船用柴油機拉缸故障分析

徐歡 俞劍 徐飛

摘 要 作為船舶的主要動力來源，柴油機是否能夠正常工作直接決定著船舶的安全性。但是，在船舶運行過程中難免會發(fā)生各種故障。比如：拉缸就是船用柴油機最常見的故障，在該故障出現后柴油機無法正常工作，進而影響到船舶的安全行駛?；诖耍疚木痛貌裼蜋C拉缸故障進行深入的研究，并提出相應的預防措施。

關鍵詞 船舶 柴油機 拉缸

中圖分類號：U664.121 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）06-0031-03

對船用柴油機而言，拉缸是比較常見的故障，且會影響船舶的正常行駛。從柴油機拉缸故障角度來看，其形成的主要原因為缸套和活塞間的油膜變薄或者發(fā)生破損，導致潤滑效果較差，更有甚者還會產生干摩擦狀況，引起缸套與活塞間溫度的急劇上升，造成其工作表面出現顯微熔化、撕裂或者是黏著，若油膜緩慢恢復或者難以恢復，則會引起大規(guī)模的異常磨損，活塞、缸套內壁將會造成嚴重破損，在缸壁外表產生熔融流動態(tài)，長期發(fā)展下去則會導致拉缸。

1 船用柴油機簡介

柴油機有著十分復雜的系統(tǒng)，應用涉及領域極其廣泛。船用柴油機通常是由機體、配氣機構、曲柄連桿機構、電器系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)以及燃油系統(tǒng)等部分構成。隨著新工藝、新材料及新技術的迅速發(fā)展，逐漸被運用于柴油機設計和生產領域，綜合技術水平大幅提升。從柴油機機體方面來看，其主要包含缸套、缸體、油底殼以及缸蓋等部分，作為柴油機的“骨架”，機體不僅可以用于支持及安裝其他零件，并且還是配氣機構、曲柄連桿機構、潤滑系統(tǒng)、供給系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)等系統(tǒng)的重要構成部分，承受高壓和高溫，及周期性改變的燃氣作用力、慣性力等力的作用，工作環(huán)境十分嚴格。為了確保連桿、活塞、凸輪軸以及曲軸等零件“耐久、可靠”的運作，機體應當具備較高的強度及剛度，對這些部件提供強有力的支持。

2 船用柴油機拉缸故障現象及形成原因分析

2.1 故障現象

目前，船用柴油機拉缸故障現象主要包括：

第一，竄氣聲或者異響聲。在柴油機出現拉缸故障時，以金屬棒某端貼近耳朵，另端靠近氣缸體外表，可清楚地聽見不正常、沉重的響聲，比如：套缸和活塞間發(fā)生的干磨擦而引起的異響聲;在加大柴油機的油門時，敲缸聲更加雜亂、嚴重，同時還可聽到顫抖般的異響聲;如果柴油機處在怠速狀態(tài)，則會聽見竄氣聲或者敲缸聲;在潤滑油加油口位置處可以聽見漏氣的聲音，與敲缸聲響極其類似[1]。

第二，柴油機的基本參數發(fā)生改變。如果柴油機的潤滑油溫度、排氣溫度、活塞冷卻液出口處的溫度、氣缸冷卻水出口處的溫度出現不正常的上升，或者柴油機功率降低、轉速失衡等，則此時可考慮已經出現拉缸故障。由于在柴油機剛出現拉缸故障時，溫度并不會有比較顯著的上升，在拉缸發(fā)展至特定程度的時候，在同種運行狀態(tài)條件下，柴油機的所有溫度參數都會有較大幅度的變化。

第三，掃氣箱與曲軸箱升溫。當出現拉缸故障時，因為缸套的溫度上升，從而造成掃氣箱與曲軸箱也會升溫，導致此些空間內的水份及潤滑油蒸發(fā)成煙霧，引起掃氣箱向外冒煙，甚至會導致掃氣箱著火。當潤滑油的加油蓋打開時，從加油口位置處會有很多煙氣冒出，同時能夠聞到油焦味;在對柴油機的排氣管進行檢查時，可以看到較多的藍黑煙氣。

