活塞故障分析与检修

一、活塞损坏的原因

    活塞是柴油机的主要运动部件之一，是燃烧室的组成部分。活塞工作时承受着很大的机械应力和热应力，同时还承受摩擦。因此，在使用中活塞容易损坏，特别是高增压柴油机的活塞。活塞的主要损坏形式有：外圆表面及环槽磨损、裂纹和破裂、顶部烧蚀等。

    1.1活塞外圆表面的磨损原因

一般中小型柴油机的筒形活塞裙部外表面容易发生磨损。这是由于运转中活塞裙部起导向作用和承受侧推力的结果。大型十字头式柴油机活塞运动部件的运动是靠导板、滑块起导向作用和承受侧推力，况且活塞与气缸套之间的间隙较大，所以正常运转中活塞外圆表面是不会磨损的，只有在活塞运动装置不正和拉缸等异常情况下才能发生。活塞裙外表面磨损后，裙部直径减小活塞与气缸的间隙增大，活塞横截面产生圆度误差、纵界面产生圆度误差等。这些都直接影响活塞的工作性能和柴油机的功率

    1.2环槽的磨损原因

活塞环槽端面磨损是活塞常见的损坏形式，尤其以铝活塞为多。环槽端面磨损主要是由于环在环槽中的相对运动，包括环在环槽中的往复运动、环的径向膨胀运动、环在环槽中的转动和扭曲运动。其次是由于新气中的灰尘硬质颗粒、燃气中的炭粒，尤其是燃用重油时的更大更坚硬的炭粒，这些硬质颗粒在环与环槽端面之间形成磨粒，加速环槽端面的磨损。此外，如果燃烧室的高温使活塞头部和环槽变形、材料性能下降、环与环槽端面间的油膜破坏时，则环槽磨损更加严重。

环槽端面磨损使其与环的配合间隙增大，这将使活塞环的密封性下降，产生漏气，使压缩压力和爆发压力降低，同时进入环背面的燃气增多，高压燃气将环压向缸壁致使环容易折断。环槽多面磨损使环槽截面形状由矩形变为梯形或出现磨台，且以第一、第二道环槽磨损为重为快。一般活塞环槽端面的磨损率小于0.01mm/kh为正常磨损。

1.3活塞裂纹和破裂的原因

活塞头触火面产生裂纹是指在活塞顶面产生的径向或圆周向裂纹、起吊孔边缘裂纹及第一道环槽根部裂纹。活塞头部裂纹主要是热应力引起的，同时还有机械应力的作用。柴油机运转时，活塞顶部温度分布不均匀：顶部中央或边缘温度最高，铸钢活塞可达450℃；铝活塞可达300~375℃，顶面冷却侧及第一道活塞环槽的温度一般在200℃左右。在正常工作条件下，活塞头部各处存在着温差应力和高压燃气作用的机械应力等，而且这些应力又都是周期性的；当喷油定时不正、燃油雾化不良或火焰接触活塞顶面时就会造成局部过热，引起过大的热应力；当柴油机超负荷运转或活塞顶部冷却不充分时也会引起热应力。过大的热应力会引起裂纹。柴油机频繁起动、停车也会引起热疲劳裂纹。

活塞顶面裂纹还会因冷却不充分，活塞顶面散热不良所致。

例如水冷活塞冷却侧结垢严重或活塞顶面积炭严重时就会使活塞顶面局部过热，导致裂纹。通常，结垢层或积炭层超过0.5mm时，就会使因过热产生裂纹的可能性急剧增加。所以，为防止裂纹产生，柴油机应定期吊缸检修，加强冷却水的定期处理等维修保养工作。活塞顶面的起吊孔边缘和第一环槽根部就会因应力集中产生裂纹。

