周杰伦：轮机工程专业毕业论文
图4 气缸套磨损后纵截面形状及磨损量示意图
以上各种情况是典型的，原因是单一的，然而实际船舶柴油机缸套磨损情况则是复杂的，原因是多方面的。所以，轮机员在分析缸套异常磨损原因时应根据实际运转工况全面考虑，具体分析。
例如某Sulzer RD76型主机，在对主机No.2缸进行吊缸检修时，发现气缸套严重脏污，扫、排气口严重脏堵，活塞下部空间的脏污也比较严重。在对气缸清洁后进行了测量，测量数据如表1所示，为了便于分析，同时列出了上次吊缸时的测量数据。对表1的测量数据通过计算得到缸套各测量位置的磨损率如表2所示。
从表1、表2中的数据可以看出，日前No.2缸在位置1的前后方向磨损率为0.13mm/kh，左右方向磨损率为0.12mm/kh，在位置2前后方向的磨损率为0.11mm/kh，均已超过了0.1mm/kh的限制指标，由此可以看出，目前该缸处于异常磨损状态[6]，且属于图4中的e）种情况。
引起柴油机缸套异常磨损的因素很多，有柴油机结构设计、材料选用、加工装配质量方面的因素，也有轮机管理人员使用、维护、管理方面的因素。鉴于Sulzer RD型柴油机是一个非常成熟的机型，所以对于本次故障基本上可以断定主要是管理方面的原因。经调查，这主要是气缸油总碱值的选择不当引起的，具体的分析见本文4.1。
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表1 缸套测量数据 工作小时：4800h 单位：mm
位置 1 2 3 4 5 6 7
前后方向（本次/上次） 764.15/762.90 763.75/762.70 762.45/761.70 761.75/760.90 761.00/760.50 760.75/760.55 760.40/760.20
左右方向（本次/上次） 762.55/761.40 762.30/761.55 761.60/760.80 761.75/761.20 761.05/760.65 760.55/760.25 760.25/760.10
表2 No.2缸各测量点的磨损率 单位：mm/kh
位 置 前后方向 左右方向
1 0.13 0.12
2 0.11 0.078
3 0.075 0.083
4 0.088 0.057
5 0.052 0.042
6 0.021 0.031
7 0.021 0.016
3.2 气缸套异常磨损的原因
气缸套异常磨损的具体原因有：
1）活塞在气缸中对中的偏差太大，使活塞和气缸套产生偏磨损。当十字头滑块和导板磨损过大，连杆大小端轴承和主轴承偏磨损时，活塞在气缸中偏置或倾斜，产生敲击或拉缸等。
2）气缸套上润滑油油膜破坏。这一般是由于下列原因造成的：润滑装置发生故障，使滑油供应不足；刮油环太锋利；活塞边缘与气缸套局部接触；珩磨过细，使气缸表面太光滑；滑油被燃油稀释；喷油器雾化不良，燃油喷到气缸套上把滑油冲走；空冷器凝水或漏泄，使气缸套内表面的水排斥了油膜；活塞环断裂、粘着或压入，漏气吹走或烧毁了油膜；冷却液流量不足或冷却腔积垢，使气缸壁温度太高，油膜蒸发或破裂；气缸套上的布油槽结炭，滑油沿圆周方向分布不均。在最后的一种情况下，注入气缸内的油滴还倾向于集中在活塞上部，并形成一个突起的积炭。这个突起的积炭可以把注入缸内的大部分滑油吸走，并在气缸套上磨出一道道垂直的槽。与燃油中相应的含硫量比较起来润滑油的碱值太高时，活塞头上形成积炭，这积炭会吸收油膜和刮伤油膜。
3）在润滑油中混进了泥砂和焊接的飞溅物，或在空气中混入了灰砂、焊接飞溅物
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以及粉末状货物的飞尘，从而造成磨粒磨损。这种磨粒磨损本身可能比较严重，也可能由此而导致更严重的磨损，如拉缸事故。
4）在润滑活塞环区域的温度太高，燃油和滑油添加剂的性质不良，在活塞环槽中产生积炭或沉积物。活塞环背后的沉积物把环顶在缸壁上，使磨损加重。活塞环天地间隙的沉积物阻碍了环在槽中的运动，也使环与缸壁的磨损加重。燃油、滑油燃烧后添加剂生成的灰被油膜吸收或形成磨粒都可能使磨损大大加重。
5）在下列情况下产生较严重的腐蚀磨损：气缸过度冷却，使缸壁上凝结大量的硫酸；空冷器中海水温度相对于环境空气温度显得太低，空冷器中的凝结水使气缸壁上形成大量的硫酸；润滑油周向分布不均，使气缸套局部工作面上的硫酸得不到中和；滑油的碱值太低，不足以使凝结在气缸壁上的硫酸得到中和等等。
6）气缸套或活塞由于安装不当、冷却不均、高温、高压等原因产生不规则变形，发生擦伤和烧伤[7]。
综上分析，柴油机气缸套异常磨损是轮机管理不良的结果，因此提高轮机人员管理水平，加强轮机管理是防止和减少气缸套异常磨损的关键。
4 防止气缸套异常磨损的预防措施
4.1 气缸油的选择与注油率的确定
1）气缸油的选择
在十字头柴油机中，气缸润滑是一个独立的系统。其润滑设备、气缸油品质、单位时间供油量(注油率）及运行中的管理等都须特别考虑。良好的气缸油应具有如下性能：
（1）润滑性：气缸油应具有良好的油性，在活塞与气缸壁之间形成适当厚度的油膜。
（2）粘度：气缸油在高温时应具有适当的粘度(通常在100℃时为14～20 mm2/s），粘度指数为75～95。
