大型低速柴油机活塞环常见故障分析及处理解读Word格式文档下载.docx
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2013
专业
轮机工程
毕业论文题目
大型低速柴油机活塞环常见故障分析及处理
指导教师
王鑫
学历
本科
职称
工程师
所学专业
船舶电气
主要内容：
分析柴油机活塞环常见的故障，对其故障机理和原因进行分析，论述常见故障的诊断和检测方法，提出各种故障的维修方法。
基本要求：
⑴格式符合规范要求，文字材料通顺、清楚；
⑵论文结构要严谨、层次清晰，选用数据准确、论据充分，分析归纳合理，结论正确。
进度安排：
2013.2.25~3.1开题、搜集资料
2013.3.4~3.18完成论文大纲
2013.3.19~5.20撰写毕业论文初稿。
2013.5.20~6.8论文修改定稿、打印并准备答辩。
指导教师签字：
2013年02月25日
院（系）意见：
教学院长（主任）签字：
年月日
附注：
大型船用柴油机活塞环故障分析及处理
【摘要】：
活塞环是柴油机中重要的零部件之一,活塞环的工作情况对燃油燃烧完善程度和工作状态起着至关重要的作用,活塞环在气缸套中受到高温高压燃气的作用和冲刷产生很大的机械应力与热应力；
在恶劣的工作条件和低的运动速度下难于形成理想的液体动压润滑，管理不当会出现故障的可能性，一旦出现故障就有可能破坏主机的正常工作性能,严重时还会致使活塞，气缸，增压器等相关件损坏,其危害是相当严重的，因此，正确认识活塞环断裂产生的机理，并采取积极的预防措施，对于船舶的安全营运和提高机械设备的使用效益有十分重要的意义。
随着现代柴油机监控技术的发展,如油液分析技术、磨损监控技术、缸套油膜监控技术等已经在新型现代化船舶上得到应用,这为轮机员分析判断活塞环及气缸内的工作状态提供了有利的依据。
所以对活塞环运行管理和维护,提高活塞环运行寿命,对保证柴油机的安全、可靠和经济运行尤为重要。
本文探讨了活塞环出现故障的原因和影响的因素，并针对该故障的诱发原因对柴油机的日常维护管理提出了建议。
关键词：
活塞环；
故障；
处理方案；
意义
Abstract:
Pistonringisoneoftheimportantpartsofadieselengine,pistonringsworkthefuelcombustiondegreeofperfectionandworkingconditionsplaysavitalrolebythehightemperatureandhighpressuregasinthecylinderliner,pistonringsandtheerosiongeneratedalotofmechanicalstressandthermalstress;
poorworkingconditionsandlowvelocitydifficulttoformanidealhydrodynamiclubrication,mismanagementtherewillbethepossibilityoffailure,abreakdownislikelytodestroythehost'
snormalworkperformance,alsoresultinginseveredamageofthepiston,cylinder,turbocharger,theharmisveryserious,acorrectunderstandingofthepistonringfracturemechanism,andtotakeactivepreventivemeasuresforthesafeoperationofshipsandofgreatsignificancetoimprovetheefficiencyintheuseofmachineryandequipment.Withthedevelopmentofmoderndieselenginemonitoringtechnology,suchasoilanalysis,thewearmonitoringtechnology,cylinderlinerfilmmonitoringtechnologyinthenewmodernshiphasbeenappliedfortheengineersworkingconditionanalysistodeterminepistonringsandcylinderprovidesfavorablebasis.Sothepistonringoperationmanagementandmaintenancetoimprovethelifeofthepistonringsruntoensurethesafetyofthedieselengine,reliableandeconomicoperationisparticularlyimportant.Thispaperdiscussesthepistonringfailurecausesandeffectsoffactorsandrecommendationspredisposingcausesforthefailureoftheday-to-daymaintenanceandmanagementofthedieselengine.
