工程摩擦学

船舶水运设备的摩擦磨损问题

我国许多船舶水运机械设备不是到了使用寿命期报废的，而是由于其它原因损坏的，如因日晒、雨淋锈蚀等自然条件而损坏，除此之外，船舶机械设备在正常运转情况下也会由于不可避免的摩擦、磨损而使性能逐渐变坏，效率降低，甚至完全失效。因此，腐蚀、摩擦及磨损是影响船舶机器正常运转和船舶安全航行的因素。

一、船舶金属腐蚀问题

由于人们无节制地开采和使用原材料，地球上的有限资源日益枯竭，与此同时，全世界每90 秒就有1 吨钢铁腐蚀成铁锈，而炼制1 吨钢所需的能源则可供一个家庭用3 个月，由此可见，腐蚀实际上是对自然资源的极大浪费。腐蚀破损或断裂不仅引起有害物质的泄漏，污染了环境，有时还会引起突发的灾难性事故，危及人类的安全。对船舶来说，防腐防锈始终是困扰人们的一道全球性难题。

船舶长期处于海洋环境中，腐蚀极为严重，而腐蚀速度与海水的流动速度、气泡、温度、冲击性以及海水所含微生物等因素都有有极为密切的关系。船体在海水中的腐蚀主要有电化学腐蚀、机械作用腐蚀、生物腐蚀和化学腐蚀几种，其中最主要的是电化学腐蚀，即在腐蚀过程中有微电流产生。

1．船体的电化学腐蚀

由于氧有夺取电子的能力，且水面的氧较水下的氧多，故近水面部分的金属得到电子成为阴极，而水中部分的金属失去电子成为阳极而发生腐蚀。腐蚀发生后，缝隙或缺口处的氧多，而底部氧少，从而底部继续腐蚀，最后成为锈坑或锈穿。

2．机械作用腐蚀

机械作用的腐蚀包括腐蚀作用和机械磨损，二者相互加速。由于液体湍流或不规则流动，产生空泡，常常破坏金属表面的保护膜，加速腐蚀作用，如螺旋浆等处易发生，同时，两个紧接着的表面相互振动也会引起磨损。

3．生物腐蚀

生物腐蚀是由海洋生物在船底附着引起的，由于海洋生物在船底的附着，破坏了漆膜，造成钢板局部腐蚀；微生分泌出有侵蚀性的产物如CO2、H2S等以及其他有机酸和无机酸也会引起钢板的腐蚀。

4．化学腐蚀

化学腐蚀的特点是：腐蚀反应产物是直接地参与反应的金属，在表面区域生成，无电流产生。海洋环境是非常严酷的腐蚀环境，为减少腐蚀对船舶设备的影响，目前，采用的是涂防护涂料的措施。随着世界海洋工业的迅速发展和环境保护法对船舶工业的影响，我国船舶涂料今后可持续发展方向是重点开发高性能及环保型涂料。

二、活塞环与气缸套的摩擦磨损

船舶机器运转时，机器上具有相对运动的运动副零件会发生配合表面的摩擦，引起磨损。对于船用柴油机来说，目前无论是二冲程的低速机还是四冲程的中速机，燃油消耗率已降至163g／(kW ·h)左右，热效率达到50％以上，但能量消耗在运动副的摩擦约占10％左右。

图1 直列四缸发动机

1、气缸套的正常磨损

柴油机的技术状态和使用寿命很大程度上取决于气缸套的磨损情况。在正常工作条件下气缸套磨损是不可避免的。一般只要气缸套的磨损量在允许范围之内(最大允许磨损量为0.4%—0.8%缸套内径)，气缸套就处于正常工作状态。

（1）气缸套正常磨损的标志

气缸套正常运转工况下正常磨损的特征是最大磨损部位在气缸套上部，即活塞位于上止点时第1、2道活塞环对应的缸壁处，并沿缸壁向下磨损量逐渐减小，气缸内孔呈喇叭状。气缸套左右舷方向的磨损大于首尾方向的磨损。图2为气缸套正常磨损后缸壁纵向形状和磨损量示意图。

图2 气缸套磨损后纵截面形状和磨损量示意图

（2）正常磨损原因

①处于边界润滑部位的局部金属直接接触引起的粘着磨损，或因过薄的油膜被工作表面的尖锋刺破，或因高温、速度低等使油膜未能形成或遭破坏。

②进入气缸的新鲜空气中的灰尘，燃油或滑油燃烧生成的各种氧化物、炭粒和灰分，润滑油中的机械杂质及运动副的摩擦产物等均会引起磨粒磨损，且以气缸上部最为严重。

③燃油中硫分的燃烧产物对缸壁的硫酸腐蚀。由于活塞在上止点时第l道环对应缸壁处含酸量最大，为缸套下部的4倍，造成缸套上部严重的腐蚀磨损。气缸上部燃气温度与压力对硫酸露点的影响，使上部凝结较多的酸。

