打桩船主机缸套磨损机理、检测及预防措施研究

陈维克　陈厚祥　黄金球

摘要：打桩船主机中的缸套和活塞环是其主要的摩擦学系统，气缸套磨损是主机最常见的故障形式，因此研究主机缸套磨损产生机理、检测方法和预防措施，对提高打桩船柴油发动机的整机寿命和工作可靠性具有重要意义。本文探讨了柴油发动机气缸套磨损的形成规律，分析了柴油发动机气缸套磨损产生的机理及其危害，给出了缸套一活塞环的磨损检测方法，提出了在使用和保修中减少柴油发动机气缸套磨损应注意的几个问题，为打桩船柴油机的正常使用提供参考。

关键词：打桩船主机；气缸套磨损机理；磨损检测方法；预防措施

中图分类号：U664 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2016）06-0068-02

在打桩船主机运行过程中，活塞环一缸套在气体压力和惯性力作用下会产生磨损，过大的磨损将直接影响柴油机的性能和使用寿命，严重时会降低气缸内壁与活塞环之间的密封性能，使柴油机出现启动困难、功率降低、燃油和机油的消耗量增大、使用寿命缩短以及排气冒黑烟等现象。

由于活塞环位于气缸不同位置和工作条件不同，气缸套的磨损是不均匀的，一般情况是活塞环运动到上止点处时，由于顶环直接承受发动机燃烧室内气体的高压作用，使顶环与气缸套摩擦面在上止点附近的载荷最大，温度最高，润滑油膜最薄，第一道活塞环与气缸套内壁的接触部位磨损量最大，最大磨损量可达0.2-0.3mm。由第一道活塞环位置向下缸套内壁磨损量明显减小，缸套呈锥型。在特殊情况下，工作中产生磨粒磨损时则磨损呈类似的腰鼓型。在气缸套内壁上部不与活塞环接触的部位，几乎没有磨损，形成肩台。由于活塞环侧压力较大，缸套内壁的横向磨损大于纵向磨损，造成失圆。多缸发动机各缸的磨损量也不均匀，一般是负荷高的气缸其缸套磨损量较大。

如何判断缸套一活塞环的磨损产生原因，监测磨损及其变化，提出磨损预防措施，从而延长船舶主机工作寿命，成为科技者研究的主要问题之一。本文研究活塞环一缸套磨损的产生原因、检测方法及预防措施，为研究缸套一活塞环的磨损判断、监测和预防提供参考。

1.打桩船主机磨损机理

1.1磨损形式

打桩船主机的活塞环一缸套在高温、高压、变载荷及往复运动中，缸套内表面易出现磨损，其主要的磨损形式如下：

（1）缸壁的腐蚀磨损。主机燃料柴油中S、P和N成分的存在，气缸内可燃混合气燃烧后产生水蒸气和酸性氧化物，生成矿物酸和有机酸并附在气缸壁上，使气缸产生严重的化学腐蚀。

（2）缸壁的磨料磨损。燃烧生成的颗粒物、空气中的灰尘微粒、润滑油中的杂质颗粒以及缸套磨损产生的金属颗粒等形成大量坚硬的磨粒颗粒，在活塞环一缸套间发生磨粒磨损，特别是燃烧生成的颗粒物和空气带人的尘埃是气缸套磨损的主要磨粒来源。

（3）缸壁的粘着磨损。气缸套内壁与活塞环在高温、高压条件下工作，高温使润滑油粘度降低、烧损，高压增加了活塞环一缸套接触应力，使两者间的润滑油膜不易形成；同时，气缸套和活塞环两者之间的相对速度高达10-25m/s，因此，会使缸壁与活塞环形成半干摩擦或干摩擦，使活塞环一缸套直接接触而产生粘着，在缸套壁上形成粘着斑痕，严重时出现咬缸现象。