Keywords:
pistonringfaulttreatmentoptionsmeaning
目录
前言1
第一章活塞环的工作条件2
第二章故障实例3
2.1检修现象3
2.2分析原因3
2.3处理方案3
第三章活塞环的粘着故障及处理方案4
3.1活塞环粘着4
3.2活塞环粘着的原因4
3.3如何判断活塞环粘着4
3.4如何处理粘着环4
3.5防止活塞环粘着的措施4
第四章活塞环的异常磨损故障及处理方案6
4.1活塞环异常磨损6
4.2
活塞环异常磨损的特点及原因6
4.2.1
疲劳损伤6
4.2.2偏向磨损6
4.2.3工作面擦伤6
4.2.4活塞环异常磨损和设计、材质、热处理等因素状况有很大关系。
6
4.3活塞环磨损外观的示意图6
4.4减磨措施7
第五章活塞环的折断故障及处理8
5.1断环后的工作状态8
5.2断环原因分析8
5.2.1材料及加工工艺的影响8
5.2.2环槽的原因8
5.2.3活塞环和缸套配合状况的影响9
5.2.4油料的影响9
5.2.5管理不当10
5.3应急处理方法10
第六章活塞环弹力丧失11
6.1活塞环弹力丧失11
6.2活塞环弹力的检查方法11
6.2.1测量活塞环自由开口11
6.2.2闭合或扩大自由开口11
6.2.3对比法11
6.2.4活塞环装入气缸的难易11
6.3活塞环弹力丧失的处理方法11
第七章活塞环日常维护和管理12
第八章结束语13
[参考文献]14
前言
活塞环的工作条件十分恶劣，第一道环直接受到高温高压燃气的地作用，其他环由于燃气经环的搭口、气缸壁面和环槽处漏泄，也受到燃气不同程度的作用。
活塞环在工作中的主要运动有轴向运动和轴向振动，径向运动和径向振动，回转运动，扭曲振动等。
由于气缸套壁面在制造加工磨损后产生圆柱度误差，活塞环在本身的弹力作用下还要产生张合的交变运动。
活塞环在高温下工作，润滑条件较差在环槽中的运动又十分复杂，使它与气缸套和活塞环槽之间产生严重的摩擦和磨损。
活塞环因振动与气口挂碰，弹性张合等作用有可能裂纹使活塞环折断。
柴油机在运行中，也会因为燃烧不良，滑油过多将活塞环粘着在环槽里阻止活塞环在环槽中的运动，或出现活塞环磨损后厚度极不均匀或磨损速度很快等异常磨损的现象。
活塞环的失效会引起压缩终点压力和最高爆炸压力下降，排温升高，导致柴油机功率下降，影响柴油机的启动性能。
此外活塞环的散热效果下降使活塞头过热。
第一章活塞环的工作条件
船用十字头式长冲程低速柴油机中，每个活塞大约有4--6道气环。
第一道活塞环直接受到高温高压燃气的作用;
其它环由于燃气经活塞环的搭口，气缸壁面和环槽处的漏泄，也受到燃气不同程度的作用。
通常气缸内气体经上两道气环密封后，第二道环下方气体压力下降到气缸内压力的10%左右。
因此，密封的主要作用是靠上面两道气环。
工作中，活塞环被活塞带动相对于气缸套做往复运动。
由于气体压力，活塞往复运动的惯性力，活塞环与气缸套之间产生的摩擦力，以及活塞横向振动和气口挂碰等作用，使活塞环在环槽中产生十分复杂的运动，其中有:
轴向运动、径向运动、回转运动，扭曲振动等。
由于气缸套壁面失圆、存在锥度，活塞环在本身弹力作用下还要产生张合的交变运动。
活塞环在高温高压下工作，润滑条件较差，运动状态十分复杂，使环同气缸套及环槽之间产生严重的磨擦。
