船用柴油机活塞损伤的检测与维修技术分析Word格式.docx

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3.1.3检测方法9

3.1.4维修方法10

3.2活塞环槽的磨损与修复10

3.2.1一般情况及原因10

3.2.2损伤造成的后果10

3.2.3检测方法10

3.2.4维修方法10

3.3活塞裂纹与检修11

3.3.1一般情况与原因11

3.3.2活塞裂纹造成的后果及处理方法12

3.4活塞顶部烧蚀12

3.4.1一般情况及原因12

3.4.2烧蚀后果12

3.4.3检测方法12

3.4.4维修方法12

3.5活塞销孔的检修13

3.5.1一般情况13

3.5.2检测与维修标准13

3.5.3维修方法13

4活塞损伤检测与维修研究进程14

结论15

鸣谢16

参考文献17

摘要

柴油机是船舶动力的主要来源，而活塞又是柴油机的主要运动部件之一，是燃烧室的组成部分，它担负着巨大的任务。

活塞工作时承受着很大的机械应力和热应力，同时还承受着摩擦。

因此，在使用中活塞易受到各种各样的损坏，特别是高增压柴油机的活塞。

在航行途中，随时更换活塞不仅会出现备件不足，还会造成极大地浪费，不利于节约资源。

所以对损坏的活塞进行维修使之具有第二次生命，成为一种必然。

本文主要研究船用柴油机活塞损伤的检测及维修技术。

开篇从活塞的材料、活塞制造的技术要求入手，联系实际具体细分活塞的损伤情况，进而提出检测方法和维修技术，最后列举目前世界上的维修技术取得的进展，继而展望未来船用柴油机活塞损伤的检测和维修技术研究的前景。

关键词：

柴油机活塞；

损伤；

检测；

维修

前言

毕业设计是动力工程系个专业教学计划的一个重要组成部分，是各教学环节的深化和检验，其实践性和综合性是其他教学环节算不能取代的。

毕业设计是学生整个学习过程中一个极其重要的环节，是学生运用基本知识和基础理论，去研究和探讨实际问题的实践锻炼。

是综合考察学生运用所学知识分析问题、解决问题以及动手操作能力的一个重要手段。

撰写毕业论文有利于培养学生综合地运用所学的专业知识和技能解决较为复杂问题的能力，并使学生受到科学研究工作和设计工作的初步训练，通过毕业设计是学生获得综合训练，对培养学生的实际工作能力具有十分重要的作用。

随着内燃机强化程度的不断提高，特别是增压技术的推广应用，活塞的热负荷显著增加，时有顶部表面烧蚀、燃烧室喉口开裂、第一环槽过热引起胶结而导致早期磨损或活塞环折断等热损伤现象发生。

对此，目前工程上通常采取增加受热表面热阻（如顶面硬膜阳极氧化）、加强冷却（如内冷油腔）、强化局部结构（如喉口和第一环槽镶嵌耐热材料）等措施加以防治。

但是，由于活塞热损伤现象涉及材料、结构、工艺和使用条件等各个方面的因素，机理十分复杂，因此，要做到预防性设计，即先期可靠性设计相当困难，探索活塞损伤的检测与维修技术也十分必要。