第四，如果拉缸故障比較嚴重，則會造成盤車曲軸無法正常運行。出現拉缸現象的氣缸曲拐在越過上死點時，則會發(fā)出敲擊聲，同時還會出現柴油機功率降低、轉速放緩等情況;對出現拉缸故障的氣缸采取單缸停油檢查方式，竄氣聲與敲擊聲會漸漸削弱。一般情況下，如果拉缸故障相對輕微，則柴油機依然可以正常工作;如果故障比較嚴重，柴油機就會熄火，難以再次啟動;如果故障極其嚴重，則會驟然熄火、停車，盤車時曲軸同樣無法正常運行。

2.2 故障分類

現階段，船用柴油機拉缸故障的常見類型主要有以下幾種：

第一，粘著磨損，又可稱作熔著磨損，其屬于金屬熔結過程，通常被人們叫做“粘缸”，嚴重威脅著缸套內壁的穩(wěn)定性。其主要是因為氣缸套內壁、活塞環(huán)以及活塞間的潤滑油膜由于受各類因素影響而發(fā)生破損又或是無法建立，部分滑動面出現干摩擦、形成極大的摩擦熱，造成部分滑動面形成顯微的粘著和熔化[2]。

第二，磨粒磨損，其根本成因在于機械硬質顆粒進入到氣缸中，嵌入氣缸套、活塞環(huán)與活塞的滑動面中間，對摩擦外表形成磨料作用而造成磨損。

第三，復合磨損，其主要指的是缸套摩擦副和活塞組同時出現以上兩種磨損形式，比如首先出現磨粒磨損而造成燃氣竄氣，導致油膜受損，從而造成粘著磨損。復合磨損，是多種磨損互相作用的結果，其磨損速度通常超過單一磨損形式，具有更強的破壞性。

第四，腐蝕磨損，其主要是由磨損與腐蝕共同作用的結果。氣缸中的燃油在燃燒過程中往往會形成酸性氣體，如果缸壁溫度小于水蒸氣的露點溫度，則水蒸氣與酸性氣體就會通過化學反應而形成硝酸、碳酸以及硫酸等物質，附著于氣缸壁上，產生電化學反應與化學反應，從而生成腐蝕產物。此些金屬腐蝕物在活塞環(huán)與活塞循環(huán)往復運動的過程中會剝落，露出的金屬則會再次被腐蝕，如此也就加快了缸套的磨損速度。

2.3 故障形成原因

第一，有異物進入氣缸。如果異物進入到氣缸中，在柴油機處于高速工作狀態(tài)時就會被活塞多次沖擊，燃燒室內溫度上升，活塞沖擊強度比較大，異物容易發(fā)生破碎，破碎以后的大多數異物通常會跟隨排氣沖程被廢氣吹出后而造成渦輪增壓器受到損壞，還有少許異物會進入到氣缸套與活塞中間，在活塞反復運動過程中而導致活塞受傷，最后引起拉缸現象。

第二，潤滑不良。氣缸潤滑不良，很難在缸壁上生成整體性的油膜，導致缸套和活塞環(huán)磨損更加嚴重，造成漏氣增加，外泄的燃氣會導致缸壁油膜受到損壞，引起柴油機出現拉缸問題。氣缸潤滑不良的影響因素主要包含如下幾點：（1）氣缸套注油孔被堵塞、注油器發(fā)生故障、注油管接頭出現漏油等因素造成氣缸供油中斷又或是潤滑油不足;（2）氣缸油質量差、氣缸油規(guī)格選用不適等其他因素造成潤滑油質量較差;（3）四沖程柴油機的刮油環(huán)刮油過多。

第三，受活塞環(huán)質量影響?；钊h(huán)和缸套屬于是一對摩擦副，有著互相影響、互相限制的因素，在缸套拉傷時也會出現環(huán)拉傷，活塞環(huán)受損還會對缸套造成影響。活塞環(huán)品質不佳會加速拉缸問題的出現，活塞環(huán)硬度不滿足需求，鍍鉻層容易發(fā)生脫落，特別是搭扣周圍，受力過度集聚，脫落后的活塞環(huán)或許會造成缸套劃傷，剝落位置的缸套和環(huán)無法通過油膜密封，在缸套中活塞環(huán)會形成周向運作，導致缸套惡化范圍不斷擴大，環(huán)和缸套的互相作用最后引發(fā)拉缸[3]。除此以外，活塞環(huán)發(fā)生形變，在活塞環(huán)中發(fā)生卡滯現象，環(huán)槽間隙太小、活塞環(huán)尺寸不符合要求，同樣會導致拉缸問題。