柴油机运行中，还会因燃烧不良，滑油过多将活塞环粘着在环槽中，使活塞环失去密封作用，甚至损坏。
第二章故障实例
在实习期间对柴油机第三缸进行检修时发现活塞环粘着其简单发生过程如下
2.1检修现象
打开道门后从扫气口观察并用木棒触动活塞环发现活塞中第一道活塞环发现活塞环在环槽中卡死不能自由运动并且发现活塞环的表面变黑因为环粘着引起燃气下窜而将粘着的环表面变黑。
而其余各环均能正常运动并且表面光亮。
还伴随着燃气压力下降，最高爆炸压力下降，柴油机功率下降。
经过吊缸后发现第一道活塞环环槽有严重的积碳。
2.2分析原因
根据检修现象可以初步判断是第一道活塞环粘着故障。
可能原因是燃烧不良生成的炭粒或不完全燃烧产物、磨损产生的颗粒包括活塞上的承磨环磨损产生的颗粒也积存在环槽中时，就会使粘着活塞环的沉积物加速生成和固化以致大量油污和积炭填满环槽便环不能运动。
2.3处理方案
第一首先对柴油机进行吊缸。
第二先用煤油浸泡使积炭变软后再用木棒敲击使之松动，最后用专用工具将环取出。
注意取环时切勿用扁铲、凿子等工具，以免损伤环槽。
第三用煤油浸泡活塞环环槽对其进行清洁处理。
第四根据粘着的环应报废换新活塞环。
在更换活塞环应采用随机专用工具将环的开口扩大装人环槽内，操作时切勿使环的开口过分开大，以免活塞环变形或折断。
装到活塞上的活塞环的开口位置应错开，切勿使开口在同一位置，以免燃气下窜。
第三章活塞环的粘着故障及处理方案
3.1活塞环粘着
在正常情况下，由于活塞的往复运动和横向振动，活塞环在环槽中是作上下运动、径向运动和圆周向转动的。
假如活塞环区形成沉积物，并压进了活塞环槽的间隙中，沉积物就可能固化，阻止活塞环在槽中运动。
活塞环在环槽中不能自由运动称为活塞环粘着。
3.2活塞环粘着的原因
活塞环的粘着大多是由于活塞或气缸过热、滑油过多、滑油不净、燃烧不良等原因造成的。
活塞或气缸过热可使过多的滑油变成油泥附着在环槽内，产生使活塞环粘着的沉积物。
当燃烧不良生成的炭粒等不完全燃烧产物、磨损产生的颗粒包括活塞上的承磨环磨损产生的颗粒也积存在环槽中时，就会使粘着活塞环的沉积物加速生成和固化以致大量油污和积炭填满环槽便环不能运动。
3.3如何判断活塞环粘着
检查活塞环是否粘着可以从扫气口观察和用木棒触动活塞环来判断。
还可以从活塞环的表面变黑情况来识别环是否发生粘着，因为环粘着时引起燃气下窜而将粘着的环表面变黑。
3.4如何处理粘着环
粘着的环应报废换新活塞环。
首先应将环从环槽中取出，一般来说不易取出。
采用木棒轻轻敲击活塞环使之松动，或先用煤油浸泡使积炭变软后再用木棒敲击使之松动，最后用专用工具将环取出。
取环时切勿用扁铲、凿子等工具，以免损伤环槽。
3.5防止活塞环粘着的措施
3.5.1防止活塞环粘着的关键要防止气缸过热，气缸过热的原因和相应措施有以下几点。
3.5.1.1活塞环漏气形成干摩擦
可采用照光法检查活塞环的密封性。
将活塞环放在规定直径的量规中或气缸中末磨损的部位，在环的下方用强灯光照射,自环的上方观察，要求一处漏光弧度不超过30º
，几处漏光总和不超过90º
，且搭口附近30º
范围内不允许漏光。
漏光处的间隙，直径D之500mm的活塞环，用0.03mm塞尺检查不应通过;
D>
500mm的活塞环用0.04mm塞尺检查不应通过，以保证活塞环工作表面与气缸套内圆表面紧密贴合，从而使柴油机气缸燃烧室有较高的密封和工作效能。
