柴油機(jī)活塞環(huán)常見故障分析及處理

1、 柴油機(jī)活塞環(huán)常見故障分析及處理概括 活塞環(huán)、活塞、缸套和缸蓋組成燃燒室，是柴油機(jī)燃燒室的重要組成部分之一。具有保持活塞與缸套之間有效密封的作用，將活塞的熱量傳遞到氣缸壁的散熱作用，以及調(diào)節(jié)氣缸潤滑的作用?；钊h(huán)也是柴油機(jī)的易損件。主要損壞形式有：過度磨損、斷裂、粘連、失去彈性等?；钊h(huán)的工作性能直接影響氣缸和柴油機(jī)的工作性能。由于活塞環(huán)是易損件，一般用于船舶損壞后更換，因此工程師應(yīng)注意活塞環(huán)的維修和日常維護(hù)管理。結(jié)合活塞環(huán)的具體實(shí)例，闡述了活塞環(huán)失效的原因及影響因素，以及處理方法，并對其日常運(yùn)行提出切實(shí)可行的管理建議?！娟P(guān)鍵詞】活塞環(huán)；搭接間隙；損害;維護(hù)管理船用柴油機(jī)活塞環(huán)常見故障分析及處

2、理抽象的 燃燒室由活塞環(huán)、活塞、氣缸和氣缸蓋組成?；钊h(huán)是燃燒室的重要組成部分?；钊c缸套之間保持有效密封，活塞與缸套之間保持有效密封。熱量將傳遞到活塞缸壁，起到調(diào)節(jié)缸潤滑的作用?；钊h(huán)也是發(fā)動機(jī)的易損件，損壞的主要形式：過度磨損、斷裂、粘連、失去彈性等?；钊h(huán)直接影響柴油機(jī)氣缸的性能和工作性能。由于活塞環(huán)為易損件，對船舶的損壞一般采用更換處理后，船舶工程師應(yīng)注意日常維護(hù)和大修管理。本文結(jié)合具體實(shí)例就某活塞環(huán)失效的原因和影響因素，以及處理方法及其日常操作的實(shí)際操作提出了管理建議。關(guān)鍵詞活塞環(huán)；接口間隙；損傷；維護(hù)管理目錄0 前言- -11活塞環(huán)概述- - -11.1 壓縮環(huán)（氣環(huán)）- - -1

3、1.2 油環(huán)- - -21.3 戴戒指- - -22 活塞環(huán)的主要故障 - - -23 活塞環(huán)失效分析- -33.1 活塞環(huán)與缸套的配合情況 - - -33.2 活塞環(huán)搭接間隙的影響- -33.3 活塞環(huán)和缸套的潤滑 - -43.4 活塞環(huán)與環(huán)槽的配合情況 - - -43.5 油品的影響- -53.6 管理不當(dāng)?shù)挠绊? -54 斷環(huán)現(xiàn)象分析及處理措施 - - -64.1 斷環(huán)后工作現(xiàn)象- - -64.2 斷環(huán)的判斷與檢查- - -64.3 斷環(huán)時的應(yīng)急處理- - -65 日常維護(hù)管理中的注意事項(xiàng)- - -7綜上所述 - - - - - - - -8信息 - - - - - - - - - -9

4、參考 - - - - - - - - - - -100 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，燃燒室內(nèi)的新鮮空氣有足夠的溫度和壓力滿足燃油的自燃溫度，使燃燒迅速、及時、完善；有效保證缸內(nèi)高壓氣體。膨脹工作無泄漏，對燃油燃燒和柴油機(jī)工作狀態(tài)起著至關(guān)重要的作用。眾所周知，活塞環(huán)的密封作用是通過活塞環(huán)自身的彈性以及在氣缸氣壓的作用下與氣缸壁和活塞環(huán)槽平面的緊密接觸來實(shí)現(xiàn)的。但是活塞環(huán)和缸套的工作條件很差，它們之間的摩擦損失占整個柴油機(jī)摩擦損失功率的55%65% 。 1因此，在運(yùn)行中的活塞環(huán)的管理和維護(hù)中，確保燃油燃燒的完善和柴油機(jī)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行顯得尤為重要?；钊h(huán)概述根據(jù)活