为此，长期以来，有关活塞材料热强度、构件热状态和热负荷的理论与试验研究成为探索热损伤防治技术的重要部分。

本文从活塞的材料、活塞制造的技术要求入手，联系实际具体细分活塞的损伤情况，进而提出检测方法和维修技术。

2活塞的制造

热稳定性；

相对密度应足够地小以减小惯性力。

船用柴油机活塞材料一般采用铸铁、铝合金和铸钢。

2.1活塞材料的选择

2.1.1中低速机的活塞材料

中低速柴油机活塞常用铸铁铸造，常用的铸铁为HT25-47、HT30-54灰铸铁或合金铸铁，其金相组织应为细粒的珠光体或索氏体。

硬度值随合金元素的成分和活塞壁厚的不同应为HB180—220。

2.1.2中高速机活塞的材料

对于中高速柴油机，为了减轻重量和减小惯性力，增加热传导性，铝合金被广泛采用。

ZL108共晶铝硅合金（含硅12%左右）是目前国内外应用最广泛的活塞材料，它既可铸造也可锻造。

2.1.3大型低速二冲程柴油机活塞材料

大型低速二冲程柴油机活塞头部材料常采用ZG25铸钢、ZG25Mｏ、ZG35CrMｏ合金铸钢；

裙部材料为HT25-47、HT30-54灰铸铁。

2.2活塞毛坯的制造

2.2.1整体式铸铁活塞毛坯的制造

整体式铸铁活塞毛坯多用砂模浇铸，手工造型，大量生产的小型铸铁活塞采用金属浇铸。

2.2.2整体式铝活塞毛坯的制造

铝活塞常用的制造方式有铸造和锻造两种。

成批生产整体式铝活塞时，广泛地使用金属硬模浇铸，为了提高铝活塞的铸造质量，现在也广泛地采用低压铸造；

用锻铝合金LD8、LD11锻制活塞时，通常采用模锻法，为了进一步提高活塞毛坯制造质量，人们采用液态模锻，它是将液态金属直接浇入金属模型内，然后在压力作用下使液态金属成型，并在这种压力下结晶凝固和产生塑性变形。