（3）抗氧化性：在高温下应具有良好的抗氧化性。
（4）中和性能：由于燃油中含硫较高，气缸油应具有一定的碱性，总碱值(TBN）约10～100/mgKOH·g，以中和燃烧后生成的硫酸。
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（5）良好的载荷性能：油膜在受力较大的情况下仍不被破坏。
另外，选择气缸油还应考虑燃油的含硫量、柴油机工作强化程度及扫气形式等。 由于现代船舶主柴油机均燃用劣质燃油，其含硫量一般都较高，这就要求气缸油中含有足够的碱性储备，能完全中和燃烧产生的酸性氧化物，防止腐蚀缸套及活塞表面，但其总碱值要合适。当气缸油总碱值不足时，其不能有效地中和燃烧产物形成的无机酸，缸套发生腐蚀磨损的速度相当快。在各注油点之间的缸套表面上，将出现漆状沉淀物，而漆状物底下的缸套表面将因腐蚀而发暗。如使用镀铬缸套时，在被腐蚀的地方还会出现白斑(硫酸铬）；当气缸油总碱值过高时，会造成活塞和气缸的污染，通常在使用低硫燃油状况下，使气缸内积垢增加，导致磨损加剧，出现活塞环卡死或断裂现象。
一般来说，气缸油的选择是根据主机的性能和所用燃料的含硫量来确定的，表3列出了气缸油总碱值（TBN）与燃油中硫分的关系。应特别注意的是，在换用不同品种的气缸油时，要选用性能相近的油，并且应在原来使用的气缸油用完后再加入新品种的油。所含添加剂不同的油种不要混用，否则，它们之间会产生一定的化学反应，使两种油均失去原来的性能，这样极易引起拉缸。
表3 气缸油总碱值（TBN）和燃油含硫量的匹配关系
燃硫成分 S≤1.0 TBN
2）注油率的确定
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1.0≤S≤2.0 30-40
2.0≤S≤3.5
70
3.5＜S 85
5.0＜S 100
气缸油注油率是根据柴油机的负荷、机型、扫气形式和冲程缸径比而确定的，如对于横流、回流扫气柴油机，新式冲程缸径比大的柴油机，要求有较高的注油率。气缸注油率应选择适当。注油率过低，气缸内难以形成连续均匀的油膜，活塞与气缸套干磨擦，磨损加剧，另外燃气泄露严重，环面有磨痕，甚至产生咬缸；注油率过高，除造成浪费外，还会增加活塞头部积碳，粘住活塞环，造成断环、拉缸，气口和气阀通道也因积碳堵塞，严重时导致扫气箱着火。适当的注油率应使气缸套中活塞自上止点到下止点整个行程里都有均匀的油膜，缸套表面湿润、干净，且能维持气缸套、活塞及环的气密。虽然柴油机生产厂家在说明书中也会有指导性的注油率，但轮机人员在实际管理工作中应视情况加以调节，如在吊缸完更换某些部件后，在磨合阶段应适当增加供油量，待磨合良好后逐渐减少至正常供油位置。
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4.2 燃油的预处理
燃烧过程是柴油机工作的核心，它直接影响柴油机的动力性、经济性、可靠性和使用寿命。因此，保证柴油机的燃烧及时、平稳和完全对于柴油机缸套是至关重要的。燃油从油舱到主机经过了一系列的预处理，其中主要是燃油的分离和加温，其质量直接或间接地影响到柴油主机缸套的磨损。
1）燃油杂质的分离
船舶在航行中，燃油驳运泵根据油位的高低自动将油舱的燃油驳至沉淀柜，进行沉淀，然后分油机根据主机的日耗油量将沉淀柜中的燃油分至日用油柜。为保证最大可能将杂质从燃油中分离出来，分油机实际分油量应注意控制在1/3最大分离量以下，连续分离，定时排渣，排渣间隔时间0.5～1.0h，并将燃油加热至90～95℃，以提高分离效果。
主机日用柜燃油通过油泵泵至高压油泵，其间经过燃油自动滤器，轮机人员应特别加强对其维护管理，航行值班时要注意自动冲洗，停泊时要注意对其清洁并检查滤网，若发现破损要及时修补或换新滤网。防止燃油中的颗粒杂质进入高压油泵和喷油器。否则，不仅会加速有关部件的磨损，缩短高压油泵柱塞和套筒、喷油器的使用寿命，而且在气缸内燃烧后的残留物也会增加，加速缸套的磨粒磨损。
2）燃油的加温
为了保证燃油喷射时的雾化良好，除保证高压油泵和喷油器正常工作外，燃油必须加热，使其粘度达到说明书的要求。一般燃油进高压油泵的粘度为65～75雷氏粘度，其温度为105～115℃，若出现燃油压力不稳定，说明燃油中部分油被气化，应适当降低加热温度。
4.3 主机运行时的管理
为了避免主机缸套的异常磨损，轮机人员在主机运行时要进行科学的管理。 1）合理控制缸套冷却水温度。由于主机燃用的重质燃油含硫量较高，若冷却水温度过低，气缸壁温度相对较低，当气缸壁的表面温度低于硫酸蒸汽的露点，大量硫酸冷凝，便产生酸性腐蚀磨损，其危害程度远远大于正常磨损。一般将主机缸套水进机温度控制在60～65℃，出水温度控制在70～75℃。
2）主机转速在正常情况下控制在95﹪额定转速，功率为额定功率的85﹪左右，扫气压力应尽可能保持在1.0MPa，不低于0.08MPa。
3）定期冲洗涡轮增压器，压气机端每天冲洗一次，废气涡轮端10～14天冲洗一次。
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