葉啟華，鄒世順

（廣州柴油機(jī)廠股份有限公司，廣州510371）

1 引言

某型中速船用柴油機(jī)氣缸套容易出現(xiàn)拉缸現(xiàn)象，對(duì)該型柴油機(jī)的正常裝機(jī)、試驗(yàn)、交貨造成較大影響，因而引起廠家技術(shù)部門(mén)的高度重視。經(jīng)過(guò)詳細(xì)的技術(shù)分析，決定通過(guò)對(duì)發(fā)生缸套拉缸的柴油機(jī)進(jìn)行拆檢、改進(jìn)再試驗(yàn)等方式查找出問(wèn)題根源，最終解決了該型柴油機(jī)氣缸套拉缸的問(wèn)題。

2 拉缸問(wèn)題簡(jiǎn)介

該型柴油機(jī)配置的氣缸套分別由兩條生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)供應(yīng)，兩條生產(chǎn)線(xiàn)共用一套缸套外形尺寸圖紙。其中一條生產(chǎn)線(xiàn)（生產(chǎn)線(xiàn)A）生產(chǎn)的缸套一直使用良好，未曾出現(xiàn)大范圍拉缸現(xiàn)象；而另一條生產(chǎn)線(xiàn)（生產(chǎn)線(xiàn)B）生產(chǎn)的缸套，經(jīng)常在柴油機(jī)磨合階段就出現(xiàn)大范圍拉缸的異常磨損情況。

為加以區(qū)分，將由生產(chǎn)線(xiàn)A 和生產(chǎn)線(xiàn)B 生產(chǎn)加工的缸套分別稱(chēng)為缸套A 和缸套B。

缸套B 發(fā)生拉缸后的狀況見(jiàn)圖1。從圖片觀察，異常磨損類(lèi)型為擦傷型的粘著磨損。

參考柴油機(jī)拉缸相關(guān)處理經(jīng)驗(yàn)和結(jié)合實(shí)際情況分析，導(dǎo)致該型柴油機(jī)缸套發(fā)生拉缸現(xiàn)象有如下可能性原因：

（1）設(shè)計(jì)和裝配因素

① 活塞環(huán)和缸套配合間隙過(guò)小、活塞環(huán)開(kāi)口過(guò)小、活塞環(huán)張力過(guò)大；

② 活塞和缸套配合間隙不合理；

③ 活塞銷(xiāo)竄出拉傷缸套；

④ 缸套尺寸不符合要求、內(nèi)壁網(wǎng)紋設(shè)置不當(dāng)影響潤(rùn)滑；

（2）管理和使用因素

① 燃油品質(zhì)差、燃燒碳粒過(guò)多加重磨損；

② 滑油品質(zhì)差或滑油量過(guò)少造成潤(rùn)滑不良；

③ 缸套磨合不足情況下高負(fù)荷運(yùn)行；

④ 缸套冷卻不良造成缸套和活塞局部溫度過(guò)高。

3 拉缸原因的分析

下面對(duì)上述可能造成拉缸的原因進(jìn)行分析。

（1）設(shè)計(jì)和裝配因素

① 對(duì)發(fā)生拉缸的零部件進(jìn)行拆檢，測(cè)量缸套、活塞、活塞環(huán)均符合圖紙要求，自然配合間隙也在設(shè)定范圍內(nèi)。可初步判斷各零部件設(shè)計(jì)合理，不存在摩擦副配合尺寸不適而造成拉缸的情況；

② 經(jīng)過(guò)測(cè)量和計(jì)算，活塞環(huán)開(kāi)口尺寸裕度足夠，不存在高溫膨脹后油環(huán)與缸套卡死的情況；檢查活塞銷(xiāo)也未發(fā)生竄出等異常現(xiàn)象；

③ 對(duì)于缸套內(nèi)壁網(wǎng)紋和活塞油環(huán)張力的影響，將在下面作詳細(xì)分析。

（2）管理和使用

① 拉缸異常磨損發(fā)生在出廠試驗(yàn)?zāi)ズ想A段。出廠試驗(yàn)使用標(biāo)準(zhǔn)0#柴油，入庫(kù)的每批次柴油均經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)并帶合格證書(shū)，柴油質(zhì)量有保障；該型柴油機(jī)經(jīng)過(guò)多年的使用驗(yàn)證，燃燒系統(tǒng)的性能一直十分穩(wěn)定，燃燒質(zhì)量也有保證；同時(shí)通過(guò)相關(guān)拆檢，未發(fā)現(xiàn)缸套、活塞或缸頭有大量積碳現(xiàn)象。因此可排除燃油和燃燒質(zhì)量差的因素；

② 柴油機(jī)在臺(tái)架進(jìn)行正式出廠試驗(yàn)前，嚴(yán)格按照要求先對(duì)整機(jī)進(jìn)行一定時(shí)間的熱磨合運(yùn)轉(zhuǎn)，所以缸套不存在磨合不足就帶高負(fù)荷運(yùn)行的情況；

