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故障檢查與技術(shù)維護(hù) |
康明斯柴油發(fā)電機的機體和缸蓋裂紋的維修方法 |
摘要：氣缸蓋、氣缸體產(chǎn)生裂紋會導(dǎo)致柴油發(fā)電機漏氣、漏水和漏油。柴油發(fā)電機氣缸體和氣缸蓋由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果使用不當(dāng)，容易產(chǎn)生裂縫，而且修復(fù)困難。根據(jù)康明斯發(fā)電機公司數(shù)據(jù)統(tǒng)計，康明斯氣缸蓋與氣缸體發(fā)生裂紋現(xiàn)象多是同于使用維護(hù)不當(dāng)造成的，如長時高負(fù)荷運轉(zhuǎn)，熱應(yīng)力過大，而且缸蓋裂紋大多發(fā)生在氣門座附近或水套薄壁處。針對柴油機常見的汽缸蓋和氣缸體裂紋故障，分析汽缸蓋和氣缸體過度磨損的原因，提出相應(yīng)的預(yù)防措施和對策，并結(jié)合實例對活塞環(huán)的日常管理和維護(hù)提出切實可行的管理建議。
一、產(chǎn)生裂縫的主要原因分析
汽缸蓋的工作條件比較惡劣，其底部直接與高溫、高壓燃?xì)饨佑|、承受較高的機械負(fù)荷、熱負(fù)荷和腐蝕作用。當(dāng)管理不當(dāng)時，就會使燃燒室的工作條件更加惡化，導(dǎo)致汽缸蓋的局部出現(xiàn)裂紋。由汽缸蓋所起的作用和它所處的位置可以知道，汽缸蓋受到螺栓預(yù)緊力和缸套的反力的作用，其冷卻水腔還受到水的腐蝕。汽缸蓋由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，金屬分布不均，各部位的溫差很大，因此承受著很大的、分布不均勻的機械應(yīng)力和熱應(yīng)力，是柴油機的主要易損部件之一。由于氣缸蓋材料（層狀石墨鑄鐵GJL-300）原本不存在于EDF的數(shù)據(jù)庫中，因此該材料的熱力學(xué)參數(shù)必須通過實驗從反應(yīng)堆中廢棄氣缸蓋上采集的樣品中提取。EDF在20℃，220℃ 和420℃ 下對氣缸蓋材料進(jìn)行了單向拉伸實驗、循環(huán)拉/壓實驗和疲勞裂縫發(fā)展實驗，并獲得了相應(yīng)的材料力學(xué)參數(shù)。參數(shù)曲線如圖1、圖2所示。
1、冷卻不良
（1）由于汽缸蓋冷卻水側(cè)結(jié)垢及鐵銹等，使得觸火側(cè)的溫度上升，若周期性地與吸入低溫的掃氣空氣相接觸即產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致在汽缸蓋閥孔邊緣處產(chǎn)生裂紋。
（2）冷卻水流通不良或形成氣袋，無法使空氣或蒸汽逸出，則會造成局部過熱的狀態(tài)，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力。
（3）冷卻水溫調(diào)整不當(dāng)或停機后過早中斷冷卻水循環(huán)。
通常冷卻水中含有溶解氧，水溫升高時即分離而出，倘若冷卻水的溫度再上升，則急速蒸發(fā)而產(chǎn)生蒸汽，若無法由逸氣管排出，則在水流緩慢處滯留，形成氣袋。如果有由于失誤或自動溫度調(diào)整閥的動作不良，而使冷卻水出口溫度超過95℃時，溫度就會急速上升而接近沸點，故在冷卻水接近95℃以前應(yīng)立即減車，以確保柴油機的安全。
2、爆發(fā)壓力過高
