主机低转速时燃烧敲缸故障分析轮机工程Word格式文档下载.docx
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在文章的结尾作了总结并给出了一些针对此类现象的处理建议和日常管理注意事项。
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主机敲缸活塞坏更换
主机低转速时燃烧敲缸故障分析
前言
柴油机运行中气缸发出有规律的不正常声响或者敲击声，这种现象称为敲缸。
敲缸通常分为两类，即燃烧敲缸和机械敲缸。
由于燃烧的原因在上止点附近发出尖锐的金属敲击声称为燃烧敲缸或者热敲缸。
此时如若继续运行，则柴油机的最高燃烧压力异常增高，各个部件热应力增大，机械负荷亦增大，在冲击力的作用下，运动部件将过快磨损，严重者导致损坏。
因运动部件和轴承间隙不正常引起钝重敲击声或摩擦声，是发生在上.下止点或越过上.下止点时及经过中部时，这种现象称为机械敲缸或冷敲缸。
“时代2”轮在主机低速时发生不正常的敲缸，经判断是燃烧敲缸。
在采取正确的措施后，消除了这个现象，避免了由此引起的轴承负荷增加而加剧磨损，以及振动造成某些紧固件松动，导致更严重的机械部件损坏。
由此，在平时维护保养的过程中，应高度注意，为船舶和航行安全做好保证。
“时代2”轮为载重76000t巴拿马型散货船，主机为二冲程柴油机，型号B&
W5S60MC，功率8833KW，废气涡轮增压，直流扫气。
1主机低速时燃烧敲缸故障现象
我轮在某航次航行途中，主机运转良好，无异常现象。
而在某日抵锚地主机减速时，主机第二缸有间歇性的敲缸的声音，声音不大，间歇间隔2-3，4-5转不等。
在3小时后进港低速航行，第二缸的敲缸声音变得异常大，全船甚至驾驶台都听得到。
在这种情况下，轮机长通知船长，随即决定封缸运行。
用专用提升工具将第二缸高压油泵滚轮连同柱塞一同抬起，将该缸示功考克全部打开，减少能量的损耗，防止因缸内积油过多造成爆炸，同时适当地减少该缸滑油和冷却水的供给，降速并降低柴油机的负荷，保持运转平稳以及其余各缸不超负荷，同时防止增压器发生喘振。
经过封缸处理，敲缸声随即消失。
次日1200开航，主机备车时发现第二缸不发火。
离港主机低速时第二缸敲缸声音仍然很大。
在封缸运行后，船出港，随后放下高压油泵滚轮和柱塞解除封缸并加速到全速，数转内敲缸消失，主机又正常运行，无异常现象。
在抵达目的港锚地时，又出现轻微敲缸现象，抛锚后，即进行维修。
2敲缸故障现象分析及判断
对于敲缸现象，可分为机械敲缸和燃烧敲缸。
很明显，此次敲缸现象随停止供油而消失，
肯定不是机械敲缸，而是燃烧敲缸，遂需对形成燃烧敲缸的原因进行分析和研究。
柴油机的燃烧过程可分为四个阶段，分别为：
1.滞燃阶段--自喷油始点至着火点
2.速燃阶段--自着火点至最高压力点
3.缓燃阶段--自最高压力点至最高温度点
4.后燃阶段--自最高温度点至燃烧终点
下面我们着重分析滞燃阶段和速燃阶段。
在滞燃期中，燃油进行着一系列发火前的物理和化学准备，此间喷入气缸的燃油量称为滞燃量。
燃油在滞燃期内没有产生明显燃烧，主要是形成可燃性混合气体。
而在滞燃期内形成的可燃性混合气体的数量直接决定了后续速燃期燃烧的急剧程度。
当滞燃期结束时，滞燃量将立即全部投入燃烧，而且此时活塞接近上止点，气缸容积很少，导致气缸内压力迅速上升至最高爆发压力Pz。
滞燃时间越长，滞燃量越大，一旦发火燃烧，压力就会突然增高，使柴油机工作粗暴。