5、塞環(huán)功能的不同，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)主要用于保證活塞與氣缸在相對運(yùn)動條件下的密封。刮油環(huán)的作用是清除缸套表面多余的油，通常用于桶裝活塞柴油機(jī)。十字頭柴油機(jī)氣缸采用噴油潤滑，一般只安裝氣環(huán)，在活塞裙較長的活塞上也安裝耐磨環(huán)。壓縮環(huán)的主要作用是防止氣缸內(nèi)的氣體泄漏，并將部分熱量從活塞傳遞到氣缸。壓縮環(huán)的密封作用是依靠自身的彈性和作用在其上的氣體壓力泄漏到環(huán)的側(cè)面，使環(huán)與缸壁和環(huán)槽壁緊密貼合，如圖圖 1.1。這可以防止氣體通過活塞和氣缸壁之間的間隙泄漏到氣缸的下部空間。圖1.1 壓縮環(huán)的密封作用1.2油環(huán)在筒式活塞柴油發(fā)動機(jī)中，旋轉(zhuǎn)的曲柄銷軸承將潤滑油噴射到

6、氣缸壁上?；钊透滋字g的油是通過飛濺的油來潤滑的，所以稱為飛濺潤滑。由于過多的機(jī)油濺到氣缸壁上，氣環(huán)通過抽油作用將其泵入燃燒室，不僅增加了機(jī)油的消耗，而且嚴(yán)重污染了活塞、氣缸、氣門和排氣。因此，圓柱活塞的氣環(huán)下方應(yīng)安裝12個刮油環(huán)。新的柴油機(jī)通常只配備一個刮油環(huán)。1.3 戴戒指活塞耐磨環(huán)專為活塞與氣缸的磨合而設(shè)計(jì)。超短裙活塞不需要耐磨環(huán)，短裙活塞需要 1 到 2 個通道，長裙活塞需要 2 到 4 個通道?；钊h(huán)的主要故障活塞環(huán)的主要故障是斷裂、卡住、失去彈性和異常磨損。當(dāng)同時出現(xiàn)上述一種或多種故障時，一般伴有排氣溫度升高、排氣冒黑煙、缸套冷卻水溫度升高等現(xiàn)象。比如本輪的主機(jī)是TBD620V1

7、2柴油機(jī)。運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)1號柴油機(jī)4、5缸工作異常，導(dǎo)致主機(jī)難以啟動。振動、減速運(yùn)行未見明顯變化。通過對各氣缸測功機(jī)圖的測量分析發(fā)現(xiàn)，第四氣缸和第五氣缸的壓縮壓力分別為5.18MPa和5.16MPa，而其他氣缸的壓縮壓力約為6.10MPa。掛缸時發(fā)現(xiàn)，除了第四缸底部的油環(huán)外，其余的活塞環(huán)都碎了。環(huán)槽嚴(yán)重?fù)p壞變形。第五缸第一活塞環(huán)卡在環(huán)槽內(nèi)，第二、第三活塞環(huán)斷裂形式不同。從以上故障可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)活塞環(huán)的密封性能因該故障而降低或喪失時，氣缸內(nèi)會出現(xiàn)不同程度的竄氣，氣缸內(nèi)的新鮮空氣量就會減少。顯著降低，導(dǎo)致氣缸3的壓縮壓力、廢氣的相應(yīng)降低?？諝鉁囟壬?，冷卻液溫度升高，降低了整個柴油機(jī)的功率。柴油機(jī)在低速