第四，缸套質量問題。缸套質量如果有問題，同樣會引起拉缸故障。其常見影響因素主要包括缸套自身的材質不符合要求，鑄造以后的金相組織未達到要求，鐵素體含量較高、石墨集聚狀況;缸套加工過程中粗糙度較高，缸套硬度比較低，無法滿足圖紙需求;缸套掃氣口位置處有銳邊或者凸點，缸套注油口的油槽存在高點與毛刺，缸套內徑尺寸大小與圖紙要求不符。

2.4 故障的診斷

第一，檢查冷卻系統(tǒng)。一是檢查冷卻液的質量。高質量的冷卻液應當是透明、清澈、無異味的，以目視方式進行檢查，沒有發(fā)現懸浮物、發(fā)泡以及渾濁等現象，同樣沒有聞到具有刺激性的味道，則可確定冷卻液的質量是良好的。二是檢查冷卻液的位置。當發(fā)動機處在非運行冷態(tài)時，需要對液位進行檢查。在主水箱蓋開啟以前，應當明確冷卻液溫度已降低至50℃下;與此同時，還需對主、副水箱的液位實施檢查，確保其滿足要求。三是對節(jié)溫器進行檢查。節(jié)溫器通?？墒褂么蠹s5年時間，長期使用則會導致閥門靈敏度有所降低，開度同樣會大幅減少。相關研究表明：在80±2℃環(huán)境下，發(fā)動機節(jié)溫器的開啟行程是1 mm;當溫度達到95℃時則會實現全開狀態(tài)，其升程是10 mm。四是對風扇和水泵進行檢查。對水泵外觀實施檢查，觀察是否存在泄漏問題，搖動水泵軸沒有松動現象，對風扇皮帶的張緊度展開檢測，如果皮帶稍松則需及時加以調整。

第二，檢查潤滑系統(tǒng)。一是對機油泵進行檢查。將機油泵拆卸下來，以手搖動油泵驅動齒輪，看是否存在松動問題;用機油注滿機油泵，讓驅動齒輪處于轉動狀態(tài)，如果感覺存在比較大的阻力，則可初步判定機油泵并未發(fā)生損壞。二是檢查機油。在手指上滴一點油且稍微捻動，如果觀察到有金屬閃光，則可確定是拉缸磨損故障引起的金屬顆粒;如果發(fā)生機油黏度比較低的情況，其或許是機油發(fā)生變質而導致的后果，也或許是燃油進入而引起的。由于黏度下降會嚴重影響油膜的生成，所以需要對黏度下降問題保持高度關注。三是對機油濾清器進行檢查[4]。將機油濾清器拆卸下來，對閥門、進出口進行清洗及檢查，沒有發(fā)現異常情況;更換新的濾芯后裝復即可。

3 船用柴油機拉缸故障的預防措施

第一，強化對潤滑和冷卻系統(tǒng)的養(yǎng)護。對于柴油機的潤滑和冷卻系統(tǒng)，應加大養(yǎng)護力度，保障潤滑和冷卻系統(tǒng)可以正常運行。需進一步提高對潤滑油位和冷卻水位的檢查頻率，如果發(fā)現問題需立即進行補充，著重關注柴油機的壓力和溫度，發(fā)生異常狀況時需立即排除，不可“帶病”工作。需定期對潤滑、冷卻濾清器及其管路實施維護，確保其可以維持優(yōu)良的運行狀態(tài)，降低拉缸故障發(fā)生的可能性。

第二，在維修裝配過程中，應積極推動技術創(chuàng)新。對活塞環(huán)的彈力與間隙、缸套和活塞的配合尺寸等進行嚴格檢查，確保其符合要求。在進行活塞連桿裝配作業(yè)以前，應確保活塞偏缸在相應范圍內;在裝配過程中，應完全根據維修工藝步驟完成裝配工作，防止由于裝配不到位而引起拉缸問題。

