遠洋船用柴油機缸套工作過程的分析與研究
發(fā)布日期:2009/12/25 點擊次數(shù):5286
摘要：目前,船舶正朝著大功率,大型化發(fā)展,需要船舶的主動力裝置船舶柴油機具有高可靠性和耐久性�；钊h(huán)和缸套是柴油機的關(guān)鍵部件，直接決定柴油機性能的優(yōu)劣，必須投入力量進行研究。
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，柴油機已占現(xiàn)代船舶主要動力的90%以上。而且，隨著船舶發(fā)展的大型化與高速化，柴油機將進一步向高性能、大功率發(fā)展。目前，世界能源緊張，航運成本不斷增加，對船用柴油機質(zhì)量、使用和管理提出了更高的要求，這就必須重視柴油機最主要的滑動部件活塞環(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)的接觸運動條件
活塞環(huán)和氣缸套是柴油機中一對重要的部件，它們之間的相對運動與其它滑動部件明顯不同，具休表現(xiàn)在三個方面：
(1)由于活塞做往復運動，活塞環(huán)和氣缸套的相對運動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)的滑動摩擦運動在高溫中進行，燃油及滑油的一些燃燒產(chǎn)物也隨之相對運動；
(3)笫一道壓縮環(huán)在上止點附近的潤滑不充分，特別在作功行程中，潤滑油膜容易中斷，導致邊界潤滑狀態(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)和缸套在往復滑動摩擦時，如潤滑充分，會形成穩(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滑條件下運動，摩擦阻力增大而引起發(fā)熱軟化。一旦接觸點處油膜被切斷，材料內(nèi)部產(chǎn)生的局部應(yīng)力可能超過屈服極限，從而成為異常磨損。特別是在上止點附近時第一道壓縮環(huán)油膜容易破壞，因而缸套磨損的最大值就在該處。如若進一步惡化，將引起粘著磨損，有時甚至發(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)物中含有少量堅硬物質(zhì)，活塞環(huán)及缸套或者柴油機其它部分產(chǎn)生的堅硬粉末使活塞環(huán)和缸套產(chǎn)生磨粒磨損；
(3)高溫燃氣直接致使缸套表面氧化、硫化，從而破壞了金屬表面的性質(zhì)，尤其使用劣質(zhì)燃油時所產(chǎn)生的硫化物等將導致腐蝕磨損。
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)計與結(jié)構(gòu)：柴油機的種類、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)表面處理滑動特性：化學成分、金相組織、機械性能、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�、粘度、十六烷值等�?/SPAN>
(4)潤滑油特性：堿值、粘性凈化作用、換油時間、供油量、燃燒積碳、添加劑等；
(5)運轉(zhuǎn)條件：負荷大小、起動停車次數(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，目前仍是從提高經(jīng)濟性出發(fā)來提高輸出功率。
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。對于增加排氣量而加大缸徑、采用長行程、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機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，但這要受到起動困難等的限制。為此，強制向氣缸充入更多空氣是提高有效壓力的最有效手段。隨著從一級增壓向二級增壓，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。但大功率化導致了氣缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力和熱負荷都有所上升，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)備從原來的殘渣油里進一步提取輕質(zhì)成分。因此，船用柴油機燃用的重油，其密度、粘度、殘?zhí)肌r青質(zhì)、硫分以及煉制過程中催化物質(zhì)的含量和從前船用大型低速柴油機燃用的重油相比，在質(zhì)量方面有很大差別。
4磨損現(xiàn)象
4.1拉缸
圖1潤滑模型圖
圖1是活塞環(huán)和氣缸套的潤滑模型圖，其中實線表示附著磨損，虛線表示腐蝕磨損。從Y點開始為高負荷，油膜出現(xiàn)中斷，產(chǎn)生金屬接觸形成粘著點，引起劇烈的表面損傷；在Z點發(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，高壓高溫熱負荷增加，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，在燃燒過程中全部氧化成SO2或SO3氣體，與燃燒過程中生成的水蒸汽結(jié)合形成硫酸蒸汽。當柴油機冷卻、停下而使溫度達到硫酸露點以下時，硫酸蒸汽就凝結(jié)成液態(tài)硫酸造成腐蝕磨損。
圖2硫酸的露點計算值(假定25%的SO2變成SO3、水蒸汽含量5%、空燃比為35:1時的計算值)
圖2表示燃油中的硫分和硫酸露點溫度的關(guān)系，當溫度低于露點溫度時形成腐蝕磨損，顯著地高于露點溫度時，就容易成為機械磨損。
圖3實驗室與實船試驗時硫?qū)Ω滋啄p的影響
圖3表示實驗用某型柴油機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，不能用布氏硬度測量的辦法來評定。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，比析出又細又多的石墨，特別是比共晶、網(wǎng)狀小節(jié)點狀分布的耐磨性好。雖然鑄鐵的機械強度不太高，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、價格低廉，而且在潤滑不充分的條件下，甚至接近于無潤滑狀態(tài)時，也因鑄鐵缸套具有自潤滑性而能正常工作。另一個原因就是分布著能夠貯存潤滑油的石墨。
對于鑄鐵基體來說，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，其中最常見的是表面硬質(zhì)鍍鉻。由于鉻的硬度和熔點都很高，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，目前船舶自動化程度明顯提高，這就需要滑油系統(tǒng)始終保持良好的潤滑狀態(tài)。但是，由于燃油的劣質(zhì)化以及大功率化帶來的熱負荷的增加，混入滑油的硫酸成分及燃燒殘渣增多，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)的堿性氣缸潤滑油。它必須滿足如下二個功能要求：
(1)潤滑作用
在任何條件下，都要盡量地保持流體潤滑狀態(tài)以減少摩擦阻力，減少燒結(jié)和磨損，起到良好的潤滑作用。因此，必須處理好滑油的粘度、流動性或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活塞和氣缸進行冷卻，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)與缸套之間的潤滑性能愈來愈惡劣，容易產(chǎn)生異常磨損和拉缸。為了減少這些情況的發(fā)生，需要對缸套材料、表面處理、滑油等進行更深一步的研究，找到能保證潤滑的實用方法。異常磨損和拉缸，一般比較集中在運轉(zhuǎn)初期產(chǎn)生。初期階段油膜的形成，油的保存性直接關(guān)系到進入正常磨損范圍之后的潤滑性能。潤滑性能是否良好，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，大型柴油機以波紋形切削為主。實踐和實驗結(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，而在上止點和下止點處油膜薄。同樣條件下，波紋深度相同時，波紋間距大的油膜厚度比波紋間距小的要好，一般認為波紋間距與波紋深度的比值為400～800時最佳。同時，為了達到更好的潤滑效果形成理想的油膜，我們可以通過改變缸套注油孔的位置和油孔的數(shù)目來改善滑油的保存能力。
通過以上對缸套工作過程的研究，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實的基礎(chǔ)。
作者：張玉閣 來源：天津航海