（4）缸壁的复合磨损。气缸套内壁往往不是单一的磨损形式，常常发生腐蚀、磨粒和粘着等磨损形式的两种及以上，相互促进，加剧了缸套的磨损。

1.2产生原因

（1）燃烧不充分。燃油供给系统喷油嘴压力不正常，喷油嘴针阀与针阀体故障，造成柴油雾化状态不良，导致柴油燃烧不充分而产生结碳颗粒物，引起缸套的磨损。

（2）空气过滤不好。主机的空气滤清器失效，过滤效果不好，导致空气不经过滤直接进入气缸；或者空气滤芯没有及时地维护保养，过脏或破损；油浴式空气滤清器油盘内机油平面过低而导致空气过滤效果不好，空气中大量尘埃进入燃烧室。

（3）启动不正常。冷机快速启动、强制超负荷启动和启动次数频繁等，都会加快气缸套的磨损。

（4）润滑不良。润滑油油量不足；润滑系统有故障而导致机油压力低、流量小；没有及时维护保养润滑系统使得机油过脏，甚至变质，均会使气缸套磨损速度加快。

（5）冷却不良。冷却系统故障，导致冷却水压力、流量不足，缸套温度增加，粘着磨损加剧。

1.3气缸套磨损的危害

由于活塞环-缸套磨损的积累，缸套与活塞环之间的接触密封性降低，活塞环搭扣间隙增大，会产生窜气、窜油、压缩不良等现象，导致打桩船主机启动困难、燃油及机油耗量增大，功率下降；各缸磨损不均匀，还会导致发动机工作稳定性变差，输出扭矩不均匀，容易产生推进系统扭振，破坏轴系，降低推进效率，从而影响打桩船主机的使用寿命和打桩船安全性、可靠性。

2.活塞环-缸套磨损检测

在线检测打桩船主机活塞环-缸套的磨损及其发展趋势，可以有效预测磨损故障，提高打桩船主机的可靠性和打桩船航行的安全性。打桩船主机的活塞环-缸套磨损的在线监测是指通过直接安装在被检测设备上的传感器，采集所需数据信息并利用软件技术，实现柴油机工作过程的实时监测。在线监测法主要是以测量缸套与活塞的相对运动或间隙变化（气缸密封性）为依据来判断磨损情况，目前常用方法有振声监测法、电容监测法、压电监测法、磁传感监测法、油样分析法、瞬时转速法、启动电流法、气缸压力监测法。

2.1振声监测法

在柴油机运行过程中缸套与活塞之间的间隙发生变化时，会影响活塞撞击缸套的速度和位置变化，激励特征的变化会导致机身振动特性的变化。机体表面振声监测法通过分析振动特性的变化规律进而推断出缸套一活塞的磨损状况。采用机体表面振声的方法，得到表面振动特征值的改变可以反映缸套间隙的变化，即反映缸套磨损情况。一般选取激励较少的膨胀行程或者排气行程，测点一般选在柴油机燃烧上止点附近正对活塞主撞击处的机体侧面，可避免其他振源的干扰。在对振动信号处理方面，主要是通过分析时频、幅频、频带能量等方面的特性来选取最优特征参数，支持向量机（sVM）法、小波变换法、遗传算法、神经网络法、经验模态分解的Hilbert变换法、分形维数法等方法，是当前常用的数据处理方法。

2.2气缸压力监测法

由于柴油机气缸套一活塞环的摩擦磨损会使活塞环外周面与气缸壁之间的间隙变大，导致活塞环失去正常工作下的气密性，引起柴油机气缸大量漏气，从而导致寿命终结。通过测量发动机的气缸压力曲线，计算出气缸漏气量的变化规律，根据其漏气量来判断气缸的磨损量。

2.3瞬时转速监测法

柴油机瞬时转速的波动是作用在曲轴上总切向力矩变化的直接反映，是气体压力、往复惯性力、摩擦力及负载等共同作用的结果。气体压力的波动会在瞬时转速的波动中体现出来，利用瞬时转速诊断气体压力变化，进而判断柴油机性能好坏。