2.3活塞的加工的技术要求

2.3.1活塞的尺寸精度

活塞加工时须满足以下尺寸精度要求：

（1）活塞头部通常按h8加工；

裙部外圆按h7加工。

（2）为了使活塞销不致咬死或产生冲击，对活塞销孔的精度要求较高，通常高速柴油机为H6，中、低柴油机为H7。

浮动式活塞销孔，按基轴制加工，当活塞销加工精度为h5时，对高速柴油机采用k6，对中速柴油机采用k7。

（3）活塞环槽高度偏差应符合下表规定。

机型/环槽高度

--4.5

＞4.5—6.0

＞6--8

＞8--10

＞10--15

四冲程

+0.02

+0.01

+0.03

+0.04

+0.05

+0.06

二冲程

+0.07

（4）为了保证压缩比的大小，对无调整压缩比垫片的柴油机，自活塞顶平面至销孔轴线距离的偏差为±

0.05mm；

对有调整垫片者按h8加工。

（5）组合活塞头内孔按H7加工。

（6）活塞顶部和裙部壁厚误差不超过平均壁厚的10%。

2.3.2活塞的形状精度

活塞加工时须满足以下形状精度要求：

（1）活塞裙部的圆度公差不得超过其尺寸公差的1/4，如裙部外圆为椭圆形或锥形者，则应按图纸要求。

（2）活塞销孔的圆度及圆柱度误差为：

销孔直径≤100mm者，不大于0.0075mm。

销孔直径＞100—200mm者，不大于0.01mm。

（3）为了保证燃烧室形状准确，对活塞顶部的成形表面的要求为：

用样板检查，其间隙不大于0.2mm。

2.3.3活塞的位置精度

活塞加工时须满足以下位置精度要求：

（1）为了避免活塞在气缸内歪斜，活塞销空轴线应与活塞轴线垂直，其垂直度误差不大于0.15mm/m。

（2）活塞销孔轴线应与活塞轴线相交，其位置精度误差为：

活塞直径≤200mm者，不大于0.20mm。

活塞直径＞200者，不大于0.40mm。

（3）为了使活塞环在环槽内能有正确的位置，要求活塞环槽平面与活塞外圆轴线垂直，其垂直度误差为：

活塞直径≤200mm者，不大于0.02mm。

活塞直径＞200mm者，不大于0.04mm。

（4）对于组合式活塞，其裙部端面Q与外圆D和内孔d1的垂直度误差不大于0.05mm，其目的是使活塞裙和活塞杆组装时便于对中。

（5）活塞头端面与活塞轴线的垂直度误差不大于0.10mm/m，以保证组装时对中。

（6）活塞组装后，活塞头外圆对活塞裙外圆的径向圆跳动量误差不大于0.20mm，以保证活塞与气缸有正常的装配间隙。

（7）减磨环外圆与裙部外圆的径向圆跳动量不大于0.05mm。

（8）活塞销孔轴线的同轴度误差不大于￠0.04mm。

3活塞损伤的情况

活塞是柴油机的主要运动部件之一，是燃烧室的组成部分。

因此，在使用中活塞易受损坏，特别是高增压柴油机的活塞。

活塞的主要损伤形式包括：

活塞外圆表面及环槽的磨损、活塞裂纹及破裂、活塞顶部的烧蚀等。

活塞裙部的磨损、活塞销座孔的磨损和活塞顶部的损伤。

活塞使用过程中磨损最大的地方下平面往往磨损最严重。

环槽磨损后，槽的断面变成梯形（见图3-23），侧隙变大，使气缸的气密性变差。

并且还会加重泵油作用，引起“窜油”和“窜气”。

活塞裙部的磨损要比环槽小得多，但裙部与气缸间隙过大时，将发生导向不良，造成敲缸和润滑油耗量增大。

销孔的磨损往往发生在上下方向，结果可以引起活塞销松旷发响。

活塞顶部的损伤则是由于爆燃或早燃等不正常燃烧引起的局部烧缺和穿洞。

1-原销孔；

2-磨损后销

图1：

活塞的主要磨损部位

3.1活塞外圆表面的磨损与修复

3.1.1一般情况及原因

活塞外圆表面的磨损，一般发生在中小型柴油机的筒形活塞上，它是由于运转中活塞裙部起导向作用和承受侧推力造成的。

对于大型十字头式柴油机，活塞与气缸套之间的间隙较大，运转中活塞裙不起导向作用也不承受侧推力，因此在正常的运转中是不会发生活塞外圆表面磨损的，只有在活塞运动装置不正或滑块磨损以及拉缸等异常情况下才能发生外圆磨损。

