遠(yuǎn)洋船用柴油機(jī)缸套工作過(guò)程的分析與研究
發(fā)布日期:2009/12/25 點(diǎn)擊次數(shù):5216
摘要：目前,船舶正朝著大功率,大型化發(fā)展,需要船舶的主動(dòng)力裝置船舶柴油機(jī)具有高可靠性和耐久性�；钊h(huán)和缸套是柴油機(jī)的關(guān)鍵部件，直接決定柴油機(jī)性能的優(yōu)劣，必須投入力量進(jìn)行研究。
關(guān)鍵詞：活塞環(huán) 缸套 磨損 拉缸 因素 現(xiàn)象
1引言
隨著柴油機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，廢氣渦輪增壓器在船上的普遍使用，柴油機(jī)平均有效壓力不斷增大，功率不斷提高。由于重油的燃燒使用，柴油機(jī)已占現(xiàn)代船舶主要?jiǎng)恿Φ?/SPAN>90%以上。而且，隨著船舶發(fā)展的大型化與高速化，柴油機(jī)將進(jìn)一步向高性能、大功率發(fā)展。目前，世界能源緊張，航運(yùn)成本不斷增加，對(duì)船用柴油機(jī)質(zhì)量、使用和管理提出了更高的要求，這就必須重視柴油機(jī)最主要的滑動(dòng)部件活塞環(huán)和氣缸套的研究。
2氣缸套摩擦磨損的基本概念
2.1氣缸套和活塞環(huán)的接觸運(yùn)動(dòng)條件
活塞環(huán)和氣缸套是柴油機(jī)中一對(duì)重要的部件，它們之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)與其它滑動(dòng)部件明顯不同，具休表現(xiàn)在三個(gè)方面：
(1)由于活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞環(huán)和氣缸套的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向和速度不斷變化，從而活塞環(huán)和氣缸套之間的摩擦壓力也不斷變化，而且變化幅度很大；
(2)缸套和活塞環(huán)的滑動(dòng)摩擦運(yùn)動(dòng)在高溫中進(jìn)行，燃油及滑油的一些燃燒產(chǎn)物也隨之相對(duì)運(yùn)動(dòng)；
(3)笫一道壓縮環(huán)在上止點(diǎn)附近的潤(rùn)滑不充分，特別在作功行程中，潤(rùn)滑油膜容易中斷，導(dǎo)致邊界潤(rùn)滑狀態(tài)的產(chǎn)生。
2.2磨損概念
上述條件下的磨損現(xiàn)象可敘述如下：
(1)活塞環(huán)和缸套在往復(fù)滑動(dòng)摩擦?xí)r，如潤(rùn)滑充分，會(huì)形成穩(wěn)定正常的磨損狀態(tài)。但是，如因溫度、壓力、速度或尺寸精度等變化的影響，油膜局部被破壞，致使活塞環(huán)和缸套處在直接接觸的邊界潤(rùn)滑條件下運(yùn)動(dòng)，摩擦阻力增大而引起發(fā)熱軟化。一旦接觸點(diǎn)處油膜被切斷，材料內(nèi)部產(chǎn)生的局部應(yīng)力可能超過(guò)屈服極限，從而成為異常磨損。特別是在上止點(diǎn)附近時(shí)第一道壓縮環(huán)油膜容易破壞，因而缸套磨損的最大值就在該處。如若進(jìn)一步惡化，將引起粘著磨損，有時(shí)甚至發(fā)展到燒結(jié)。另外，這種熔融現(xiàn)象是隨著活塞環(huán)和缸套材質(zhì)(包含表面處理的表面層)的相互親和性，合金性能的不同而有所差異的；
(2)由于燃燒產(chǎn)物中含有少量堅(jiān)硬物質(zhì)，活塞環(huán)及缸套或者柴油機(jī)其它部分產(chǎn)生的堅(jiān)硬粉末使活塞環(huán)和缸套產(chǎn)生磨粒磨損；
(3)高溫燃?xì)庵苯又率垢滋妆砻嫜趸⒘蚧�，從而破壞了金屬表面的性質(zhì)，尤其使用劣質(zhì)燃油時(shí)所產(chǎn)生的硫化物等將導(dǎo)致腐蝕磨損。
2.3影響摩擦磨損的因素
缸套活塞環(huán)摩擦磨損影響因素
(1)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)：柴油機(jī)的種類、型式、缸徑、活塞平均速度、轉(zhuǎn)速、平均有效壓力、冷卻方式、燃燒室形狀、燃油噴射方式、增壓方式、潤(rùn)滑方式、掃氣方式、凈化方式以及防止排氣污染的措施等；
