1、船用柴油機(jī)活塞損壞原因分析摘要：船用柴油機(jī)活塞作為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件之一，由于承受高溫高壓惡劣環(huán) 境條件，容易發(fā)生損壞。本文從分析船用柴油機(jī)活塞的材料和活塞各部位損壞原 因入手，對(duì)船用柴油機(jī)活塞損壞原因進(jìn)行了全面而細(xì)致的分析。關(guān)鍵詞：船用柴油機(jī)；活塞損壞；原因分析1、活塞的材料及性能船用柴油機(jī)活塞的材料大多是選擇鋁合金、鑄鐵和鑄鋼。由于工作環(huán)境的惡劣等原因， 活塞的材料應(yīng)該符合：足夠的強(qiáng)度、硬度、優(yōu)秀的熱傳導(dǎo)、耐腐蝕、耐磨損及出色的熱穩(wěn)定 性等特點(diǎn)。為了減小運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的慣性力，同時(shí)要求相對(duì)密度較小，各國愈來愈多地采用過 共晶硅鋁合金。中高速柴油機(jī)活塞的材料多為硅鋁合金，Si含量12%左右的ZL1

2、08是國內(nèi)采 用最多的材料。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度不斷提高，硅鋁合金材料的承載能力已接近極限，很容 易造成疲勞失效，為保證發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，直徑300以上船用柴油機(jī)活塞材料大多選擇鑄鐵 或者鑄鋼。中低速柴油機(jī)活塞的材料為大多為鑄鐵或者鑄鋼，在大直徑下鋁合金由于強(qiáng)度要 求高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)厚大，材料性能優(yōu)勢(shì)已不再明顯。同時(shí)由鋼頂或球墨鑄鐵頂與鋁合金裙或球 鐵裙兩部分組成的組合式活塞結(jié)合以上材料的優(yōu)點(diǎn)，在如今船用活塞中的應(yīng)用也越來越多。 低速二沖程活塞的材料為ZG25鑄鋼和ZG25Mo、ZG35CrMo合金鑄鋼，裙部的材料不選鑄鋼， 而選擇灰鑄鐵HT25-47和HT30-54。柴油機(jī)是由眾多零件組成的，其整體

3、性能主要體現(xiàn)在各零部件的可靠性和疲勞性能上， 作為柴油機(jī)的主要承壓和運(yùn)動(dòng)件，活塞的性能分析值得重點(diǎn)關(guān)注。船用低速柴油機(jī)在運(yùn)行過 程中的燃油燃燒產(chǎn)生的溫度和壓力都很高，在燃燒室中，燃油正常燃燒的最高溫度可以達(dá)到 1400C以上，燃燒室的進(jìn)出口溫度也要達(dá)到340C以上，燃燒室中未燃燒區(qū)域的溫度也在 800C左右，整個(gè)燃燒室承受的溫度較高，但散熱條件有限，使得活塞部件在整體的運(yùn)行中 承受的熱負(fù)載較高。此外活塞還要受到螺栓裝配條件下預(yù)緊力的作用，以及燃油燃燒產(chǎn)生的 壓力和活塞在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中的慣性力的影響。在機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力雙重作用條件下，嚴(yán)重 影響了活塞的使用壽命。熱應(yīng)力的作用會(huì)導(dǎo)致活塞頭在熱膨脹系

4、數(shù)的影響下產(chǎn)生變形，過大 的變形必然會(huì)使得活塞在運(yùn)行中產(chǎn)生拉缸或者咬缸等故障，循環(huán)的機(jī)械變應(yīng)力作用容易引起 活塞部件的疲勞和斷裂問題。故活塞可靠性和疲勞壽命研究成為柴油機(jī)性能分析的重點(diǎn)。2、活塞的損壞原因分析在船用低速二沖程主機(jī)工作時(shí)，活塞與汽缸蓋、氣缸套組成燃燒室，直接受到高溫、高 壓燃?xì)夂屯鶑?fù)慣性力的作用，所以活塞承受很高的熱應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原 理導(dǎo)致的活塞常處于高溫、高壓和高速的工作環(huán)境內(nèi)。活塞頂部的燃燒室是活塞工作環(huán)境最 惡劣的地方，由于不正常工作，例如爆燃、燃燒不充分，容易導(dǎo)致活塞頂部發(fā)生損壞。活塞 在超負(fù)荷工作時(shí)進(jìn)行無數(shù)次的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，極易產(chǎn)生金屬疲勞，導(dǎo)致活塞發(fā)生形