（1）从结构来看，活塞内腔裙部和活塞销座的过渡圆角偏小，其厚度过渡不好，容易形成应力集中，是裙部断裂的主要原因。

（2）在燃烧上止点后3°

活塞下行时，活塞裙部与缸套敲击的区域，刚好在裙部的最低边，形成对缸套的磨损痕迹。

（3）在燃烧上止点后17°

活塞下行时，活塞与缸套的接触压力最大，达23MPa，这个最大接触压力区域在活塞裙部的中部，形成对缸套的磨损痕迹。

（4）活塞裙部的承压区域的面积过小，实际工作时的承压区域的角度不到30°

。

（5）需要调整活塞裙部与销座间的过渡半径，修改活塞径向刚度。

3.1.2损伤造成的后果

活塞裙外部磨损后，使裙部直径变小，横截面产生圆度、纵截面产生圆柱度等几何形状误差。

3.1.3检测方法

通常采用外径千分尺进行测量，测量部位主要是裙部，即裙部上端10—20mm处开始，每隔100—200mm测量一次。

每次测量同一截面内相互垂直的两个直径：

平行的和垂直于曲轴方向的直径。

把各截面的测量结果记录在表格中，计算出圆度和圆柱度并与说明书或规范中的磨损极限比较，以确定活塞裙部的磨损程度。

表2：

活塞裙部外圆表面磨损极限

气缸直径

筒形活塞裙部

十字头式活塞裙部

圆度

圆柱度

--100

0.10

>

100--150

0.125

150--200

200--250

0.15

250--300

300--350

350--400

0.20

0.30

400--450

0.25

0.375

450--500

500--550

0.45

550—600

0.525

600—650

0.60

650—700

0.675

700—750

0.75

750--800

0.825

3.1.4维修方法

活塞裙部磨损超过磨损极限时不能使用，应根据磨损程度进行修复或换新。

当磨损程度不太重时，实行裙部外圆光车以消除几何形状误差，但不能影响活塞与气缸套之间的配合间隙；

若光车后不能保证活塞与气缸套之间的配合间隙，铝活塞则应换新，铸铁活塞则可采用喷涂（焊）、低温镀铁等方法使之恢复原有尺寸以恢复要求的配合间隙。

铸钢活塞可进行堆焊恢复尺寸。

3.2活塞环槽的磨损与修复

3.2.1一般情况及原因

活塞环槽磨损是常见的活塞损坏形式，铝合金材料的活塞这种损坏较多。

产生环槽磨损的原因，一方面是由于活塞环在环槽内不断地往复运动（即环上、下运动），径向运动（换的胀、缩运动）、回转和扭曲（环开口部分）运动，使环槽受到磨损；

另一方面，是由于进气中的硬质微粒、燃气中的硬质炭粒，特别是燃用重油时炭粒更大、质地更硬，都会加速环槽的磨损。

此外，活塞环槽的高温更是环槽磨损不可忽视的重要原因。

高温会破坏与环槽配合面间的油膜，高温会降低活塞材料的机械性能，高温还会使环槽发生形变，因而促使磨损更加迅速。

3.2.2损伤造成的后果

活塞环槽磨损后活塞环与环槽的平面间隙增大，活塞环的密封性下降，以及产生漏气、压缩压力和爆发压力降低等不良后果。

环槽磨损使环槽的截面形状由矩形变成梯形，而且第一、二道环槽磨损较快，在正常情况下环槽的磨损率为0.01mm/kh。

3.2.3检测方法

采用环槽样板和塞尺检查环槽高度的变化情况，从而可以了解环槽的磨损程度。

样板是以新环的环槽高度为准制作的，环槽磨损就会使活塞环与环槽的配合间隙---平面间隙增大，平面间隙超过允许值时，环槽应进行修复。

3.2.4维修方法

环槽磨损严重时可采用下列方法修复：

（1）光车或磨削环槽端面，然后配以相应加大尺寸的活塞环。

例如，MAN型柴油机活塞环槽磨损后，光车使环槽高度较原设计槽高大0.6mm以上时，就可配一加大尺寸的活塞环（最多加大1.0mm）。

但应注意，车削或磨削环槽端面时，不应使环槽槽脊厚度过分削弱，一般槽脊减薄量不得超过源槽脊厚度的20%--30%，同时不允许在同一活塞上有两个以上的不同尺寸的活塞环。

