畢業(yè)論文輪機工程

1、柴油機活塞環(huán)常見故障的分析及處理摘要 活塞環(huán)和活塞、缸套、缸蓋組成燃燒室，是柴油機燃燒室的重要部分之一。具有保持活塞與氣缸套之間的有效密封作用和將活塞熱量傳遞給氣缸壁的散熱作用，以及調(diào)節(jié)氣缸潤滑的作用?；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、彈力喪失等?；钊h(huán)的工作性能直接影響汽缸和柴油機的工作性能。因為活塞環(huán)為易損件，船舶上損壞后一般采用換新處理，所以輪機員應注意活塞環(huán)的檢修和日常維護管理工作。本文結(jié)合活塞環(huán)的具體實例，闡述了活塞環(huán)產(chǎn)生故障的原因和影響因素，以及處理方法，并對其日常運行提出了切實可行的管理建議。關鍵詞 活塞環(huán)；搭口間隙；損壞；維護管理Marine D

2、iesel Engine Piston Ring Common Failure of Analysis and TreatmentAbstract The combustion chamber is made up of piston rings,pistons, cylinder and cylinder head .Piston ring is an significant part of combustion chamber. With the pistons and cylinder liner to maintain an effective seal between the pis

3、ton and cylinder liner .The heat will be transmitted to the piston cylinder wall, and adjust the role of the cylinder lubrication. Piston ring is also vulnerable parts of the engine, the main form of damage: excessive wear, broken, adhesion, such as loss of elasticity。Piston ring direct impact on th

4、e performance of diesel engine cylinder and the work performance. Because the piston rings for wearing parts, the damage to the ship after the general use of replacement treatment, the Engineer of the ship should pay attention to routine maintenance and overhaul management. This paper combine the sp

5、ecific example of a piston ring on the failure of the causes and effects of factors, and treatment methods and their practical day-to-day operation of the proposed management proposals.Key words Piston rings;Interface gap;Damage;Maintaining managemant目錄0 引言-11 活塞環(huán)概況-11.1 壓縮環(huán)(氣環(huán))-11.2 油環(huán)-21.3 承磨環(huán)-22

6、活塞環(huán)的主要故障-23 活塞環(huán)的故障分析-33.1 活塞環(huán)和缸套配合狀況-33.2 活塞環(huán)搭口間隙的影響-3 3.3 活塞環(huán)與氣缸套潤滑狀況-43.4 活塞環(huán)和環(huán)槽配合狀況-43.5 油料的影響-53.6 管理不當造成的影響-54 斷環(huán)現(xiàn)象分析及處理措施-64.1 斷環(huán)后的工作征狀-64.2 斷環(huán)判斷和檢查-64.3 斷環(huán)時應急處理-65 日常維護管理應注意的事項-7結(jié)論-8致謝語-9參考文獻-10- 10 -王東庭：輪機工程專業(yè)畢業(yè)論文0 引言活塞環(huán)的主要作用是密封燃燒室,保證活塞到達上止點時,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、完善;切實保證氣缸高

7、壓燃氣膨脹作功而不泄漏，對燃油燃燒和柴油機的工作狀態(tài)起著至關重要的作用。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)和缸套這對運動副工作條件非常惡劣，他們之間的磨擦損失占到整個柴油機磨擦損失功率的 55 %65 %，活塞環(huán)會出現(xiàn)粘著、折斷、磨損和彈力喪失等故障1，因此,在對運行中的活塞環(huán)的管理和維護方面，對保證燃油燃燒的完善程度和柴油機的安全、可靠和經(jīng)濟運行尤為重要。1 活塞環(huán)概況根據(jù)活塞環(huán)所起的作用不同有壓縮環(huán)(氣環(huán))和刮油環(huán)兩種2。1.1 壓縮環(huán)（氣環(huán)）壓縮環(huán)主要是用來保證活塞和氣缸之間在相對運動條件下的密封。刮油