③ 出廠試驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格按照試驗(yàn)流程，逐步暖車(chē)和增加負(fù)荷，不存在運(yùn)行中冷卻水溫過(guò)低現(xiàn)象；查閱試驗(yàn)記錄，發(fā)生異常磨損時(shí)，冷卻水溫正常（進(jìn)機(jī)約65 ℃，出機(jī)＜85 ℃）；對(duì)發(fā)生磨損的缸套拆卸后檢查冷卻水腔，符合設(shè)計(jì)要求；

檢查發(fā)生缸套異常磨損對(duì)應(yīng)的活塞（見(jiàn)圖2），未發(fā)現(xiàn)有發(fā)藍(lán)或者明顯燒灼現(xiàn)象；在其余條件相同的情況下，只有缸套B 發(fā)生異常磨損情況。上述這些可初步排除缸套冷卻不足的因素。

（3）缸套內(nèi)壁網(wǎng)紋和活塞油環(huán)張力因素

柴油機(jī)工作過(guò)程中，缸套和活塞環(huán)摩擦負(fù)荷極大，因此要求缸套內(nèi)壁具有良好的貯存潤(rùn)滑油和油膜分布能力。在設(shè)計(jì)中，把缸套內(nèi)壁珩磨成平臺(tái)網(wǎng)紋，即表面加工成一種溝槽和小平臺(tái)均勻相間的交叉網(wǎng)紋，用于儲(chǔ)油和建立油膜。

為了分析缸套平臺(tái)網(wǎng)紋和活塞油環(huán)張力對(duì)磨損的影響，將通過(guò)以下試驗(yàn)來(lái)分析和驗(yàn)證。

4 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)配置

對(duì)發(fā)生拉缸后的缸套B 進(jìn)行內(nèi)壁的微觀測(cè)量，發(fā)現(xiàn)缸套B 的內(nèi)壁網(wǎng)紋輪廓芯部高度Rk和芯部以上峰頂高度Rpk較大，且輪廓算術(shù)平均偏差Ra較大（粗糙度高）。缸套在與活塞環(huán)配合形成摩擦副時(shí)，其網(wǎng)紋波峰與活塞環(huán)接觸面積較大，有效油膜的面積則較小，存在導(dǎo)致潤(rùn)滑失效形成拉缸異常磨損的可能性；同時(shí)，缸套B 的內(nèi)表面網(wǎng)紋芯部以下峰谷深度Rvk 也較大，溝槽內(nèi)儲(chǔ)油量有可能過(guò)多，造成滑油消耗量增大；圖3 為發(fā)生拉缸的缸套B 的平臺(tái)網(wǎng)紋微觀圖。

為驗(yàn)證以上的可能性，針對(duì)缸套B 平臺(tái)網(wǎng)紋的上述缺陷對(duì)其作優(yōu)化設(shè)計(jì)，將原平臺(tái)網(wǎng)紋的缸套B 和改進(jìn)平臺(tái)網(wǎng)紋的缸套B 分別搭配原活塞油環(huán)和較低張力規(guī)格活塞油環(huán)同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

經(jīng)技術(shù)分析，決定對(duì)缸套B 和活塞油環(huán)作以下調(diào)整（表1）：

（1）對(duì)缸套B 進(jìn)行改進(jìn)，原網(wǎng)紋用金剛油石條珩磨，現(xiàn)改用碳化硅油石條珩磨（網(wǎng)紋Rk相對(duì)較小，網(wǎng)紋也更均勻）；

表1 缸套B 內(nèi)壁網(wǎng)紋規(guī)格修改

（2）減小活塞油環(huán)的張力，把標(biāo)稱(chēng)值F 分別減小40 N 和減小70 N。

本次試驗(yàn)在一臺(tái)6 缸柴油機(jī)上進(jìn)行，該柴油機(jī)裝配有原缸套B 和修改的缸套B（下文分別簡(jiǎn)稱(chēng)“原缸套”和“改進(jìn)缸套”），并分別搭配不同張力油環(huán)作比對(duì)試驗(yàn)。

4.2 試驗(yàn)過(guò)程

（1）磨合

在磨合運(yùn)行約四小時(shí)后，用反光鏡照缸檢查，發(fā)現(xiàn)第三缸出現(xiàn)拉缸（擦傷粘著磨損）情況，其余各缸檢查正常。

（2）重新磨合和出廠試驗(yàn)

為驗(yàn)證網(wǎng)紋對(duì)潤(rùn)滑和磨損的影響，對(duì)出現(xiàn)拉缸的第三缸，更換上新修復(fù)的缸套B，同時(shí)搭配張力為原標(biāo)稱(chēng)值F 的活塞油環(huán)。