第三，強化對燃油系統(tǒng)的檢查和養(yǎng)護。根據需求定期進行維護或是更換全新的燃油濾清器且定期排水，避免因為燃油沖刷而導致潤滑失效，加大缸套與活塞間的拉傷及磨損。與此同時，還需選擇正規(guī)途徑采購燃油，防止劣質燃油進入到柴油機中，防止因為劣質燃油導致柴油機潤滑失效而引起拉缸故障。

第四，高度重視柴油機運行過程中的各類態(tài)參數值。在船舶行駛過程中，所有值班人員都需對柴油機的工作狀態(tài)及工況參數保持高度關注。（1）排溫指標。檢查各缸排煙的溫度是否符合規(guī)范要求，通常誤差需確保在均值的5%以內;燃燒室密封效果差、油頭滴油以及高壓油泵發(fā)生故障等，均會造成排煙溫度處于不正常狀態(tài)。（2）汽缸油注油量指標。對應指標需滿足說明書的具體規(guī)定。注油率過大，不僅會導致營運成本的增加、汽缸油的浪費、活塞環(huán)粘著、工件處沉積物更多、氣口由于積碳過多而逐漸變窄等問題，同時還會引起掃氣箱著火;過小的注油率，難以確保氣缸油膜的完整性，引起更加惡劣的咬缸事件。對于注油率而言，維持缸套最低磨損量和活塞環(huán)最大清潔度是其度量的最佳指標。（3）測示功圖。在柴油機運行過程中，需多次測取柴油機的“P-Q功率圖”和“P-V示功圖”，對各缸的工況狀態(tài)展開全面分析，及時加以調整也是極其必要的[5]。若“P-Q功率圖”中某缸的圖形面積比較小，那么也就代表該缸所做的功較小，其或許是高壓油泵或者油頭發(fā)生故障;若“P-V示功圖”中某缸的壓縮壓力顯著偏低，那么也就代表燃燒室的密封效果較差，其或許是排氣閥發(fā)生燒蝕漏氣;若某缸的爆壓過高，那么就需及時調整VIT或是單缸油門。（4）滑油指標。現階段的活塞冷卻均是借助套管式的主機系統(tǒng)油進行冷卻，對回油溫度和流量實施檢查，如果回油溫度較高、流量較小，則代表活塞冷卻不到位，造成活塞頭溫度過高，進而引起拉缸故障。（5）檢查掃氣箱。每月定期檢查柴油機的掃氣箱，觀察各道活塞的磨損指標是否符合要求、外表面是否足夠光亮、活塞頭積碳數量、活塞令是否有卡死現象等等;與此同時，還需對缸套掃氣口是否有凸臺和倒角、活塞下是否有斷令和金屬等展開檢查。利用柴油機運行過程中的實時監(jiān)控，再根據每月的定期檢查情況，及時發(fā)現和解決好各項問題。

4 結論

綜上所述，柴油機是船舶必不可少的構成部分，在船舶日常運行中起著不可替代的重要作用。但是，在船舶行駛過程中，由于受各方面因素的影響，而導致船舶柴油機發(fā)生拉缸故障。當發(fā)生拉缸故障時，應及時診斷、分析故障，掌握故障形成的根本原因，且采取有效的防范措施，以確保船舶的安全行駛。

參考文獻：

[1] 林海，鄭志強，馮顯.淺析大功率柴油機高寒地區(qū)冬季冷啟動運行易發(fā)生拉缸故障的原因分析[J].中國設備工程，2020（17）：18-19.

[2] 劉江濤，張鵬，李治明，等.某船用柴油機機組拉缸故障原因分析及解決方案[J].內燃機與配件，2020（05）：50-52.

[3] 葉啟華，鄒世順.某型中速船用柴油機氣缸套拉缸的原因分析及解決措施[J].廣東造船，2019，38（01）：69，73- 75.

[4] 張維新.船舶柴油機拉缸故障原因分析及預防措施[J].裝備制造技術，2018（03）：214-215.

[5] 王秀芬.柴油機拉缸故障影響因素分析及預防措施[J].河北農機，2016（05）：15.