3.5.1.2柴油机长时间超负荷运行，避免主机长时间超负荷。
3.5.1.3燃烧不良或后燃严重
改善燃烧质量的措施设计方面
（1）可采用特殊形状的燃油凸轮；
（2）采用油膜蒸发燃烧方式以保证燃烧柔和；
（3）采用分级喷射，即同一气缸有两个油泵柱塞，初期只用一个供油，随后两个供油；
（4）采用变压缩比活塞以及变喷油定时等。
在运转管理方面，确保换气质量良好。
为了做到这一点，增压柴油机还要维持增压系统有良好的工作性能，使进入气缸中的空气得到保证。
应根据情况及时清洁进、排气口和进、排气通道。
有气阀的柴油机应确保有正确的气阀正时。
此外，还要注意活塞环和气缸套的磨损情况，以保证进入气缸内的空气不致过多的漏泄。
在空气方面为燃烧过程创造有利条件。
确保燃油喷射正常。
特别要使喷油泵有合适的供油定时和适合要求的供油量，使喷油器有正确的启阀压力和良好的雾化状态，并避免不正常喷射的出现。
3.5.1.4排气阀漏气使使气缸内燃烧不良，排气温度上升。
排气阀故障的可能原因有⑴由于阀盘不同部位的形状、厚度不同，受热、散热条件不同，阀盘圆周上的温度分布不均匀，中心温度高于周边温度，造成气阀阀盘径向上的温度差过大，过大的温差将造成阀盘的变形从而导致漏气的产生。
⑵船用燃油中含有的杂质在经过燃烧室内的各种复杂热过程后，在排气阀阀盘及阀座密封锥面沉积成一层混有碳粒的玻璃状较硬较脆物质，其内混有硫酸钠、硫酸钙、氧化铁等物质。
当此层玻璃状沉积物沉积厚度过大时，在闭阀时的撞击力下会发生裂纹，反复撞击后进而发展成剥落，从而形成高温燃气喷出通道使气阀烧损。
⑶普通排气阀密封锥面在工作温度下硬度并不是很高，沉积的硬质燃烧产物颗粒在闭阀的撞击下，可使密封面出现凹坑，从而形成漏气。
3.5.1.5冷却不良冷却水腔结垢严重。
3.5.1.6气缸润滑不良或气缸套和活塞间隙太小，发生干摩擦。
3.5.2防止活塞环粘着是要防止润滑油过多，防止多余的润滑油进入气缸上部。
大型二冲程柴油机采用气缸注油器注油润滑，注油量可调节故环粘着现象较少。
但是由于缸径大，功率大，燃烧室温度高，如果活塞冷却不良就会使活塞头部变形，环槽随之变形，致使环卡死在环槽内。
为防止环卡死在环槽里采用加强活塞冷却和适当增大平面间隙和天地间隙的措施。
为保证滑油的质量应当定期更换滑油并在滑油中加入抗氧化添加剂。
第四章活塞环的异常磨损故障及处理方案
4.1活塞环异常磨损
活塞环随活塞在气缸内作往复运动，使活塞环外圆工作表面磨损，环的径向厚度减小，活塞环的工作开口即搭口间隙增大;
活塞环在环糟内运动，使环的上、下端面磨损、环的轴向高度减小，环与环槽的间隙即平面间隙增大。
在正常情况下，若活塞环得到良好的润滑，则它的磨损速度通常不超过0.3～0.5mm/kh，活塞环的厚度也基本上均匀，活塞环沿圆周方向各处腐损均匀，并仍与缸壁完全贴合，所以，正常磨损的活塞环仍具有密封作用，这样的磨损是正常磨损。
但实际上，活塞环外圆工作表面多为不均匀磨损往往开口的对侧磨损更严重，或者磨损速度很快，这样的磨损称异常磨损。
第一道活塞环的工作条件尤为恶劣，高温燃气使缸壁温度过高、滑油氧化、润滑条件变坏导致其异常磨损;
高温使活塞头和环槽过热变形破坏环与环槽配合也会发生异常磨损。
活塞环异常磨损的特点及原因
