【船机帮】PPE 轮主机缸套异常磨损及活塞环频繁折断故障分析

一、故障现象

PPE 轮主机， 型号SULZER 6RTA62，1993年9月出厂营运。

近几年，该轮主机缸套磨损率高、活塞环频繁折断。 

一年来，主机运行约6000小时，更换缸套4只，活塞头9只，吊缸16次，维修保养强度大，既增加了人力、物力投入造成经济损失，又影响船舶安全。

表1是因断环吊缸各缸运行时间， 表2是各缸套使用寿命及磨损率。

可知，各缸活塞环异常磨损，缸套磨损率增大。 

以No.4缸为例，运行719小时，第一，二，三，四道活塞环均已折断，第五道活塞环严重不均匀磨损，径向厚度磨损量最大处3.2mm，环槽出现磨台，槽高变大，缸套磨损率0.243mm/kh，活塞头及环槽干净无明显结碳。

二、故障分析

缸套异常磨损和活塞环折断的原因很多， 机理复杂，需从多方面考虑。

1、燃油品质的影响

据轮机日志和相关测量记录，解体故障换下的主机油头发现大部分循环阀的针阀咬死在顶起位置，且针阀圆柱面有大量拉痕，表明燃油含有大量固体颗粒。

查轮机日志发现，该轮主机燃油自清精细滤器使用随意性较强，多次故障且不及时处理，经常旁通。

现在的船用燃料油都是渣油与柴油按比例调合而成，金属杂质和非金属杂质含量多。

燃油过滤不好，大量固体颗粒随燃油进入气缸破坏油膜并作为磨料，加剧缸套和活塞环磨损。

2、材料及加工工艺的影响

日本原厂生产的缸套，表面石墨薄层的小孔分布均匀，储油能力强。 

而该船主机使用硬度较低的国产铸铁缸套（公司为节约成本订购），制造和表面处理工艺欠佳，储油效果差；且活塞环仍使用与硬度较高缸套匹配的进口件，摩擦副硬度匹配偏离最佳，易扭曲变形以致弯曲疲劳折断。

还有活塞头，采用国内翻新件，加工粗糙，环槽间隙偏小且上、下平面距离不均匀，环易卡阻或抱环。

3、气缸油注油量的影响

船用二冲程柴油机气缸油主要作用有三：

★在活塞环与缸套、 活塞环与环槽之间， 形成油膜，减少磨损。

★中和燃烧的酸性产物，减少腐蚀。

★带走燃烧残留物和金属磨粒，清洁活塞环、环槽和气缸壁，减少磨料磨损。

注油量过大，过量气缸油被活塞环刮入燃烧室，不但浪费气缸油，而且由于活塞头部温度400℃以上，气缸油很容易氧化结碳。 

活塞头结碳多到接触缸套就会破坏缸壁油膜，加剧缸壁和活塞环的磨损。

注油量过小，也加剧缸套和活塞环磨损：

★缸壁上难以形成完整的油膜，缸套与活塞环处于半干摩擦甚至干摩擦状态；

★不易带走燃烧残留物和金属磨粒等杂质而增加磨料，加剧磨料磨损；

★不能完全中和燃烧产生的酸性物质而发生腐蚀磨损，腐蚀产物又会引起二次磨料磨损；

★活塞环和缸壁的磨损加剧，增加燃气泄漏，漏泄的燃气还会进一步破坏缸壁上的油膜， 导致活塞环不均匀磨损；

★活塞环不均匀磨损，其外圆面与缸壁贴合不良，燃气压力高时， 作用于活塞环外圆面与气缸贴合不紧密处，将环压入环槽；燃气压力低时，活塞环在自身弹力的作用下重新弹出，活塞环周期性张合疲劳折断，活塞的横摆冲击使环继续折成多段或碎块，也进一步加剧缸套磨损。

