船用柴油機活塞環(huán)故障分析畢業(yè)論文

1、天津海運職業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目： 船舶柴油機活塞環(huán)故障分析 系 名： 輪機工程系 專 業(yè)： 輪機工程技術(shù) 班 級： 10-01（高職） 學(xué) 號： 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-43.1活塞環(huán)硬度和缸套硬度匹配-53.2活塞環(huán)搭口間隙-63.3活塞環(huán)和缸套的幾何配合狀況-73.4活塞環(huán)槽-83.5燃油品質(zhì)和氣杠油量-93.6日常維護修理-10結(jié)束語-11致謝-11參考文獻(xiàn)-12內(nèi)容摘要活塞環(huán)是柴油機燃燒室的組

2、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)氣缸潤滑油的作用?；钊h(huán)又是柴油機的易損零件。主要損壞形式有：過度磨損、折斷、粘著、和彈力喪失等。此文通過對活塞環(huán)故障實例的分析，闡述了產(chǎn)生故陣的主要原因和主要影響因素，對日常運行管理提出了切實可行的建議，還對新型活塞環(huán)磨損監(jiān)控系統(tǒng)作了簡單介紹。關(guān)健詞 活塞環(huán) 搭口間隙 故障 維護管理 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)上止點時，燃燒室內(nèi)的新鮮空氣有足夠的溫度和壓力，滿足燃油自燃的溫度，并使燃燒迅速、及時和完善;切實保證氣缸內(nèi)高壓燃?xì)馀蛎涀鞴Χ恍孤瑢θ加腿紵筒裼蜋C的工作

3、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)槽平面來實現(xiàn)的。但是，活塞環(huán)和氣缸套這對摩擦副工作條件非常惡劣，摩擦損失占到整個柴油機摩擦損失功率的55%-65%?；钊h(huán)運行中的管理和維護，對保證柴油機的安全可靠和經(jīng)濟運行顯得尤為重要。第一章 活塞環(huán)的工作條件 船用十字頭式長沖程低速柴油機中，每個活塞大約有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?。通常氣缸?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

4、此，密封的主要作用是靠上面兩道氣環(huán)。 工作中，活塞環(huán)被活塞帶動相對于氣缸套做往復(fù)運動。由于氣體壓力，活塞往復(fù)運動的慣性力，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)雜的運動，其中有:軸向運動、徑向運動、回轉(zhuǎn)運動，扭曲振動等。由于氣缸套壁面失國、存在錐度，活塞環(huán)在本身彈力作用下還要產(chǎn)生張合的交變運動。 活塞環(huán)在高溫高壓下工作，潤滑條件較差，運動狀態(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。柴油機運行中，還會因燃燒不良，滑油過多將活塞環(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

5、異常磨損等。當(dāng)上述一種或一種以上故障同時發(fā)生時，一般會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。 例如某輪主機為MAN B&W6L60MC(E)型柴油機，運行中發(fā)現(xiàn)第一缸和第三缸運行異常，導(dǎo)致主機啟動困難;空載主機轉(zhuǎn)速為84 r/min時，油門竟達(dá)72格(以前正常時只有58格);同時伴有主機透平喘振;減速運行也沒見有明顯的改觀。測量各缸示功圖發(fā)現(xiàn)，第一缸和第三缸的壓縮壓力分別為5. 6MPa和5. 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(最長的一段也不足20cm )，環(huán)的徑向厚度

6、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。 又如某輪主機型號SULZER 6RTA62，當(dāng)時運轉(zhuǎn)約7千小時，應(yīng)該是很好管理的機器。某航次開航第一天就發(fā)生了主機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):有兩道活塞環(huán)磨損已超出極限(盡管主機僅運行7千小時);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

7、彈黃均已斷裂;掃氣箱油泥沉積高達(dá)20cm。 活塞環(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，會發(fā)生不同程度的氣缸竄氣，這樣氣缸內(nèi)的新鮮空氣會明顯減少、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;而柴油機的轉(zhuǎn)速基本不變，柴油機空氣消耗量也基本穩(wěn)定;同時斷環(huán)和粘著將會使燃?xì)獍l(fā)生倒灌到掃氣箱，嚴(yán)重時將會發(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船級社統(tǒng)計，裝有SULZER RTA主機的船舶,1993年以前，有10多臺主機渦輪增壓器因活塞壞異常磨損而損壞;1

