大功率发动机缸套异常磨损原因分析与优化.pdf
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1、第 6卷第 4期2023年 8月Vol.6 No.4Aug.2023汽 车 与 新 动 力AUTOMOBILE AND NEW POWERTRAIN大功率发动机缸套异常磨损原因分析与优化高博1,张杰2,胡明翔2,张晓红2,雷红艳2(1.海军驻咸阳地区军事代表室,陕西 兴平 713105;2.陕西发动机重工有限公司,陕西 兴平 713105)摘要:某大功率高速发动机在台架磨合试验结束后,使用内窥镜检查缸套时发现缸套表面异常磨损,磨损部位的珩磨网纹消失。通过建立故障树,围绕零部件制造质量、装配过程、运行使用等方面进行逐项排查,并根据故障原因制定了解决方案。结果表明:缸套磨损是由整机隔振装置弹性刚度
2、一致性差引起的。通过对缸套抵抗热变性能力进行仿真计算,优化改进了缸套的冷却结构,有效改善了缸套的承热和变形,为其他发动机类似设计提供了参考和依据。关键词:发动机;缸套;磨损0前言缸套是发动机的重要零部件之一,在发动机运行过程中,缸套内部承受高温、高压燃气做功产生的热负荷,外部则由冷却水以热交换的方式带走部分热量。这种外冷内热的辐射差对缸套的材料性能提出了很高的要求,同时缸套内表面加工有密集的珩磨网纹,其作用是增强缸套表面的附油能力,以降低活塞上下往复运行的摩擦力。如果缸套表面的珩磨网纹被破坏或发生异常磨损,造成缸套与活塞发生干摩擦,轻则缸套出现异常磨损,重则发生拉缸事故,导致发动机无法正常运行
3、1。1故障现象某发动机为船用 20 缸 V 型高速大功率发动机,以发动机输出端视角将其分为 A 排、B 排,单排10 个气缸。在发动机台架磨合试验结束后使用内窥镜检查缸套时,发现整机有 9个气缸缸套内表面存在片状异常磨损,所有缸套的磨损状态均表现为片状磨痕,磨损部位珩磨纹消失,磨损痕迹贯穿缸套整个工作行程,对应的活塞环工作面存在磨损痕迹,其运动灵活、无卡滞现象,活塞顶和活塞裙表面未见异常磨损痕迹。各缸磨损部位的分布情况(黑色部分)见图 1。图 1故障缸异常磨损分布情况作者简介:高博(1981),男,硕士,工程师,主要研究方向为装备质量监督。设计开发第 6卷汽 车 与 新 动 力经统计,磨损主要
4、发生在非推力侧,各缸磨损面的高度相同,且与活塞环上下运行最大行程相吻合,经拆检勘验可以判定:异常磨损主要发生在活塞环与缸套之间。以 B2、B8缸缸套内壁为例,具体磨损情况如图 2所示。2可能原因分析和排查根据现场勘验情况及缸套异常磨损机理,结合发动机缸套异常磨损排查经验,分析造成缸套异常磨损的可能原因如图 3所示2。经现场初步勘验,缸套磨损表现为片状式磨痕,结合故障树,围绕零部件制造质量、发动机装配、使用、清洁度等方面对故障缸进行检测。2.1零部件质量问题2.1.1缸套内孔直径检查缸套内孔直径尺寸为 230+0.046-0.010 mm,根据图纸要求分别测量距离缸套顶部不同高度位置(d1、d2
5、、d3)处缸套的内径尺寸,其中 d1、d2、d3 分别代表距离缸套顶部 40 mm、80 mm 及 130 mm 位置,缸套内径过大或过小均会影响缸套与活塞之间的摩擦配合,超差严重时会导致润滑油膜被破坏,进而发生干摩擦。检查发现发动机缸套内径装配值全部满足要求,磨合试验结束后复测故障缸的缸套内径,除磨损部位内径超差外,其余部位内径全部满足要求,具体如图 4所示。图 2故障缸缸套异常磨损情况图 3缸套异常磨损的可能原因48第 4期高博,等:大功率发动机缸套异常磨损原因分析与优化2.1.2活塞顶活塞顶材料属于马氏体耐热钢,淬火后在高温(超过 700)下洛氏硬度仍能保持 30 HRC 以上,说明其可
6、在较高温度下工作。同时,由于活塞顶受热不均匀,导致活塞顶外圆受热面通常呈现出不规则的椭圆凸台形状。在故障排除过程中应核查故障缸活塞顶型线的加工检验记录,包括检查活塞顶外圆型线尺寸、形位公差等,以满足活塞顶的设计要求。经过检验,活塞顶符合设计要求。2.1.3活塞环活塞环除了具有密封燃烧室气体的作用外,还能将活塞 70%左右的热量传递给缸套。因此,作为发动机零部件设计中的关键零件,活塞环对燃烧和做功起到至关重要的作用。由于活塞环开口处受热后有外张趋势,根据其弹力、应力,以及结构参数设计结果,需要复查活塞环宽度、厚度、开口尺寸等,检查发现除个别气缸开口尺寸超差外,其余全部满足设计要求。由于活塞环开口
7、尺寸超差为个别现象,可能与拆检过程中的扩撑工艺有关,因此结合活塞环的装配检验记录,分析认为活塞环尺寸满足设计要求,具体检查情况如图 5所示。2.1.4珩磨网纹缸套表面的珩磨网纹可以有效保证润滑油的附着性,对于在活塞上下运行过程中的布油也非常有利。如果珩磨网纹被破坏,会直接导致缸套表面粗糙度增加和布油能力下降,影响活塞与缸套之间的摩擦配合,进而发生异常磨损。检查缸套未磨损部位的珩磨网纹,包括粗糙度及轮廓算数不平度等发现,所有磨损气缸在非磨损部位的珩磨网纹全部满足设计要求,如图 6所示。2.1.5弹性支撑该型发动机弹性支撑有黑色和红色 2 种颜色状态,由于加工制造过程不同,导致 2 种支撑的颜色存
8、在区别,但理论上其弹性刚度均满足使用要求。其中,A 排 7 件支撑中有 4 件为红色、3 件为黑色,B 排 7 件支撑均为黑色。拆除 2 种装机弹性支撑,并领取库存的黑色支撑进行压载试验,测量 2种支撑的弹性刚度并进行对比,检查发现红色支 撑 刚 度 均 低 于 使 用 要 求 的 下 限(刚 度 要 求 为1.571062.35106 N/m),黑色支撑刚度全部满足使用要求(见表 1)。2.2装配质量问题2.2.1活塞冷却油喷嘴安装位置发动机活塞连杆机构如图 7 所示。活塞与缸套由顶环、2道气环和油环密封,活塞环、活塞顶、活图 4磨损缸套内径的检查情况49第 6卷汽 车 与 新 动 力塞裙与
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