（1）由于船底污穢或螺旋槳效率降低等導(dǎo)致阻力增加，以及主機長期使用后功率下降時，而欲維持原功率，將油門開度增加，結(jié)果將造成柴油機超負(fù)荷運轉(zhuǎn)，導(dǎo)致爆發(fā)壓力過高。
（2）暖機或壓縮壓力不足而欲啟動主機時，因加大噴油量導(dǎo)致缸內(nèi)積油過多，或在更換噴油器或噴油泵后，泵油驅(qū)氣使活塞頭頂部積留燃油，在啟動時一次點燃而產(chǎn)生爆震，使安全閥跳開而導(dǎo)致爆發(fā)壓力過高。
（3）噴油器不良、噴油泵定時不當(dāng)?shù)仍斐傻牟徽Ｈ紵?，?dǎo)致在燃燒室內(nèi)發(fā)生爆震，同時爆發(fā)壓力異常升高，導(dǎo)致柴油機發(fā)生震動，冷卻水側(cè)的肋骨及水流導(dǎo)向肋等的應(yīng)力值增加，致使熱應(yīng)力及機械應(yīng)力增加。
3、熱負(fù)荷過大
（1）柴油機因長時間超負(fù)荷運轉(zhuǎn)，導(dǎo)致缸蓋過熱；或因各缸的功率不均，使某缸超負(fù)荷運行。
（2）噴油器性能不良，致使噴射燃燒不良使缸蓋觸火側(cè)積炭，使得缸蓋底面的溫度過熱產(chǎn)生裂紋。
（3）排氣閥漏泄使閥座附近產(chǎn)生局部過熱，致使閥孔的圓周邊緣附近或閥盤周沿邊緣產(chǎn)生裂紋。
4、腐蝕
由于汽缸蓋冷卻水側(cè)的腐蝕及觸火側(cè)的燒損而使汽缸蓋壁的厚度減少時，材料強度減弱，應(yīng)力增加而致破裂。例如，汽缸蓋厚度由39mm減至30mm時，則應(yīng)力增加30%。
（1）冷卻水側(cè)腐蝕
冷卻水處理不當(dāng)所致的酸性腐蝕及堿性脆化，不同材料間不同的電位差，經(jīng)由冷卻水構(gòu)成通路的電化學(xué)腐蝕，以及引導(dǎo)水流的導(dǎo)向板損壞，使水流沖擊造成漩渦現(xiàn)象的侵蝕等，以上因素若未加以適當(dāng)處理，均會導(dǎo)致汽缸蓋裂紋。
（2）燃?xì)庥|火側(cè)腐蝕
由于燃油中含有硫，燃燒后成為SO?，而SO?氧化變?yōu)镾O?，若與燃燒室內(nèi)水分化合即成硫酸，造成酸性腐蝕，此即為低溫腐蝕。
柴油機運轉(zhuǎn)時，燃燒室中的高溫高壓燃?xì)庵苯优c燃燒室組成零件——汽缸蓋及其上的閥件、汽缸套和活塞組件接觸，燃?xì)庵心承┑腿埸c灰分熔化并附著在零件金屬表面上，在高溫下發(fā)生化學(xué)作用使零件表面受到破壞的化學(xué)腐蝕，稱為高溫腐蝕或釩腐蝕。
（3）汽缸蓋外側(cè)腐蝕
在缸蓋裂紋原因中已提到，由于目前的劣質(zhì)燃油中含有很高成分的硫分，其在燃燒后形成SO?，如接觸較低溫的金屬表面（露點以下），則與水分形成亞硫酸，從而造成低溫腐蝕，結(jié)果在汽缸蓋外側(cè)示功閥孔及啟動閥附近表面引起腐蝕。
（4）水套穴蝕
穴蝕是快速運動或振動的表面及其附近因壓力和溫度變化，引起真空小氣泡突然破裂而剝離金屬材料表面層的腐蝕現(xiàn)象，氣缸在水套部位的嚴(yán)重穴蝕可以導(dǎo)致氣缸破裂。
5、安裝不當(dāng)
當(dāng)安裝汽缸蓋緊固螺帽時，如未能適當(dāng)平均上緊或過度上緊，就會產(chǎn)生局部應(yīng)力，降低材料強度。在缸蓋結(jié)構(gòu)上有一點要注意的就是：上下部接合時的預(yù)緊應(yīng)力可防止發(fā)火時受到過大震動應(yīng)力，如果長久使用或預(yù)緊不當(dāng)，則在缸蓋上下部的接合松動后，燃?xì)鈮毫⑹怪饎佣a(chǎn)生過度的應(yīng)力，導(dǎo)致破裂。
