船用柴油機(jī)活塞損壞原因分析

閆佳兵

摘要：船用柴油機(jī)活塞作為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件之一，在高溫高壓的惡劣環(huán)境中極易受到熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力、燒蝕及腐蝕等不良影響從而造成損壞。本文從分析船用柴油機(jī)活塞的材料和活塞各部位損壞原因入手，對(duì)船用柴油機(jī)活塞損壞原因進(jìn)行了全面而細(xì)致的分析。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)活塞;損壞;檢測(cè);材料

1 ?活塞的材料

由于工作環(huán)境的惡劣等原因，活塞的材料應(yīng)該符合：足夠的強(qiáng)度、硬度、優(yōu)秀的熱傳導(dǎo)、耐腐蝕、耐磨損及出色的熱穩(wěn)定性等特點(diǎn)。為了減小運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的慣性力，同時(shí)要求相對(duì)密度較小，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度不斷提高，各國(guó)已愈來(lái)愈多地采用過(guò)共晶硅鋁合金，含硅量為17%-26%不等[1]。由鋼頂或球墨鑄鐵頂與鋁合金裙或球鐵裙兩部分組成的組合式活塞有著許多優(yōu)點(diǎn)。船用柴油機(jī)活塞的材料大多是選擇鋁合金、鑄鐵和鑄鋼。中低速柴油機(jī)活塞的材料為鑄鐵?；钊挠捕却蟾旁贖B180至220之間。中高速柴油機(jī)活塞的材料為鋁合金，Si含量12%左右的ZL108是國(guó)內(nèi)采用最多的材料。低速二沖程活塞的材料為ZG25鑄鋼和ZG25Mo、ZG35CrMo合金鑄鋼。裙部的材料不選鑄鋼，而選擇灰鑄鐵HT25-47和HT30-54。

2 ?活塞的損壞原因分析

在船用低速二沖程主機(jī)工作時(shí)，活塞與汽缸蓋、氣缸套組成燃燒室，直接受到高溫、高壓燃?xì)夂屯鶑?fù)慣性力的作用，所以活塞承受很高的熱應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力[2]。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理導(dǎo)致的活塞常處于高溫、高壓和高速的工作環(huán)境內(nèi)。活塞頂部的燃燒室是活塞工作環(huán)境最惡劣的地方，由于不正常工作，例如爆燃、燃燒不充分，容易導(dǎo)致活塞頂部發(fā)生損壞?；钊诔?fù)荷工作時(shí)進(jìn)行無(wú)數(shù)次的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，極易產(chǎn)生金屬疲勞，導(dǎo)致活塞發(fā)生形變和裂紋。

2.1 活塞頂部損壞原因分析

2.1.1 活塞頂部燒蝕損壞的情況

活塞頂部發(fā)生燒蝕現(xiàn)象，會(huì)有薄層發(fā)生脫落，導(dǎo)致頂部厚度變小，強(qiáng)度降低，形狀發(fā)生改變，以至于對(duì)活塞柴油機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響。

2.1.2 活塞頂部的燒蝕損壞分析

在船用低速二沖程主機(jī)工作時(shí)，活塞承受很高的熱應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力?；钊谕鶑?fù)運(yùn)動(dòng)中承受著摩擦與撞擊，在潤(rùn)滑不良時(shí)更為嚴(yán)重。在內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程中，燃燒室內(nèi)與活塞頂面直接接觸的燃?xì)?，最高溫度達(dá)到2000℃左右，循環(huán)平均溫度也在800℃左右，使活塞承受很大的熱負(fù)荷[3]。

柴油機(jī)活塞頂部燒蝕損壞較為常見(jiàn)，因?yàn)椴裼蜋C(jī)活塞頭部與柴油燃燒時(shí)直接接觸，極易產(chǎn)生熱腐蝕，尤其當(dāng)船舶發(fā)生顛簸、柴油機(jī)不能正常工作時(shí)。所以，當(dāng)活塞頭部溫度較高的時(shí)候，如果發(fā)生氧化和脫碳，會(huì)導(dǎo)致活塞頭部表面的化學(xué)成分發(fā)生改變，活塞頭部的組織材料發(fā)生變化。在所有原因的影響下，活塞頭部的表面的金屬會(huì)改變?yōu)閷訝罱Y(jié)構(gòu)，大小不一，深淺各異的麻點(diǎn)，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生脫落。大直徑的活塞由于受熱面積大，更容易發(fā)生熱腐蝕損壞情況。

2.2 活塞外圓表面的損壞分析

2.2.1 活塞外圓表面發(fā)生磨損的情況

①活塞的裙部的直徑變小;

②活塞的氣缸和活塞之間的間隙變大;

③活塞的橫截面和原尺寸相比產(chǎn)生圓度誤差。

2.2.2 活塞外圓表面損壞分析

活塞外圓表面的過(guò)度磨損主要由于中、小型筒狀活塞式柴油機(jī)的活塞起導(dǎo)向作用并承受側(cè)推力，因此容易發(fā)生外圓表面的過(guò)度磨損[4]。同時(shí)活塞環(huán)槽內(nèi)的活塞環(huán)如發(fā)生斷裂，則會(huì)導(dǎo)致活塞頂部的外圓表面和汽缸壁直接接觸，造成摩擦損傷，但該種情況一般不多見(jiàn)。上述情況都可導(dǎo)致活塞尺寸變化，進(jìn)而導(dǎo)致活塞外圓表面的損壞。