柴油机的发火点一般在上止点前几度曲轴转角，而最高爆发压力点为上止点后10-15度。
这一燃烧时期的特点是气缸中的压力迅速上升至最高爆发压力Pz。
压力之所以迅速上升，一是由于燃烧急剧进行，二是由于活塞位移极微。
在速燃期中，不但烧掉了滞燃期形成的可燃性混合气体，还烧掉了速燃期喷入气缸并且已经完成了燃烧准备的部分燃油，燃烧近乎是在等容状态下进行。
评价速燃期的重要参数是平均压力增长率△p/△ψ（△ψ为滞燃角），它表示本阶段内气缸内相应于单位曲轴转角的平均压力增长量。
此值决定了柴油机燃烧过程的柔和性。
△p/△ψ小的柴油机工作柔和，燃烧平稳，无敲击声。
△p/△ψ大的柴油机工作粗暴，常伴有敲击声。
此种敲击是由于滞燃时间过长，滞燃量过多，气缸中积累了过多的已经完成燃烧准备的可燃性混合气体而瞬间同时燃烧的缘故。
这种燃烧在气缸内产生微波并传向气缸四壁，往复反射产生的敲击声，称为燃烧敲缸。
速燃期的燃烧速率很难直接用控制该燃烧期燃油与空气混合速度的办法来加以控制，故亦称为不可控燃烧期。
由于速燃期的可燃性混合气体主要是滞燃期喷入气缸的燃油所准备的，为了使柴油机工作平稳，应通过滞燃期来影响速燃期，力求缩短滞燃期，减少滞燃量，控制可燃性混合气体的形成量。
滞燃期对燃烧质量起决定性作用，因此控制滞燃期是影响燃烧过程的重要手段。
综上所述，可总结燃烧敲缸通常有以下几点原因引起：
1.所用燃油燃烧性能差，易发生爆炸。
2.喷油器供油提前角过大。
3.供油量过大，超负荷运转。
4.喷油器启阀压力调得过低。
5.喷油器的喷嘴针阀卡在开启位置。
6.喷油器弹簧断裂或松动。
综合分析，认为敲缸实质原因主要有三点，分别是：
1.然油的燃烧性能差，例如十六烷值过小。
2.燃油喷射时间过早。
3.汽缸内油雾过多。
根据分析，遂进行进一步的分析：
1.由于上航次使用相同燃油，未出现此类故障，故排除燃油的燃烧性能为故障原因。
2.测取喷油定时，油门刻度为72，喷油提前角为9°
，喷油终点上止点后7°
，未超出明书允许范围。
3.对第二缸喷油器进行泵压试验，启阀压力375bar,在说明书允许范围内，雾化正常，无滴漏，说明此缸喷油器无故障，不是引起油雾过多的原因。
4.全面仔细检查高压油泵，进油阀，回油阀等无卡阻，密封良好，确认高压油泵无故障，不是引起油雾过多的原因。
5.主机完车后盘车，观察第二缸示功考克，未见有气体排出。
6.打开扫气箱道门，检查发现有两根活塞环断裂。
7.查阅航行途中主机主要参数，第二缸对比其他缸，排烟温度略高，压缩压力低0.4MPa，爆炸压力低0.7MPa,活塞冷却液温度高2℃，缸套冷却水高2℃，见下表。
缸数
1
2
3
4
5
排烟温度℃
320
330
325
缸套冷却水温度℃
78
80
活塞冷却液温度℃
51
54
52
爆炸压力MPa
12.8
12.2
13.0
12.9
压缩压力MPa
10.8
10.5
11.0
10.9
通过以上试验，检查和参数分析，判断出第二缸气密不良，主要是由活塞环断裂引起，需要吊缸检修，换新活塞环。
而诸多因素均可引起活塞环的断裂，如搭口间隙过小，环槽内积碳，活塞环压入时，其工作面与气缸壁贴合不良，缸套磨损失圆等等。
这要求我们在平时对于主机的维护管理工作中，要多留心，多注意，并采取合适的手段，保障机械设备良好的工况。
3故障的解决措施
根据上述判断，即进行吊缸检修，更换活塞环。
3.1气缸盖的拆除
1.将主起动阀上的闭锁装置A置于锁紧位置。