2.4光电监测法

光电法是利用光纤位移传感器接收的人射光和发射光强度的比例关系确定被测距离这一特性，将光纤位移传感器通过火花塞或者喷油器安装孔进入气缸内部，扫描气缸磨损形貌，将测量结果拟合为柱体，与标准气缸的柱体模型比较，从而得到气缸磨损量的检测方法。

2.5油液分析法

油液分析技术主要原理是根据润滑油中各种磨粒的含量及比例，推断发动机摩擦磨损的情况。对一般柴油发动机而言，主要是检测润滑油中铁元素的含量，间接判断活塞和气缸的磨损程度。现有的油液分析技术有铁谱分析技术、光谱分析技术和放射性核素技术等。

2.6磁传感监测法

利用磁性传感器的磁电阻效应，通过其检测活塞环运动和磨损引起磁场大小和方向的变化来确定活塞环的磨损量。磨损量的具体确定，则依据传感器输出信号的变化量与活塞环磨损量的对应关系，即不同磨损量与磁场强度幅值的对应关系。

2.7启动电流监测法

柴油机在启动倒拖情况下，启动电机所需的电流（启动电流）是波动的。针对单一气缸而言，当处于压缩行程时，阻力矩明显增大，需要较大的启动电流来产生相应的启动驱动力矩。过了压缩行程上止点，气缸内被压缩气体膨胀做功，起助力作用，启动电流小。因此，通过启动电流波形可作为判断各缸气密性或磨损情况进行评价。

3.缸套磨损预防措施

根据打桩船主机磨损状态的检测及磨损趋势的判断，在缸套磨损的预防上采取如下措施：

3.1重视打桩船主机的磨损智能监控

根据缸套的磨损检测方法和打桩船主机的机型特点，合理选择、设计和设置检测系统，安装信号传感器，对打桩船主机工作中的各种信号进行检测、储存、分析、报警。

3.2正确操作打桩船主机

正确起动，冷车起动时，由于温度低、机油粘度大、流动性差，影响机油泵供油，加之缸壁上的原有机油在发动机停车后沿缸壁下流，造成起动瞬时气缸得不到应有的润滑，缸套内壁磨损大大增加。因此，冷车起动时，应先让润滑系统压油、活车，待缸套表面得到润滑后再起动。起动后应空车运转一段时间，待温度升高，直至温度正常、供油充分，方可正常操作。

保持主机温度正常，发动机工作时的正常温度应为65℃以下。当温度过低时，缸套润滑受到影响，而且其内易于产生酸性物质，使磨损增大。当温度过高时，缸套磨损加剧，甚至会造成“拉缸”事故。

避免长时间超负荷工作。主机长期进行超负荷工作，温度上升、机油变稀，造成润滑不良，加速气缸套的磨损。超负荷工作，导致燃料燃烧不完全，缸套等零件积炭增多，使缸套磨损加快。

3.3合理维修

保持润滑良好，主要是保证机油压力符合发动机说明书的规定、保持机油的数量和质量符合要求、按季节选用粘度适当的机油和在维修活塞环时选用弹力合适的活塞环。保证维修质量，严格按照主机的技术标准进行维修，杜绝因修理、装配不当等人为因素而使缸套磨损加剧。重视对打桩船主机的空气滤清器、机油滤清器和柴油滤清器的定期维护工作。

4.结论

（1）根据打桩船主机的活塞环一缸套的磨损机理，做到主机使用维护正确、技术保养及时、技术状态良好及工作正常。当出现非正常磨损时，应根据具体工况及磨损特征找出原因，予以排除。

（2）柴油机中缸套一活塞环磨损监测方法多，选择检测方式应当在提高精度的基础上，尽量降低成本，尽可能不破坏缸体原有结构，检测操作简单，将不同的方法有机结合起来，实现功能互补，可使检测结果更精确，加强柴油机缸套一活塞环的实车动态观察。

（3）注意打桩船主机的正确使用，合理维修，积极预防缸套的磨损。