疲劳损伤
活塞环上下工作面有严重的划痕且磨损严重，活塞环色泽暗淡；
第一道活塞环与气缸接触面处磨损严重，多数气缸活塞环的外圆工作面沿气缸轴线方向有细小的划痕,气环背面、油环槽回油孔周围有大量的油泥和漆膜。
引起活塞环疲劳性损伤的直接原因是发动机磨合期的运转模式及维护保养不当所至。
其主要影响因素有磨合运转期内柴油机在较长时间在高速大负荷状态下工作，空气滤清器至进气管间连接软管短路，使灰尘进入汽缸。
加注的润滑油型号不符合规定要求，且污染严重,喷油器喷油质量差或选用的燃油质量差，柴油机长期在低温状态下工作,供油提前角失准等。
4.2.2偏向磨损
活塞环上下端面与环槽的磨损较小，单侧或在圆周面上磨损不均匀；
活塞环外圆工作面上有因粘着磨损而产生的纵向划痕；
活塞环与活塞顶部有窜气的痕迹。
造成活塞环偏向磨损的直接原因是由于活塞在气缸中的位置不正所致。
其主要影响因素有：
新机或大修后的柴油机磨合运转不足；
汽缸套热变形以及汽缸套装入缸体后位置不正；
连杆弯曲或扭曲；
曲轴轴向间隙过大等。
4.2.3工作面擦伤
活塞环单侧或圆周工作面上有纵向沟槽；
接触面出现金属剥离或大面积划伤；
工作面擦伤与粘环现象往往同时出现。
造成活塞环擦伤的直接原因是由于活塞环与气缸间的润滑油膜破坏所致。
活塞与汽缸配合间隙过小；
装配活塞环方法不当或装配时随意压缩或伸张环口而引起变形等。
若柴油机磨合不良，运行中超负荷、润滑不好、滑油品质不合要求、燃烧不良、冷却不佳、摩擦表面有硬质颗粒等，都会使活塞环产生异常磨损。
4.3活塞环磨损外观的示意图
下图为活塞环正常磨损和异常磨损外观状态的示意图。
其中图（a）为正常磨损。
活塞环外表面光滑无毛刺，较清洁，无硬化层，外滑动面的外形呈鼓形。
图（b）为被硬质颗粒划伤。
在活塞环外表面有较均匀的划痕，无光泽，表面无硬化层。
图（c）为由于缺油，异常磨损（微咬）仍在继续。
环的外表面平直（不呈鼓形），棱边锐利且有毛刺，表面有不规则的斑点，表面有硬化层。
图（d）为状态正在变好的旧过度磨损。
弧形的棱边已经出现，沿棱边已经出现了平滑且较软的带状区，但中心环带尚有磨痕和硬化层。
若继续加强润滑，运转一个阶段就会变为正常磨损状态。
活塞环外观状况示意图
4.4减磨措施
4.4.1材料方面
活塞环材料常用显微镜组织细密的珠光体基体，在它上面均匀分布片状或微细粒状和球状石墨的灰铸铁或合金铸铁，也有用球墨铸铁的。
其硬度应比气缸套硬一些。
为改善初期磨合性能，可对其工作表面进行渗硫、镀铜等表面处理。
为提高气环的使用寿命，可对其工作表面进行多孔性镀铬、氮化（以提高耐磨性）、喷钼（以防粘着磨损）等表面处理。
4.4.2对此柴油机在更换新环后要进行良好的磨合后才投入使用工况并且注意柴油机运转的负荷，尽量避免长时间超负荷运转。
4.4.3保证润滑油品质和充分供油
（1）正确选用滑油，根据要求合理地选用润滑油，并把质量合格的润滑油输送到各需润滑的部件，保证其正常运转。
（2）确保滑油的工作压力，滑油的工作压力应按说明书规定进行调节。
一般应保持在0.15～0.4MPa。
滑油的压力应高于海水和淡水压力，以防止泄漏时冷却液漏入滑油中。
滑油的压力可由滑油泵的旁通阀来调节。
（3）确保滑油的工作温度，滑油温度过低，粘度增大，摩擦阻力损失增大，同时滑油泵耗功增加；