8、環(huán)的作用是除去氣缸套表面過多的滑油，通常用于筒形活塞式柴油機。而十字頭式柴油機氣缸是采用注油潤滑，一般只裝氣環(huán)，在活塞裙比較長的活塞上還要裝承磨環(huán)。壓縮環(huán)的主要作用是防止氣缸中的氣體漏泄和將活塞上的部分熱量傳給氣缸。壓縮環(huán)的密封作用是依靠本身的彈性和作用在它上面以及漏到環(huán)的內(nèi)側(cè)的氣體壓力，使環(huán)緊緊貼合到氣缸壁和環(huán)槽壁上，如圖1.1所示。這樣就阻止了氣體通過活塞與氣缸壁之間的間隙漏至氣缸下部空間。圖1.1 壓縮環(huán)的密封作用1.2 油環(huán)在筒形活塞柴油機中，做回轉(zhuǎn)運動的曲柄銷軸承把潤滑油甩到氣缸壁上?；钊蜌飧滋字g就是依靠這樣飛濺來的油進行潤滑的，因此稱飛濺潤滑。由于飛濺到氣缸壁上的滑油過多氣環(huán)會

9、通過泵油作用把它泵入燃燒室，這不僅增加了滑油的消耗量，而且還會嚴重地污染活塞、氣缸、氣閥和排氣道，因此筒形活塞要在氣環(huán)下面裝設12道刮油環(huán)。新型柴油機通常只裝設一道刮油環(huán)。1.3 承磨環(huán)活塞的承磨環(huán)是專為活塞與氣缸的磨合而設置的。超短裙活塞可不裝承磨環(huán)，短裙活塞裝12道，長裙活塞裝24道。2 活塞環(huán)的主要故障活塞環(huán)的主要故障有折斷、粘著、彈力喪失和異常磨損等。當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溫度升高等現(xiàn)象。例如本輪主機為TBD620V12 型柴油機 , 有此在運行中發(fā)現(xiàn)一號柴油機第4缸和第5缸運行發(fā)生異常,導致主機啟動困難,油門比正常情況下大

10、了很多,同時伴有主機透平喘振,減速運行也未見有明顯的改觀。通過對各缸示功圖測量分析發(fā)現(xiàn),第4缸和第5缸的壓縮壓力分別為 5.18MPa和5.16MPa,而其他各缸的壓縮壓力則為 6.10MPa左右。吊缸時發(fā)現(xiàn),第4缸除最下面一道油環(huán)還正常外 , 其余各道活塞環(huán)全部折斷為碎塊狀，環(huán)的徑向尺寸最大處為2.6mm, 最薄處僅為1.8mm, 活塞環(huán)槽嚴重燒損、變形。第5缸第一道活塞環(huán)粘著在環(huán)槽中,第二、三道活塞環(huán)則都發(fā)生了不同形式的斷裂。從上述故障可以發(fā)現(xiàn),當活塞環(huán)由于故障而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,氣缸內(nèi)的新鮮空氣量明顯減少,造成相應的氣缸壓縮壓力降低3、排氣溫度升高、冷卻

11、液溫度升高，使整個柴油機功率降低。柴油機處于低轉(zhuǎn)速、高負荷下工作,空氣量的減少使燃燒惡化,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)和粘著將會使燃氣發(fā)生倒灌到掃氣箱,嚴重時將會發(fā)生掃氣箱著火,這些因素造成了增壓器的背壓升高,使其在小流量高背壓的狀態(tài)下工作 , 破壞了增壓器的正常匹配,從而發(fā)生增壓器喘振甚至損壞增壓器。3 活塞環(huán)的故障分析3.1 活塞環(huán)和缸套配合狀況的原因隨著柴油機的運行,缸套會產(chǎn)生不均勻的磨損,在周向和軸向會分別產(chǎn)生圓度和圓柱度,活塞環(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

12、塞環(huán)的圓度同缸套的圓度不可避免會有誤差,特別是換用新活塞環(huán)后，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,連續(xù)漏光度小30,在搭口兩側(cè)的30范圍之內(nèi)不許漏光。但近年來受經(jīng)濟利益的驅(qū)動,很多船公司大量使用國產(chǎn)活塞環(huán)代替原廠家的備件。由于加工工藝的不同及制造上產(chǎn)生的較大尺寸誤差4,再加之材質(zhì)不穩(wěn)定,使得漏光度過大,同時活塞環(huán)在高溫下工作時彈性降低過大,當遇到環(huán)槽積碳卡滯時,漏光度就會增大,使高壓的燃氣從漏光處作用在環(huán)的外工作面上,使活塞環(huán)楔入到環(huán)槽中,有可能使環(huán)卡死在環(huán)槽中而產(chǎn)生抱環(huán)現(xiàn)象;或當氣體壓力降低時,原來被壓入的活塞環(huán)在自身