2、气缸套的异常磨损

（1）异常磨损的特征

①气缸套和活塞环的磨损率均很高，大大超过正常磨损率。一般铸铁缸套磨损率>

0.1mm/kh，活塞环磨损率> 0.5mm/kh。

②缸套工作表面脏污，有明显的划痕、擦伤、撕裂等拉缸和咬缸现象，或者缸壁表面发蓝，有明显的烧灼现象。缸套工作表面形貌和金相组织发生变化。

③异常磨损的磨损产物颗粒较大。一般正常磨损的磨屑直径<1μm，而异常磨损的磨屑直径达25～30μm。

气缸套异常磨损可以通过测量缸径计算出的内径增量来判断。

图2（b）～（g）为缸套异常磨损后纵截面形状和磨损量的示意图。

图(b)、（c）、（d）为典型的异常磨粒磨损。(b)为缸套上部因新气携大量尘埃进入气缸和燃烧不良产生大量积炭引起的磨损。(c)为润滑油中机械杂质过多，筒状活塞式柴油机缸套润滑自下向上布油，造成下部严重磨损。(d)为上述两种因素并存时造成的严重磨损。

图(e)为缸套异常粘着磨损。特点是活塞位于上止点时第l道活塞环对应缸壁磨损异常增大，甚至出现大面积拉伤的拉缸现象。

图(f)、(g）是典型的腐蚀磨损。(f) 是燃油含硫量高或柴油机经常冷车起动使缸套上部腐蚀磨损严重，磨损量为正常磨损量的1～2倍。腐蚀产物脱落引发二次磨粒磨损，使缸套中部磨损加重，磨损量为正常磨损的4～6倍。（g) 是冷却水温过低导致的缸套下部严重腐蚀磨损。

以上各种情况是典型的，原因是单一的，然而实船柴油机缸套磨损情况则是复杂的，原因是多方面的。

（2）异常磨损的原因

船舶航行期间，柴油机气缸套发生异常磨损主要是工作中的问题引起，在分析原因时应首先分析工作参数和维护管理工作对磨损的影响，这是研究问题的起点，解决问题的方向。

①燃油和燃烧的质量

燃油中的含硫量是气缸套产生腐蚀磨损的重要原因，燃油中含硫量超过0.7%～1.0%时，磨损急剧增加。因为含硫量增加使硫酸凝结温度(即露点)升高，在气缸工作条件下容易发生腐蚀。含硫量高的燃油燃烧时生成较多的炭粒，并促进积炭的形成，加重磨粒磨损。

燃油中灰分含量高时，燃烧后生成金属氧化物或金属盐，增加缸套的磨粒磨损。

船用低速柴油机燃用低质燃料油对缸套的磨损较燃用低硫柴油高2～3倍。燃料油中的没有除掉的极硬的硅酸铝颗粒，严重增加了缸套的磨粒磨损。

燃油燃烧不良，如燃烧不完全、后燃等均会使炭粒增加，磨损加重。

②冷却水温的管理

气缸套冷却水温控制不佳会使缸套磨损增加。一般来说冷却水出口温度过低，使缸壁温度过低，硫酸腐蚀加熏；冷却水出口温度过高，缸壁冷却不良，温度较高，致使缸壁上油膜蒸发，滑油氧化，积炭严重，导致粘着磨损。同时，缸壁温度过高不仅热负荷增加还影响活塞环的散热，使环的磨损加重。

实践证明，适当提高缸套冷却水出口温度，使缸套表面温度高于露点，可有效地防止腐蚀，减少磨损。一般出口温度控制在85～95℃时缸套磨损量较小。

③润滑油的管理

活塞环与缸套工作表面间的边界油膜极薄，它有赖于润滑油中极性团的物质。合适的润滑油或含有极性添加剂的润滑油能够形成承受较高负荷的边界油膜。润滑油的其他品质，如抗氧化安定性、残炭值等也利于气缸润滑。

