故障檢修與技術(shù)維護(hù)

柴油發(fā)電機缸蓋裂紋故障查找步驟和修復(fù)法

 

摘要：柴油機的氣缸蓋是重要的分部件之一，其主要作用是與氣缸配合形成活塞的做工空間，同時還需要為柴油機的冷卻、潤滑、進(jìn)排氣及噴油系統(tǒng)等提供基座的位置。在柴油機工作過程中，由于冷卻系統(tǒng)的存在，氣缸蓋本身受熱極不均勻，熱載荷較大，因此，氣缸蓋所處的是相當(dāng)惡劣的高溫高壓環(huán)境，同時氣缸蓋緊固螺栓及其它安裝螺栓都有較大的預(yù)緊力。綜上原因，柴油機氣缸蓋的主要故障就是變形和裂紋現(xiàn)象，因此，研究氣缸蓋裂紋產(chǎn)生的原因和維修方法，可避免事故的產(chǎn)生，對提高柴油機的使用效率大有裨益?？得魉构驹诒疚闹幸阅秤脩舻母咨w裂紋事故為例，逐步介紹該類型故障額查找方法和診斷結(jié)果。

 

一、缸蓋發(fā)生裂紋的原因和確定方法

 

      在此以常用的某型小功率康明斯柴油機為例，外形模擬圖如圖1、圖2所示。氣缸蓋通過缸蓋螺母以一定扭矩緊固在機體上，一般為120~140Nm，進(jìn)排氣道占據(jù)了大部分空間，冷卻水道與機體水道相通。上平面傾斜5°以使氣缸內(nèi)的機油通過挺桿孔回流油底殼。上部進(jìn)、排氣閥座，保證進(jìn)、排氣門的正常工作。內(nèi)部存在一個渦流腔，其底部有渦流腔鑲塊，通過該鑲塊上一個傾斜40°左右的孔，使得渦流腔與氣缸相通。一個2mm的錐形孔正對噴油嘴，提升啟動性能。據(jù)數(shù)據(jù)表明，氣缸蓋裂紋一般出現(xiàn)在氣門座圈周圍，如裂紋寬度不超過0 5 mm，仍可繼續(xù)使用。

1、裂紋產(chǎn)生的原因

      發(fā)生原因大多由于氣缸蓋處于高溫有關(guān)，具體原因如下。

（1）氣缸墊沒有很好地安裝在氣缸蓋與氣缸體之間。其間的孔位沒有很好地對準(zhǔn)，降低了冷卻水的流量，從而影響冷卻效果，使冷卻水溫度很高，導(dǎo)致機體溫度升高。

（2）使用中當(dāng)機器溫度較高的情況下，更換冷卻水，由于劇冷、劇熱，最易引起氣缸蓋裂紋的發(fā)生。因此必須注意在機溫很高時不許向發(fā)動機內(nèi)加入冷水。嚴(yán)禁先啟動發(fā)動機，再加入冷卻水。

（3）產(chǎn)生裂紋部位的壁厚單薄，設(shè)計強度不足。

（4）經(jīng)常性供油時間太遲或過早，易使發(fā)動機產(chǎn)生早燃和爆燃，從而導(dǎo)致氣缸蓋底面溫度升高。

（5）產(chǎn)生裂紋的部位水道過窄或拐角過小，冷卻水循環(huán)緩慢，散熱不良，在冷熱不均時，膨脹不一致引起氣缸蓋裂紋。

（6）冷卻水內(nèi)含堿性較大，水套內(nèi)易產(chǎn)生水垢而又沒有及時按規(guī)定保養(yǎng)。由于水垢等原因，更加降低了冷卻系統(tǒng)的效能，從而容易引起氣缸蓋裂紋。如氣缸蓋內(nèi)積1 mm厚的水垢，氣缸蓋底面的溫度約升高170℃。這樣就會引起局部更大的熱應(yīng)力集中，加速氣缸蓋裂紋的產(chǎn)生。

（7）氣缸蓋或氣缸體在鑄造制成后，由于沒能很好地進(jìn)行時效處理，消除內(nèi)應(yīng)力，致使缸蓋和缸體內(nèi)部存在著很大的內(nèi)應(yīng)力，使氣門座之間部位產(chǎn)生裂紋。

2、氣缸蓋裂紋區(qū)的確定方法

      用金屬物件輕輕敲擊，如發(fā)出的聲音不清脆而沙啞，則有裂紋。然后進(jìn)行仔細(xì)察看，找到裂紋的范圍。如還找不到可利用專門的設(shè)備進(jìn)行水壓試驗，加壓后滲水的部位即為裂紋所在位置。如果沒有專門設(shè)備，可將75%的機油和25％的煤油混合液涂抹在待檢查的部位，然后用干棉絮將混合液擦掉，并立即涂上一層氧化鋅甲醇溶液，溶液改變顏色的地方即為裂紋所在地。

