江淮汽车集团股份有限公司发动机设计研究院 合肥市 230061
摘要：本文详细阐述了拉缸故障产生的机理、原因以及预防拉缸产生的措施，并以某柴油机为研究对象，对其拉缸故障进行了原因分析，顺利完成柴油机拉缸现象所产生的故障进行总结，并完成质量改进。
关键词：拉缸；活塞；裙部
前言
柴油发动机是一种高效率的动力机械，随着人类社会的不断进步和发展，其应用范围越来越广，在整个社会的经济发展中起着不可替代的作用。近十几年来，随着发动机的强化程度和热负荷水平的大幅度提高，发动机缸套及活塞的工作温度也越来越高，工作条件也越来越恶劣，从而导致柴油发动机拉缸故障常易出现。
柴油机拉缸是一种常见的恶性故障，轻者出现发动机功率下降、漏气量增大、机油消耗增加、异响等等现象；重者甚至出现活塞破裂、击穿缸体等重大事故。因此，柴油发动机的拉缸问题的分析与研究是柴油发动机设计人员的一项重要课题。
本文详细阐述了拉缸故障产生的机理、原因以及预防拉缸产生的措施，并以某四缸柴油机为研究对象，对其拉缸故障进行了分析研究。
1拉缸
1.1拉缸现象
拉缸是在发动机活塞环与缸套之间或活塞与缸套之间发生的一种严重磨损损伤。它是试车及运行中常易出现的故障，特别是强载发动机更为严重。拉缸多发生在磨合阶段，但也有在长期运转后发生。
拉缸的主要特征是在工作表面上沿活塞运动方向出现呈条纹状的磨痕，且常伴有暗红色或发蓝颜色。拉缸时，根据严重程度不同，发动机常伴有如下一些表现：
1）曲轴箱通气口或加油口冒白烟气，严重时，甚至冒黑烟；
2）发动机转速不稳，严重时，转速自动下降，甚至停车；
3）发动机振动加剧，伴随着不正常声音，如咄咄声或哒哒声；
4）排气、冷却水及润滑油温度显著升高。
拉缸情况可分为以下两类：
（1）气缸套与活塞环之间发生拉缸
拉缸最初发生于油膜最难建立和保持的部位，即上死点附近。随活塞上下运动和活塞环的转动，拉缸会蔓延开，并出现纵向条纹。气缸套和活塞环发生的拉缸一般限于运转初期，一旦磨合完毕，这一类拉缸几乎不再发生。
（2）气缸套与活塞或活塞群部发生拉缸
由于活塞裙部润滑不足，筒形活塞裙部往往发生拉伤而烧伤。这类拉伤也将是本文分析与研究的重点。
发生拉缸后，上述零部件的相应部位有丝状或条状拉毛，严重的有互相熔着和材料转移现象。此外，还呈现一定颜色（新的拉缸痕上有暗红或发蓝颜色，老的痕迹由于嵌入污油和积碳而呈褐色），以此可以区别一般的磨粒擦伤，后者不伴有变色现象。
磨合过程中拉缸区损伤的表面上有时也会出现白色层，这是表面塑性流变后形成的。局部塑性流动产生一个瞬时高温，该温度足以引起奥氏体转变并随后冷却硬化，使表层硬化。
1.2拉缸机理
拉缸实质上就是严重的粘着磨损。当缸套和活塞环或缸套与活塞之间油膜太薄或没有形成油膜时，摩擦副两滑动表面易发生直接的金属接触，在高压和快速滑动作用下，产生非常高的摩擦热量，以致两者接触处发生显微熔接，然后又被拉扯开，出现一个滑动面上的材料转移粘附在另一个滑动面上或磨屑脱落的现象。轻微的拉缸与磨粒擦伤难以区别，而当出现较严重的拉缸时，由于表面接触负荷较大（例如超过表面硬度HB的1/3时），各塑性区域迅速扩展并互相作用形成大面积的粘着塑性区，而发生高热、软化、熔融，在拉开时撕裂脱落，而在滑动表面上留下伤痕。这些伤痕由几条细纹以至发展为越来越多且越来越大。当时分严重时就发生咬缸。
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1.3拉缸的影响因素及对策
拉缸主要是由于油膜过薄导致金属相接触并在一定负荷作用下而发生的。油膜过薄的原因有两方面：一是供油状况不良，难以形成足够的油膜厚度；二是窜气或局部压力过大，破坏了正常的油膜。因此，影响拉缸的主要因素有如下几方面：
1）磨合的质量
拉缸经常发生在磨合期，说明磨合质量对拉缸影响很大。确保磨合质量要从以下几方面入手。