2.3 活塞裂紋的損壞分析

2.3.1 活塞裂紋的發(fā)生損壞的情況

對(duì)于發(fā)生裂紋損壞，常見(jiàn)以下幾種情況：

存在于凹型頂面活塞，徑向裂紋;

存在于平頂活塞，徑向和四周均存在裂紋;

存在于第一和第二道環(huán)槽的環(huán)帶，在機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的同時(shí)作用下，發(fā)生裂紋，嚴(yán)重時(shí)會(huì)碎斷。

2.3.2 活塞裂紋的損壞分析

在柴油機(jī)工作時(shí)，由于柴油燃燒不充分以及活塞頂部采用凹坑形狀等原因，活塞頂部各個(gè)部位都存在溫度差。另外，活塞的周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)是由燃燒柴油產(chǎn)生的爆發(fā)壓力引起的，最大氣體壓力可達(dá)6到9MPa。在活塞工作很長(zhǎng)時(shí)間之后，這種現(xiàn)象會(huì)越來(lái)越明顯，極易造成活塞頂部材料組織疲勞，從而產(chǎn)生裂紋。出現(xiàn)裂紋的部位一般在活塞的頂部、環(huán)槽處、冷卻一側(cè)。

環(huán)槽處出現(xiàn)裂紋的主要原因是當(dāng)活塞環(huán)槽發(fā)生磨損，其間隙會(huì)變大，活塞環(huán)在環(huán)槽內(nèi)晃動(dòng)，使環(huán)槽帶應(yīng)力集中，超過(guò)允許的載荷從而發(fā)生損壞。該損傷一般存在于活塞第一道環(huán)槽和第二道環(huán)槽的環(huán)帶處。

冷卻一側(cè)的損傷的主要原因是機(jī)械應(yīng)力過(guò)大所導(dǎo)致的，同時(shí)活塞冷卻側(cè)的設(shè)計(jì)有缺陷，毛坯材料質(zhì)量未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)也可能造成損傷。

有個(gè)別活塞，活塞與活塞桿的配合面也會(huì)發(fā)生損壞現(xiàn)象。這主要是由于活塞工作時(shí)，溫度達(dá)到460攝氏度，該配合面受到的熱應(yīng)力和重油爆燃時(shí)的沖擊應(yīng)力巨大，導(dǎo)致其產(chǎn)生軸向的裂紋。

2.4 活塞環(huán)槽的損壞分析及損壞情況

2.4.1 活塞環(huán)槽的損壞的情況

活塞環(huán)槽發(fā)生損壞后，活塞環(huán)槽和活塞環(huán)之間的平面間隙變大，導(dǎo)致活塞環(huán)的密封性降低，因此會(huì)發(fā)生漏氣、壓力不足等問(wèn)題?；钊h(huán)槽發(fā)生損壞在第一、二道磨損較為嚴(yán)重?；钊h(huán)槽發(fā)生損壞后變形，由原來(lái)的矩形變化成梯形。

2.4.2 活塞環(huán)槽的損壞分析

在柴油機(jī)實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)活塞環(huán)槽，特別是第一道環(huán)槽的磨損是影響活塞使用壽命的關(guān)鍵。該損壞方式在鋁活塞中比較常見(jiàn)。引起活塞環(huán)槽損壞的原因有很多種：①活塞通過(guò)鑲嵌在活塞環(huán)槽內(nèi)的活塞環(huán)和汽缸壁緊密接觸，活塞環(huán)與環(huán)槽發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，不間斷的進(jìn)行環(huán)的上、下的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，環(huán)的膨脹、壓縮的徑向運(yùn)動(dòng)、環(huán)的開(kāi)口部分的回轉(zhuǎn)和扭曲運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致了環(huán)槽發(fā)生磨損;②活塞工作的時(shí)候，進(jìn)氣孔可能吸進(jìn)空氣中的硬質(zhì)微粒和燃燒后殘留的硬質(zhì)炭粒。尤其是燃燒不充分的時(shí)候，會(huì)殘留更大、更硬質(zhì)的微小硬質(zhì)粒子，附著在活塞環(huán)與環(huán)槽的配合面上，導(dǎo)致活塞環(huán)槽端面發(fā)生非正常磨損;③活塞的環(huán)槽在工作時(shí)，與汽缸壁發(fā)生巨大的摩擦，導(dǎo)致溫度升高。高溫會(huì)破壞潤(rùn)滑油油膜的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致潤(rùn)滑不充分，從而導(dǎo)致活塞環(huán)槽發(fā)生形變，因此活塞環(huán)槽的損壞發(fā)生幾率變大;④活塞工作的時(shí)候，如果活塞環(huán)發(fā)生損壞，會(huì)造成高溫燃?xì)庑孤?。?dāng)高溫燃?xì)夂突钊h(huán)槽直接接觸時(shí)，會(huì)使活塞環(huán)槽的一、二道環(huán)槽產(chǎn)生軸向裂紋，嚴(yán)重時(shí)直接穿透環(huán)槽。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊學(xué)培.國(guó)外柴油機(jī)活塞發(fā)展的特點(diǎn)及分析[J].內(nèi)燃機(jī)配件，1983（01）.

[2]鄭鐵剛.淺談船用低速主機(jī)活塞修理工藝[J].華章，2012（22）：269.

[3]崔慧敏.基于CAN總線的活塞銷外圓直徑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].儀器科學(xué)與技術(shù)，2004.

[4]孫廣文.船用柴油機(jī)主要零部件故障原因及案例分析[J].輪機(jī)工程，2008.