8、993年又有23條船發(fā)生類似故障;1994年故障又呈上升趨勢。統(tǒng)計數(shù)據(jù)同時表明，有多條船舶是重復(fù)發(fā)生類似故障，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。通常這種損壞過程僅需3-4分鐘就能完成，所以要求值班輪機員和輪機長特別注意。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SULZE

9、R主機缸套有兩種類型，一種硬度相對較硬，另一種則較軟。一般歐洲和中國的專利廠均生產(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)，則會造成缸套磨損過快，或是活塞環(huán)磨損過快。應(yīng)當(dāng)首先了解主機現(xiàn)裝缸套的硬度，然后再決定訂購什么硬度的活塞環(huán)，不能盲目訂購，以免造成異常磨損，帶來損失。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)在工作時有足夠的受熱膨脹余地，同時可以使活塞環(huán)在正常工作時有一定的周向運動。 活塞環(huán)搭口間隙過小，會使活塞環(huán)在工作時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)和氣缸套在運行中會產(chǎn)

10、生磨損，環(huán)的搭口間隙會逐漸增大。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)搭口間隙過大時，會在搭口的對側(cè)產(chǎn)生較大磨損，同時也圖1活塞環(huán)受力圖使環(huán)的徑向厚度減小，彈性降低，嚴(yán)重時造成環(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。 活塞環(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)，因此在日常管理過程中，運行一定的時間后就應(yīng)當(dāng)側(cè)量活塞環(huán)的搭口間隙。側(cè)量時可制作專用的測量工具，使其同活塞環(huán)直徑相適應(yīng)。在柴油機停車時，進(jìn)人到掃氣室通過掃氣口進(jìn)行側(cè)量，同時可利用此機會檢查活塞環(huán)的工作面狀況及有無粘著現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有活塞環(huán)粘

11、著現(xiàn)象時，應(yīng)及時吊缸檢修。側(cè)取的搭口間隙數(shù)值，一是要同說明書中要求的數(shù)值比較，以判斷搭口間隙是否超過極限;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，如果在一定的時間間隔內(nèi)，活塞環(huán)的磨損率突然增大，則應(yīng)查找原因予以解決。 實踐證明，雖然定期測量搭口間隙會給輪機管理人員帶來額外的工作量，但對柴油機的維護管理和故障預(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的運行，氣缸套會產(chǎn)生不均勻磨損，在周向和軸向會分別產(chǎn)生橢圓度、錐度和不圓柱度?；钊h(huán)在氣缸內(nèi)上下運動時，活塞環(huán)會產(chǎn)生周期性的張合運動;同時活塞環(huán)的橢圓度同缸套的橢國度不可避免會有誤差，特別是換用新的活塞環(huán)后

12、，在活塞環(huán)和缸套的密封配合面上會產(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，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。彈性的大小檢驗可通過用力將自由狀態(tài)下活塞環(huán)的搭口閉合或?qū)㈤_口增大一倍，看其放松后開口間隙的變化量是否小于原開口間隙的10%，否則彈性過小。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)開口間隙的大小，其方法如圖2所示。3.4 活塞環(huán)槽 柴油機在運行過程中，活

13、塞環(huán)不僅隨著活塞在缸套中作上下往復(fù)運動，而且在環(huán)槽內(nèi)作著徑向的、周向的復(fù)雜的交變運動，支持、制約活塞環(huán)的環(huán)槽的形狀，影響甚大?；钊h(huán)槽的磨損主要由于活塞環(huán)在槽中的扭曲變形引起。由于長期使用，在活塞環(huán)的扭曲作用下活塞環(huán)會產(chǎn)生不均勻磨損;同時，活塞頭部在工作時會受熱變形使環(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，在吊缸檢修時要仔細(xì)測量環(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)槍幾何尺寸斜過大或磨損過大形成了凸臺時，應(yīng)用手持砂輪將凸臺磨平或送廠進(jìn)行恢復(fù)性修理。查閱某輪主機的檢修記錄，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，而且運行時間都很短。吊缸發(fā)現(xiàn)該環(huán)