啮合盘车机B。
关闭燃油进口阀C。
关闭冷却水进口阀D。
关闭冷却水出口阀E及F。
打开冷却水泄放拷克G及H。
在操纵系统通过球阀排放大气前，切断控制空气及安全装置空气气源。
切断液压/气动排气阀延缓装置的气源，并放大气。
停掉主滑油泵。
2.从排气阀上拆除冷却水出口管。
拆除冷却水出口管与气缸盖之间的螺栓。
拆除喷油器和喷油泵之间的高压油管。
拆下起动阀的控制空气管。
拆除起动空气进气管与缸盖的连接螺栓。
3.拆除液压管。
拆去排气阀至液压驱动装置的回油管。
拆去排气阀空气弹簧的空气管及密封空气管。
4.拆除位于排气集管和排气阀间中间接管的保护套。
拆下排气管/中间接管的法兰螺钉，旋松下面四颗螺钉，
拆下气缸盖螺母上的保护螺帽。
5.把缸盖泵紧工具放在缸盖上，把定距环放在螺母上，用液压拉伸器拆松螺母。
6.用机仓内吊车钩住排气阀上的环首螺钉，吊起气缸盖总成，并放在两块木板上。
7.拆除并扔掉缸盖和缸套之间的密封圈，清洁粘结在气缸套上部的焦碳。
3.2活塞的拆除
1.将十字头向下盘车，直到足以使操作者能够拆除活塞杆填料函，活塞杆连接螺栓以及伸缩管。
2.拆下紧固法兰上内圈螺钉，使填料函松动。
注意：
不要拆下紧固法兰上外圈螺钉。
3.拆除活塞杆的连接螺栓。
4.将两块定矩块装到活塞杆底板上平面以保护填料函下部刮油环，并且吊装活塞时对填料函起导向作用。
5.拆下气缸盖,用手动风磨轮小心磨平缸套上部所有磨损锐边。
6.盘车使十字头到上止点位置，同时检查定距管的定位销是否进入填料函上的孔内。
7.活塞顶部已高出气缸套，清洗活塞头的起吊槽，将起吊工具的其中两只“固定”的钩形脚插入起吊槽，再用第三只钩脚，使其插入吊槽内，并拧紧至与此工具上的档块相接触为止。
8.将活塞支座放置在柴油机平台一个开口处四周，吊出活塞，活塞杆和填料函，通过
柴油机平台上的开孔置于活塞支座上，在活塞杆四周放好支座在支座上上好螺栓。
9.用活塞环张环工具拆下活塞环，发现活塞环槽内有很多积碳，随即清除积碳，清洗环槽，并换新全部四根活塞环,经测量缸套发现磨损没有超过说明书允许范围。
3.3装复
用滑油均涂活塞环，活塞杆和气缸套，在活塞头上装上起吊工具，确保填料函壳体上的孔对装在活塞杆脚板平面上定距块上的导向定位销。
用滑油均涂在填料函型密封圈上，盘车使十字头位于上止点，在气缸套上放上活塞杆导向环，将活塞吊入缸套。
拆除起吊工具和活塞导向环，盘车将十字头连同活塞杆及伸缩套管向下至足以使操作者能拧紧回油管螺栓位置。
拆除活塞杆底脚平面上定距块，上紧填料函紧固法兰内圈。
然后换新气缸套顶部的密封圈，抹上油脂后装上，将气缸盖与缸套解除表面清洁，用行车吊回气缸盖，并安装好。
拆除起吊工具，上紧气缸盖螺栓的锁紧螺母和保护螺母，将有关管路接回，阀门置于正确开关状态。
3.4验证
经过检修过后，主机盘车，第二缸有气体排出。
正倒车试验，第二缸正常发火，且不再敲缸。
开航定速前的机动航行时间内，不再出现敲缸声，主机正常运转，各检测参数回复正常，证明第二缸的气密性良好，检修成功。
4总结
4.1原因分析
4.1.1气缸密闭不良导致低速时燃烧敲缸的机理
燃烧敲缸，实质是爆炸压力过高。
通过这次故障，对其中的“汽缸内油雾过多”有了全新的认识。
以前认为，只有喷油量
过大，例如柴油机负荷过高或者高压油泵故障，导致“气缸内油雾过多”；
现在认识到，还有另外一种可能，即某（些）循环燃油不发火，积累未燃烧的油雾较多，也导致“气缸内油雾过多”，一旦形成，形成很高的爆炸压力。
