中繼續(xù)燃燒, 廢氣能量急劇增加, 使渦輪增壓 器超速, 軸承承受不了, 破損后導(dǎo)致轉(zhuǎn)子和外殼破壞, 還可能導(dǎo)致口琴閥組損壞和活 塞桿氣封彈簧斷裂。通常這種損壞過(guò)程僅需 3-4分鐘就能完成,所以要求值班輪機(jī) 員和輪機(jī)長(zhǎng)特別注意。第三章 影響活塞環(huán)工作的主要因素3.1 活塞環(huán)硬度和缸套硬度匹配通常 SULZER 主機(jī)缸套有兩種類(lèi)型,一種硬度相對(duì)較硬,另一種則較軟。一般 歐洲和中國(guó)的專(zhuān)利廠均生產(chǎn)后一種缸套, 而日本的制造廠則生產(chǎn)前面一種。 對(duì)應(yīng)于兩 種缸套,配備有各種硬度的活塞環(huán),如果選擇不當(dāng),則會(huì)造成缸套磨損過(guò)快,或是活 塞環(huán)磨損過(guò)快。 應(yīng)當(dāng)首先了解主機(jī)現(xiàn)裝缸套的硬

10、度, 然后再?zèng)Q定訂購(gòu)什么硬度的活塞 環(huán),不能盲目訂購(gòu),以免造成異常磨損,帶來(lái)?yè)p失。3.2 活塞環(huán)搭口間隙活塞環(huán)的搭口間隙可以保證活塞環(huán)在工作時(shí)有足夠的受熱膨脹余地, 同時(shí)可以使 活塞環(huán)在正常工作時(shí)有一定的周向運(yùn)動(dòng)。活塞環(huán)搭口間隙過(guò)小, 會(huì)使活塞環(huán)在工作時(shí)的熱膨脹受到限制而在搭口處產(chǎn)生擠 壓,從而容易在搭口的對(duì)側(cè)發(fā)生環(huán)的折斷現(xiàn)象。由于活塞環(huán)和氣缸套在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生磨損, 環(huán)的搭口間隙會(huì)逐漸增大。 活塞環(huán)的 徑向力, 主要是環(huán)自身的彈力, 和氣體作用在環(huán)背的氣體力。 搭口間隙的存在使氣體 力的合力方向朝環(huán)內(nèi)圓面分體,如圖 1所示。 當(dāng)搭口間隙過(guò)大時(shí), 會(huì)在搭口的對(duì)側(cè)產(chǎn)生較大磨損, 同時(shí)也圖 1活塞環(huán)

11、受力圖使 環(huán)的徑向厚度減小, 彈性降低, 嚴(yán)重時(shí)造成環(huán)的斷裂, 如果環(huán)槽結(jié)碳嚴(yán)重則容易發(fā)生 環(huán)粘著故庫(kù)?；钊h(huán)搭口間隙的大小是判斷活塞環(huán)磨損情況的重要指標(biāo), 因此在日常管理過(guò)程 中, 運(yùn)行一定的時(shí)間后就應(yīng)當(dāng)側(cè)量活塞環(huán)的搭口間隙。 側(cè)量時(shí)可制作專(zhuān)用的測(cè)量工具, 使其同活塞環(huán)直徑相適應(yīng)。 在柴油機(jī)停車(chē)時(shí), 進(jìn)人到掃氣室通過(guò)掃氣口進(jìn)行側(cè)量, 同時(shí)可利用此機(jī)會(huì)檢查活塞環(huán)的工作面狀況及有無(wú)粘著現(xiàn)象。 當(dāng)發(fā)現(xiàn)有活塞環(huán)粘著現(xiàn)象 時(shí),應(yīng)及時(shí)吊缸檢修。側(cè)取的搭口間隙數(shù)值,一是要同說(shuō)明書(shū)中要求的數(shù)值比較,以 判斷搭口間隙是否超過(guò)極限 ; 二是要同上一次側(cè)量的搭口間晾比較,判斷活塞環(huán)的磨 損率, 如果在一定的時(shí)間間

