船用柴油机活塞环故障分析

船用柴油机活塞环故障分析

王中新

上海中船三井造船柴油机有限公司 上海 201306

活塞环的主要作用是密封燃烧室，保证活塞到达上止点时，燃烧室内的新鲜空气有足够的温度和压力，满足燃油自燃的温度，并使燃烧迅速、及时和完善;切实保证气缸内高压燃气膨胀作功而不泄漏，对燃油燃烧和柴油机的工作状态起着至关重要的作用。众所周知，活塞环的密封作用，是靠活塞环本身的弹性，和在气缸内气体压力的作用下紧贴于气缸壁和活塞环槽平面来实现的。但是，活塞环和气缸套的工作条件非常恶劣，摩擦损失占到整个柴油机摩擦损失功率的55%---65%。活塞环运行中的管理和维护，对保证柴油机的安全可靠和经济运行显得尤为重要。

1. 活塞环的工作条件

船用长冲程低速柴油机中，每个活塞大约有3-4道活塞环。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。由于气缸套壁面失国、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。

2. 活塞环的主要故障

活塞环的主要故障有折断、粘着、拉缸和异常磨损等。当上述一种或一种以上故障同时发生时，一般会伴随着排气温度升高、排气冒黑烟及缸套冷却水沮度升高等现象的发生。

例如某轮主机为MAN B&W6S50MEC型柴油机，运行中发现第一缸和第三缸运行异常，导致主机启动困难;空载，主机转速为84 r/min时，油门竟达72格(以前正常时只有58格);同时伴有主机透平喘振;减速运行也没见有明显的改观。测t各缸PMI发现，第一缸和第三缸的压缩压力分别为5. 6MPa和5. 4MPa，而其它缸压缩压力则为6. MPa左右。吊缸发现:第一缸，除最下面一道活塞环正常外，其余各道活塞环全部折断为碎块状(最长的一段也不足20cm )，环的径向厚度最薄处仅为12. 4mm(最大处为16. 9mm)，且烧损严重;第三缸，第一道活塞环严重粘着在环槽中，其余各道都发生了不同形式的断裂。

3. 活塞环搭口间隙

活塞环的搭口间隙可以保证活塞环在工作时有足够的受热膨胀余地，同时可以使活塞环在正常工作时有一定的周向运动。

活塞环搭口间隙过小，会使活塞环在工作时的热膨胀受到限制而在搭口处产生挤压，从而容易在搭口的对侧发生环的折断现象。

由于活塞环和气缸套在运行中会产生磨损，环的搭口间隙会逐渐增大。活塞环的径向力，主要是环自身的弹力，和气体作用在环背的气体力。搭口间隙的存在使气体力的合力方向朝环内圆面分体。

当搭口间隙过大时，会在搭口的对侧产生较大磨损，同时活塞环受力使环的径向厚度减小，弹性降低，严重时造成环的断裂，如果环槽结碳严重则容易发生环粘着。

实践证明，虽然定期侧量搭口间隙会给轮机管理人员带来额外的工作量，但对柴油机的维护管理和故障预防可以起到事半功倍的作用。

3. 活塞环和缸套的几何配合状况

随着柴油机的运行，气缸套会产生不均匀磨损，在周向和轴向会分别产生椭圆度、锥度和不圆柱度。活塞环在气缸内上下运动时，活塞环会产生周期性的张合运动;同时活塞环的椭圆度同缸套的椭国度不可避免会有误差，特别是换用新的活塞环后，在活塞环和缸套的密封配合面上会产生不同程度的漏光度。通常要求新的活塞环安装在气缸中时总的周向漏光度要小于90度，连续漏光度要小于30度，在搭口两侧的30度范围之内不能有漏光。

实践证明，活塞环上述的“压人”现象是造成环断裂的主要原因。此外，活塞环碰到缸套的凸台而折断及环端挂气口折断也在一些柴油机中发现。因此，检查安装新的备件活塞环时，必须认真位查环的几何尺寸(厚度，高度，直径等)及表面光洁度，尤其注意检查弹性。弹性的大小检验可通过用力将自由状态下活塞环的搭口闭合或将开口增大一倍，看其放松后开口间隙的变化盆是否小于原开口间隙的10%，否则弹性过小。也可以将备用环同备力标准环备用环标准环共同施加相同的力，比较备用环检查示意图两环开口间隙的大小

3. 活塞环槽

柴油机在运行过程中，活塞环不仅随着活塞在缸套中作上下往复运动，而且在环槽内作着径向的、周向的复杂的交变运动，支持、制约活塞环的环槽的形

状，影响甚大。活塞环槽的磨损主要由于活塞环在槽中的扭曲变形引起。由于长期使用，在活塞环的扭曲作用下活塞环会产生不均匀磨损;同时，活塞头部在工作时会受热变形使环槽缩小且向下倾斜，影响活塞环同环摘的正常配合，使环在环槽中呈倾斜状态。因此，在吊缸检修时要仔细测t环槽的几何尺寸。

3. 燃油品质和气杠油量

爆发压力与压缩压力之差，对活塞环的影响很大。不同产地、不同标号的燃油，理化性能相差甚大，而燃油的品质对爆发压力的影响是相当直接的。由于加

油港经常变动，船上常使用不同国家、厂家的重油。燃油中的灰分过高，将加剧活塞环和缸套的磨损，必然影响柴油机的嫩烧过程，造成燃烧室内沮度过高。

过多的气缸油，由于泵油作用在环摘处形成积策，当气缸内温度过高时积聚的滑油燃烧，为活塞环的枯着和折断创造了条件。

3. 日常维护修理

做好各项日常管理工作，对避免活塞环故障有重要作用。正常运行过程中，要控制冷却水、冷却油等的温度和压力在要求的范围内，同时要注意参数的比较，通过分析PMI压缩压力，最大爆发压力，负荷分配等，判断燃烧过程的好坏和气缸、活塞环等零部件的工作状态;发现有故障预兆，要及时查找原因，并采取相应处理措施。

8. 结束语

活塞环故障，原因是多方面的，必须综合分析。预防措施是必须规范维修和使用，增加监控设备，丰富监控手段也是重要方面。

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新技术已经在新船上得到应用，这为轮机员分析判断活塞环及其缸内的工作状态提供了有利的依据。

当然，新技术也存在一些不完善的地方，但是如果由此把该系统看成累赞则是不可取的。然而过分依赖监测系统提供的数据也是不可取的，只有将自己的判断与监测系统提供的数据结合起来综合分析，并通过适当的拆检加以佐证，这样才能提高轮机管理人员的科学管理水平。