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1、大功率发动机缸套异常磨损原因分析与优化实例探讨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笫磨网纹，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。如果缸套表面的玲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1。一、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
2、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，磨损部位给磨纹消失，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IoOOO3OOOOOAlA2A3A4A5A6A7A8A9AlO0e03300BlB2131乂B5I 拓H7B8B9BlOEil 造图1故障缸异常磨损分布情况经统计，磨损主要发生在非推力侧，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、
3、B8缸缸套内壁为例，具体磨损情况如图2所示。GOH2总算内壁）B4【套内壁图2故障缸缸套异常磨损情况二、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L23o缸套内孔ft：径超差活塞顶型线尺寸超差L 零部件质t问题活塞环尺寸超差气缸套制造质俄不满足要求弹性支撑刚度超差发动机机脚高度尺寸超差活塞冷却油喷嘴位置度不合格连杆侧隙超差缸套异常磨损一 装配质量问题活塞顶裙同轴度超差止推间隙超差地脚螺栓松动燃烧室积炭严重发动机使用运行问题喷油器雾化不良排温等参数异常润滑油清洁度较差清洁度问题零部件洁度较差图3缸套异常磨损的可能
4、原因经现场初步勘验，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。1、零部件质量问题(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(dld2d3)处缸套的内径尺寸，其中dl、d2d3分别代表距离缸套顶部40mm、80mm及130mm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
5、求，具体如图4所示。230.04230.03230.02230.01230.229.99Li、WM出品了10B857 Iu C图4磨损缸套内径的检查情况（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30HRC以上,说明其可在较高温度下工作。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。（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O因此，
6、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。0.152lA234A56A7A8A910BlB2B3B4B5B6B7B8B9BlO图5磨损缸套活塞环配合间隙检查情况（4）指磨网纹缸套表面的圻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
7、也非常有利。如果桁磨网纹被破坏,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壬行磨网纹,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密磨网纹全部满足设计要求,如图6所示。图6缸套布磨网纹检查情况（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