12、隔內(nèi), 活塞環(huán)的磨損率突然增大, 則應(yīng)查找原因予以解決。 實(shí)踐證明, 雖然定期測(cè)量搭口間隙會(huì)給輪機(jī)管理人員帶來(lái)額外的工作量, 但對(duì)柴 油機(jī)的維護(hù)管理和故障預(yù)防可以起到事半功倍的作用。3.3 活塞環(huán)和缸套的幾何配合狀況隨著柴油機(jī)的運(yùn)行, 氣缸套會(huì)產(chǎn)生不均勻磨損, 在周向和軸向會(huì)分別產(chǎn)生橢圓度、 錐度和不圓柱度?；钊h(huán)在氣缸內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)時(shí),活塞環(huán)會(huì)產(chǎn)生周期性的張合運(yùn)動(dòng) ; 同 時(shí)活塞環(huán)的橢圓度同缸套的橢國(guó)度不可避免會(huì)有誤差, 特別是換用新的活塞環(huán)后, 在 活塞環(huán)和缸套的密封配合面上會(huì)產(chǎn)生不同程度的漏光度。 通常要求新的活塞環(huán)安裝在 氣缸中時(shí)總的周向漏光度要小于 90度,連續(xù)漏光度要小于 30度,在搭

13、口兩側(cè)的 30度范圍之內(nèi)不能有漏光,一般質(zhì)量好的新活塞環(huán)都能達(dá)到上述要求。 圖 2檢查安裝新的備件活塞環(huán)時(shí),必須認(rèn)真檢查環(huán)的幾何尺寸 (厚度,高度,直徑等 及表 面光潔度, 尤其注意檢查彈性。 彈性的大小檢驗(yàn)可通過(guò)用力將自由狀態(tài)下活塞環(huán)的搭 口閉合或?qū)㈤_(kāi)口增大一倍,看其放松后開(kāi)口間隙的變化量是否小于原開(kāi)口間隙的 10%,否則彈性過(guò)小。也可以將備用環(huán)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)共同施加相同的力,比較圖 2備用環(huán)檢 查示意圖兩環(huán)開(kāi)口間隙的大小,其方法如圖 2所示。3.4 活塞環(huán)槽柴油機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中, 活塞環(huán)不僅隨著活塞在缸套中作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng), 而且在環(huán) 槽內(nèi)作著徑向的、周向的復(fù)雜的交變運(yùn)動(dòng),支持、制約活塞環(huán)的環(huán)槽的形狀

14、,影響甚 大。 活塞環(huán)槽的磨損主要由于活塞環(huán)在槽中的扭曲變形引起。 由于長(zhǎng)期使用, 在活塞環(huán)的扭曲作用下活塞環(huán)會(huì)產(chǎn)生不均勻磨損 ; 同時(shí),活塞頭部在工作時(shí)會(huì)受熱變形使環(huán) 槽縮小且向下傾斜, 影響活塞環(huán)同環(huán)摘的正常配合, 使環(huán)在環(huán)槽中呈傾斜狀態(tài)。 因此, 在吊缸檢修時(shí)要仔細(xì)測(cè)量環(huán)槽的幾何尺寸,如圖 3所示。 若發(fā)現(xiàn)環(huán)槽傾田 3環(huán)槍幾何尺寸斜過(guò)大或磨損過(guò)大形成了凸臺(tái)時(shí), 應(yīng)用手持砂輪將凸 臺(tái)磨平或送廠進(jìn)行恢復(fù)性修理。 查閱某輪主機(jī)的檢修記錄, 發(fā)現(xiàn)某缸連續(xù)幾次吊缸都 是由于第 4道活塞環(huán)斷裂,而且運(yùn)行時(shí)間都很短。吊缸發(fā)現(xiàn)該環(huán)槽已經(jīng)磨成喇叭形 . 環(huán)槽下表面異常磨損并呈明顯的錐形,活塞環(huán)換新只運(yùn)行

15、650小時(shí)左右就粉碎性斷 裂,最后只好更換活塞頭。3.5 燃油品質(zhì)和氣缸油量爆發(fā)壓力與壓縮壓力之差,對(duì)活塞環(huán)的影響很大。不同產(chǎn)地、不同標(biāo)號(hào)的燃油, 理化性能相差甚大, 而燃油的品質(zhì)對(duì)爆發(fā)壓力的影響是相當(dāng)直接的。 由于加油港經(jīng)常 變動(dòng),船上常使用不同國(guó)家、廠家的燃油。因產(chǎn)地和煉油工藝的不同,其性能指標(biāo)也 不同,不能使用同樣的方法對(duì)燃油進(jìn)行處理 (例如分油機(jī)比重環(huán)直徑的大小,對(duì)不同 比重的燃油,在不同加熱溫度時(shí)有不同的要求 。燃油中的灰分過(guò)高,將加劇活塞環(huán) 和缸套的磨損,必然影響柴油機(jī)的燃燒過(guò)程,造成燃燒室內(nèi)溫度過(guò)高。過(guò)多的氣缸油, 由于泵油作用在環(huán)槽處形成積碳, 當(dāng)氣缸內(nèi)溫度過(guò)高時(shí)積聚的滑 油燃