6、操作不當(dāng)或疏忽
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，柴油機設(shè)計、制造技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。因設(shè)計不合理、材料內(nèi)部缺陷和加工制造原因等造成汽缸蓋裂紋的現(xiàn)象已經(jīng)很少見，因此造成汽缸蓋裂紋的主要原因是輪機管理人員的技能不足、疏忽或操作不當(dāng)，而且多發(fā)生在四沖程柴油機上。由材料的熱應(yīng)力可知，溫度梯度越高，熱應(yīng)力越大。因此若高溫的金屬零件表面突然冷卻，該部分金屬將迅速收縮而產(chǎn)生巨大拉應(yīng)力以至于破裂。在缸蓋上因熱應(yīng)力而產(chǎn)生的破裂通常都是沿圓周方向伸長的，因突然的溫度變化而造成，其主要原因有以下幾方面：
（1）冷卻水控制不當(dāng)導(dǎo)致溫度突降。
（2）冷卻水失壓導(dǎo)致冷卻中斷或水中有氣體。
（3）未適當(dāng)暖機就啟動主機。
（4）汽缸蓋遭受液擊。
7、設(shè)計、材料和鑄造不良
（1）由于機械應(yīng)力和熱應(yīng)力與金屬壁厚度成相反的比例，較薄型厚度柴油機的機械應(yīng)力大，過厚則熱應(yīng)力過高，因此厚薄的設(shè)計以及其他的安排有賴于設(shè)計者的優(yōu)化。
（2）隨著最高爆發(fā)壓力的增加及主機轉(zhuǎn)速的降低，對材料的要求也愈加嚴(yán)格，若選用材料不當(dāng)，機械強度不夠，無法承受工作負(fù)荷，就會造成裂紋。
（3）因高溫鑄造過程所產(chǎn)生的殘余熱應(yīng)力，以及局部有鑄造應(yīng)變留存或有砂孔等鑄造缺陷存在，其產(chǎn)生的應(yīng)力有時大過缸內(nèi)爆發(fā)壓力若干倍，在其內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，是造成裂紋的潛在因素。
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柴油機往復(fù)荷載下氣缸蓋材料的應(yīng)力變化 |
柴油機氣缸蓋材料的裂縫發(fā)展速率 |
二、裂紋的特征和檢測方法
柴油機氣缸蓋的材料多為鑄鐵，氣缸蓋上裝有進(jìn)、排氣門，噴油嘴等各種零部件，構(gòu)造復(fù)雜，直接接受高溫燃燒氣體的壓力作用，產(chǎn)生高機械應(yīng)力及熱應(yīng)力，特別是正對燃燒室的缸蓋中心部位，熱負(fù)荷非常大。由于在中心部位布置冷卻水套的困難性大，往往使水道狹窄、水流不暢。如果設(shè)計不妥或鑄件質(zhì)量不高，在此鼻梁三角帶有飛邊、粘砂等的堵塞，則會致使此處冷卻條件很差，使燃燒產(chǎn)生的高熱不能很快散出，造成局部溫度急劇上升，超過材料所允許的耐熱范圍而產(chǎn)生熱疲勞裂紋。缸蓋裂紋示例如圖3、圖4所示。
1、裂紋的特征
汽缸蓋內(nèi)部的非穿透性裂紋一般通過對汽缸蓋及其閥件進(jìn)行打開檢查才能發(fā)現(xiàn)，并采用無損探傷法進(jìn)行檢驗，以確定裂紋的部位和性質(zhì)。通常當(dāng)汽缸蓋出現(xiàn)穿透性裂紋時有如下特征：
（1）啟動前吹車時，示功閥有水汽或水珠噴出。
（2）對于二沖程柴油機，打開汽缸檢查口并盤車，可以發(fā)現(xiàn)活塞頂部有積水。
