随着船舶柴油机强化程度不断提高,拉缸故障具有发生频次高、作用时间短、隐蔽性强、难以在线诊断,对柴油机损害严重的特点。因此研究拉缸故障的发生机理和在线诊断方法,尤其是拉缸故障的早期预报方法,对柴油机的安全运行具有重要意义。在柴油机拉缸故障中,活塞环组润滑失效是导致拉缸故障的主要原因之一,本文围绕由于活塞环组润滑失效引发的柴油机拉缸故障这一典型问题,对活塞环镀层在拉缸过程中的失效机理,活塞环组和缸套之间的润滑摩擦特性,不同润滑条件(正常润滑和拉缸工况)下活塞环组的摩擦力对轴系扭转振动的影响等方面进行了研究。从活塞环镀层失效分析的角度出发,建立了二维活塞环和缸套摩擦副的有限元模型,对摩擦副进行热应力和机械应力耦合分析,探究镀层和整个活塞环在干摩擦状态(拉缸)下的温度场、应力场以及最大应力分布随镀层厚度的变化规律。研究发现随着活塞环镀层的磨损变薄,最大应力的位置出现在镀层和基体的结合位置,该位置属于结构的薄弱部位,容易导致镀层脱落;对于相同镀层厚度的活塞环,温度对活塞环镀层的等效Mises应力影响比压力和相对滑动速度更加显著,也就是说,热负荷对活塞环的应力场分布以及失效起到了关键作用。因此,通过改变活塞环在工作过程中的热负荷分布状态,可以有效地预防和减少活塞环失效故障的发生。针对活塞环在贫油和拉缸工况下的摩擦力计算问题,建立了一种考虑微凸体弹塑性接触的活塞环—缸套系统混合润滑模型,并在此模型的基础上,建立了考虑接触表面间粘着影响的干摩擦模型。利用往复摩擦试验机,对上述模型的正确性进行验证,结果证明本文建立的模型在贫油和重载条件下的计算结果比传统模型更加精确。将该模型应用于四冲程柴油机的顶环摩擦学性能分析中,结果表明富油润滑条件下的最小油膜厚度明显大于贫油润滑条件,这种规律在活塞环工作行程的中部表现尤为明显,而在行程的两端相对较弱:在富油润滑条件F,总摩擦功率损失随着润滑油粘度的增加整体呈现先递减再递增的趋势,而在严重贫油润滑条件下,微凸体接触摩擦功率损失和总摩擦功率损失随着润滑油粘度的增加呈现单调递减的趋势。根据移动热源理论和热量传递原则,建立移动热源模型和热流分配系数模型,将该模型与活塞环和缸套润滑仿真模型相结合,并考虑缸壁温度分布因素,计算活塞环和缸套系统在考虑温度效应下的摩擦学性能。研究表明温度因素对富油润滑条件下活塞环的摩擦学性能影响较为明显;在贫油润滑条件下,除了在上死点附近外,温度因素对油膜厚度的影响不大。在影响润滑油粘度的温度因素中,缸套的温度分布对润滑油粘度的影响与摩擦热量和摩擦副间热量传递导致的温升相比最为显著。利用跟踪缸壁上残留油膜厚度的方法确定活塞环润滑的供油量,建立考虑供油量的活塞环组润滑摩擦模型,分析各道活塞环在不同工况下的摩擦学性能。在活塞环组中,第一道活塞环和第二道活塞环面的最小油膜厚度和摩擦力只在360度曲柄转角时刻附近出现比较大的差别。在油环刮油作用的影响下,过多的润滑油无法输运到顶环位置对其进行润滑,因此过多的润滑油不但不能起到润滑的作用,反而会造成浪费。低粘度的润滑油导致油膜厚度较薄,进而致使微凸体接触摩擦力增加,而高粘度的润滑油导致油膜粘性摩擦力增大,因此在两者之间找到平衡点至关重要。通过对柴油机轴系扭转振动的激励源进行分析,建立考虑活塞环组摩擦力的轴系扭转振动计算模型,比较各个谐次的轴系扭角幅值在不同活塞环组摩擦力情况下的变化规律。在柴油机正常工作的条件下,活塞环组和缸套之间的摩擦力对轴系扭角幅值的影响不明显,说明在对正常工作条件下的柴油机进行轴系扭振计算时忽略活塞环组的摩擦力是合理的。当船用四冲程柴油机的气缸发生拉缸故障的情况下,2谐次扭角幅值变化最为显著,因此轴系扭振的2谐次扭角幅值可以用来判断船用四冲程柴油机活塞环组的工作情况。此外,针对扭振信号时频转换的误差原因,提出了一种新的提高时频转换精度的方法,利用该方法中的扭角计算公式所得的初始扭角信号为等时间采样信号,免去二次采样的过程,既能够保证时频转换的精度要求,又不会因采样点数过多而影响计算速度。