      水壓試驗方法：在給汽缸體或汽缸蓋進(jìn)行水壓試驗時，先將汽缸體上的水管接頭、水套孔用木塞和專用蓋板堵住，把其中的一個水管接頭用皮管接出。向水套內(nèi)部加滿水后，用高壓水槍或高壓氣筒（或氣泵）向汽缸體內(nèi)部加壓。若用高壓氣簡或氣泵時，為了防止水氣倒流，要在管路中加裝單向閥，單向閥一般加裝在充氣軟管和汽缸體水管接頭之間。在沒有專用蓋扳或術(shù)塞的情況下對汽缸蓋進(jìn)行水壓試驗時，也可以用幾個人的手指堵塞汽缸蓋水道孔。

 

圖1  柴油機缸蓋模型立面圖

圖2  柴油機缸蓋模型側(cè)視圖

 

二、缸蓋裂紋的修復(fù)方法和試驗

 

1、修復(fù)缸蓋裂紋的措施

      氣缸體、氣缸蓋裂紋與破裂的修理方法有粘結(jié)、焊接和螺釘填補等多種。具體采用哪種方法應(yīng)根據(jù)裂紋大小、程度和部位確定。當(dāng)遇到缸蓋上的穿透性裂紋和關(guān)鍵部位的嚴(yán)重裂紋都必須更換缸蓋，并清洗水套后裝機試機后，故障排除。

（1）粘結(jié)法

      大部分裂紋可采用粘結(jié)法修復(fù)。常采用環(huán)氧樹脂粘結(jié)，它具有粘結(jié)力強、收縮小、耐疲勞等優(yōu)點，同時工藝簡單、操作方便、成本低。其主要缺點是不耐高溫，不耐沖擊等，而且在下一次修理時，經(jīng)熱堿水煮洗后會脫落，需重新粘接。所以，除燃燒室、氣門座等高溫區(qū)域外，其余部位均可采用這種方法。對破洞和裂紋集中部位，可采用補板加環(huán)氧樹脂法修理。用螺釘固定補板，其間涂以環(huán)氧樹脂，以確保密封。

（2）焊接

      焊接可分為冷焊和熱焊兩種。熱焊時，將工件預(yù)熱到327-427℃進(jìn)行焊接。焊縫金屬冷卻緩慢，零件冷卻時各處溫差小，不易形成較大內(nèi)應(yīng)力，可防止零件產(chǎn)生白口鐵組織和裂紋。但熱焊易產(chǎn)生變形，工藝復(fù)雜。冷焊一般不預(yù)熱。目前，隨著冷焊質(zhì)量可靠性的提高，在氣缸體、氣缸蓋裂紋的修理中，得到廣泛應(yīng)用。

（3）堵漏劑堵漏

      堵漏劑是修補氣缸漏水的一種新材料。它是由水玻璃、無機聚沉劑、有機絮凝劑、無機填充劑和粘結(jié)劑組成的膠狀液體，適用于鑄鐵、鋁缸體所出現(xiàn)的裂紋、砂眼等缺陷的堵漏。

（4）打磨法

      裂紋微小時采用銼刀、油石和風(fēng)砂輪等工具打磨裂紋處予以消除，經(jīng)無損探傷或水壓試驗檢驗合格后繼續(xù)使用。否則，繼續(xù)打磨、檢驗。若裂紋較深達(dá)壁厚的3%以上時，停止打磨改用其他方法修理或報廢換新。

（5）金屬扣合法

      氣缸蓋底面和其他部位的裂紋采用金屬扣合法修理，不僅零件的強度要求，還可滿足密封性要求。

（6）鑲套修理

      對于孔壁上的裂紋，如氣缸蓋上的進(jìn)、排氣閥孔壁和噴油器孔壁的裂紋采用鑲套修理。此法效果好，可使零件繼續(xù)使用2年以上的時間。襯套的材料一般為不銹鋼或青銅、襯套端部與閥孔底部間墊以紫鋼墊片以增強密封性。

（7）覆板修理

      氣缸蓋外表面裂紋可采用覆板修理。修理時，先在裂紋兩端鉆止裂孔，涂膠粘劑(如環(huán)氧樹脂)后將鋼板覆蓋其上，用螺釘將鋼板固緊在氣缸蓋上。

2、焊后加工及試驗

      在臥式萬能銑床上以缸蓋上平面定位，先后用粗齒和細(xì)齒主銑刀加工，將焊縫銑平，然后進(jìn)行研磨。

      磨料為鋼玉和碳化硅，粗研為60～100#，精研為150～240#，研磨劑可用潤滑油、煤油、汽油；研具用鑄鐵、夾布膠木、紫銅、青銅等。研磨余量為0.02～0.03mm。研磨不但能提高焊縫表面質(zhì)量，提高光潔度，還能夠提高缸蓋平面度，增加與缸體連接的密合性，防止漏水、漏汽。經(jīng)過修復(fù)后，對缸蓋進(jìn)行檢驗、測量，裝配后以0.4～0.45MPa壓力進(jìn)行5min水壓試驗無泄漏，試車發(fā)動容易，排氣聲響正常，功率充足，正常投入生產(chǎn)。