8、低于使用要求的下限（刚度要求为1.57xl02.35xl（）Nm）,黑色支撑刚度全部满足使用要求（见表1）。表I弹性支撑刚度费情况fli11爪她而度mm乐叙后高度mm乐叙力/kN变形fctmmrn(Nm-,红色支撑（装机）108.595.318.5013.21.401515X10*108.597.715.4710.81.43240710*108.598.215.4710.31.50194210108.592.625.0015.91.572327X101黑色支撑（库存）110.5101.815.478.71.778161X10*110.595.525.0015.01.666667X10*110.
9、0102.515.477.52.06266710*110.097.125.0012.91.937984X10*黑色支撑（装机）109.199.515.479.61.611458X10(109.193.525.0015.61.602564XlOt2、装配质量问题（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。图7发动机活塞连杆结构活塞与缸套由顶环、2道气环和油环密封,活塞环、活塞顶、活塞裙与缸套构成了一对重要的摩擦副，润滑方式为飞溅润滑，通过活塞环向上泵油并通过油环将润滑油刮回油底壳。活塞冷却油道的润滑油从活塞裙底部进入活塞顶进行冷却，以减小活塞顶的热负荷和热变形。活塞往复运动过程中，
10、在垂直于曲轴方向活塞与缸套存在侧推力作用。利用红外定位工装来校验活塞冷却油喷嘴位置，检查发现喷嘴安装位置全部满足装配要求。（2）发动机顶裙同轴度发动机顶裙同轴度超差会对受热后相关零部件的变形产生不良影响，也会影响燃烧室内部的摩擦性。对故障缸进行拆检，采用三坐标仪来检查各缸活塞顶裙同轴度（要求0.05）,检查发现全部满足设计要求。活塞顶裙同轴度检查情况如图8所示。5 04S0 5 0 5 0 5 0 4 3 3 2 2 1 1 Ooooooo SSSSSSSSl=访叵鞋%5 OoS7 A8 B K6 B4 B3 BB2图8活塞顶裙同轴度检查情况(3)发动机曲轴止推间隙发动机曲轴止推间隙是作为发动
11、机装配误差和运动件受热轴向膨胀变形的补偿量,如果止推间隙超差,可能导致活塞整体轴向窜动,而缸套紧固在机身上无法移动,即活塞与缸套两边的间隙超差,不利于活塞与缸套之间的摩擦配合。曲轴止推间隙实测值为0.35mm,满足止推间隙要求(0.30.9mm)。3、发动机使用运行问题如果发动机在运行过程中未按标准台架试验工况开展相关试验,或由于系统因素导致发动机长时间超负荷工作,发动机热负荷超标后,其排气温度、爆压等参数异常,燃烧室积炭加重,缸套变形失控,很容易导致缸套发生异常磨损。复查发动机台架试验各工况下的运行参数,各项热工参数包括发动机排温、爆压、增压器转速、润滑油温度等均满足试验大纲要求，未发生异常
12、报警情况。在几乎相同的环境条件下将该发动机与前期出厂的发动机试验参数进行对比，结果表明试验参数基本相同，同时拆检确认喷油器启喷压力和燃烧室积炭程度全部满足工作要求，因此可以排除发动机的使用问题。4、清洁度问题本次故障磨损缸较多，且全部为片状磨痕。一般情况下，如果是清洁度控制出现问题，磨损基本呈现为线状孤立划痕。结合拆检过程，对润滑油过滤器、系统润滑油管路、油品、进气管的清洁度进行检查，未发现明显清洁度较差的情况，因此基本可以排除清洁度差造成缸套异常磨损的可能3。三、故障原因分析根据拆检排查情况,分析认为造成缸套异常磨损的原因为发动机弹性支撑刚度超差,同时缸套自身承受热变形能力冗余性偏弱也是出现
13、异常磨损的因素之O该发动机为弹性安装状态,通过机脚连接安装在弹性支撑上,其中A排、B排两侧共布置弹性支撑14件,主要用于抵消发动机运行过程中产生的振动,保证发动机运转的平稳性。发动机弹性支撑布置情况如图9所示。图9发动机机脚弹性支撑示意图现场检查发现,A排靠近自由端连续4件弹性支撑刚度超差,均低于使用要求下限。由于该区域支撑刚度不足,发动机在运行过程中产生的振动和变形无法完全被有效消除,且各部位变形情况不均匀,特别是机身,其在做功行程中承受的主轴承盖传递的力矩无法消除,直接导致发动机振动异常超标。在发动机运行过程中,燃烧室相关的运动件运转不平稳,可能会导致缸套与活塞的间隙减小甚至消失,附着在雷