（3）汽缸冷卻水耗量明顯增加。
（4）膨脹水柜有大量氣泡。
（5）汽缸冷卻水出口溫度高。
（6）四沖程柴油機的油底殼中水分明顯增加。
2、裂紋檢測方法
檢查氣缸體、氣缸蓋的裂紋時，應(yīng)首先將氣缸體、氣缸蓋各表面清洗干凈，并清除缸體缸蓋內(nèi)的積炭，然后檢查缸體、缸蓋表面是否有裂紋現(xiàn)象。檢查裂紋可用目視法、水壓法和染色法三種。
（1）目視法
即將清洗后的缸體、缸蓋用眼睛仔細(xì)檢查，可看出裂紋比較明顯的部位，以便有針對性的修復(fù)。
（2）水壓法
則是將氣缸蓋、氣缸墊裝于氣缸體上，將蓋板裝于氣缸體前壁進(jìn)水口處，并用水管與水壓機連通，封閉其他各水道口，將水以300-1000kpa的壓力壓入水套，并保持5min，檢查表面有無滲漏現(xiàn)象，如有滲漏則該處有裂紋。
（3）染色法
將染色滲透劑噴于被檢查的部位，片刻之后將其擦干，如果滲透劑滲入內(nèi)部則說明該處有裂紋存在。
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圖3 柴油機氣缸蓋裂紋示例圖 |
圖4 柴油機氣缸蓋氣門橋開口裂縫模擬圖 |
三、修補和更換方法
1、裂紋修補法
缸蓋裂紋的修理，要根據(jù)裂紋的大小、產(chǎn)生的部位和氣缸蓋的材料而定。通過各種檢驗，一旦發(fā)現(xiàn)氣缸蓋底面和其他部位有裂紋時，不管是多么細(xì)小的裂紋，都要用鉗工銼、風(fēng)砂輪、電動砂輪或油石等工具進(jìn)行徹底清除，否則這些小裂紋就會很快擴展，以致裂穿。對于氣缸蓋上的細(xì)小裂紋，經(jīng)過徹底消除，可以繼續(xù)使用。如果裂紋比較嚴(yán)重，則只能更換新的氣缸蓋。但是為了應(yīng)急或延長修理期，可采取以下幾種方法進(jìn)行修理：
（1）機膠粘接法
① 做好表面準(zhǔn)備工作，主要包括除油、除銹、打止裂孔等。用化學(xué)或有機溶液清洗除油，用粗砂紙清除裂縫周圍的鐵銹，打磨寬度約為30mm,長度超過裂縫兩端點30mm左右，用鏨子沿裂縫鏨寬為3mm、深為2mm的V形槽，并在裂縫兩端鉆止裂孔。
② 用清洗劑清洗裂縫周圍，待干后，再用酒精擦洗一遍；調(diào)配農(nóng)機1#膠；用調(diào)好的膠先填充止裂孔及V形槽，并在槽的周圍及預(yù)先準(zhǔn)備好的布上涂上膠液，把布條粘在裂縫上，在滲漏嚴(yán)重的地方，用同樣的方法粘第二條。
③ 在布條的外面再均勻的涂上一層膠，處理完后24小時柴油發(fā)電機組便可以使用。
（2）裁絲法
對于單裂紋常用此方法。具體操作步驟如下：
① 鉆孔，用φ3～φ5的鉆頭先在裂縫兩端鉆出止裂孔，止裂孔距離裂縫3～5mm左右，然后沿裂縫線每隔2～4mm鉆孔；在鉆好的孔上攻絲；然后將準(zhǔn)備好的紫銅棒螺釘旋入螺孔中，在高出氣缸面2mm處截斷紫銅棒螺釘，依次旋入各螺孔；完成后，在裂縫線上未鉆孔處再次重復(fù)以上工序，繼續(xù)鉆孔、攻絲、旋入紫銅棒螺釘，在整個裂縫線上形成一條螺釘鏈。
② 用小錘輕巧紫銅棒螺釘突出部分，使其鉚平并咬緊缸面，用水壓法檢查裂紋處是否漏水，如有輕微漏水現(xiàn)象，可再繼續(xù)輕巧漏水處的紫銅棒螺釘。
（3）電焊法