（2）大型钢质活塞可进行环槽堆焊，焊后退火消除应力，然后在光车环槽至要求的尺寸。

为了提高环槽耐磨性，可对环槽端面施以表面淬火处理。

（3）在环槽内镶垫环。

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使环槽高度恢复原有尺寸，因而也就恢复与环的配合间隙。

垫环可以焊在环槽端面上，此称镶死环法，即永久性的；

也可以不固定，采用过盈连接以便更换，此称镶活环法，但垫环损坏或连接松动容易落入汽缸中引起事故。

所以采用镶死环法修理居多。

（4）环槽端面镀铬。

首先光车环槽使其具有正确的几何形状后进行镀铬，它不仅可以恢复环槽原有的尺寸，而且可以提高环槽端面的耐磨性。

我国6ESDZ75/160型柴油机活塞上、下端面均镀铬。

3.3活塞裂纹与检修

3.3.1一般情况与原因

活塞产生裂纹的部位一般在活塞顶面、环槽、冷却侧和销座处。

活塞顶部产生的主要是应力引起的，尤其是强载柴油机，其次是机械应力所致。

柴油机运转时，活塞顶部温度分布不均匀，顶面中央或边缘温度最高，如钢或铸铁活塞可达450℃；

铝活塞可达300--375℃；

顶面冷却侧的温度及第一道活塞环槽的温度在200℃左右。

所以，在活塞顶部各处存在温差及温差应力，活塞在高压气体作用下产生机械应力，而且这些应力又都是周期性的。

因此，当活塞顶面冷却不充分、柴油机超负荷时均会使活塞顶部过热，产生热效应力。

柴油机频繁起动、停车就会导致活塞顶面热疲劳而产生裂纹。

活塞顶面裂纹方向随应力不同而异。

凸形顶面活塞多产生径向裂纹，平顶活塞在径向和周围都可能产生裂纹，均是热应力造成；

活塞顶面上的起吊孔和冷却侧的加强筋根部等处因应力集中产生裂纹；

环槽裂纹主要是由于机械应力过大所致，但第一道环槽工作条件恶劣，除机械应力外还有热应力的作用，所以第一道活塞环槽产生裂纹情况较其它环槽为多。

对于四冲程筒形活塞来说，活塞销座处裂纹更为多见，主要是因机械应力过大所致。

除此之外，中小型柴油机活塞还可能因设计、材质及其它原因等引起活塞破裂的严重情况。

3.3.2活塞裂纹造成的后果及处理方法

活塞顶部产生裂纹情况较轻时可采用焊补工艺进行修理；

当裂纹严重甚至自顶面触火侧裂至冷却侧，或者在冷却侧产生裂纹等则无法修理，只能换新。

3.4活塞顶部烧蚀

3.4.1一般情况及原因

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时使顶部温度激增而过热。

柴油机燃用重油时，容易使活塞顶部产生高温矾腐蚀，这是因为活塞顶部冷却不充分容易达到发生钒腐蚀的温度。

因此，当活塞材料在过热的情况下发生氧化和脱碳时，会使化学成分被烧损和金相组织发生变化。

在上述各种因素的综合作用下，活塞顶面出现金属层层剥落而逐渐变薄，并且出现麻点，其大小、深浅及分布各异。

这种现象即为顶部烧蚀，严重时顶面可被烧穿。

3.4.2烧蚀后果

活塞顶部烧蚀将使活塞顶部强度降低、顶部厚度减薄和形状改变，以致影响压缩比的大小和破环柴油机的正常运转。

3.4.3检测方法

活塞顶部烧蚀的程度可用活塞顶部样板和塞尺进行检测。

测量时，将一专于测量用的活塞环置于第一道环槽中，将样板卡于活塞顶上，样板下端与活塞环上端面接触。

使样板沿活塞轴线转动，一般每转45°

即测量一次样板与活塞顶面之间的间隙。

当间隙值达6mm时（SulzerRLB66说明书规定）进行焊补修理。

3.4.4维修方法

在缺乏备件或应急的情况下也可采用以下措施：

（1）改变活塞的安装位置。

B&

W型柴油机活塞顶部烧蚀主要发生在两只喷油器喷油部位。

由于燃油集中在该部位燃烧，加上此种机型活塞为油冷却，冷却效果差，致使该部位过热、积碳，以致最后被烧伤。

这类机型通常采用样板和塞尺检测。

当烧伤尚不严重时，可将活塞安装位置转动90°

，改变喷油对应的部位，使原烧伤部位避开喷油区，这样可不用修理继续使用。

（2）焊补修理。

当烧伤严重时（最大烧损量接近规定值），可采用堆焊金属工艺，进行焊补修理，机械加工使之恢复活塞顶部原装。

（3）但当活塞顶部厚度减至设计尺寸的一半时，此活塞应报废。

MAN型柴油机活塞顶部烧蚀主要发生在顶部边缘及起吊孔附近，甚至波及第一道环槽脊部。

同时，还可能产生很多纵向小裂纹。

这种情况主要是由于燃气泄露造成。

高增压和燃用重油均会使这种损坏增多。

3.5活塞销孔的检修

3.5.1一般情况

在鉴定活塞之前，必须先清除其表面的积碳。

塞周围表面不应有拉伤、烧伤顶部不应有与气门撞击的伤痕环槽不应有断裂的边缘。

活塞销孔与销的配合是过盈配合，过盈量一般为0.01—0.02mm。

活塞裙部与汽缸套的配合间隙应符合要求。

3.5.2检测与维修标准

活塞销孔的互相尺寸可用内径百分尺或用量缸测量。

测量时，沿销孔长度方向各取两个截面测互相垂直的两个直径尺寸，所测数值平均数就是塞销孔的实际尺寸。

测量活塞裙部时，在销孔的部和下部取截面，在每个截面上测量与销孔垂直水平两个方向的直径尺寸，取其平均值。

若销孔与活塞销的配合过盈量、环槽与活塞环塞裙部与汽缸套的配合间隙超过允许值，或表面部有损伤深度超过和裙部直径超过极—限值的活塞或虽未超过允许值但修理时需要更换新汽缸套时，应更换新活塞。

活塞修理对于有使用价值的旧活塞，可进行以下修理环槽修理：

在车床上将环槽加大到下一级修理尺寸，配用加厚的活塞环。

3.5.3维修方法

活塞销孔的铰削对于留有加工余量的新活塞，可在一搪瓦机上进行，也可手工铰削。

手工铰削方法如右图1。

根据活塞销的实际长度选择长刃铰刀，以保证两个活塞销座孔的同轴度。

将绞刀固定在台钳上，双手握紧活塞，放平端正，均匀、平稳用力，边转动边推进，不许倒退，第一刀吃刀要小，一般以刀片上端刚刚露出销座孔为宜以后各刀吃刀量以旋转调整螺母一为宜，且每进一刀，都要从销孔两个方向各铰一次，以防出现圆柱度误差每次铰削，当刀片下端面接近活塞下方销座孔时，应使活塞从铰刀下方退出，以免铰偏或起棱。