而某（些）循环燃油不发火的原因，可能包括：
1）压缩压力过低，压缩终点温度低于点火温度
2）燃油雾化不良
3）喷油过迟（滞燃期后可以点火时，缸内温度已低于点火温度）
4）燃油的燃烧性能差
低速时，汽缸密封不良可能导致：
1）压缩终点压力和温度偏低
2）燃烧室内空气扰动效果差而不利于油气混合
3）汽缸温度偏低
这次故障就是汽缸密封不良，压缩压力过低，某（些）循环燃油不发火，积累未燃烧的
油雾较多，一旦发火，形成很高的爆炸压力，从而引起敲缸现象发生。
4.1.2汽缸密封不良导致低速时燃烧敲缸的表征
1）.发生在低转速时。
因为主机转速高时，压缩终点温度和压力提高，空气扰动加剧促使油气混合，喷油量增加，汽缸温度也提高，不大容易出现燃油不发火，也就不会发生燃烧敲缸。
2）.间歇性，间歇几转（不定）一次，不是主机每转都敲缸。
3）.活塞冷却液温度和缸套冷却水温度都升高，尤其是活塞冷却液，因为汽缸密封不良燃气漏泄，活塞和缸壁温度都升高。
4）.若主机缸数少且启动程序油气并进时间短，又适逢该密封不良气缸处于发火位置时，可能启动不成功。
4.2处理建议
前面说过，燃烧敲缸的实质，是爆炸压力过高。
爆炸压力过高，机械负荷大，当然会损害部件。
但是，如果各缸安全阀有效限制最高压力，基本不会损害部件，最多是某些轴承负荷增加而加剧磨损，以及振动噪声某些紧固件易松动。
所以对气缸气密不良导致主机低速时
燃烧敲缸，要重视，但是也不必大惊小怪。
4.2.1彻底解决
彻底解决，需要更换活塞环和缸套（若缸套磨损超限），回复气密。
此外，需要定期效验缸头安全阀，确保有效。
4.2.2应急措施
1.低速时，封缸运行。
2.高速时，可以投入运行，但需要适当调小该缸然后喷油量，以防止排烟温度过高。
4.2.3防范措施
防范气缸密封不良导致低速时燃烧敲缸，就是要保持气缸气密，主要是防止活塞环过度磨损和断裂。
1.适时或定期吊缸检修，包括即时更换磨损超限的气缸（套）和活塞环，修理有凸台的环槽（极易折断活塞环）等，保证缸壁.环槽以及活塞环的技术状况良好。
2.合理确定汽缸油注油量，低速时适当地提高。
3.定期检查，即时发现，可以从以下几方面判定活塞环的密封情况：
A.盘车，从扫气箱内扫气口观察活塞环弹性，磨损情况以及是否有断裂等。
活塞环光滑洁亮，弹出环槽，用螺丝刀撬压有弹性，可确认其密封性能良好。
若外表面为黑色，有蹿气痕迹，卡在环槽内，用螺丝刀撬压令没有弹性，则需要即时更换。
B.定时检测活塞冷却液温度和缸套冷却水温度。
若活塞环断裂，燃气下蹿，缸套冷却水温度会比平时正常时高，活塞冷却液温度的变化则更大。
C.定期测量各缸压缩压力。
如果压缩压力比正常低，则显示密封性能差，可能活塞环有过度磨损或者断裂。
D.盘车，观察示功考克透气情况，若有气透出，则密封性能较好，如若没有气透出，则密封性能较差，有可能活塞环断裂。
从本次故障的发生到彻底解决的过程中，我们可以看出，对于主机平时的维护保养工作
要做到认真仔细，不能忽视任何一点问题，同时不断提高自身业务水平，加强分析问题，判断问题和处理问题的努力，使机械及设备始终处于良好的工作状况，切实做好轮机员本职工作，保证船舶和航行的安全。
【参考文献】
（1）李斌主编，船舶柴油机，大连：
大连海事大学出版社，2008年。
（2）MANB&
W5S60MC说明书
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