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船用柴油机拉缸故障及分析

　　一、拉缸简述
　　拉缸现象是船用柴油机在生产、运行工作中一种危害性很大也很常见的发动机故障。拉缸时候产生的磨损量很大，可达到正常磨损的几十甚至几百倍。柴油机的拉缸根据损伤的程度轻缓不同可以分为擦伤、划伤和咬死等几种故障。前两者是属于轻微的拉缸行为，通常可自行修复。若及时发现情况，排除故障，可以避免大的漏洞和损失。若拉缸逐步严重，造成活塞与汽缸壁粘连，轻者损坏活塞和汽缸，重者咬死活塞，活塞卡死在缸套里，柴油机熄火，摇转曲轴不动。而拉断活塞或连杆、打坏机器、以致造成重大事故。因此对柴油机拉缸故障的形成机理进行分析，找出早期预报和正确的应对措施，对柴油机正确管理使用，提高可靠性和延长使用寿命，以及提高管理人员对故障的排除应变能力，都有很重要的意义。
　　二、拉缸表现迹象
　　所谓拉缸现象就是在柴油机的运转过程中的故障，发生拉缸现象的时候，外部迹象表现为：
　　1.发动机声音沉闷、异常，有哒哒哒或吭吭吭地异常声响。
　　2.发动机有震动现象。
　　3.缸套和活塞拉伤，在压缩和作功行程时汽缸中发生串气现象、串机油严重、油消耗量增加。
　　4.温度异常。排气温度上升、冷却水温度升高、润滑油温度明显提高，转速不稳定、启动困难，曲柄箱出口冒烟，运转无力，功率不足，柴油机功率下降。
　　拉缸产生后，应将活塞连杆取下，观察活塞?环?汽缸壁工作表面沿活塞运动方向出现的片状或者条状的兰色条纹，形成一定面积的拉毛，其表面硬度比原基体组织有所增高。并伴随有变色(暗红或发蓝)的现象，甚至活塞环折断、卡死、拉断活塞或连杆、打坏机器。
　　三、发生拉缸现象的机理
　　众所周知，船用柴油机是一种热能动力机械，工作条件十分恶劣，承受着较高的热负荷和机械负荷。燃烧室是柴油燃烧和工质膨胀的场所，活塞、缸套及汽缸盖等是构成燃烧室的主要零部件，其所处的工作环境是高温、高压以及带有化学腐蚀性的混合油气直接作用于燃烧室组件。若维护保养不好，则拉缸故障时有发生。
　现代研究表明，柴油机活塞(环)?缸套的润滑状态处在混合润滑模型状态，即有时处于流体润滑状态、有时处于边界润滑状态。拉缸故障产生的内部机理笼统地说是汽缸内壁与活塞环、活塞之间的工作表面具有一定的硬度和表面粗糙度，在一定温度条件下相互配合工作，机油起着润滑、冷却、清洗和密封的作用。
　　若由于某种原因，油膜变薄或遭到破坏，因润滑不良出现干摩擦或半干摩擦，造成局部高温粘附磨损的过程。而活塞与缸套之间的润滑油膜恶化中断是产生拉缸的必要前提。由于活塞与缸套之间的润滑油膜一旦中断，则两者表面的金属由原来的液体摩擦变成固体间的干摩擦或半干摩擦，由于摩擦副表面的高速运动产生的摩擦热，这样的热量积累的高温会超过金属的熔点，引起活塞或活塞环与缸套表面发生显微熔化、撕脱并最终焊接在一起。活塞运动时两表面熔焊点又被该力扯断拉开随之冷却，这样就出现了一个表面的材料转移黏附在另一滑动面上形成坚硬层或脱落为磨料。如果油膜能及时得到补救恢复，可起到清洗和冷却作用，则温度下降，微小熔着部分脱落而不会扩展，如果油膜恢复迟缓，熔着扩展将导致大范围异常磨损，缸壁、活塞，活塞环急速受到严重损伤，在缸壁表面上呈现熔融流动状态，显出不均匀、不规则边缘的沟痕和褶皱，持续发展而产生拉缸。另外，从发动机机油和空气管路进入摩擦区的硬质微粒造成的损坏，也会促进拉缸情况的发生。
　　另一些学者则认为“摩擦界面温度升高导致粘着，摩擦副表面的强烈摩擦导致硬化表面的强烈摩擦导致硬化相的破裂甚至折断等因素是产生拉缸的根本原因。拉缸首先在接触载荷较大的局部区域发生，再进一步扩展，从磨损机理来看是从正常磨损到严重磨粒磨损的突变。”
　　四、影响拉缸的其他有关因素
　　影响拉缸产生的因素很多，很复杂，而各种因素之间往往存在着相互影响和相互制约的关系，具有不确定性。但根本原因就是润滑不良和局部负载过大。大的方面可以概括起来为：活塞组和汽缸套的结构设计问题；工艺水平问题；安装质量问题；磨合运转程序问题；润滑油的选择；燃油的处理以及使用和维护等方面的问题。而每一个方面的原因都有很多，例如：仅其中之一活塞组方面的原因就可能有：
(1)活塞材料选择或热处理不当；活塞表面对硬度对拉缸有极大的影响，如果活塞热处理过程中升温速率、淬火温度和保温时间等某一参数稍有偏差，则会产生表面硬度低，活塞的内应力不能完全消除，使活塞金相组织处于不稳定状态，当活塞质软，热膨胀系数大、高温时强度差，发动机在高速运转、机器温度升高、机油稀薄的情况下，活塞受力面的合金很容易熔化，使摩擦阻力增大，导致发动机自动熄火，熄火瞬间可能形成粘缸，如果熄火频繁，汽缸很快就会被粘积的铝合金层破坏，形成串气，串烟，最后形成拉缸。