8、高負(fù)荷工作，風(fēng)量減少使燃燒變差，廢氣能量較正常情況明顯增加，增壓器轉(zhuǎn)速增加，掃氣壓力增加，轉(zhuǎn)速升高。柴油機(jī)的基本不變。柴油機(jī)的耗氣量基本穩(wěn)定。同時，破環(huán)和粘連會導(dǎo)致氣體倒回掃氣箱，嚴(yán)重時掃氣箱會著火。這些因素導(dǎo)致增壓器背壓增大，使其工作在小流量、高背壓狀態(tài)，破壞了增壓器的正常匹配，導(dǎo)致增壓器喘振甚至損壞增壓器?；钊h(huán)失效分析3.1 活塞環(huán)和缸套狀況的原因隨著柴油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，缸套會出現(xiàn)不均勻磨損，分別在周向和軸向產(chǎn)生圓度和圓柱度。當(dāng)活塞環(huán)在氣缸上下運(yùn)動時，活塞環(huán)會產(chǎn)生周期性的聯(lián)合運(yùn)動；套圈的圓度和缸套的圓度之間難免會有誤差。尤其是更換新活塞環(huán)后，活塞環(huán)與缸套的密封面會出現(xiàn)不同程度的漏光現(xiàn)象。通常，

9、需要一個新的活塞環(huán)。安裝在筒體中時，總周向漏光應(yīng)小于90，連續(xù)漏光應(yīng)小于30，搭接兩側(cè)30內(nèi)不得漏光。但近幾年在經(jīng)濟(jì)利益的推動下，不少船公司大量使用國產(chǎn)活塞環(huán)來代替原廠的備件。由于加工工藝不同，制造尺寸誤差較大4 ，加之材料不穩(wěn)定，漏光過大，活塞環(huán)在高溫下工作時彈性降低過多?？ㄗr，漏光程度會加重，使高壓氣體從漏光處作用于環(huán)外工作面，使活塞環(huán)卡入環(huán)槽內(nèi)，可能造成環(huán)卡在環(huán)槽內(nèi)，造成咬合。環(huán)現(xiàn)象；或者當(dāng)氣壓降低時，原來壓入的活塞環(huán)在自身彈性的作用下又會彈起。這種周期性的重復(fù)動作，隨著時間的推移，會導(dǎo)致活塞環(huán)在薄弱點(diǎn)出現(xiàn)疲勞斷裂。實(shí)踐證明，上述活塞環(huán)受壓現(xiàn)象是造成活塞環(huán)破裂的主要原因。3.2 活塞環(huán)

10、搭接間隙的原因活塞環(huán)的搭接可以保證活塞環(huán)在工作時有熱膨脹的空間，同時可以使活塞環(huán)在正常工作時有一定的圓周運(yùn)動。當(dāng)活塞環(huán)的搭接間隙過小時，活塞在工作過程中的熱膨脹會受到限制，搭接會受到擠壓，從而容易在搭接的對面發(fā)生斷環(huán)。由于活塞環(huán)和缸套在運(yùn)行過程中的磨損，活塞環(huán)的搭接間隙會逐漸增大。當(dāng)搭接間隙過大時，活塞環(huán)的徑向力會嚴(yán)重不平衡。徑向力主要是環(huán)本身的彈力和作用在環(huán)背面的氣體力。搭接間隙的存在使氣力不平衡。合力的方向如圖3.2所示，這樣會造成搭接對面的不均勻磨損，嚴(yán)重時會導(dǎo)致鋼圈斷裂。同時，活塞環(huán)的徑向厚度會減小，彈性也會降低。碳重時易發(fā)生環(huán)粘連失效。圖 3.2 活塞環(huán)受力圖3.3 活塞環(huán)和缸套潤滑