更換后重新磨合，照缸套檢查無(wú)異常；然后按常規(guī)流程作出廠試驗(yàn)；出廠試驗(yàn)完成后，拆卸缸蓋、活塞檢查，情況如下：

① 各個(gè)缸套工作表面經(jīng)磨合后加工痕跡消除；缸套工作表面大部分呈現(xiàn)光滑、潔凈和明亮，無(wú)傷損或變色（見(jiàn)圖5）；

② 各個(gè)缸套在上止點(diǎn)往下附近的位置，有高約40 mm 的明顯泛黃痕跡，痕跡區(qū)域沿缸套圓周呈環(huán)形分布（見(jiàn)圖4）；

③ 在各個(gè)活塞第一道環(huán)往上附近區(qū)域，有明顯泛黃痕跡，且存在一定燒結(jié)積碳，其中油環(huán)張力較大的第3 缸泛黃痕跡和積碳相對(duì)較少（見(jiàn)圖5）。

（3）調(diào)整配置后復(fù)試

出廠試驗(yàn)過(guò)程中，第三缸的使用效果顯示，網(wǎng)紋經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的缸套B 搭配原來(lái)張力較大的活塞油環(huán)使用時(shí)，運(yùn)行和磨合情況正常。為進(jìn)一步驗(yàn)證，將其余各缸的活塞油環(huán)均更換成原標(biāo)稱(chēng)值F 的統(tǒng)一規(guī)格，同時(shí)把第一缸缸套更換成改進(jìn)后的缸套B。

更換配件后重做試驗(yàn)。試驗(yàn)完成后拆卸第2、6 號(hào)氣缸進(jìn)行檢查，缸套在上止點(diǎn)往下附近位置呈圓周分布的泛黃痕跡顏色變淺，其他無(wú)明顯變化。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

最終拆檢結(jié)果經(jīng)質(zhì)檢部門(mén)確認(rèn)，氣缸套、活塞油環(huán)和活塞的磨損為正常磨合后的狀況，符合出廠要求。至此，本臺(tái)柴油機(jī)所有磨合和出廠試驗(yàn)順利完成，關(guān)于缸套B 和油環(huán)的試驗(yàn)項(xiàng)目也順利結(jié)束。

本次試驗(yàn)結(jié)果分析如下：

（1）原缸套B 內(nèi)表面網(wǎng)紋輪廓芯部高度Rk 和芯部以上峰頂高度Rpk較大，在運(yùn)行過(guò)程中缸套尖峰部位將直接與活塞環(huán)接觸，其余部位才是通過(guò)油膜間接接觸（微觀圖見(jiàn)圖6）。當(dāng)尖峰接觸部位多時(shí)油膜接觸部分必然減小，缸套和活塞環(huán)處于干摩擦的面積就大，極易造成拉缸。尤其搭配大張力油環(huán)時(shí)，拉缸的趨勢(shì)更大；

（2）缸套B 搭配小張力規(guī)格的活塞油環(huán)時(shí)能勉強(qiáng)使用，但會(huì)因油環(huán)刮油力不足造成缸套內(nèi)壁殘留滑油較多，最終導(dǎo)致滑油消耗和燃燒積碳增多；

（3）改進(jìn)后的缸套B 通過(guò)調(diào)整網(wǎng)紋輪廓芯部高度Rk 和芯部以上峰頂高度Rpk，使網(wǎng)紋尖峰高度降低、尖峰數(shù)量減小，從而減小甚至消除了尖峰與活塞環(huán)直接接觸的區(qū)域、增加油膜接觸的范圍；同時(shí)在精磨網(wǎng)紋過(guò)程中，控制降低缸套內(nèi)表面粗糙度，潤(rùn)滑效果得到較大提高，此時(shí)的缸套B 可適應(yīng)原款大張力油環(huán)，運(yùn)行中不再產(chǎn)生拉缸的異常磨損情況。圖7 為改進(jìn)后的缸套內(nèi)壁網(wǎng)紋微觀圖。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)各種可能引起缸套異常磨損原因的排查和試驗(yàn)驗(yàn)證，最終找出了缸套B 發(fā)生異常磨損的原因：具有強(qiáng)刮油能力的大張力油環(huán)，搭配原款網(wǎng)紋的缸套，不能建立有效的潤(rùn)滑油膜，滿(mǎn)足不了缸套潤(rùn)滑的要求。

綜上所述，造成缸套B 拉缸的原因?yàn)楦滋變?nèi)壁網(wǎng)紋設(shè)置不合理，導(dǎo)致油膜分布不足、缸套潤(rùn)滑不良。對(duì)此，綜合考慮潤(rùn)滑油消耗以及摩擦副的磨損極限和壽命，保持油環(huán)張力不變的情況下，修改缸套B 的內(nèi)表面網(wǎng)紋珩磨工藝為本次缸套異常磨損的最優(yōu)解決方案。