14、磨网纹中的油膜被破坏,长期运行会导致缸套表面发生大面积磨损。四、改进优化试验验证根据故障原因，现场更换了刚度超差的弹性支撑，并重新按照工艺要求进行发动机的静置压载，同时为了提高缸套强度，提高燃烧状态下缸套抵抗热变形的能力，将缸套外表面冷却水孔数量由24个增加至32个（如图10所示），以增大缸套外表面的冷却面积，减少缸套在高温高压下出现异常变形的情况。(a)改进前(b)改进后图10缸套冷却水孔改进情况利用AnSyS仿真软件对改进后缸套结构的应力情况进行计算分析，如图11所示。改进前(b)改进后图11缸套应力仿真分析结果表2为改进后缸套的应力计算结果。由表2可知，改进后缸套拉伸应力和压缩应力均满足
15、发动机设计要求。表2改进后缸套应力计算结果项目评判标准计算结果是否满足要求拉伸应力/MPa195153满足压缩应力/MPa485256满足改进后缸套按工艺要求换装在发动机上，并在弹性支撑压载满足要求后进行发动机台架试验验证。试验结束后，采用内窥镜检查缸套内表面，未发现异常磨损情况，即缸套表面工作状态全部满足使用要求。经动态验证，缸套异常磨损现象消失，确认改进后缸套强度得到明显提升，能够满足发动机全生命周期的使用要求。五、结语缸套作为重要的摩擦副零件，除了自身承受热负荷和机械负荷外，发动机整体产生的振动对其工作状态的影响也很大。为了使发动机弹性支撑在装配后满足性能要求，后续在弹性支撑装配前对支撑
16、刚度进行测量，增加弹性支撑刚度的质量控制点，并将同一台发动机的所有支撑刚度偏差控制在一定范围内，尽量在发动机压载后保持其高度的一致性，减少试验过程中产生的不平衡振动情况。同时，通过对缸套冷却水孔进行设计改进，减少了缸套在高温高压下的异常变形，能够更好地适应大功率、高负荷发动机对缸套的设计要求。某型大功率柴油机缸套异常磨损分析。引言某型大功率柴油机系20世纪90年代从德国引进,为V型20缸双涡轮增压柴油机,涡轮布置在V型夹角内。该机应用于多国海军的主力作战舰艇以及核电应急发电机组。该型柴油机属于高速柴油机,具有体积小、功率重量比大的特点。由于转速高、结构紧凑,在高工况运行时,气缸内的工作条件相对
17、其它机型更为恶劣,发生缸套异常磨损的概率较高,对柴油机造成的直接和间接伤害较大。1故障描述年至今,共有11台该型大功率柴油机在台架试验过程中发生缸套异常磨损故障。从故障情况看:活塞裙无明显异常;主要为缸套与活塞环磨损,缸套与活塞顶磨损。1.1 缸套与活塞环磨损11台缸套异常磨损柴油机中,5台（12.4#、I5.3XF、17.1#、17.4#、17.6#）缸套磨损部位对应的活塞环发生了异常磨损,如图I-图2所示。图1M562017004#柴油机B6缸缸套图2M562017004#柴油机B6活塞1.2 缸套与活塞顶磨损11台缸套异常磨损柴油机中,6台（17.5#、17.6#、17.7#、17.8#
18、、18.1#、18.2#）缸套磨损部位对应的活塞顶发生了异常磨损。磨损部位在活塞顶部第一道环槽上部3mm宽外圆表面;活塞顶磨损部位对应方向的活塞裙开档处均有磕碰痕迹;活塞裙部开档相应一侧存在运行干涉痕迹。如图3图4所示。图3M562017005#柴油机A5缸缸套图4M562017005#柴油机A5缸活塞顶1.3缸套异常磨损分布情况缸套异常磨损部位主要分布在活塞销方向,除17.6#的B3缸和18.2#的A8缸的自由端和输出端方向均异常磨损外,其余缸套只偏向自由端或输出端某一侧,如图5所示。图5缸套磨损部位示意图2缸套异常磨损可能因素该型柴油机活塞连杆机构如图6所示。活塞与缸套由顶环、两道气环和油
