远洋船用柴油机缸套工作过程的分析与研究

发布日期:2009/12/25 点击次数:4916

摘要：目前,船舶正朝着大功率,大型化发展,需要船舶的主动力装置船舶柴油机具有高可靠性和耐久性。活塞环和缸套是柴油机的关键部件，直接决定柴油机性能的优劣，必须投入力量进行研究。

关键词：活塞环 缸套 磨损 拉缸 因素 现象

1引言

随着柴油机技术的不断发展，废气涡轮增压器在船上的普遍使用，柴油机平均有效压力不断增大，功率不断提高。由于重油的燃烧使用，柴油机已占现代船舶主要动力的90%以上。而且，随着船舶发展的大型化与高速化，柴油机将进一步向高性能、大功率发展。目前，世界能源紧张，航运成本不断增加，对船用柴油机质量、使用和管理提出了更高的要求，这就必须重视柴油机最主要的滑动部件活塞环和气缸套的研究。

2气缸套摩擦磨损的基本概念

2.1气缸套和活塞环的接触运动条件

活塞环和气缸套是柴油机中一对重要的部件，它们之间的相对运动与其它滑动部件明显不同，具休表现在三个方面：

(1)由于活塞做往复运动，活塞环和气缸套的相对运动方向和速度不断变化，从而活塞环和气缸套之间的摩擦压力也不断变化，而且变化幅度很大；

(2)缸套和活塞环的滑动摩擦运动在高温中进行，燃油及滑油的一些燃烧产物也随之相对运动；

(3)笫一道压缩环在上止点附近的润滑不充分，特别在作功行程中，润滑油膜容易中断，导致边界润滑状态的产生。

2.2磨损概念

上述条件下的磨损现象可叙述如下：

(1)活塞环和缸套在往复滑动摩擦时，如润滑充分，会形成稳定正常的磨损状态。但是，如因温度、压力、速度或尺寸精度等变化的影响，油膜局部被破坏，致使活塞环和缸套处在直接接触的边界润滑条件下运动，摩擦阻力增大而引起发热软化。一旦接触点处油膜被切断，材料内部产生的局部应力可能超过屈服极限，从而成为异常磨损。特别是在上止点附近时第一道压缩环油膜容易破坏，因而缸套磨损的最大值就在该处。如若进一步恶化，将引起粘着磨损，有时甚至发展到烧结。另外，这种熔融现象是随着活塞环和缸套材质(包含表面处理的表面层)的相互亲和性，合金性能的不同而有所差异的；

(2)由于燃烧产物中含有少量坚硬物质，活塞环及缸套或者柴油机其它部分产生的坚硬粉末使活塞环和缸套产生磨粒磨损；

(3)高温燃气直接致使缸套表面氧化、硫化，从而破坏了金属表面的性质，尤其使用劣质燃油时所产生的硫化物等将导致腐蚀磨损。

2.3影响摩擦磨损的因素

缸套活塞环摩擦磨损影响因素

(1)设计与结构：柴油机的种类、型式、缸径、活塞平均速度、转速、平均有效压力、冷却方式、燃烧室形状、燃油喷射方式、增压方式、润滑方式、扫气方式、净化方式以及防止排气污染的措施等；

(2)材质表面处理滑动特性：化学成分、金相组织、机械性能、表面处理、表面光洁度和特性、加工、配合精度和装配、热变形等；

(3)燃油特性：石油产地和精炼方法、含硫量、残碳灰分比重、粘度、十六烷值等；

(4)润滑油特性：碱值、粘性净化作用、换油时间、供油量、燃烧积碳、添加剂等；

(5)运转条件：负荷大小、起动停车次数、燃烧状态、冷却水温的调节；

(6)维修保养：维修保养环境、时间间隔等的管理情况。

3目前影响磨损的主要因素

作为船用主机，目前仍是从提高经济性出发来提高输出功率。

3.1大功率化

为了提高输出功率，一般采取增加排气量、提高转速和提高平均有效压力等措施。对于增加排气量而加大缸径、采用长行程、增加缸数以及提高转速的方法，要和二冲程或四冲程柴油机机型及船舶用途等具体情况相结合。提高平均有效压力的有效手段是增大压缩比，但这要受到起动困难等的限制。为此，强制向气缸充入更多空气是提高有效压力的最有效手段。随着从一级增压向二级增压，从脉冲增压向定压增压以及高性能增压方式的研制成功，废气涡轮增压器的效率不断提高。但大功率化导致了气缸内最高爆发压力和热负荷都有所上升，使缸套和活塞环处在更恶劣的条件下工作。

3.2燃油的劣质化

随着原油价格的上涨，汽油、煤油、柴油等轻质油需求量不断增加，现在已能使用精炼设备从原来的残渣油里进一步提取轻质成分。因此，船用柴油机燃用的重油，其密度、粘度、残碳、沥青质、硫分以及炼制过程中催化物质的含量和从前船用大型低速柴油机燃用的重油相比，在质量方面有很大差别。

4磨损现象

4.1拉缸

图1润滑模型图

图1是活塞环和气缸套的润滑模型图，其中实线表示附着磨损，虚线表示腐蚀磨损。从Y点开始为高负荷，油膜出现中断，产生金属接触形成粘着点，引起剧烈的表面损伤；在Z点发生烧结现象。最近，由于大功率化及燃油的劣质化倾向，高压高温热负荷增加，因此，油膜容易破坏，拉缸现象逐渐增加，特别是在初期的磨合运转中更易发生这种现象。