　　(2)活塞结构设计不合理；由于活塞在工作中受热变形，所以为了使活塞在工作中能有一个合理的形状，有理想的贴合面，所以某些活塞有个锥体，而设计不合理的锥度无法保证在大负荷下弥补活塞由于受热、受力而产生的变形，拉痕为三角形和八字形的拉缸活塞，可能与锥度过小有关。还有铝合金活塞在工作过程中由于受热及受力和金属分布不均等原因，会造成活塞在活塞销轴线方向伸长，为了使活塞在工作时候膨胀留变形余地，在制造加工时候将活塞做成椭圆形。
　　(3)活塞过热，导致活塞过热又有许多因素，包括喷油时刻太早，冷却水损失、水垢太多，水泵停转等造成冷却不足或完全没有，缸套过热保不住油膜，缸套与活塞呈半干摩擦状态，运转吃力，密封不好造成串气等因素。单就其中某一因素来说，如果水垢过多过厚，汽缸水套变成隔热层，当发动机转速升高，温度上升，负荷加重而需要迅速散热的时候，水垢不但不能迅速传热，反而起到保温的作用。因此，发动机汽缸的热量不能迅速传递到循环水中去，从而导致机体温度升高，由于机体温度过高，使活塞热膨胀量超过最大值，将配缸间隙完全消除，造成拉缸，此外，润滑油在高温下变得稀薄，使活塞环和汽缸壁之间的摩擦系数增大，表面粗糙度增大，而造成拉缸。
　　(4)配缸间隙大小等。活塞和汽缸的装配间隙是严格按照规定的，间隙大了冷车时候会“敲缸”，同时可能造成串气、串油等；间隙小了热车时可能会“拉缸”，因此装配活塞时应严格控制其配缸间隙。有关柴油机产生拉缸的具体外部原因和影响因素较多，这里就不一一列举。下面我们根据拉缸后结果出发，分析出一些针对性有建设性的意见。
五、拉缸的不同情况的应急处理、临时措施和预防对策
　　柴油机在使用过程中对有经验的操作者来说，可根据拉缸的种种迹象采取应急措施。一般正确的操作方法是：先减速运行，然后逐渐卸去负荷，再过渡到停车状态。停车后还应在未完成冷却前盘一两次车，防止汽缸被咬死。
　　具体步骤如下：
　　1.将操纵手柄退回一格或者数格，从而减少供油，降低主机运转速度。
　　2.使用专用工具把事故发生的汽缸油泵柱塞抬起，使该缸暂时停止喷油。
　　3.摇动该缸的注油器，加强活塞与汽缸之间的润滑。
　　4.打开该缸的示功阀，释压放出汽缸内的气体及污物。
　　5.加强活塞的冷却，以便把活塞的热量部分带走，防止活塞与缸套咬死。切不可加强缸套的冷却，否则汽缸冷却收缩，把活塞咬死，引发更大事故。
　　拉缸产生的因素是多方面的，而针对某一具体拉缸的情况有各种不同的原因，针对这些原因应采取的对策也各不相同。下面举一些典型的情况进行分析。
　　如有发现异常磨损、划痕严重，有外界硬微粒成为磨料等状况，可能的原因是：
　　(1)燃油系统不清洁；
　　(2)汽缸润滑油系统不清洁；
　　(3)启动空气系统不清洁；
　　(4)零件加工阶段清洁处理不好。
此时建议采取的对策：维护好润滑系统，防止机械杂质和积碳混入机油和燃油内，在使用中对三滤(机油滤清器、燃油滤清器和空气滤清器)要及时而且正确的维护和清洗。加强装配的清洁度，严防灰尘吸入汽缸内。
　　如有发现活塞裙部擦伤的状况，那么可能的原因是：
　　(1)活塞裙部结构设计不合理；
　　(2)活塞材料选择不当，热处理方式不当，材料线膨胀系数大；
　　(3)配缸间隙过小。
　　我们建议采取的对策是：正确履行磨合工艺，其中包括冷磨合、空载热磨合等等。对活塞的结构进行重新设计或适当切削拉缸的部位；选用合适的活塞材料；选用适当的热处理工艺；选择正规厂家生产的汽缸、活塞组件，并配以适当间隙的活塞环。
　　如发现活塞环卡死，胶结等情况发生，那么可能的原因是：
　　(1)活塞环间隙过小；
　　(2)活塞环严重积碳(汽缸润滑油质量不好或油量过多)；
　　(3)活塞头部过热(活塞冷却不良)；
　　(4)超负荷工作。
　　可以采取的对策是：正确选择活塞环的开口间隙和边间隙，使用合适的润滑油，定期更换润滑油并保证一定的液面高度；注意检查刮油环的情况，从而保证能在缸壁上形成油膜。改善活塞的冷却条件，清理冷却系统中的污垢，保证最好的冷却效果；合理操作使用发动机，不超负荷工作。
　　另外，注意主机的冷却适中，保持正常的工作温度，避免主机长时间超负荷运行。参照柴油机使用说明，定期拆开检查、清洗、更换易受损部件。
　　以上处理方法，主要围绕拉缸涉及的成因入手分析，而采取的对策针对原因展开，我们应该从基础和根本上加强对柴油机严谨科学的系统设计，合理细致的维护保养和规范的管理使用，并进一步提高柴油机燃烧室各零部件的润滑质量，才是防止、避免发生柴油机拉缸故障的最佳方法。