11、狀況的原因理想的全液體潤滑主要取決于運(yùn)動副的運(yùn)動形式、速度和潤滑油性能等因素，而缸套中活塞環(huán)在全行程中的運(yùn)動速度始終在變化，運(yùn)動速度上下死點(diǎn)同時受到高溫氣體的沖擊，兩者之間難以形成良好的潤滑，這是活塞環(huán)工作條件差的關(guān)鍵原因，特別是當(dāng)活塞接近上止點(diǎn)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，活塞頭與缸套之間沒有摩擦。隨著柴油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，活塞頭周圍會產(chǎn)生積碳。這些積碳很難去除。積碳的增加使活塞頭。當(dāng)活塞在氣缸內(nèi)運(yùn)動時，缸蓋上的積碳與缸套之間的摩擦，不僅會增加缸套的磨損率，還會嚴(yán)重破壞潤滑油膜，從而降低潤滑油的消耗和活塞。環(huán)的磨損率顯著增加。3.4 活塞環(huán)與環(huán)槽配合的原因活塞環(huán)槽的

12、磨損主要是由于活塞環(huán)在槽內(nèi)的扭轉(zhuǎn)作用造成的。由于長期使用，在活塞環(huán)的扭轉(zhuǎn)作用下，環(huán)槽會出現(xiàn)不均勻磨損。同時，活塞頭在工作過程中會發(fā)生熱變形，導(dǎo)致環(huán)槽收縮并向下傾斜，影響活塞環(huán)和環(huán)槽的正常工作。配合，使環(huán)在環(huán)槽內(nèi)傾斜（如圖3中A所示）。因此，吊缸在維修時應(yīng)仔細(xì)測量環(huán)槽的幾何尺寸（如圖3中的圖B所示）。修理或送到工廠進(jìn)行修復(fù)性修理。圖3環(huán)塞環(huán)槽傾斜狀態(tài)圖及環(huán)槽幾何尺寸圖3.5 石油的影響由于加油口的頻繁更換，船上使用的燃油也經(jīng)常更換。不同國家、不同廠家的燃料油，由于產(chǎn)地不同、冶煉工藝不同，其性能指標(biāo)也有很大差異。不同比重的燃料油的大小，在不同的加熱溫度下有不同的要求。如果不采取措施對燃油進(jìn)行凈化，

13、將影響燃油處理質(zhì)量。燃油中的灰分含量過高，會造成活塞環(huán)與缸套之間的磨損。雪上加霜，這些因素必然會影響柴油機(jī)的燃燒過程，造成燃燒室溫度過高；同時，由于部分柴油機(jī)長期低速低負(fù)荷工作或車輛進(jìn)出港頻繁使用，未調(diào)整氣缸噴油量，導(dǎo)致氣缸噴油量增加。此外，由于泵油的作用，過多的氣缸油會積聚在環(huán)槽處。當(dāng)氣缸溫度過高時，積存的潤滑油形成燃燒，為活塞環(huán)的粘連和斷裂創(chuàng)造了條件。3.6 管理不當(dāng)由于冷卻不良，第一環(huán)溫度過高，環(huán)部分燒壞失去彈性，潤滑不良引起異常磨損，最大爆炸壓力過大，增加機(jī)械應(yīng)力環(huán)，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致環(huán)斷裂6 。注油量過大，環(huán)槽內(nèi)的潤滑油會在高溫下積碳，而環(huán)槽底面的硬積碳會引起受彎變形，最終導(dǎo)致疲勞斷裂。

14、 .會更嚴(yán)重，造成多處斷裂，增加環(huán)槽的磨損?；钊h(huán)安裝方向錯誤，導(dǎo)致斷裂。4 斷環(huán)現(xiàn)象分析及處理措施斷環(huán)一般發(fā)生在第一環(huán)和第二環(huán)，而這兩個環(huán)對密封性能起著關(guān)鍵作用，所以斷環(huán)必然會對燃燒室密封造成損壞。斷環(huán)現(xiàn)象及原因如下：4.1 斷環(huán)后工作現(xiàn)象氣缸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)，氣缸的密封性降低，導(dǎo)致在壓縮過程中氣體泄漏，氣缸的壓縮壓力和壓縮結(jié)束時的溫度顯著降低，燃料點(diǎn)火延遲期明顯更長，燃燒點(diǎn)移至上止點(diǎn)。爆炸壓力下降后，燃燒嚴(yán)重。冒黑煙，廢氣溫度升高，冷卻水溫度也可能升高，柴油機(jī)指示功率下降，效率也明顯下降。石油消費(fèi)急劇增加。由于第一或第二氣環(huán)破裂，部分高溫氣體直接進(jìn)