SULZER RTA 型柴油主机气缸油注油率， 基本设定值1.2g/hp-h，允许根据实际运行情况逐步调低。

该轮近几年气缸注油率调定在0.87g/hp-h。 

吊缸检修及扫气口检查记录证实，活塞头部及燃烧室等处干净无明显结碳，看来缸套异常磨损和活塞环折断的原因不是气缸油注油量过大而是过小。

4、气缸油注油定时的影响

现有机械注油器难以准确地定时向气缸注油，各柴油机生产厂家都根据实际注油设备、注油管路布置、实际经验等，调定注油器的注油时间。

该主机采用凸轮轴1︰1驱动柱塞泵式气缸油注油器，缸套四周均布八个注油枪（无蓄压器），主机活塞每次往返两个行程向气缸注油一次。

调节气缸油注油率（注油量），单缸通过调油手柄总调（5档），每个柱塞泵（注油枪）通过调节螺钉单调（10圈，每圈4 档）。

注油定时，终点不变，注油始点（柱塞泵开始排油的角度）随气缸油注油率（注油量）的增大（或减小）而提前（或延后）。

查主机说明书知道，气缸油注油率基本设定值是1.20g/hp-h，注油定时设置分两档。

（1）气缸油注油率等于/高于基本设定值时

注油始点在活塞上止点后约265°，注油终点在活塞上止点后约285°，即活塞上行 85°~105°间持续注油。

注油终点时，活塞在注油孔下方335mm。

这样的设计，足以使活塞上行至注油孔前气缸油进入气缸、充满油槽并溢出油槽布满缸壁， 保证活塞上行期间让气缸油进入活塞环和环槽并被活塞环涂布在缸套内壁上。

（2）气缸油注油率低于基本设定值时

注油终点提前 10°。

这是因为，气缸油注油率减少，注入气缸的油量少，且注油始点延迟，可能使得活塞上行至布油槽前进入缸内的气缸油来不及溢出油槽布满缸壁， 妨碍其进入活塞环和环槽并被涂布在缸壁上。 

但是，因为注油始点还因注油量减少而相应延迟，注油始点实际提前小于10°。 

例如注油率1.20 g/hp-h时，注油始点在活塞上止点后约265°，注油终点在活塞上止点后约 285°，持续约20°曲柄转角；注油率减至0.87g/hp-h 约减少27.5%，注油始点相应推迟1.5°，注油始点实际提前8.5°。

整机注油终点提前10°的方法是：

① 松开1号缸气缸注油器与驱动轴间的连接法兰锁紧螺栓并移出定位螺栓（定位螺栓只有两个固定位置，原始位置和提前10°位置）；

② 倒车盘车转动驱动轴10°；

③ 锁紧固定法兰。

检查和测量发现，该机气缸油注油器与驱动轴间的连接法兰锁紧螺栓处的定位螺栓已处于提前10°位置，但各缸气缸油定时仍都有较大滞后，各缸实测注油终点如下表：

滞后最多的第6缸，注油结束时间为上止点后325°，即活塞经下止点后又上行145°，活塞顶已高于注油孔415mm，气缸油只能等活塞下行时才能通过活塞环涂布于缸壁。

而且，活塞环布油的原理决定了活塞下行时气缸油大部分被刮入扫气箱，留在缸壁上的极少，缸壁上部会出现半干摩擦甚至干摩擦，加剧缸套和活塞环磨损。

注油定时滞后的原因是：

★相邻缸之间的联轴器与驱动轴的圆锥形固定锁紧销，因磨损而存在间隙，导致后一个缸比前一个缸的滞后量变大；

★驱动齿轮到第1缸前的几段驱动轴的联轴器与驱动轴的圆锥形固定锁紧销磨损，产生误差叠加造成较大滞后；

★第3缸与第4缸之间，不但圆锥形固定锁紧销磨损，其间的注油器驱动轴柔性联轴器也磨损严重，使得第3缸与第4缸间的滞后变化量最大。

总之，上述四方面因素，都延迟注油始点，恶化活塞环与环槽、活塞环与缸套之间的润滑，加剧磨损引起缸套超常磨损、断环和缩短活塞头寿命。

三、纠正措施

纠正措施包括修复或更新损坏和过度磨损的 元件、调整气缸油注油率和注油定时、改善主机运行其他条件等三方面。

（1）修复或更新损坏和过度磨损的元件

★针对国产缸套，换新活塞头或换新活塞环，并严格按说明书要求的磨合时间并适当加大气缸油量，保证活塞环与缸套磨合良好，消除表面的初始粗糙度，形成适于工作条件下保持油膜的形貌， 提高缸套表面储油能力。