在铰削过程中要经常用活塞销试配，当活塞销能以手掌之力推入左右，接触面积均匀分布且在以上，即为合格如右图2

当活塞销能以手掌之力推入较小部分但不到时，不宜再铰削，可在铰刀上包细纱布轻轻打磨至合格。

铰削后，应检查活塞销孔中心线与活塞轴线的垂直度误差，如右图3，不能超过允许值。

4活塞损伤检测与维修研究进程

早期的研究内容大多集中在疲劳准则，包括寿命推断方面，而在后期，研究微裂纹生成、扩展规律的工作比重有所增长。

这是因为大量的研究表明，对于长期在高温下工作的机械部件，微裂纹行为对其疲劳寿命起着支配性的作用，微裂纹的萌生、成长阶段有时可占总疲劳寿命的80%以上。

于是，人们开始更多地关注解析裂纹行为对寿命推断的意义，并提出了各种描述疲劳微裂纹行为的模型，包括数学模型和物理模型。

典型的数学模型有马尔可夫链模型，微裂纹数密度分布函数，微裂纹长大的随机方程和微裂纹的概率密度函数等。

短裂纹的物理模拟则大多从材料的微观结构出发，对疲劳损伤过程进行可视化模拟，物理模型主要有如下几种：

面形单裂纹扩展的蒙特卡罗模型、多裂纹蒙特卡罗模型、复合因子损伤模型，以及晶界破坏抵抗模型和群体演化行为模型等。

文献还阐述了疲劳裂纹扩展速率与当量积分范围之间的关系。

活塞抗热损伤性能通常用热疲劳寿命表示，是内燃机主要零部件可靠性研究的重要内容之一。

它与材料、结构以及使用条件等因素有关，需要从多方面加以综合评价，目前一般都采用以试验考核为依据的评价方法。

根据试验环境条件分类，有整机考核试验和模拟考核试验。

整机试验一般在台架上进行，通过周期性地改变内燃机的运行工况，如“起动—加载或加速—停车”，为考核受热零部件的抗热损伤性能营造热冲击环境。

对于车用发动机新产品定型试验，我国制订了抗次热冲击循环的试验考核标准。

这种整机考核的结果从表面上看最为可靠，但试验成本过高，完成的往往是单样本试验，而根据可靠性的统计学特征，从单样本或小样本试验中获取的结果的置信度是十分有限的。

因此，有关内燃机受热零部件热损伤方面的可靠性研究需要一种更具有针对性的试验方法。

与整机试验相比，模拟试验具有高效节能、便于分析研究的特点。

活塞热疲劳与热冲击模拟试验技术的发展也证实了这一点。

近十几年来，活塞加速热疲劳试验技术在国外的发展很快，典型的试验装置有德国马勒公司的高频感应加热疲劳试验台、美国通用汽车公司的电加热疲劳试验台和俄罗斯哈尔科夫汽车拖拉机厂的红外线加热疲劳试验台等，这些试验装置主要用来考核各自厂商的产品质量。

国内在上一世纪80年代后期开始应用热疲劳模拟试验技术，并利用试验结果陆续开展了活塞热疲劳寿命预测和安全性评估方面的研究工作。

进入90年代后，开始自行开发活塞热冲击模拟试验装置，目前其综合技术已达到了国际领先水平。

这种模拟试验装置采用火焰加热活塞顶面，以模拟内燃机缸内燃烧过程对活塞的加热作用；

采用压缩空气和水分别冷却活塞顶面和内腔，以模拟内燃机新鲜充量对活塞顶面的冷却作用和活塞底部的喷油冷却条件。

利用这类试验装置可以进行活塞热损伤机理的研究，包括不同材料、结构和冷却条件对活塞抗热损伤性能的影响；

通过大量试验数据的积累，不仅可以探索相关的试验规范，而且可以有力地推动活塞热疲劳寿命