13、彈性的作用下重新彈出。這樣周期性的重復作用 ,時間長了,就會在強度薄弱處產(chǎn)生活塞環(huán)的疲勞折斷。實踐證明，活塞環(huán)上述的壓入現(xiàn)象是造成環(huán)斷裂的主要原因。3.2 活塞環(huán)搭口間隙的原因活塞環(huán)的搭口可以保證活塞環(huán)在工作時有受熱膨脹的余地,同時可以使活塞環(huán)在正常工作時有一定的周向運動。當活塞環(huán)的搭口間隙過小時,會使活塞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)和缸套在運行中會產(chǎn)生磨損,環(huán)的搭口間隙會逐漸增大。當搭口間隙過大時,會使活塞環(huán)的徑向力產(chǎn)生嚴重不平衡，其徑向力主要是環(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的方向如圖3.2所

14、示,這樣就會在搭口的對側(cè)產(chǎn)生不均勻的磨損,嚴重時造成環(huán)的斷裂,同時也使活塞環(huán)的徑向厚度減小,彈性降低,如果環(huán)槽結(jié)碳嚴重時容易發(fā)生環(huán)粘著故障。圖3.2 活塞環(huán)受力圖3.3 活塞環(huán)與氣缸套潤滑狀況的原因理想的全液體潤滑,主要取決于運動副的運動形式、速度以及潤滑油的性能等因素,而活塞環(huán)在缸套內(nèi)的運動在全行程中的速度始終在變化,在上下止點的運動速度為零,同時收到高溫燃氣的沖擊作用,因此在兩者之間很難形成良好的潤滑，這是活塞環(huán)工作條件惡劣的至關原因,尤其是活塞在上止點附近時,潤滑狀態(tài)處于邊界潤滑5,有時甚至是干摩擦狀態(tài)。正常情況下,活塞頭部同缸套之間不會產(chǎn)生摩擦,隨著柴油機的運行,在活塞頭的周圍會產(chǎn)生積

15、碳,這些積碳硬度大且難于清除，積碳的增多使活塞頭部的直徑增大,當活塞在汽缸內(nèi)運動時,頭部的積碳同缸套之間產(chǎn)生摩擦,不但會使缸套的磨損率增大,同時會嚴重破壞潤滑油膜,使滑油消耗量和活塞環(huán)的磨損率明顯增大。3.4 活塞環(huán)和環(huán)槽配合情況的原因 活塞環(huán)槽的磨損主要是由于活塞環(huán)在槽中的扭曲作用引起的。由于長期使用,在活塞環(huán)的扭曲作用下環(huán)槽會產(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,這就影響了活塞環(huán)同環(huán)槽的正常配合,使環(huán)在環(huán)槽中呈傾斜狀態(tài)(如圖3中A所示)。因此在吊缸檢修時要仔細測量對環(huán)槽的幾何尺寸(如圖 3 圖B所示),如發(fā)現(xiàn)環(huán)槽傾斜過大或磨損過大形成了凸臺時,應用手持砂輪將

16、凸臺進行磨平或送廠進行恢復性修理。圖3 環(huán)塞環(huán)槽傾斜狀態(tài)圖與環(huán)槽幾何尺寸圖3.5 油料的影響船上使用的燃油由于加油港經(jīng)常變動,不同國家、廠家的燃油由于其產(chǎn)地和冶煉工藝的不同,其性能指標也相差很大,如果使用統(tǒng)一的標準對燃油進行處理, 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,如果在凈化燃油時不采取措施,將影響燃油處理的質(zhì)量,燃油中的灰分過高，將造成活塞環(huán)和缸套間的磨損加劇,這些因素必然影響柴油機的燃燒過程,造成燃燒室內(nèi)溫度過高;同時由于某些柴油機長期在低轉(zhuǎn)速、低負荷下工作或進出港頻繁用車,而汽缸注油量不作調(diào)整,造成汽缸注油量增加,過多的汽缸油由于泵油作用在環(huán)槽處形