1.4活塞烧蚀的原因

首先由于活塞顶部直接与燃气和火焰接触，温度很高，尤其当喷油定时不正确或喷油器安装不良或冷却侧结垢使顶部局部过热，温度更高；其次，由于柴油机燃用的重油中含钒、钠过多，就会在活塞顶部温度高达550℃以上的部位产生高温腐蚀。同时，活塞材料过热时发生氧化、脱碳而使其化学成分变化。在以上因素综合作用下，活塞顶部金属产生层层剥落使其顶部厚度逐渐减薄，出现钒腐蚀的麻点或凹坑，大小、深浅不一的分布于活塞顶部，这种现象成为活塞顶部烧蚀。严重时可使顶部烧穿。

活塞顶部烧蚀使顶部厚度减薄、强度降低，甚至影响气缸压缩比，降低柴油机的工作性能。

二、活塞损坏的修复

以上四种现象的出现，是活塞在工作中的主要损坏形式。一般在船舶上没有条件完成重度损坏的修复，通常视损坏情况而定是否予以换新或继续使用。下面简单的介绍这四种损坏的修复。

    2.1 活塞外圆表面磨损的修复

活塞裙部外圆表面磨损不太严重时，采用光车群部外圆，消除几何形状误差。光车后满足活塞与气缸间隙时可继续使用。否则依活塞材料不同采用不同的对策：铝活塞采用换新，铸铁活塞可采用热喷涂、镀铁等工艺恢复尺寸；铸钢活塞采用镀铁、堆焊金属等恢复尺寸；减磨环过度磨损、严重拉伤或松动时应换新。

    2.2 环槽磨损的测量和修复

环槽磨损程度是利用样板和塞尺测量环槽高度的变化来确定。样板是以新活塞的环槽高度为准制作的，也可用一只新活塞环作为样板。测量时，将样板水平插入环槽并紧贴环槽下端面，用塞尺测量环与环槽上端面之间的距离，即环与环槽的配合间隙，称为平面间隙或天地间隙。测量值与说明书或标准比较，当测量值超过极限值时，说明环槽严重磨损，应予以修复。根据环槽端面的磨损情况可选用以下方法修复。

（1）修理尺寸法。光车或磨削环槽端面，以加工后的修理尺寸配制相应加大尺寸的活塞环，保证平面间隙符合原有要求。例如，MAN型柴油机活塞环磨损后光车使环槽高度较原设计槽高大0.6mm以上，就可配一加大尺寸的活塞环（最多加大1.0mm）。采用此法将会使槽脊厚度（环槽之间的轴向高度）减小，强度降低。为了不使槽脊过分减薄，要求槽脊减薄量不得超过原槽脊设计厚度的20%~25%；同时要求同一活塞上不得有两个环槽采用此法修复。因为如果同一活塞上各道环槽均采用此法修复时，由于各环槽的修理尺寸不同，新配制的各道活塞环尺寸不同。一只活塞上有多种规格的活塞环将给备件供应和管理带来麻烦。

（2）恢复尺寸法。光车环槽端面后采用喷焊、堆焊、镀铬等工艺恢复环槽原有尺寸。例如MAN B&W L60MC/MCE型柴油机的活塞环与环槽的最大平面间隙超过0.7mm时，可采用恢复尺寸的方法修复环槽端面，使平面间隙值恢复到0.4~0.45mm。

（3）镶套修理。环槽端面镶垫环恢复原有尺寸。低速柴油机钢质活塞的环槽端面严重磨损时，可采用镶垫环的方法修复：首先光车环槽端面，消除几何形状误差，然后在环槽下端面镶耐磨垫环来恢复环槽原有尺寸和平面间隙，这就是环槽镶垫环法。

采用焊接工艺将垫环焊在环槽下端面上，

形成永久性连接，这种垫环称为死环，这种方法称为镶死环法。此法连接牢固，使用中垫环不会脱落，但垫环磨损后则难以修复。采用过盈配合将垫环镶在环槽下端面上，称为镶活环法。由于垫环不固死在环槽下端面上，便于再度磨损后更换垫环，但垫环容易松动脱落到气缸内引发事故。