5、變和裂紋。2.1活塞頂部損壞原因分析2.1.1活塞頂部燒蝕損壞的情況活塞頂部發(fā)生燒蝕現(xiàn)象，會(huì)有薄層發(fā)生脫落，導(dǎo)致頂部厚度變小，強(qiáng)度降低，形狀發(fā)生 改變，以至于對(duì)活塞柴油機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響。在船用低速二沖程主機(jī)工作時(shí)，活塞承受很高的熱應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力。活塞在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中 承受著摩擦與撞擊，在潤滑不良時(shí)更為嚴(yán)重。在內(nèi)燃機(jī)工作過程中，燃燒室內(nèi)與活塞頂面直 接接觸的燃?xì)猓罡邷囟冗_(dá)到2000C左右，循環(huán)平均溫度也在800C左右，使活塞承受很大 的熱負(fù)荷。柴油機(jī)活塞頂部燒蝕損壞較為常見，因?yàn)椴裼蜋C(jī)活塞頭部與柴油燃燒時(shí)直接接觸， 極易產(chǎn)生熱腐蝕，尤其當(dāng)船舶發(fā)生顛簸、柴油機(jī)不能正常工作時(shí)。所以，當(dāng)活塞頭部溫度

6、較 高的時(shí)候，如果發(fā)生氧化和脫碳，會(huì)導(dǎo)致活塞頭部表面的化學(xué)成分發(fā)生改變，活塞頭部的組 織材料發(fā)生變化。在所有原因的影響下，活塞頭部的表面的金屬會(huì)改變?yōu)閷訝罱Y(jié)構(gòu)，大小不 一，深淺各異的麻點(diǎn)，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生脫落。大直徑的活塞由于受熱面積大，更容易發(fā)生熱腐蝕 損壞情況。2.2活塞外圓表面的損壞分析2.2.1活塞外圓表面發(fā)生磨損的情況活塞的裙部的直徑變小；活塞的氣缸和活塞之間的間隙變大；活塞的橫截面和原尺寸相比產(chǎn)生圓度誤差。2.2.2活塞外圓表面損壞分析活塞外圓表面的過度磨損主要由于中、小型筒狀活塞式柴油機(jī)的活塞起導(dǎo)向作用并承受 側(cè)推力，因此容易發(fā)生外圓表面的過度磨損。同時(shí)活塞環(huán)槽內(nèi)的活塞環(huán)如發(fā)生斷裂，則

7、會(huì)導(dǎo) 致活塞頂部的外圓表面和汽缸壁直接接觸，造成摩擦損傷，但該種情況一般不多見。上述情 況都可導(dǎo)致活塞尺寸變化，進(jìn)而導(dǎo)致活塞外圓表面的損壞。2.3活塞裂紋的損壞分析2.3.1活塞裂紋的發(fā)生損壞的情況對(duì)于發(fā)生裂紋損壞，常見以下幾種情況：存在于凹型頂面活塞，徑向裂紋；存在于平頂 活塞，徑向和四周均存在裂紋；存在于第一和第二道環(huán)槽的環(huán)帶，在機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的同 時(shí)作用下，發(fā)生裂紋，嚴(yán)重時(shí)會(huì)碎斷。2.3.2活塞裂紋的損壞分析在柴油機(jī)工作時(shí)，由于柴油燃燒不充分以及活塞頂部采用凹坑形狀等原因，活塞頂部各 個(gè)部位都存在溫度差。另外，活塞的周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)是由燃燒柴油產(chǎn)生的爆發(fā)壓力引起的， 最大氣體壓力可達(dá)6到