17、成積聚,當汽缸內(nèi)溫度過高時積聚的滑油形成燃燒,為活塞環(huán)的粘著和折斷創(chuàng)造了條件。3.6 管理不當由于冷卻不良是第一道環(huán)溫度過高，環(huán)局部被燒壞失去彈性，潤滑不良造成不正常磨損，最高爆炸壓力過大，使環(huán)的機械應力增大，嚴重時會造成斷環(huán)6。注油量過大，環(huán)槽中的滑油在高溫下積碳，環(huán)槽底面硬的積碳使喚收到的彎曲、變形，最終導致疲勞斷裂，只要有一處斷裂，漏氣量增大，積碳就會更加嚴重，使喚多處斷裂，并使環(huán)槽磨損加劇。活塞環(huán)安裝時方向錯誤造成斷裂。4 斷環(huán)現(xiàn)象分析及處理措施 斷環(huán)一般多發(fā)生在第一道和第二道環(huán)，而這兩道環(huán)對密封性能又起著關鍵的作用，所以斷環(huán)時必造成燃燒室密封的破壞其斷環(huán)的現(xiàn)象和原因如下：4.1 斷環(huán)

18、后的工作征狀 氣缸的壓縮壓力和爆炸壓力明顯降低、冒黑煙、排氣溫度升高。由于斷環(huán)，氣缸的密封性下降，造成壓縮過程中大量氣體的泄搌，使氣缸的壓縮壓力、壓縮終點溫度明顯下降，燃油滯燃期明顯廷長，燃燒點后移到上死點后，使爆壓下降后燃嚴重。冒黑煙，排氣溫度升高，冷卻水溫度也可能升高，柴油機的指示功率下降，效率也明顯下降。 滑油消耗急劇增。由于第一道或第二道氣環(huán)斷裂使部分高溫燃氣直接進入下面幾道環(huán)，滑油燃燒位置下移，活塞環(huán)泵油的距離明顯變短，斷環(huán)的刮油作用喪失，使滑弛消耗大大增加，造成滑油的過量消耗。 掃氣箱易著火。由于高溫燃氣漏人掃氣箱，使掃氣箱溫度升高，引起下部積油著火。 柴油機起動困難，柴油機中有多

19、缸同時發(fā)生斷環(huán)時，由于起動時氣缸溫度偏低及壓縮過程漏氣的共同影響，使柴油機達到發(fā)火轉(zhuǎn)速時不能發(fā)火，造成起動失敗。4.2 斷環(huán)判斷和檢查 出現(xiàn)斷環(huán)現(xiàn)象時需確認是否發(fā)生斷環(huán)一般的方法是：對于運轉(zhuǎn)中的柴油機，可通過測試壓縮壓力來判斷，當測定的壓縮壓力小于規(guī)定規(guī)定值，并伴有掃氣箱溫度升高或掃氣箱易著火時有可能是環(huán)漏氣或斷環(huán)。如果在柴油機運行時缸內(nèi)有斷續(xù)聲響，隨后消失，則可能是環(huán)被氣口掛斷。4.3 斷環(huán)時應急處理斷環(huán)的碎片可能沖人排氣管甚至沖入廢氣渦輪增壓器，打碎增壓器葉片，造成嚴重故障，也可能引起起拉缸，損傷缸套并使活塞環(huán)槽的變形。因此，確認已斷環(huán)時必須進行吊缸更換，以保證氣缸的密封性，若當時情況不允

20、許停車吊缸檢修或無備件，則應降低轉(zhuǎn)速，降低該缸的噴油量或停油，并保證故障缸的良好潤滑，適當增大供油提前角7，起動時換成輕油密切注意斷環(huán)缸有無異常聲音，使柴油機安全運行到達港口進行修理。5 日常維護管理應注意的事項做好各項日常管理工作，對避免活塞環(huán)故障有重要作用1）長期低負荷和超負荷運行都是不是科學使用主機的方法8。前者是消極被動管理，將會引起惡性循環(huán)；后者則是盲目開超速車，工作于超負荷區(qū)域，加快了活塞環(huán)的磨損。本輪主機制造廠規(guī)定，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min,轉(zhuǎn)速超過1650r/min即為超負荷，因此有時有些特殊情況需要加車，出于主機安全的考慮，也不能把轉(zhuǎn)速調(diào)到1650r/min以上,并不能盲