16、燒,為活塞環(huán)的枯著和折斷創(chuàng)造了條件。3.6 日常維護(hù)修理做好各項(xiàng)日常管理工作,對(duì)避免活塞環(huán)故障有重要作用。正常運(yùn)行過(guò)程中, 要控制冷卻水、 冷卻油等的溫度和壓力在要求的范圍內(nèi), 同時(shí) 要注意參數(shù)的比較,最重要的是各參數(shù)的變化速度 ; 定期側(cè)量示功圖,通過(guò)分析壓縮 壓力,最大爆發(fā)壓力,燃燒始點(diǎn),負(fù)荷分配等,判斷燃燒過(guò)程的好壞和氣缸、活塞環(huán) 等零部件的工作狀態(tài) ; 發(fā)現(xiàn)有故障預(yù)兆,要及時(shí)查找原因,并采取相應(yīng)處理措施。 長(zhǎng)期低負(fù)荷和超負(fù)荷運(yùn)行都不是科學(xué)使用主機(jī)的方法。 前者是操作者對(duì)主機(jī)缺乏認(rèn)識(shí),心中沒(méi)底,追求暫時(shí)的太平,消極被動(dòng)管理,將會(huì)引起惡性循環(huán) ; 后者則是盲 目開(kāi)英雄車(chē),工作于超負(fù)荷區(qū)域,

17、加快了活塞環(huán)的磨損。該主機(jī)制造廠規(guī)定,轉(zhuǎn)速超 過(guò) 200r/min即為超負(fù)荷。能否形成理想的潤(rùn)滑, 主要取決于摩擦副的運(yùn)動(dòng)形式、 速度以及潤(rùn)滑油的性能等 因素。活塞環(huán)在氣缸套內(nèi)全行程運(yùn)動(dòng)中的速度始終在變化 (在上下止點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度為 零 ,同時(shí)受到高溫燃?xì)獾臎_擊作用,因此很難形成良好的潤(rùn)滑,這是活塞環(huán)工作條 件惡劣的重要原因。 尤其是活塞在上止點(diǎn)附近, 潤(rùn)滑狀態(tài)處于邊界潤(rùn)滑, 有時(shí)甚至是 干摩擦狀態(tài)。正常情況下,活塞頭部和缸套之間不會(huì)產(chǎn)生摩擦,隨著柴油機(jī)的運(yùn)行, 在活塞頭的周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生積碳, 這些積碳硬度大且難以清除, 積碳的增多使活塞頭部的 直徑增大, 當(dāng)活塞在氣缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí), 頭部的積碳同氣缸套

18、之間產(chǎn)生摩擦, 不但會(huì)使氣 缸套的磨損率增大, 同時(shí)會(huì)嚴(yán)重破壞潤(rùn)滑抽膜, 使活塞環(huán)的磨損率明顯增大。 柴油機(jī) 低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷工作或進(jìn)出港頻繁用車(chē),應(yīng)適當(dāng)增加氣缸注油量。 SULZER RTA主機(jī)說(shuō)明書(shū)比較詳細(xì)的介紹了氣缸油的正常供給量。 每次調(diào)整的變化量最好不要超過(guò) 0.05克 /馬力小時(shí) (0.068g/kwh.無(wú)論新船還是老齡船,適當(dāng)延長(zhǎng)磨合期,保證運(yùn)行期的各參數(shù)在適當(dāng)范圍之內(nèi), 對(duì)保證柴油機(jī)的正常運(yùn)行和使用壽命,都至關(guān)重要。在柴油機(jī)換用新的缸套和 /或活 塞環(huán)后, 一定要保持低速、 低負(fù)荷下磨合足夠的時(shí)間, 同時(shí)在磨合期內(nèi)要加大氣缸油 的注油量 , 這樣可以避免在磨合期內(nèi),活塞環(huán)和氣缸套表面由于形狀和粗糙度等沒(méi)有 完全匹配,而使摩擦面過(guò)熱發(fā)生過(guò)度磨損或拉缸。定期打開(kāi)掃氣箱測(cè)量活塞環(huán)的搭口間隙, 建立各活塞環(huán)的檔案, 同時(shí)通過(guò)掃氣口 檢查活塞環(huán)、缸套、氣缸油注油量等的基本情況,如發(fā)現(xiàn)有活塞環(huán)的粘著、斷裂等現(xiàn) 象時(shí)應(yīng)及時(shí)吊缸檢修。結(jié)束語(yǔ) 活塞環(huán)故障， 原因是多方面的， 必須綜合分析。 預(yù)防措施是必須規(guī)范維修和使用， 增加監(jiān)控設(shè)備，豐