    2.3 活塞裂纹的修复

活塞顶面冷却侧、筒状活塞的活塞销座处产生裂纹是很常见的，主要是由于过大的机械应力引起的，同时还会由于设计不良、材质不佳和毛坯制作缺陷等在这些部位存在应力集中而加速裂纹的产生。活塞裂纹可通过观察或着色探伤进行检查。钢质、铝质活塞的顶部裂纹较轻，可采用焊补工艺修理，钢质活塞顶部裂纹严重时采用局部更换。活塞环槽根部裂纹、活塞上穿透性裂纹及无法修理的冷却侧裂纹则应将活塞报废换新。

    2.4 活塞烧蚀测量与修复

活塞顶部烧蚀的程度可用活塞顶部样板和塞尺进行测量。测量时，将样板置于活塞顶部，用塞尺测量样板与活塞顶部之间的最大间隙。测量时，还应使样板绕活塞轴线运动，每转45°角测量一次，取其中最大值。当超过15mm时应换新活塞。在缺乏备件或应急情况下可采用以下措施。

（1）改变活塞的装置位置。当烧蚀尚不太严重而且活塞结构又允许的情况下，改变活塞安装角度。例如，B&W型柴油机活塞顶部烧蚀部位对应于喷油器方向，燃油在此部位集中燃烧和采用冷却效果不良的油冷，致使该部位产生烧蚀。由于活塞结构允许，在产生不太严重的烧蚀时将活塞安装部位转过90°角，使烧蚀部位避开喷油方向继续使用。

（2）焊补修理。烧蚀严重时（最大厚度接近规定值时）可采用堆焊工艺进行修补、焊后进行机械加工恢复活塞顶部形状。

（3）换新。当活塞顶部最大烧蚀厚度超过说明书规定值或使活塞顶部厚度减至设计厚度的一半时应将活塞报废换新。

三、修复后活塞的检验

轮机工程是一个系统工程，主机是船舶的动力源，活塞又是该动力的直接承受和传递者，就好比人的各种举动都需要心脏提供的能量来支撑一样，船舶的任何动作都要落实到主机的活塞上来完成。主机活塞出现了问题，就好比一个人得了心脏病，随时都可能出现可怕的后果。所以在活塞出现上述问题时，及时进行活塞的修复工作，在装机前必须进行检验，确保质量合格和装机后的正常运转。轮机员除对活塞尺寸、形状和表面粗糙度做一般性检验外，还应对活塞的位置精度进行平台检验，活塞的尺寸、形状、位置精度和表面粗糙度等均应符合设计图纸的要求。活塞位置精度的技术要求及其检验方法如下：

（1）活塞销孔中心线和活塞中心线垂直，垂直度要求不大于0.025mm/100mm。检验时，将活塞置于平台上，则活塞中心线垂直于平台。当活塞销孔中心线与平台平行时，表明活塞销孔中心线与活塞中心线垂直，测量长度内百分表的读数差即为垂直度误差。

（2）活塞销孔中心线应与活塞中心线相交，其位置要求：活塞直径<200mm时应不大于0.10mm，活塞直径>200mm时应不大于0.20mm。检验时，将销孔插有心轴的活塞垂直平台放置，用内经千分尺分别测量立式直角平板紧贴活塞左、右侧时与心轴的距离。两侧距离平均值差的一半即为位置度误差。

（3）活塞环槽平面应与活塞中心线垂直，垂直度应不大于0.02mm。检验时，用百分表沿环槽端面转一周，其平面跳动量即为环槽平面与活塞平面与活塞中心线垂直度误差。

（4）活塞顶面形状的检验。用样板和塞尺检验活塞顶面形状，要求符合图纸要求。

本文从船舶运输实际情况出发，总结了柴油机活塞损坏的几种情况，分析活塞损坏产生的原因，以及针对损坏如何检修等情况。海上运输是交通运输的重要组成部分，在促进外贸运输发展和推动对外贸易增长等方面以其他运输方式不可比拟的优势发挥出越来越重要的作用。活塞是柴油机的重要组成部分，它的工作性能的好坏直接影响到主机的正常运行，因此，轮机管理人员必须对活塞工作予以极大的关注。