4.2腐蚀磨损

随着燃油的劣质化，硫分增加，在燃烧过程中全部氧化成SO2或SO3气体，与燃烧过程中生成的水蒸汽结合形成硫酸蒸汽。当柴油机冷却、停下而使温度达到硫酸露点以下时，硫酸蒸汽就凝结成液态硫酸造成腐蚀磨损。

图2硫酸的露点计算值(假定25%的SO2变成SO3、水蒸汽含量5%、空燃比为35:1时的计算值)

图2表示燃油中的硫分和硫酸露点温度的关系，当温度低于露点温度时形成腐蚀磨损，显著地高于露点温度时，就容易成为机械磨损。

图3实验室与实船试验时硫对缸套磨损的影响

图3表示实验用某型柴油机燃油含硫率与缸套磨损比率的关系。

图4腐蚀磨损和水套温度的关系

图4表示缸套冷却水温度和腐蚀磨损的关系。

4.3磨料磨损

燃油喷雾中的沥青质，由于其难燃性而一直喷射到火焰前端才燃烧，这样热负荷就传给缸套，并引起滑油的恶化和燃烧。又由于芳香族成分的增加，使积碳增加，成为磨料磨损的主要原因。在更劣质的催化分解的油中，因混有用作催化剂而含有未回收干净的铝硅石和硅酮氧化物等硬质颗粒，它们也成为磨料磨损的一个主要因素，必须引起注意。

5耐磨性材料和表面处理

5.1耐磨性铸铁

铸铁与钢的组织不同，不能用布氏硬度测量的办法来评定。铸铁中含有大量以各种不同形态分布的石墨，这些石墨的形状排列方式和耐磨性能有直接关系。研究证明，石墨以中等大小分布时，比析出又细又多的石墨，特别是比共晶、网状小节点状分布的耐磨性好。虽然铸铁的机械强度不太高，但它一直占有缸套制造的主要地位，原因是不仅其加工制造容易、价格低廉，而且在润滑不充分的条件下，甚至接近于无润滑状态时，也因铸铁缸套具有自润滑性而能正常工作。另一个原因就是分布着能够贮存润滑油的石墨。

对于铸铁基体来说，均匀而且致密的珠光体组织具有最高的耐磨性，铁素体组织的耐磨性较差。随着大功率化和劣质燃油的使用，含有珠光体组织的石墨铸铁已不能满足耐磨性的要求，需要向合金铸铁过渡。研究结果表明：向高磷材料里分别添加几种不同的微量元素形成不同的改善组织，有效地提高了铸铁的耐磨性。

5.2表面处理

表面处理是提高耐磨性的一种措施，其中最常见的是表面硬质镀铬。由于铬的硬度和熔点都很高，所以能够有效防止粘着磨损。但是，铬在缸套表面不能很好地保存滑油，后来把镀铬表面制成多孔而使之能够成功保存滑油，这就是松孔镀铬技术。此外还有表面高频淬火、激光表面淬火、表面离子渗氮等，都能有效地提高缸套表面的硬度和耐磨性。

6滑油和表面特性

6.1滑油

滑油系统是船舶上最重要的系统之一，目前船舶自动化程度明显提高，这就需要滑油系统始终保持良好的润滑状态。但是，由于燃油的劣质化以及大功率化带来的热负荷的增加，混入滑油的硫酸成分及燃烧残渣增多，滑油的氧化污染和变质明显提前。为此，必须选择与燃油中硫分含量相适应的碱性气缸润滑油。它必须满足如下二个功能要求：

(1)润滑作用

在任何条件下，都要尽量地保持流体润滑状态以减少摩擦阻力，减少烧结和磨损，起到良好的润滑作用。因此，必须处理好滑油的粘度、流动性或pH值、水分离性以及挥发性等；

(2)防止劣化作用

滑油可以作为冷却剂对活塞和气缸进行冷却，并能在活塞环和缸套之间形成油膜，起到密封的作用。由于燃油燃烧生成物的混入，以及滑油本身的燃烧氧化、热分解等原因，可能使滑油失去基本的润滑作用。因此，必须防止内、外因素引起的滑油劣化或因此而产生的有害作用。

6.2表面特性

如前所述，活塞环与缸套之间的润滑性能愈来愈恶劣，容易产生异常磨损和拉缸。为了减少这些情况的发生，需要对缸套材料、表面处理、滑油等进行更深一步的研究，找到能保证润滑的实用方法。异常磨损和拉缸，一般比较集中在运转初期产生。初期阶段油膜的形成，油的保存性直接关系到进入正常磨损范围之后的润滑性能。润滑性能是否良好，取决于缸套的表面加工性质和供油的方法。船用柴油机缸套表面形状的加工方法有波纹形切削和珩磨加工两种，大型柴油机以波纹形切削为主。实践和实验结果证明，采用波纹形切削加工的缸套在行程中间附近的油膜最厚，而在上止点和下止点处油膜薄。同样条件下，波纹深度相同时，波纹间距大的油膜厚度比波纹间距小的要好，一般认为波纹间距与波纹深度的比值为400～800时最佳。同时，为了达到更好的润滑效果形成理想的油膜，我们可以通过改变缸套注油孔的位置和油孔的数目来改善滑油的保存能力。

通过以上对缸套工作过程的研究，为以后我们更深入地改善缸套工作性能并制造出新型的缸套打下坚实的基础。

作者：张玉阁  来源：天津航海