大功率发动机缸套异常磨损原因分析与优化.docxVIP

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［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

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、B8缸缸套内壁为例，具体磨损情况如图2所示。

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［2］。

图3缸套异常磨损的可能原因

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（d1、d2、d3）处缸套的内径尺寸，其中d1、d2、d3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求，具体如图4所示。

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。

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。

图5磨损缸套活塞环配合间隙检查情况

（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。

图6缸套珩磨网纹检查情况

（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低于使用要求的下限(刚度要求为1.57×10~2.35×10°N/m),黑色支撑刚度全部满足使用要求(见表1)。

2、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