 

三、缸蓋裂紋故障案例

 

1、故障現(xiàn)象

      一臺NTA855型康明斯柴油機售于深圳某工廠，工作過程中出現(xiàn)冷卻液溫度過高的故障。停機檢查，發(fā)現(xiàn)散熱器中冷卻液不足。加足冷卻液后，故障消除但運轉(zhuǎn)一段時間，故障再次出現(xiàn)。停機檢查，發(fā)現(xiàn)散熱器中冷卻液又少了很多。

2、故障查找分析  

（1）發(fā)動機內(nèi)部泄漏檢查

      先旋下放油螺塞，因冷卻液密度比潤滑油大，若有冷卻液泄漏，冷卻液便會先流出來或流出冷卻液與機油的乳狀混合物；也可抽出機油標(biāo)尺，查看油標(biāo)尺有無水珠。然后檢查機油冷卻交換器的水道與油道之間有無泄漏，可將交換器放在水中，用手動壓力器進(jìn)行壓力檢測。最后進(jìn)行柴油發(fā)電機冷卻系統(tǒng)內(nèi)部泄漏試驗，在散熱器上接上壓力檢測器，起動柴油發(fā)電機，如果壓力迅速上升，表明氣缸損壞或氣缸體破裂產(chǎn)生泄漏；如果壓力不上升，用壓力檢測器加壓，若壓力指針不斷擺動，表明柴油發(fā)電機在燃燒時或壓縮時，冷卻系統(tǒng)發(fā)生了泄漏。此時若拆下壓力檢測器，高速運轉(zhuǎn)柴油發(fā)電機，會發(fā)現(xiàn)冷卻液冒出氣泡，此時，應(yīng)更換氣缸或氣缸體（全新的康明斯缸蓋模型如圖3所示）。

（2）拆下氣門室罩蓋檢查

      發(fā)現(xiàn)缸蓋上面有少量白色泡沫，而機油無明顯增加，說明有少量冷卻液泄漏到潤滑油中，以上現(xiàn)象說明冷卻液是蒸發(fā)掉了，即可能是氣缸蓋或者缸套等部件有裂紋，導(dǎo)致在進(jìn)氣沖程中，氣缸內(nèi)形成負(fù)壓，冷卻液由裂紋進(jìn)入氣缸，而壓縮和做功沖程中，部分冷卻液在高溫的作用下汽化。在排氣沖程中，大量汽化了的冷卻液排入大氣，致使冷卻液消耗過量，而殘留的少量冷卻液沿氣缸壁流入油底殼，導(dǎo)致潤滑油中有少量冷卻液而產(chǎn)生肉色泡沫。

（3）對缸蓋和缸套進(jìn)行檢查

      拆下氣缸蓋后，發(fā)現(xiàn)第1缸積炭嚴(yán)重，活塞頂部有水，說明渡缸有冷卻液泄漏現(xiàn)象，但是檢查缸套時卻沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。對缸蓋進(jìn)行水壓試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有水從第1缸排氣門處流出。拆廠排氣門時，發(fā)現(xiàn)缸蓋上的氣門座附近有一條清晰可見的裂紋，如圖4所示。因此，試驗表明冷卻液就是從這里泄漏的。檢查缸蓋時，發(fā)現(xiàn)水套內(nèi)壁有厚厚的一層水垢。分析認(rèn)為，由于排氣門座附近溫度高、散熱條利差、結(jié)構(gòu)單薄，而水垢的隔熱作用使散熱條件進(jìn)一步惡化，因而在應(yīng)力集中的作用下產(chǎn)生了裂紋。

 

圖3  柴油機全新缸蓋模型斜視圖

圖4  柴油機氣缸蓋裂紋現(xiàn)象示例圖

 

總結(jié)：

      柴油機氣缸蓋的作用是密封氣缸，并同活塞共同組成燃燒室。氣缸蓋工作條件惡劣，受力情況復(fù)雜。它不僅受到燃燒室燃?xì)馊紵l(fā)出的爆發(fā)力的強烈作用，也受到因冷卻水造成的局部冷熱不勻影響，是一個較易損壞的零件。造成氣缸體和氣缸蓋裂紋的原因既有結(jié)構(gòu)不合理、材料和制造工藝的問題，也有使用、維護(hù)不當(dāng)?shù)膯栴}。氣缸蓋破裂對發(fā)動機性能和可靠性都會產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此在使用和維護(hù)發(fā)動機時，應(yīng)注意保持正常的工作溫度、定期檢查冷卻系統(tǒng)、正確安裝和緊固零部件，并使用合適的冷卻液，以預(yù)防氣缸蓋破裂的發(fā)生。

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