14、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)換新只運行650小時左右就粉碎性斷裂，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，對活塞環(huán)的影響很大。不同產(chǎn)地、不同標(biāo)號的燃油，理化性能相差甚大，而燃油的品質(zhì)對爆發(fā)壓力的影響是相當(dāng)直接的。由于加油港經(jīng)常變動，船上常使用不同國家、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燃油進(jìn)行處理(例如分油機比重環(huán)直徑的大小，對不同比重的燃油，在不同加熱溫度時有不同的要求)。燃油中的灰分過高，將加劇活塞環(huán)和缸套的磨損，必然影響柴油機的燃燒過程，造成燃燒室內(nèi)溫度過高。 過多的氣缸油，由于泵油作用

15、在環(huán)槽處形成積碳，當(dāng)氣缸內(nèi)溫度過高時積聚的滑油燃燒，為活塞環(huán)的枯著和折斷創(chuàng)造了條件。3.6 日常維護修理 做好各項日常管理工作，對避免活塞環(huán)故障有重要作用。 正常運行過程中，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，通過分析壓縮壓力，最大爆發(fā)壓力，燃燒始點，負(fù)荷分配等，判斷燃燒過程的好壞和氣缸、活塞環(huán)等零部件的工作狀態(tài);發(fā)現(xiàn)有故障預(yù)兆，要及時查找原因，并采取相應(yīng)處理措施。 長期低負(fù)荷和超負(fù)荷運行都不是科學(xué)使用主機的方法。前者是操作者對主機缺乏認(rèn)識，心中沒底，追求暫時的太平，消極被動管理，將會引起惡性循環(huán);后者則是盲目開英

16、雄車，工作于超負(fù)荷區(qū)域，加快了活塞環(huán)的磨損。該主機制造廠規(guī)定，轉(zhuǎn)速超過200r/min即為超負(fù)荷。 能否形成理想的潤滑，主要取決于摩擦副的運動形式、速度以及潤滑油的性能等因素。活塞環(huán)在氣缸套內(nèi)全行程運動中的速度始終在變化(在上下止點的運動速度為零)，同時受到高溫燃?xì)獾臎_擊作用，因此很難形成良好的潤滑，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附近，潤滑狀態(tài)處于邊界潤滑，有時甚至是干摩擦狀態(tài)。正常情況下，活塞頭部和缸套之間不會產(chǎn)生摩擦，隨著柴油機的運行，在活塞頭的周圍會產(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)運動時，頭部的積碳同氣缸套之間產(chǎn)生摩

17、擦，不但會使氣缸套的磨損率增大，同時會嚴(yán)重破壞潤滑抽膜，使活塞環(huán)的磨損率明顯增大。柴油機低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷工作或進(jìn)出港頻繁用車，應(yīng)適當(dāng)增加氣缸注油量。 SULZER RTA主機說明書比較詳細(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0.05克/馬力小時(0.068g/kw·h). 無論新船還是老齡船，適當(dāng)延長磨合期，保證運行期的各參數(shù)在適當(dāng)范圍之內(nèi)，對保證柴油機的正常運行和使用壽命，都至關(guān)重要。在柴油機換用新的缸套和/或活塞環(huán)后，一定要保持低速、低負(fù)荷下磨合足夠的時間，同時在磨合期內(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有完全匹

18、配，而使摩擦面過熱發(fā)生過度磨損或拉缸。 定期打開掃氣箱測量活塞環(huán)的搭口間隙，建立各活塞環(huán)的檔案，同時通過掃氣口檢查活塞環(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)象時應(yīng)及時吊缸檢修。 結(jié)束語 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，豐富監(jiān)控手段也是重要方面。 隨著現(xiàn)代柴油機監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，如油液分析技術(shù)，磨損監(jiān)控技術(shù)，缸套油膜監(jiān)控技術(shù)等新技術(shù)已經(jīng)在新船上得到應(yīng)用，這為輪機員分析判斷活塞環(huán)及其缸內(nèi)的工作狀態(tài)提供了有利的依據(jù)。 當(dāng)然，新技術(shù)也存在一些不完善的地方，像上述的SIPWA-TP系統(tǒng)有時誤報普則會給輪機管理人員帶來麻煩，但是如果由此把該系統(tǒng)看成累贊則是不可取的。然而過分依賴監(jiān)測系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)也是不可取的，只有將自己的判斷與監(jiān)測系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)結(jié)合起來綜合分析，并通過適當(dāng)?shù)牟饳z加以佐證，這樣才能提高輪機管理人員的科學(xué)管理水平。致謝大學(xué)三年學(xué)習(xí)時光已經(jīng)接近尾聲，在