21、目的使主機超負荷。當然長期處于低負荷也是不行的，要適當調(diào)節(jié)負荷在合適的范圍內(nèi)。2）保證氣缸油的供給量，值班人員應定期查看和維護汽缸油泵工作狀況，保證氣缸油管路通暢和正常，出現(xiàn)的活塞環(huán)故障，其實，除長期正常磨損的原因外，在補充氣缸油日用柜時，將油柜出油閥關死，將導致供油中斷，如果加上處理不及時。就很容易造成活塞環(huán)故障。在柴油機低轉(zhuǎn)速、低負荷工作或頻繁用車，應適當增加氣缸注油量，以改善活塞環(huán)的潤滑狀態(tài)，減少活塞頭的周圍積碳，使?jié)櫥湍げ灰灼茐?，減少活塞環(huán)的磨損率。3）無論新船還是老齡船，適當延長磨合期，保證運行期的各參數(shù)在適當范圍之內(nèi)，對保證柴油機的正常運行和使用壽命，都至關重要。在柴油機換用新的

22、缸套或活塞環(huán)后，一定要保持低速、低負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配，而使摩擦面過熱發(fā)生過度磨損或拉缸。4）實際運行過程中,活塞環(huán)搭口間隙的大小是判斷活塞環(huán)磨損狀況的重要指標9。因此在日常管理過程中,運行一定的時間后就應測量活塞環(huán)的搭口間隙 ,在柴油機停車時,進入到掃氣室通過掃氣口進行測量,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,當發(fā)現(xiàn)有環(huán)粘著現(xiàn)象時,應在可能的時間內(nèi)進行吊缸檢修。測取搭口間隙的數(shù)值一是要同說明書中要求的數(shù)值進行比較,以判斷搭口間隙是否超過極限;二是要同上一次測量的搭口

23、間隙進行比較,以判斷活塞環(huán)的磨損率,如果在一定的時間間隔內(nèi),環(huán)的磨損率突然增大,則應查找原因予以解決。通過每道活塞環(huán)的檔案不但可以系統(tǒng)的分析活塞環(huán)的故障現(xiàn)象,并分析比較不同備件的質(zhì)量、燃油以及滑油等對磨損率的影響。實踐證明,雖然定期測量活塞環(huán)的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及故障預防可以起到事半功倍的作用。5）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之內(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;定期測量示功圖,通過對壓縮壓力、最大爆炸壓力、燃燒始點、負荷分配等分析,判斷燃燒過程進行的好壞和汽缸、活塞環(huán)等的工作狀態(tài),發(fā)現(xiàn)有故障預兆時要

24、及時查找原因而采取相應處理措施。結(jié)論活塞環(huán)故障，原因是多方面的，必須綜合分析，預防措施是必須規(guī)范維修和使用，增加監(jiān)控設備，豐富監(jiān)控手段也是重要方面。隨著現(xiàn)代柴油機監(jiān)控技術的發(fā)展，如油液分析技術，磨損監(jiān)控技術10，缸套油膜監(jiān)控技術等新技術已經(jīng)在新船上得到應用，這為輪機員分析判斷活塞環(huán)及缸內(nèi)的工作狀態(tài)提供了有利的依據(jù)。但是過分依賴檢測系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)也是不可取的，只有將自己的判斷與檢測系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)結(jié)合起來綜合分析，并通過適當?shù)牟饳z加以佐證，這樣才能提高輪機管理人員的科學管理水平。目前在船舶柴油機中使用的活塞環(huán)種類繁多，主要區(qū)別在于活塞環(huán)的材料、搭口形式、表面涂層和斷面形狀的不同。每種環(huán)都有其優(yōu)點和不足，要根據(jù)柴油機的特點選擇合適的環(huán)，以達到良好的密封效果。目前正在逐步得到應用的等離子噴鍍技術使活塞環(huán)鍍層中含有鈦、鎢、鉻、鉬等多種金屬成分，大大改善了單一金屬鍍層的不足。使活塞環(huán)的耐磨性、抗腐蝕性、耐高溫性有了明顯的提高。隨著納