19、环密封。活塞环、活塞顶、活塞裙与缸套构成了重要的摩擦副,其润滑方式为飞溅润滑,通过活塞环向上泵油并通过油环将滑油刮回油底壳。来自活塞冷却油道的滑油从活塞裙底部进人活塞顶进行冷却,降低活塞顶的热负荷和热变形。活塞往复运动过程中,在垂直于曲轴方向与缸套存在侧推力作用。图6某型大功率柴油机活塞连杆结构示意图从故障现象看,故障可能与连杆、活塞裙发生干涉,或缸套与活塞的配合以及试验油水温度等试验条件有关。根据缸套异常磨损可能原因,建立如图7所示的故障树,并进行逐一排查。平面度、平行度超差缸套异常磨损Ll活塞环质后问想|外园型线超注 开口尺寸超差一 厚度、宽度超万 汕环弹簧机械结构图7故障树3缸套异常磨损
20、原因排查3.1零部件质量(1)活塞环。该型柴油机所使用的活塞环一直为专利方进口件。检测故障缸及库存的顶环、气环和油环型线,均符合技术要求。检测故障缸及库存的活塞环镀格层深度,均符合技术要求。(2)活塞。自2000年该型柴油机国产化以来7.8#柴油机其活塞的技术状态一直未发生变化。但17.8#柴油机活塞顶型线有所改变。除活塞顶型线外,其余与专利方技术状态一致。活塞材料使用专利方认可的中德对照材料。检查故障缸活塞顶环槽高度和宽度、活塞顶裙同轴度,未发现异常。同时,针对17.8#柴油机,解剖了发生异常磨损的A5缸活塞顶,检查其化学成分、材料金相组织和机械性能,均符合相关技术文件规定。根据专利方的意见
21、:活塞顶第一道环槽上部3mm应为椭圆。而国产活塞第一道环槽上部3mm宽为柱面;上部型线为变椭圆结构,长轴为垂直于活塞销方向,短轴为活塞销方向。活塞销方向3mm宽的柱面与变椭圆型线交界处存在小台阶。如图8活塞顶间隙示意图所示,活塞顶与缸套最小配合间隙也在此区域,与活塞顶磨损部位一致。从17.8#开始,根据专利方意见,将活塞顶第一道环槽上部3mm宽加工为椭圆,并消除台阶。此后17.8#、13.1#和13.2#再未出现异常磨损;但18.1#和18.2#仍有缸套异常磨损情况。说明活塞顶第一道环槽上部3mm宽加工为圆柱是缸套异常磨损的可能因素之一。图7图8活塞顶间隙示意图(3)连杆。检查故障缸连杆的大小
22、端孔平行度、大小端孔高度差和连杆翘曲度,均符合图纸要求。故障树(4)缸套。检查磨损缸套未磨损部位的内径,均符合图纸要求,抽检库存三个新缸套的布磨网纹,未发现异常。(5)机身。机械性能。该型柴油机机身按照专利方图纸和技术文件执行。中国对应材料为0T500.7;机身铸件试样要求：延伸率7.0%,抗拉强度500Nmm2,硬度16040HBWo而专利方对机身铸件试样的延伸率要求为N3.0%。从统计结果看:延伸率7.5%的机身,出现缸套异常磨损现象的概率较大。从对2017年至今新装柴油机缸盖安装面硬度的统计结果来看:机身硬度低于210HBW的柴油机出现缸套异常磨损的概率较大。缸孔尺寸及形位公差。复查了1
23、7.1#至18.2#机身缸孔直径和圆度,均满足图纸要求。机身缸孔垂直度、上下缸孔同轴度等形位公差由机床加工精度保证,而经检测机床精度满足机身加工要求。(6)喷油器雾化质量。前期故障排查结果：缸套异常磨损的喷油器起喷压力和雾化质量符合技术要求。3.2相关零部件装配质量(1)缸套与活塞顶配合间隙。统计了2017年至今柴油机缸套与活塞顶装配问隙,未发现缸套异常磨损与配合间隙有明显对应关系。(2)机身缸孔与缸套配合间隙。统计了17.5#机至18.2#机发生异常磨损的缸套的上缸孔配合间隙,均为过盈配合,与未发生缸套异常磨损的18.3#相比,过盈量趋势一致。(3)活塞环装配。未发现活塞环装反情况。(4)活
24、塞、连杆配重。根据统计结果,连杆及活塞连杆组重量分布较均匀,向技术要求的中间值靠拢。(5)缸盖螺栓拧紧均匀性。经复查,缸盖螺栓的拧紧顺序及力矩均符合技术要求。(6)活塞裙与连杆擦碰。经理论计算与工装检查,活塞裙与连杆小端不存在干涉可能。33试验条件检查滑油与燃油匹配性。该型柴油机使用CD30、CD40滑油及.10#军用柴油。复查发生缸套异常磨损的柴油机的油水分析报告,其滑油TBN值满足技术要求。(2)滑油润滑性能。复查人厂滑油的检验报告,结果显示润滑性能满足技术要求。(3)地脚螺栓。检查过程中发现:地脚螺栓均未做扳紧标记。(4)试验台架导轨。检查中发现:若柴油机上、下台架的交替时间较短,通常不