(2)材質(zhì)表面處理滑動(dòng)特性：化學(xué)成分、金相組織、機(jī)械性能、表面處理、表面光潔度和特性、加工、配合精度和裝配、熱變形等；
(3)燃油特性：石油產(chǎn)地和精煉方法、含硫量、殘?zhí)蓟曳直戎亍⒄扯�、十六烷值等�?/SPAN>
(4)潤(rùn)滑油特性：堿值、粘性凈化作用、換油時(shí)間、供油量、燃燒積碳、添加劑等；
(5)運(yùn)轉(zhuǎn)條件：負(fù)荷大小、起動(dòng)停車次數(shù)、燃燒狀態(tài)、冷卻水溫的調(diào)節(jié)；
(6)維修保養(yǎng)：維修保養(yǎng)環(huán)境、時(shí)間間隔等的管理情況。
3目前影響磨損的主要因素
作為船用主機(jī)，目前仍是從提高經(jīng)濟(jì)性出發(fā)來(lái)提高輸出功率。
3.1大功率化
為了提高輸出功率，一般采取增加排氣量、提高轉(zhuǎn)速和提高平均有效壓力等措施。對(duì)于增加排氣量而加大缸徑、采用長(zhǎng)行程、增加缸數(shù)以及提高轉(zhuǎn)速的方法，要和二沖程或四沖程柴油機(jī)機(jī)型及船舶用途等具體情況相結(jié)合。提高平均有效壓力的有效手段是增大壓縮比，但這要受到起動(dòng)困難等的限制。為此，強(qiáng)制向氣缸充入更多空氣是提高有效壓力的最有效手段。隨著從一級(jí)增壓向二級(jí)增壓，從脈沖增壓向定壓增壓以及高性能增壓方式的研制成功，廢氣渦輪增壓器的效率不斷提高。但大功率化導(dǎo)致了氣缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力和熱負(fù)荷都有所上升，使缸套和活塞環(huán)處在更惡劣的條件下工作。
3.2燃油的劣質(zhì)化
隨著原油價(jià)格的上漲，汽油、煤油、柴油等輕質(zhì)油需求量不斷增加，現(xiàn)在已能使用精煉設(shè)備從原來(lái)的殘?jiān)屠镞M(jìn)一步提取輕質(zhì)成分。因此，船用柴油機(jī)燃用的重油，其密度、粘度、殘?zhí)�、瀝青質(zhì)、硫分以及煉制過(guò)程中催化物質(zhì)的含量和從前船用大型低速柴油機(jī)燃用的重油相比，在質(zhì)量方面有很大差別。
4磨損現(xiàn)象
4.1拉缸
圖1潤(rùn)滑模型圖
圖1是活塞環(huán)和氣缸套的潤(rùn)滑模型圖，其中實(shí)線表示附著磨損，虛線表示腐蝕磨損。從Y點(diǎn)開(kāi)始為高負(fù)荷，油膜出現(xiàn)中斷，產(chǎn)生金屬接觸形成粘著點(diǎn)，引起劇烈的表面損傷；在Z點(diǎn)發(fā)生燒結(jié)現(xiàn)象。最近，由于大功率化及燃油的劣質(zhì)化傾向，高壓高溫?zé)嶝?fù)荷增加，因此，油膜容易破壞，拉缸現(xiàn)象逐漸增加，特別是在初期的磨合運(yùn)轉(zhuǎn)中更易發(fā)生這種現(xiàn)象。
4.2腐蝕磨損
隨著燃油的劣質(zhì)化，硫分增加，在燃燒過(guò)程中全部氧化成SO2或SO3氣體，與燃燒過(guò)程中生成的水蒸汽結(jié)合形成硫酸蒸汽。當(dāng)柴油機(jī)冷卻、停下而使溫度達(dá)到硫酸露點(diǎn)以下時(shí)，硫酸蒸汽就凝結(jié)成液態(tài)硫酸造成腐蝕磨損。
圖2硫酸的露點(diǎn)計(jì)算值(假定25%的SO2變成SO3、水蒸汽含量5%、空燃比為35:1時(shí)的計(jì)算值)
圖2表示燃油中的硫分和硫酸露點(diǎn)溫度的關(guān)系，當(dāng)溫度低于露點(diǎn)溫度時(shí)形成腐蝕磨損，顯著地高于露點(diǎn)溫度時(shí)，就容易成為機(jī)械磨損。
圖3實(shí)驗(yàn)室與實(shí)船試驗(yàn)時(shí)硫?qū)Ω滋啄p的影響
圖3表示實(shí)驗(yàn)用某型柴油機(jī)燃油含硫率與缸套磨損比率的關(guān)系。
圖4腐蝕磨損和水套溫度的關(guān)系
圖4表示缸套冷卻水溫度和腐蝕磨損的關(guān)系。
4.3磨料磨損
燃油噴霧中的瀝青質(zhì)，由于其難燃性而一直噴射到火焰前端才燃燒，這樣熱負(fù)荷就傳給缸套，并引起滑油的惡化和燃燒。又由于芳香族成分的增加，使積碳增加，成為磨料磨損的主要原因。在更劣質(zhì)的催化分解的油中，因混有用作催化劑而含有未回收干凈的鋁硅石和硅酮氧化物等硬質(zhì)顆粒，它們也成為磨料磨損的一個(gè)主要因素，必須引起注意。
5耐磨性材料和表面處理
5.1耐磨性鑄鐵
