2-3第三节__活塞环与气缸套的摩擦磨损

第三节活塞环与气缸套的摩擦磨损

一、摩擦形式

活塞环—气缸套是柴油机中一对重要的具有往复运动的运动副。活塞环与气缸套受到高温、高压燃气的作用和冲刷，产生很大的机械应力与热应力。工作表面受到腐蚀与严重的摩擦。活塞往复运动速度在行程中点最大、止点位置为零。所以，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。一般来说，活塞行程的中部工作表面易于实现液体摩擦，形成液体动压润滑，在上、下止点附近工作表面间形成极薄的边界油膜，实现边界润滑。

气缸中的高温不利于液体油膜建立。因为高温，使润滑油粘度降低或氧化变质，使活塞头部变形影响正常配合间隙，使缸壁上已形成的油膜蒸发、氧化和烧损。形成油膜的有利条件是：行程中点运动速度最大；己形成的油膜在下一个行程被更新之前暴露在高温中的时间极短，仅有几分之一秒；现代气缸油中的添加剂使润滑油的抗氧化安定性大大提高，增强了高温下保持油膜的能力。

二、气缸套的正常磨损

柴油机的技术状态和使用寿命很大程度上取决于气缸套的磨损情况。在正常工作条件下气缸套磨损是不可避免的。一般只要气缸套的磨损量在允许范围之内(最大允许磨损量为0.4%～0.8%缸套内径)，气缸套就处于正常工作状态。

1．气缸套正常磨损的标志

气缸套正常运转工况下正常磨损的特征是最大磨损部位在气缸套上部，即活塞位于上止点时第1、2道活塞环对应的缸壁处，并沿缸壁向下磨损量逐渐减小，气缸内孔呈喇叭状。气缸套左右舷方向的磨损大于首尾方向的磨损。图2-7为气缸套正常磨损后缸壁纵向形状和磨损量示意图。

正常磨损的参数:：

圆度误差、圆柱度误差、内径增量(缸径最大增量)小于说明书或有关标准的规定值；

缸套磨损率：铸铁缸套< 0.1mm/kh，镀铬缸套在0.01～0.03mm/kh之间；

气缸工作表面清洁光滑，无明显划痕、擦伤等磨损痕迹。

2．正常磨损原因

(1)处于边界润滑部位的局部金属直接接触引起的粘着磨损，或因过薄的油膜被工作表面的尖锋刺破，或因高温、速度低等使油膜未能形成或遭破坏。

(2)进入气缸的新鲜空气中的灰尘，燃油或滑油燃烧生成的各种氧化物、炭粒和灰分，润滑油中的机械杂质及运动副的摩擦产物等均会引起磨粒磨损，且以气缸上部最为严重。

(3)燃油中硫分的燃烧产物对缸壁的硫酸腐蚀。由于活塞在上止点时第l道环对应缸壁处含酸量最大，为缸套下部的4倍，造成缸套上部严重的腐蚀磨损。气缸上部燃气温度与压力对硫酸露点的影响，使上部凝结较多的酸。

三、气缸套的异常磨损

1．异常磨损的特征

(1)气缸套和活塞环的磨损率均很高，大大超过正常磨损率。一般铸铁缸套磨损率> 0.1mm/kh，活塞环磨损率> 0.5mm/kh。

（2)缸套工作表面脏污，有明显的划痕、擦伤、撕裂等拉缸和咬缸现象，或者缸壁表面发蓝，有明显的烧灼现象。缸套工作表面形貌和金相组织发生变化。

(3)异常磨损的磨损产物颗粒较大。一般正常磨损的磨屑直径<1μm，而异常磨损的磨屑直径达25～30μm。

气缸套异常磨损在吊缸检修时可以直观判断，或通过测量缸径计算出的磨损率、内径增量（或圆柱度误差)和圆度误差等来判断。

图2-7（b）～（g）为缸套异常磨损后纵截面形状和磨损量的示意图。

图(b)、（c）、（d）为典型的异常磨粒磨损。(b)为缸套上部因新气携大量尘埃进入气缸和燃烧不良产生大量积炭引起的磨损。(c)为润滑油中机械杂质过多，筒状活塞式柴油机缸套润滑自下向上布油，造成下部严重磨损。(d)为上述两种因素并存时造成的严重磨损。

图(e)为缸套异常粘着磨损。特点是活塞位于上止点时第l道活塞环对应缸壁磨损异常增大，甚至出现大面积拉伤的拉缸现象。

图(f)、(g）是典型的腐蚀磨损。(f) 是燃油含硫量高或柴油机经常冷车起动使缸套上部腐蚀磨损严重，磨损量为正常磨损量的1～2倍。腐蚀产物脱落引发二次磨粒磨损，使缸套中部磨损加重，磨损量为正常磨损的4～6倍。（g) 是冷却水温过低导致的缸套下部严重腐蚀磨损。

