大功率发动机缸套异常磨损原因分析与优化实例探讨.docx

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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