★注油器驱动轴损坏的柔性联轴器换新。

★联轴器与轴的锥形固定锁紧销， 磨损间隙处加黄铜垫片固定（待备件到船再换新）。

（2）调整气缸油注油率和注油定时

★气缸油注油率调至基本设定值1.2 g/ps-h，保证气缸壁形成良好的油膜，稳定运行后再根据缸套与活塞环状况酌情逐步下调。

★调整气缸油注油定时，尽量接近出厂值。

★柴油机低转速（低负荷）及进出港用车，加大气缸油供油量。

★主机备车前和完车后，手摇注油器注入气缸油，同时盘车一段时间。

（3）改善主机运行其他条件

★ 恢复主机燃油各滤器正常使用，加强燃油预处理，减少燃油中的固体颗粒。 

燃油中的固体颗粒杂质严重影响燃烧质量和机件磨损。 

燃油过滤是保证燃油品质的关键之一，必需保证。

★ 调整高压油泵定时，保证油头雾化质量，改善燃烧质量，减少燃烧不良引起的磨损。

★ 保持扫气箱放残管畅通， 及时清除扫气箱底部油泥，避免污油水夹杂固体颗粒随扫气飞溅进入气缸。

★ 保持适宜的缸套冷却水温，避免缸壁温度低发生腐蚀磨损和温度高破坏油膜。

★ 定期更换清洁透平滤网，保证进入气缸中的空气充足、干净。

★ 主机运行中化学清洁空冷器和冲洗压气机之前30 分钟和之后 30 分钟，气缸油注油量增加 50％。

以上处理的效果：

★ 每次到港检查主机扫气口， 见各缸活塞环及缸套状况良好；

★ No.2 缸吊缸换新活塞环后，运行1730小时，缸套最大磨损量0.19mm， 最大磨损率0.1098mm/kh，接近正常（铸铁缸套＜0.1 mm/kh）。

四、几点建议

（1）及时查明和消除故障原因

只更换备件而不查明和消除故障原因，不可能避免同类故障重复发生。 

必须及时查明和消除故障原因，即使一时做不到，也要继续查找并做好记录。

“一年来主机运行约6000小时， 更换缸套 4 只，活塞头 9 只”，和“主机燃油自清精细滤器使用随意性较强，多次故障且不及时处理，经常旁通”，都说明管理者没有及时查明和消除故障原因。

（2）分析故障原因需全面考虑

主机缸套异常磨损和活塞环频繁折断，影响因素甚多，往往是多种因素的相互影响、相互作用形成的。

所以，分析故障原因应全面考虑，避免局限。

该轮主机缸套异常磨损及断环多年，分析故障原因一直思路单一，局限于活塞环槽高度不均和过小，没有找到故障的全部主要原因。

（3）备件质量控制

有些国产备件与原制造厂备件，质量相差甚远。 

采用价格便宜的国产备件替代原厂备件， 若不跟踪运行状况及时调整主机运行条件，很可能引发故障。

（4）气缸油注油率和注油定时

换用耐磨性及表面储油能力弱的国产缸套后，应适当加大注油率。 

若保持使用主机生产厂缸套的气缸油注油率，很可能导致缸套异常磨损和活塞环折断，必须在保证设备安全运转的前提下降低气缸油耗量：

★保证气缸油注油量适当和定时准确，保持整个气缸壁及活塞环润滑良好，减少磨损，充分发挥气缸油的润滑作用。

★缸套异常磨损时，及时、适当加大注油量并检查确认注油定时正确。

船舶管理者往往担心加大气缸油量消耗增加营运成本而不主动增加气缸油注油率。

所以，船舶应加强船岸沟通，使公司知道实际情况和可能的后果。

参考文献

1 余宪海. 船机维修技术. 大连海事大学出版社，2000.

2 杜荣铭. 船舶柴油机. 大连海事大学出版社，2002.

3 陆大荣. 船舶内燃机设计. 国防工业出版社，1995.

4 宋汝涛. 二冲程柴油机的气缸润滑. 航海技术第六期 2004.

5 Description And Operation Instruction For Main Diesel Engine SULZERRTA62.

本文原创作者系：

蛇口明华船务有限公司     黄建华

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