8、9MPa。在活塞工作很長時(shí)間之后，這種現(xiàn)象會(huì)越來越明顯，極易造 成活塞頂部材料組織疲勞，從而產(chǎn)生裂紋。出現(xiàn)裂紋的部位一般在活塞的頂部、環(huán)槽處、冷 卻一側(cè)。環(huán)槽處出現(xiàn)裂紋的主要原因是當(dāng)活塞環(huán)槽發(fā)生磨損，其間隙會(huì)變大，活塞環(huán)在環(huán)槽內(nèi)晃 動(dòng)，使環(huán)槽帶應(yīng)力集中，超過允許的載荷從而發(fā)生損壞。該損傷一般存在于活塞第一道環(huán)槽 和第二道環(huán)槽的環(huán)帶處。冷卻一側(cè)的損傷的主要原因是機(jī)械應(yīng)力過大所導(dǎo)致的，同時(shí)活塞冷 卻側(cè)的設(shè)計(jì)有缺陷，毛坯材料質(zhì)量未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)也可能造成損傷。有個(gè)別活塞，活塞與活塞桿 的配合面也會(huì)發(fā)生損壞現(xiàn)象。這主要是由于活塞工作時(shí)，溫度達(dá)到460攝氏度，該配合面受 到的熱應(yīng)力和重油爆燃時(shí)的沖擊應(yīng)力巨大，

9、導(dǎo)致其產(chǎn)生軸向的裂紋。2.4活塞環(huán)槽的損壞分析及損壞情況活塞環(huán)槽發(fā)生損壞后，活塞環(huán)槽和活塞環(huán)之間的平面間隙變大，導(dǎo)致活塞環(huán)的密封性降 低，因此會(huì)發(fā)生漏氣、壓力不足等問題。活塞環(huán)槽發(fā)生損壞在第一、二道磨損較為嚴(yán)重。活 塞環(huán)槽發(fā)生損壞后變形，由原來的矩形變化成梯形。2.4.2活塞環(huán)槽的損壞分析在柴油機(jī)實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn)活塞環(huán)槽，特別是第一道環(huán)槽的磨損是影響活塞使用壽命 的關(guān)鍵。該損壞方式在鋁活塞中比較常見。引起活塞環(huán)槽損壞的原因有很多種：活塞通過 鑲嵌在活塞環(huán)槽內(nèi)的活塞環(huán)和汽缸壁緊密接觸，活塞環(huán)與環(huán)槽發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，不間斷的進(jìn)行 環(huán)的上、下的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，環(huán)的膨脹、壓縮的徑向運(yùn)動(dòng)、環(huán)的開口部分的回轉(zhuǎn)和扭曲運(yùn)動(dòng)，導(dǎo) 致了環(huán)槽發(fā)生磨損；活塞工作的時(shí)候，進(jìn)氣孔可能吸進(jìn)空氣中的硬質(zhì)微粒和燃燒后殘留的 硬質(zhì)炭粒。尤其是燃燒不充分的時(shí)候，會(huì)殘留更大、更硬質(zhì)的微小硬質(zhì)粒子，附著在活塞環(huán) 與環(huán)槽的配合面上，導(dǎo)致活塞環(huán)槽端面發(fā)生非正常磨損；活塞的環(huán)槽在工作時(shí)，與汽缸壁 發(fā)生巨大的摩擦，導(dǎo)致溫度升高。高溫會(huì)破壞潤滑油油膜的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致潤滑不充分，從而導(dǎo) 致活塞環(huán)槽發(fā)生形變，因此活塞環(huán)槽的損壞發(fā)生幾率變大；活塞工作的時(shí)候，如果活塞環(huán) 發(fā)生損壞，會(huì)造成高溫燃?xì)庑孤．?dāng)高溫燃?xì)夂突钊h(huán)槽直接接觸時(shí)