15、入后續(xù)氣環(huán)，潤滑油燃燒位置下移，活塞環(huán)抽油距離明顯縮短，油斷環(huán)的刮擦作用喪失，造成打滑，消耗量大大增加，造成潤滑油消耗過多。掃氣箱容易著火。由于高溫氣體泄漏到掃氣箱內(nèi)，掃氣箱溫度升高，導(dǎo)致下部積存的油液著火。柴油發(fā)動機(jī)很難啟動。柴油機(jī)多缸同時斷環(huán)時，由于起動時氣缸溫度低和壓縮過程中漏氣的綜合影響，柴油機(jī)在啟動時不能點(diǎn)火。達(dá)到射擊速度，導(dǎo)致無法啟動。4.2 斷環(huán)的判斷與檢查當(dāng)出現(xiàn)斷環(huán)現(xiàn)象時，需要確認(rèn)是否出現(xiàn)了斷環(huán)現(xiàn)象。一般的方法是：對于運(yùn)轉(zhuǎn)中的柴油機(jī)，可以通過測試壓縮壓力來判斷。當(dāng)掃氣箱容易著火時，可能會出現(xiàn)漏環(huán)或斷環(huán)。如果柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時氣缸內(nèi)有斷斷續(xù)續(xù)的聲音，然后又消失，則可能是油口掛了響鈴。4

16、.3 斷環(huán)應(yīng)急處理破碎環(huán)的碎片可能沖入排氣管甚至進(jìn)入廢氣渦輪增壓器，折斷增壓器葉片，造成嚴(yán)重故障，還可能導(dǎo)致氣缸被拉起，損壞缸套，使活塞環(huán)槽變形.因此，當(dāng)確認(rèn)環(huán)已斷裂時，必須更換氣缸，以保證氣缸的密封性。如果情況不允許停缸維修或沒有備件，應(yīng)降低轉(zhuǎn)速，減少氣缸噴油量或停止加油，并保證故障氣缸的良好潤滑，適當(dāng)加大供油提前角7 ，啟動時改為輕油。密切注意斷環(huán)缸內(nèi)是否有異響，使柴油機(jī)安全運(yùn)行，到港維修。日常維護(hù)管理中的注意事項(xiàng)做好日常管理對避免活塞環(huán)故障起到重要作用1) 長期低負(fù)荷、超負(fù)荷運(yùn)行不是科學(xué)的主機(jī)使用方法8 。前者是消極被動管理，會造成惡性循環(huán)；后者是盲目駕駛超速汽車，在超負(fù)荷區(qū)域工作，加速

17、活塞環(huán)磨損。本輪主機(jī)廠家規(guī)定額定轉(zhuǎn)速為1500r/min。如果轉(zhuǎn)速超過1650r/min，就是過載。因此，有時在某些特殊情況下需要添加汽車。為了主機(jī)的安全，轉(zhuǎn)速不能調(diào)到1650r/min以上。 , 不能盲目超載主機(jī)。當(dāng)然，長時間處于低負(fù)載狀態(tài)是不可行的，需要適當(dāng)調(diào)整負(fù)載到合適的范圍。2）為保證氣缸油的供應(yīng)，值班人員應(yīng)定期檢查和維護(hù)氣缸油泵的工作情況，確保氣缸油路通暢、正常。使用油箱時，關(guān)閉油箱出油閥會導(dǎo)致供油中斷。如果添加不及時處理。容易造成活塞環(huán)故障。在低速、低負(fù)荷工作或頻繁使用柴油機(jī)時，應(yīng)適當(dāng)增加噴入氣缸的油量，以改善活塞環(huán)的潤滑狀態(tài)，減少活塞頭周圍的積碳，使?jié)櫥捅∧げ灰讚p壞，并降低活塞