柴油机燃用低质燃油时，气缸油的碱值应与其匹配，以中和燃油燃烧时产生的酸，有效地降低腐蚀磨损。

因此，润滑油品质不良或不适，碱值不当或轮机员对润滑油管理、使用不善，如油压不足、断油、长期使用不化验、不更换以致滑油变质等，均会引起缸套异常磨损。

3、减少气缸套磨损的途径

船舶主、副柴油机运转期间，减少气缸套磨损、防止产生异常磨损的重要措施就是加强维护管理，主要从以下途径实现：

（1）加强燃油和燃烧的管理

燃油质量及其燃烧质量直接影响缸套磨损。加强燃油品质的选择和净化处理可有效地防止和减少腐蚀磨损和磨粒磨损。对目前船上广泛使用的低质燃油的缺点(粘度高、杂质和硫分大等)采取相应措施，以减少其所引起的各种磨损。保证燃油的完全燃烧，防止和减少因燃烧不良引起的磨损。

（2）保证良好的气缸润滑条件

加强气缸润滑的日常管理，对润滑油品质的选择，净化处理、定时定量供给、定期化验和换油、供油设备维护和保养等均应认真按规定要求进行。

（3）注意气缸套冷却水温度

冷却水温过高或过低均会加剧缸套的磨损。加强冷却水的管理，定期进行水处理、注意水温的变化和及时调节水温保持要求的温度范围等。

（4）保持活塞与气缸套之间的正常配合间隙

活塞运动装置具有良好的对中性是其正常运转的重要工艺条件。据统计，在气缸套过度磨损原因中因装置不正引起的约占1/3。因此，应定期吊缸检测，调整活塞与气缸之间的配合间隙，保证活塞装置的良好对中性。以减少磨损和防止敲缸、拉缸等故障。

三、曲轴和轴承的摩擦磨损

1、主轴颈与主轴承的摩擦

柴油机运转时，曲轴主轴颈与主轴承之间形成楔形油膜，实现液体动压润滑，运动副在液体摩擦状态下工作，如图2-12所示。在正常运转状态下达到工作转速时，楔形间隙内油膜压力的合力与外载荷平衡，轴颈在其一偏心平衡位置运转。轴颈中心的平衡位置随工况而变化，油膜厚度随之变化。

图3 主轴承液体动压润滑油膜及其承载力的分布

一般曲轴转速越高就越容易形成楔形油膜，但转速过高摩擦功也越大，轴承温度升高使润滑油粘度下降，油膜受损；转速太低则油膜难于形成。柴油机起动时运动副处于半干摩擦状态，所以频繁起动、停车使主轴承磨损加快。轴瓦上的油孔和油槽的部位、油槽的深度与宽度比、油孔和油槽上的过渡圆角等均对供油和油膜承载力的分布有很大影响。如果在轴瓦上油膜对应部位开有油槽则使其承载力下降，所以一般不在主轴承下瓦、连杆大端轴承上瓦上开油槽。

2、曲柄销颈与连杆大端轴承的摩擦

连杆大端轴承随曲柄销作回转运动，同时曲柄销颈相对于大端轴承转动。在大端轴承中，由于轴承孔径大于曲柄销轴径，当大端轴承上瓦压在曲柄销颈上时，在曲柄销颈下方出现月牙状间隙。随着曲轴转动，粘附于曲柄销颈上的润滑油被带入月牙状间隙中形成楔形油膜，实现液体动压润滑。

3、曲轴和轴承的磨损

（1）曲轴轴颈磨损特点

①一台柴油机曲轴上的各主轴颈和各曲柄销颈的磨损不同，且曲柄销颈磨损较主轴颈磨损大。这是出于曲轴各轴颈在运转时受到各缸不同的交变的气体力、往复惯性力和离心力，以及它们所引起的弯矩和扭矩作用的结果。直列式柴油机曲轴的连杆大端轴承负荷大于主轴承负荷，所以曲柄销颈的磨损相对于主轴颈的磨损也大。V型柴油机曲轴则恰好相反。

②曲轴轴颈在轴向和周向的磨损不均匀。曲轴轴颈轴向不均匀磨损产生圆柱度误差，一般以曲柄销颈为重。可能是连杆安装不正、连杆或曲轴存在弯曲变形等使轴向受力不均造成的。

曲轴轴颈周向不均匀磨损产生圆度误差，是由于柴油机运转时，曲轴回转一周轴颈受力的大小和方向均是变化的，轴颈受力大的部位也是理论磨损大的部位，但还与实际的润滑、间隙等有关。

（2）曲轴轴承的磨损

柴油机运转时，主轴承下瓦和连杆大端轴承上瓦均会发生较大磨损。引起轴承过度磨损的原因很多，但主要是对轴承的维护管理不良所致。