（1）选好气缸润滑油，这包括润滑油本身的性能、润滑油的洁净程度以及与与燃油中硫分含量相适配的碱值。其中以润滑油的洁净程度以及碱值与燃油中硫分含量的匹配尤为重要。一定的碱性可以中和燃料产生的酸性物质，减轻腐蚀磨损，减少积碳结焦的污染。但由于这种高碱值的气缸油内加入了大量的钙盐作为碱性添加剂，在初期磨合阶段活塞环密封性差，人员泄漏，在高压燃气冲刷下，气缸油极易氧化变质，结果析出更多胶状硬质残渣。这些残渣不仅妨碍气缸油膜的形成和扩散，而且阻碍活塞环浮动，使沉积物增多。故磨合运转初始若使高碱值润滑时，拉缸发生率特别高。所以，气缸油的碱值应以低一点，即不足完全中和燃油燃烧产生的硫酸之类物质为宜。
（2）应选好磨合时间和负荷的分配情况。如在低负荷下磨合时间过于拖长，或急于向高负荷转换，都易导致活塞环与缸套之间漏气，使活塞环的局部金属接触部位上负荷过大，引起拉缸。连续高负荷运转的热影响会导致油膜破坏，所以，磨合时，在较长时间高负荷运转期间，应插入几分钟的低负荷运转，以冷却金属局部接触处。
2）润滑油的供给
活塞裙部拉缸的直接原因是断油。断油的原因之一是活塞环磨合不良造成的漏气。另一原因是活塞裙部本身缺油。例如，高功率发动机活塞裙部下方的刮油环磨损到一定程度后，其下端变得十分锋利，使刮油作用过分，造成裙部缺油。刮油环过于位于裙的下部也有同样的害处。为此，将刮油环上开有纵向槽，使刮油不过量；且在设计上将环的位置上移，使裙部获得更多润滑油，能有效避免拉缸。
3）结构设计上的因素
如果在整体结构上具有良好的抗拉伤能力，则在相同的安装和使用下出现拉缸的概率会低些。结构设计因素包括如下几个方面。
首先，整机布局及零部件结构是否合理。例如气缸的刚度，特别是动态刚度是否足够。若刚度不足，则易使气缸套失圆。活塞刚度以及在瞬时冲击作用下裙部与气缸套的接触状态如何也甚为重要。活塞环的轮廓尺寸、开口间隙应考虑热状态下能保持与气缸壁的均匀贴合，不至于出现活塞环局部径向压力过高而破坏油膜的形成。气缸套-活塞组之间的间隙是一个十分重要的因素，应充分考虑在高负荷运行时，保证这个间隙有一个合理的值，这一点对于防止拉缸甚为重要。
其次是摩擦副材料表面性质及其匹配情况如何。这一点对于气缸套与活塞组之间的粘着磨损影响加庞大。使用经验表明，经磷化处理的气缸套，由于表面形成一层极软的多孔性的非金属防护膜，该膜具有良好的吸附能力，良好的贮油性及工作时的自润滑性，提高了发动机磨合效果和抗拉缸能力。气缸套内表面石墨的生成情况对此也有影响。如高磷合金铸铁，在离心浇注时，内壁冷却速度较慢，往往析出较粗大的石墨，且数量较多。在珩磨时，石墨剥落形成针孔。这种多孔性有利于表面的自润能力，因而有利于提高抗拉缸能力。气缸套若进行多孔镀铬，也会有同样的效果。
4）运行工况对拉缸的影响
对于拉缸来说，切忌工况剧烈变化。当柴油机处于低速或空载运转时变到带负荷工作，若过于急促，易引起拉缸。在特殊作业环境下，发动机紧急停车，此时主机带动的冷却水泵已不供应水冷却，而气缸继续发散热量，致使气缸内间隙因热膨胀而变小。尔后又过快启动并加速加负荷，就可能使摩擦面的发热量过大，无法散去，润滑油膜遭到破坏，导致活塞-气缸套摩擦副之间金属直接接触而拉缸。
影响发动机拉缸的因素很复杂，还可以列举更多。当然，在一定的摩擦条件下，可能是其中某几种主要因素起作用。为防止拉缸，应当针对具体情况，抓住几个主要因素采取相应措施，才能行之有效。
2故障总结
1）从行驶里程看，从0.5万公里到3万公里均有机型出现拉缸故障；从发生时间看，主要发生于夏季高温月份。另外，拉缸故障的发生区域较广，未出现区域集中现象。2）拉缸故障主要出现在第1、4缸。3）活塞裙部均出现拉痕，部分头部也有拉痕；且有2台在活塞45度方向；部分活塞头部烧蚀。4）机油消耗都比较严重，各故障机在拆解时油底壳机油量均不足。5）缸盖排气道积碳严重。6）排气管出现冒黑烟、白烟或蓝烟等现象。7）存在敲缸异响。8）主轴瓦、连杆瓦存在磨损。
根据拉缸故障产生的机理、故障现象及相关经验数据，建立了发动机拉缸故障分析的FTA，对其拉缸故障进行了原因分析，同时提出增大活塞裙部椭圆度的解决方案。
参考文献
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论文作者:潘月成,倪成鑫,杨冰
论文发表刊物:《防护工程》2018年第29期
论文发表时间:2019/1/2
标签：活塞论文; 油膜论文; 活塞环论文; 故障论文; 发动机论文; 气缸论文; 发生论文; 《防护工程》2018年第29期论文;