滑油温度过高，粘度降低，润滑性能变差，零部件磨损增大，同时滑油易氧化变质。
（4）保持正常的工作油位，经常检查循环柜油位，保持正常油位。
油位过低，滑油温度将会升高，容易使滑油在曲轴箱中挥发。
（5）定期化验滑油品质。
4.4.4燃用劣质燃油、燃烧不良和冷却不足。
第五章活塞环的折断故障及处理
5.1断环后的工作状态
气缸的压缩压力和爆炸压力明显降低、冒黑烟、排气温度升高。
由于断环，气缸的密封性下降，造成压缩过程中大量气体的泄漏，使气缸的压缩压力、压缩终点温度明显下降，燃油滞燃期明显延长，燃烧点后移到上死点后，使爆压下降后燃严重，冒黑烟，排气温度升高，冷却水温也可能升高，柴油机的指示功率下降，效率也明显下降。
滑油消耗急剧增加。
由于第一道或第二道气环断裂使部分高温燃气直接进入下面几道环，滑油燃烧位置下移，活塞环泵油的距离明显变短，断环的刮油作用丧失，使滑油消耗大大增加，造成滑油的过量消耗。
扫气箱易着火。
由于高温燃气漏入扫气箱，使扫气箱温度升高，引起下部积油着火。
柴油机起动困难。
柴油机中有多缸同时发生断环时，由于起动时气缸温度偏低及压缩过程漏气的共同影响，使柴油机达到发火转速时不能发火，造成起动失败。
5.2断环原因分析
活塞环折断的原因很多，除材料缺陷和加工质量外，在使用中产生的损坏主要是轮机管理的问题所致。
5.2.1材料及加工工艺的影响
我公司船舶很多主机都是日本生产地镀铬缸套，硬度相对较硬，在中国的专利厂家生产地铸铁缸套硬度相对较软。
为节约成本，公司订购国产缸套代替原厂缸套。
而活塞环则仍使用与日本产的硬缸套相匹配的进口备件，缸套的硬度与活塞环的硬度偏离最佳匹配。
日本原厂生产缸套表面微小的石墨层的小孔分布均匀储油能力强，国产缸套制造和表面处理及加工工艺欠佳，储油效果较弱，磨损快。
活塞头采用国内翻新件，加工工艺粗糙，活塞头环槽间隙偏小，产生热变形，环易卡阻或环抱。
加工的活塞环槽上、下平面距离不均匀。
活塞环在高温高压燃气作用下易扭曲变形发生弯曲疲劳折断。
5.2.2环槽的原因
5.2.2.1环槽过度磨损
环槽下端面过度磨损后呈倾斜状，当活塞在上止点附近时，燃气压力使环紧贴倾斜的下端面，环发生扭曲变形，随着活塞下行，燃气压力下降，环扭曲变形减小而恢复水平状态。
活塞环周期性地扭曲、水平变形以致疲劳断裂。
又由于活塞在气缸中的横向振动会使环在环槽中的移动位置，使环在杠杆作用下逐段折断，最后断成许多小段，此时环槽往往磨损成波形。
5.2.2.2环槽积炭
燃烧不良或高温使润滑油烧损或氧化，均会使缸中积炭严重。
环槽下端面的积炭尚软时，环仍可活动和保持气缸密封性；
当积炭增多使环活动受阻时，环与缸壁强力作用刮下的滑油和金属屑混合，在燃气作用下在环槽下端面形成局部坚硬积炭。
环在此坚硬积炭上受到周期性燃气压力作用发生弯曲疲劳断裂。
活塞环一处折断后，燃气漏泄量增加，积炭更加严重，并且活塞横摆时的冲击使环继续折成多段或碎块，环槽和气缸的磨损更加剧烈。
5.2.3活塞环和缸套配合状况的影响
5.2.3.1活塞和缸套润滑状况的影响
能否形成理想的全液体润滑,主要取决于运动副的运动形式、速度以及润滑油的性能等因素,而活塞环在缸套内的运动在全行程中的速度
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