18、環(huán)的磨損率。3）無論是新船還是老船，適當(dāng)延長磨合期，保證運(yùn)轉(zhuǎn)期參數(shù)合理包圍，保證柴油機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和使用壽命是非常重要的。柴油機(jī)更換新缸套或活塞環(huán)后，需要在低速低負(fù)荷下保持足夠的磨合時間，同時在磨合過程中增加氣缸油量-在期間。這樣，在磨合期，活塞環(huán)與缸套的表面由于形狀、粗糙度等原因造成的配合不完全，摩擦面過熱，出現(xiàn)過度磨損或氣缸拉力。4）在實(shí)際運(yùn)行中，活塞環(huán)的搭接間隙大小是判斷活塞環(huán)磨損情況的重要指標(biāo)9 。因此，在日常管理過程中，應(yīng)在運(yùn)行一定時間后測量活塞環(huán)的搭接間隙。柴油機(jī)停機(jī)時，通過掃氣口進(jìn)入掃氣室進(jìn)行測量。同時，您可以借此機(jī)會檢查活塞環(huán)的工作表面狀況。以及是否有粘環(huán)現(xiàn)象，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有粘環(huán)現(xiàn)象時

19、，應(yīng)及時維修吊缸。首先是將搭接間隙的值與手冊要求的值進(jìn)行比較，判斷搭接間隙是否超過極限；另一種是與上次測得的搭接間隙比較，判斷活塞環(huán)的磨損率。在一定的時間間隔，環(huán)的磨損率突然增加，應(yīng)該找到原因解決。通過每個活塞環(huán)的檔案，不僅可以系統(tǒng)分析活塞環(huán)的失效現(xiàn)象，還可以分析比較不同備件、燃油、潤滑油的質(zhì)量對磨損率的影響。實(shí)踐證明，定期測量活塞環(huán)的搭接間隙雖然會給渦輪管理人員帶來額外的工作量，但對柴油機(jī)的維護(hù)管理和故障預(yù)防可以起到事半功倍的效果。5）正常運(yùn)行時，應(yīng)將冷卻水、冷卻油等的溫度和壓力控制在要求的范圍內(nèi)，并注意參數(shù)的比較。最重要的是每個參數(shù)的變化速度；分析壓力、最大爆炸壓力、燃燒起點(diǎn)、負(fù)荷分布等，

20、判斷燃燒過程質(zhì)量和氣缸、活塞環(huán)等工作狀態(tài)，及時查找原因并采取相應(yīng)措施當(dāng)有失敗的跡象時。綜上所述活塞環(huán)失效的原因有很多，必須綜合分析。預(yù)防措施必須規(guī)范維護(hù)和使用。增加監(jiān)測設(shè)備，豐富監(jiān)測手段也是一個重要方面。隨著現(xiàn)代柴油機(jī)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，油液分析技術(shù)、磨損監(jiān)測技術(shù)10 、缸套油膜監(jiān)測技術(shù)等新技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到新船上，可以幫助工程師分析判斷工作狀態(tài)活塞環(huán)和氣缸提供了有利的基礎(chǔ)。但是，不建議過分依賴檢查系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)。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(dāng)?shù)牟鸾鈾z查加以佐證，才能提高汽輪機(jī)管理人員的科學(xué)管理水平。目前船用柴油機(jī)使用的活塞環(huán)有很多種，主要區(qū)別在于活塞環(huán)的材料、搭接形式、表面涂層和截面形狀。每種類型的密封圈都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)柴油機(jī)的特點(diǎn)選擇合適的密封圈，以達(dá)到良好的密封效果。目前正在逐步應(yīng)用的等離子噴涂技術(shù)使活塞環(huán)涂層含有鈦、鎢、鉻、鉬等多種金屬成分，大大改善了單一金屬涂層的不