鑄鐵與鋼的組織不同，不能用布氏硬度測(cè)量的辦法來(lái)評(píng)定。鑄鐵中含有大量以各種不同形態(tài)分布的石墨，這些石墨的形狀排列方式和耐磨性能有直接關(guān)系。研究證明，石墨以中等大小分布時(shí)，比析出又細(xì)又多的石墨，特別是比共晶、網(wǎng)狀小節(jié)點(diǎn)狀分布的耐磨性好。雖然鑄鐵的機(jī)械強(qiáng)度不太高，但它一直占有缸套制造的主要地位，原因是不僅其加工制造容易、價(jià)格低廉，而且在潤(rùn)滑不充分的條件下，甚至接近于無(wú)潤(rùn)滑狀態(tài)時(shí)，也因鑄鐵缸套具有自潤(rùn)滑性而能正常工作。另一個(gè)原因就是分布著能夠貯存潤(rùn)滑油的石墨。
對(duì)于鑄鐵基體來(lái)說(shuō)，均勻而且致密的珠光體組織具有最高的耐磨性，鐵素體組織的耐磨性較差。隨著大功率化和劣質(zhì)燃油的使用，含有珠光體組織的石墨鑄鐵已不能滿足耐磨性的要求，需要向合金鑄鐵過(guò)渡。研究結(jié)果表明：向高磷材料里分別添加幾種不同的微量元素形成不同的改善組織，有效地提高了鑄鐵的耐磨性。
5.2表面處理
表面處理是提高耐磨性的一種措施，其中最常見(jiàn)的是表面硬質(zhì)鍍鉻。由于鉻的硬度和熔點(diǎn)都很高，所以能夠有效防止粘著磨損。但是，鉻在缸套表面不能很好地保存滑油，后來(lái)把鍍鉻表面制成多孔而使之能夠成功保存滑油，這就是松孔鍍鉻技術(shù)。此外還有表面高頻淬火、激光表面淬火、表面離子滲氮等，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
滑油系統(tǒng)是船舶上最重要的系統(tǒng)之一，目前船舶自動(dòng)化程度明顯提高，這就需要滑油系統(tǒng)始終保持良好的潤(rùn)滑狀態(tài)。但是，由于燃油的劣質(zhì)化以及大功率化帶來(lái)的熱負(fù)荷的增加，混入滑油的硫酸成分及燃燒殘?jiān)龆�，滑油的氧化污染和變質(zhì)明顯提前。為此，必須選擇與燃油中硫分含量相適應(yīng)的堿性氣缸潤(rùn)滑油。它必須滿足如下二個(gè)功能要求：
(1)潤(rùn)滑作用
在任何條件下，都要盡量地保持流體潤(rùn)滑狀態(tài)以減少摩擦阻力，減少燒結(jié)和磨損，起到良好的潤(rùn)滑作用。因此，必須處理好滑油的粘度、流動(dòng)性或pH值、水分離性以及揮發(fā)性等；
(2)防止劣化作用
滑油可以作為冷卻劑對(duì)活塞和氣缸進(jìn)行冷卻，并能在活塞環(huán)和缸套之間形成油膜，起到密封的作用。由于燃油燃燒生成物的混入，以及滑油本身的燃燒氧化、熱分解等原因，可能使滑油失去基本的潤(rùn)滑作用。因此，必須防止內(nèi)、外因素引起的滑油劣化或因此而產(chǎn)生的有害作用。
6.2表面特性
如前所述，活塞環(huán)與缸套之間的潤(rùn)滑性能愈來(lái)愈惡劣，容易產(chǎn)生異常磨損和拉缸。為了減少這些情況的發(fā)生，需要對(duì)缸套材料、表面處理、滑油等進(jìn)行更深一步的研究，找到能保證潤(rùn)滑的實(shí)用方法。異常磨損和拉缸，一般比較集中在運(yùn)轉(zhuǎn)初期產(chǎn)生。初期階段油膜的形成，油的保存性直接關(guān)系到進(jìn)入正常磨損范圍之后的潤(rùn)滑性能。潤(rùn)滑性能是否良好，取決于缸套的表面加工性質(zhì)和供油的方法。船用柴油機(jī)缸套表面形狀的加工方法有波紋形切削和珩磨加工兩種，大型柴油機(jī)以波紋形切削為主。實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，采用波紋形切削加工的缸套在行程中間附近的油膜最厚，而在上止點(diǎn)和下止點(diǎn)處油膜薄。同樣條件下，波紋深度相同時(shí)，波紋間距大的油膜厚度比波紋間距小的要好，一般認(rèn)為波紋間距與波紋深度的比值為400～800時(shí)最佳。同時(shí)，為了達(dá)到更好的潤(rùn)滑效果形成理想的油膜，我們可以通過(guò)改變缸套注油孔的位置和油孔的數(shù)目來(lái)改善滑油的保存能力。
通過(guò)以上對(duì)缸套工作過(guò)程的研究，為以后我們更深入地改善缸套工作性能并制造出新型的缸套打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
作者：張玉閣 來(lái)源：天津航海
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