船用柴油機活塞環(huán)故障分析畢業(yè)論文.doc

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1、 天津海運職業(yè)學院 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 號： xxxxxxxxxxx 姓 名： xxxxxx 指導教師： xxxx

2、xx xxxxxx 完成日期： 2013年4月10日 目錄 1. 活塞環(huán)的工作條件----------------------------------------------2 2. 活塞環(huán)的主要故障----------------------------------------------3 3. 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

3、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日常維護修理-------------------

4、-----------------------------10 結(jié)束語------------------------------------------------------------11 致謝--------------------------------------------------------------11 參考文獻----------------------------------------------------------12 內(nèi)容摘要 活塞環(huán)是柴油機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

5、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)高壓燃氣膨脹作功而不泄漏，對燃油燃燒和柴油機的工

6、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氣的作用;其它環(huán)由于燃氣經(jīng)活塞環(huán)的搭口，氣缸壁面和環(huán)槽處的漏泄，也受到燃氣不同程度的作用。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

7、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)被活塞帶動相對于氣缸套做往復運動。由于氣體壓力，活塞往復運動的慣性力，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)十分復雜，使環(huán)同氣缸套及環(huán)槽之間產(chǎn)生嚴重的磨擦。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。

8、 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，導致主機啟動困難;空載主機轉(zhuǎn)速為84 r/min時，油門竟達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. 3MP

9、a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)的徑向厚度最薄處僅為12. 4mm(最大處為16. 9mm)，且燒損嚴重;第三缸，第一道活塞環(huán)嚴重粘著在環(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

10、. 3mm;活塞環(huán)槽嚴重積碳;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20cm。 活塞環(huán)異常磨損引起增壓器損壞?；钊h(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，因而發(fā)生增壓

11、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;1993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，高溫高壓燃氣倒竄，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，破損后導致轉(zhuǎn)子和外殼破壞，還可能導致口琴閥組損壞和活塞桿氣封彈簧斷裂。通常這種損

12、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SULZER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，則會造成缸套磨損過快，或是活塞環(huán)磨損過快。應(yīng)當首先了解主機現(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

13、 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)生磨損，環(huán)的搭口間隙會逐漸增大?；钊h(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，嚴重時造成環(huán)的斷裂，如果環(huán)槽結(jié)碳嚴重則容易發(fā)生環(huán)粘著故庫。 活

14、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，因此在日常管理過程中，運行一定的時間后就應(yīng)當側(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，進人到掃氣室通過掃氣口進行側(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。當發(fā)現(xiàn)有活塞環(huán)粘著現(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

15、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。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，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)都能達到上述要求。 圖2 檢查安裝新的備件活塞環(huán)時，必須認真檢查環(huán)的幾何尺寸(厚度，高度，直

16、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)標準環(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，活塞環(huán)不僅隨著活塞在缸套中作上下往復運動，而且在環(huán)槽內(nèi)作著徑向的、周向的復雜的交變運動，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)

17、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行恢復性修理。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)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、不同標號的燃油，理化性能相差甚大，而燃油的品質(zhì)對爆

18、發(fā)壓力的影響是相當直接的。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，其性能指標也不同，不能使用同樣的方法對燃油進行處理(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)。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，由于泵油作用在環(huán)槽處形成積碳，當氣缸內(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

19、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。 長期低負荷和超負荷運行都不是科學使用主機的方法。前者是操作者對主機缺乏認識，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);后者則是盲目開英雄車，工作于超負荷區(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?；钊h(huán)在氣缸套內(nèi)全

20、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)，同時受到高溫燃氣的沖擊作用，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)生摩擦，不但會使氣缸套的磨損率增大，同時會嚴重破壞潤滑抽膜，使活塞環(huán)的磨損率明顯增大。柴油機低轉(zhuǎn)速、低負荷工作或進出港頻繁用車，應(yīng)適當增加氣缸注油量。 SULZER RTA主機說明書比較詳細的

21、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/kwh). 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(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。 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

22、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

23、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。 致謝 大學三年學習時光已經(jīng)接近尾聲，在此我想對我的母校，我的老師同學們表達我由衷的謝意。感謝我的家人對我大學三年學習的默默支持；感謝我的母校天津海運職業(yè)學院給了我在大學三年深造的機會，讓我能繼續(xù)學習和提高。老師們課堂上的激情洋溢，課堂下的諄諄教誨；同學們在學習中的認真熱情，生活上的主動熱心，所有的這些都讓我的三年充滿感動。這次我的畢業(yè)論文指導老師張曉強老師對我的關(guān)心和支持尤為重要。從選題到查閱資料，論文提綱的確定，中期論文的修改，后期論文格式調(diào)整等各個環(huán)節(jié)中都給予我悉心的指導。這幾個月

24、來，張老師不僅在學業(yè)上給以我指導，同時還在思想上給我以無微不至的關(guān)懷，在此向張曉強老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。感謝在整個畢業(yè)論文期間和我密切合作的同學，在此，我再一次真誠地向幫助過我的老師和同學表示感謝！ 參考文獻 [1]朱建元.船舶柴油機.北京：人民交通出版社，1997 [2]周明順.船舶柴油機.大連：大連海事大學出版社,2007 [3]韓壽家.造船大意.大連：大連海事大學出版社，1993 [4]蔣維清.船舶原理.北京：人民交通出版社，1992 [5]周衛(wèi)杰.輪機維護與修理.北京：人民交通出版社，2002 [6]中國船級社.鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范.2004 [7]于洪亮.船舶動力裝置技術(shù)管理.大連：大連海事大學出版社，2009 [8]滿一新.輪機金屬材料.大連：大連海運學院出版社，1990 [9]史美堂.金屬材料及熱處理.上海：上海科學技術(shù)出版社，1980 [10]馬永林.機構(gòu)與機械零件.北京：高等教育出版社，1990