以上各种情况是典型的，原因是单一的，然而实船柴油机缸套磨损情况则是复杂的，原因是多方面的。轮机员在分析缸套异常磨损原因时应依实际运转工况全面考虑，具体分析。

2．异常磨损的原因

船舶航行期间，柴油机气缸套发生异常磨损主要是工作中的问题引起，在分析原因时应首先分析工作参数和维护管理工作对磨损的影响，这是研究问题的起点，解决问题的方向。

1）燃油和燃烧的质量

燃油中的含硫量是气缸套产生腐蚀磨损的重要原因，燃油中含硫量超过0.7%～1.0%时，磨损急剧增加。因为含硫量增加使硫酸凝结温度(即露点)升高，在气缸工作条件下容易发生腐蚀。含硫量高的燃油燃烧时生成较多的炭粒，并促进积炭的形成，加重磨粒磨损。

燃油中灰分含量高时，燃烧后生成金属氧化物或金属盐，增加缸套的磨粒磨损。

船用低速柴油机燃用低质燃料油对缸套的磨损较燃用低硫柴油高2～3倍。燃料油中的没有除掉的极硬的硅酸铝颗粒，严重增加了缸套的磨粒磨损。

燃油燃烧不良，如燃烧不完全、后燃等均会使炭粒增加，磨损加重。

2）冷却水温的管理

气缸套冷却水温控制不佳会使缸套磨损增加。一般来说冷却水出口温度过低，使缸壁温度过低，硫酸腐蚀加熏；冷却水出口温度过高，缸壁冷却不良，温度较高，致使缸壁上油膜蒸发，滑油氧化，积炭严重，导致粘着磨损。同时，缸壁温度过高不仅热负荷增加还影响活塞环的散热，

使环的磨损加重。

实践证明，适当提高缸套冷却水出口温度，使缸套表面温度高于露点，可有效地防止腐蚀，减少磨损。一般出口温度控制在85～95℃时缸套磨损量较小。

3）润滑油的管理

活塞环与缸套工作表面间的边界油膜极薄，它有赖于润滑油中极性团的物质。合适的润滑油或含有极性添加剂的润滑油能够形成承受较高负荷的边界油膜。润滑油的其他品质，如抗氧化安定性、残炭值等也利于气缸润滑。

柴油机燃用低质燃油时，气缸油的碱值应与其匹配，以中和燃油燃烧时产生的酸，有效地降低腐蚀磨损。

因此，润滑油品质不良或不适，碱值不当或轮机员对润滑油管理、使用不善，如油压不足、断油、长期使用不化验、不更换以致滑油变质等，均会引起缸套异常磨损。

四、活塞环与气缸套的磨合

柴油机或运动副在投入正常运转之前应进行磨合，这一过程绝对不可省略。活塞环与套磨合不良就投入运转，必然会产生严重的粘着磨损，不磨合就更不具备正常运转的条件，所以，磨合运转是决定柴油机工作寿命的重要阶段。

一台新造柴油机在制造厂台架试验时进行磨合运转。装船后，配合精度、工作参数等都可能发生变化，所以开航前还需进行严格的磨合运转。船舶营运中主、副柴油机的运动副损坏后成对更换或只更换其一时，在投入正常运转前也需要进行磨合运转。

柴油机吊缸检修中更换气缸套或活塞环时，在投入额定(使用)负荷运转之前均需磨合运转。活塞环与气缸套良好磨合，消除表面的初始粗糙度。形成适于工作条件下保持油膜的形貌，如图2-8所示。若磨合不良，可能在运转初期甚至磨合期中发生拉缸事故，如有的新造船舶在重载试航时产生磨合拉缸，致使船舶不能如期出厂投入营运。

1．活塞环—气缸套磨合良好的标志

活塞环一气缸套磨合运转后，可盘车从气口观察或吊缸检查，如具有以下情况视为良好磨合：（1）缸壁表面润湿、光亮、清洁、无油污和积炭，或油污不严重且易清除；

（2）工作表面无明显磨损、拉痕等；

（3）环表面上有一圈发亮的磨合带，环在环槽中活动自如。

如果情况恰与上述相反，则表明磨合不良，甚至产生磨合拉缸的严重情况。

2．实现活塞环一气缸套良好磨合的关键

影响磨合质量的关键是管理和工艺方面的因素。

1）润滑

磨合运转中的润滑不仅应有利于油膜的形成和保持，还应有利于磨合。为此，对气缸润滑油的粘度、总碱值及注油量等均应注意。

理想的油膜应均匀地覆盖在整个气缸工作表面上，充分润滑气缸和充分中和缸壁上的酸，避免局部磨损增大。低粘度气缸油具有良好的均布性和散热性，有利于磨合。

磨合运转实质上是一个加速磨损的过程，在短时间内获得初期有效的磨损和用较短的时间完成磨合。为了满足上述要求，气缸油总碱值应与燃油含硫量匹配，以充分中和缸壁上的硫酸，降低腐蚀磨损。燃用重油时磨合运转应选用低碱值气缸油，以加速磨损。如选用高碱值气缸油则易发生拉缸故障，碱值越高拉缸发生率越大。因为高碱值气缸油降低磨损，延长磨合期，当负荷增