25、会再次调整导轨的平行度、平面度。3.4清洁度在排查过程中发现:该型柴油机起动空气管路未安装有效的过滤装置,存在异物进人气缸的风险。4故障原因分析4.1 缸套与活塞顶磨损柴油机正常运转时,活塞在缸内做往复运动,只有活塞环与缸套接触。在活塞环机械性能及缸套均未发现异常的情况下,活塞顶与缸套磨损最可能的原因为活塞与缸套之间的配合间隙过小。根据上述排查情况,导致活塞与缸套配合间隙过小的原因主要有以下三方面。(1)装配间隙装配间隙包括:活塞与缸套间隙以及缸套与机身缸孔的配合间隙。该型柴油机缸套与机身缸孔为过渡配合,实物状态基本都呈过盈配合状态。由于机身缸孔圆周方向为不对称结构,在过盈情况下缸套受力后存在
26、椭圆形变。分析认为,工作过程中燃烧压力的作用会加剧缸套的椭圆形变,使活塞与缸套在活塞销方向的配合间隙更小。这与专利方活塞顶型线在活塞销方向为椭圆短轴的设计相一致。正常情况下,活塞顶与缸套为间隙配合。如果活塞与缸套配合间隙偏小,且缸套与机身缸孔过盈量偏大,则在工作过程中,随着负荷增加,活塞与缸套在活塞销方向的配合间隙变小甚至发生接触,导致活塞顶在活塞销方向与缸套发生异常磨损。(2)机身机械性能该型柴油机机身为薄壁铸件,对机身的机械性能要求极高,尤其是延伸率和硬度,反映了机身的刚度。专利方技术文件规定机身延伸率N3%,而国产化以来按OT500.7执行,延伸率要求三%。延伸率增大会导致硬度相应下降,
27、导致机身刚度降低。当缸套与机身缸孔处于相同的过盈量情况下,缸套椭圆形变将增大,导致活塞与缸套间隙均发生变化,最终引发缸套异常磨损。(3)台架柴油机在高速运转过程中,若台架地脚螺栓松动,其振动频率及振动瞬时方向都会受到极大影响。活塞在缸内会出现不规律的偏离原始运动轨迹的现象,从而导致缸套异常磨损。4.2缸套与活塞环异常磨损在活塞环机械性能、缸套以及活塞顶冷却均未发现异常的情况下,缸套仅与活塞环发生磨损,只可能是润滑不良所致。根据排查结果,可能造成活塞环与缸套润滑不良的因素,除了缸套配合间隙、机身机械性能外,还与清洁度以及滑油润滑性能有关。(1)清洁度清洁度问题一直是缸套异常磨损的一个不可排除的因
28、素。异物进人气缸后,破坏了附着在缸壁上的连续油膜,导致活塞环与缸套间发生破坏性摩擦。由于活塞环的转动和活塞往复运动,磨损被进一步扩大,从而导致大范围的缸套与活塞环异常磨损现象。在力查过程中发现:起动空气进气管路未安装有效的过滤装置,故清洁度问题是导致缸套异常磨损的可能一个因素。(2)滑油润滑性能在柴油机运行初期,摩擦副各间隙,尤其是活塞与缸套间隙,相对于柴油机运行至中、后期时的摩擦副各间隙,明显更小。因此,在滑油压力有保证的前提下,流动性好的滑油更加适合运行初期的柴油机使用。在间隙较小的情况下,流动性好的滑油能够更加迅速、有效地建立起润滑效果更好的油膜。在活塞高速运动时,该油膜不容易出现间断,
29、从而减小了因润滑不良而发生缸套异常磨损的可能性。因此,在柴油机运行初期,CD30滑油要比CD40滑油更加适用。5改进措施基于对以上引发故障的可能因素的分析,提出以下改进措施：(1)在满足产品图纸要求下,内控活塞顶外圆尺寸,增大活塞顶与缸套的配合间隙；(2)在起动空气管路上增加空气过滤装置,保证进人缸内气体的清洁度；(3)针对台架底梁的地脚螺栓,要求在螺栓扳紧后做刻线标记,定期检查刻线的对齐情况；(4)柴油机台架就位前检查台架导轨平行度和平面度,台架两导轨的平行度控制在0.2Omm/全长以内；(5)参照专利方技术标准,降低延伸率要求,在满足技术要求的前提下,提高机身缸盖座面的硬度至210H6W以上；(5)磨合与交货试验均使用CD30滑油。实施上述改进措施后,后续多台柴油机均未出现缸套异常磨损故障。参考文献：张顺先,韦斌.发动机拉缸故障原因分析与预防措施J1.内燃机与配件,2007(6):17-18.2张维新.船舶柴油机拉缸故障原因分析及预防措施J.装备制造技术,2018(3):220-221.3谭传省.船用发动机的拉缸故障J.内燃机与配件,2019(11):140-141.