用φ4mm的鉆頭先在裂縫兩端鉆出止裂孔，止裂孔距離裂縫3～5mm左右，沿裂縫開V形坡口槽，槽深以不超過機體2/3為宜。用φ4mm的雙金屬焊條或在加熱情況下用鑄鐵焊條焊補。為防止焊縫周圍發(fā)生變形，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，可在焊道紅熱時用鑿口錘敲打焊縫，以消除焊渣。對于長裂縫，可采用分段焊的方法，一般以20～30mm長度為宜，若裂紋過深，可采用多層堆焊的方法，保證焊縫質(zhì)量。冷卻后，檢查焊縫質(zhì)量。合格后，進(jìn)行磨削加工。
（4）應(yīng)急修理
在氣缸蓋底面裂紋嚴(yán)重，造成內(nèi)側(cè)漏水時，但又無備件更換，此時可采取應(yīng)急修理的措施。即沿裂紋鏟一條溝，鑲?cè)脬U皮或銅片，或者旋入涂有白鉛油的螺栓，將露出部分切平，平直地敲打端面以阻止漏水。
2、更換汽缸蓋步驟
缸蓋經(jīng)長期使用后，會逐漸曲變形，必須進(jìn)行修磨，使其平面度允差恢復(fù)，如圖5所示。若安裝面不進(jìn)行研磨，否則不但會因漏氣而沖壞缸墊，同時可燃?xì)馔庑挂矔垢咨w局部過熱，并容易產(chǎn)生裂縫。另外，缸蓋螺栓要按規(guī)定擰緊，以確保缸蓋的密封。缸套裝配過程中，若沒有嚴(yán)格按照裝配工藝規(guī)范，強行裝合，易使缸體內(nèi)部積聚過大的殘余應(yīng)力，產(chǎn)生裂紋。氣缸蓋步驟示意圖如圖6所示。
（1）在氣缸內(nèi)塞入干凈抹布，以免污物等進(jìn)入缸壁和活塞間。同時也不要讓污物進(jìn)入冷卻液中。
（2）清潔缸蓋和缸體的密封表面，注意不要形成拉長的小溝或刮痕（使用砂紙粒度不得低于100）。
（3）用抹布仔細(xì)擦掉研磨殘余物。
（4）將第一缸活塞設(shè)置在上死點，并反向旋轉(zhuǎn)曲軸。
（5）鋪上氣缸密封墊：注意箭頭所示的定位銷；注意密封墊安裝位置，應(yīng)在進(jìn)氣側(cè)讀出零件號。
（6）裝上缸蓋。
（7）安上缸蓋螺栓并用手?jǐn)Q緊。
3、防止出現(xiàn)裂紋的預(yù)防措施
（1）汽缸冷卻水應(yīng)隨時保持微堿性，使冷卻水pH值保持在8~9之間，以防止腐蝕。
（2）保持冷卻水量的正常，保持穩(wěn)定水溫及進(jìn)出口溫度，以及防止冷卻水泵失壓等。
（4）加強燃油凈化，避免含有水分的燃油進(jìn)入汽缸，以免產(chǎn)生硫酸，造成酸性腐蝕。
（6）及時保養(yǎng)噴油器及噴油泵，以免造成霧化不良引起爆壓過高，并確保噴油定時的準(zhǔn)確及汽缸冷卻水溫度適當(dāng)。
（7）避免長期超負(fù)荷運轉(zhuǎn)，以免產(chǎn)生過熱現(xiàn)象。
（8）要按時打開缸蓋及活塞以清潔燃燒室并檢查。
（9）在上緊缸蓋固定螺栓（帽）時，應(yīng)按照廠家規(guī)定力矩數(shù)值上緊，且力求各螺帽力矩的均勻。
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圖5 柴油機汽缸蓋的安裝面研磨 |
圖6 柴油機氣缸蓋安裝步驟示意圖 |
總結(jié)：
氣缸蓋發(fā)生裂紋的原因大多由于缸蓋處于不正常的高溫下工作產(chǎn)生的熱應(yīng)力所致。當(dāng)溫度超過鑄件的臨界溫度時，材料的抗螨變強度下降，產(chǎn)生塑性變形，這是產(chǎn)生殘余拉伸應(yīng)力的主要原因，而殘余拉伸應(yīng)力的存在是缸蓋產(chǎn)生熱疲勞裂紋的癥結(jié)所在。由此，發(fā)動機在使用過程中，缸蓋鼻梁部位的金屬不斷地拉縮，最終造成疲勞損壞，即熱疲勞，導(dǎo)致大部分缸蓋裂紋都產(chǎn)生在鼻梁部位，即進(jìn)、排氣門之間，或噴油嘴座孔和進(jìn)、排氣門座孔之間，造成氣缸漏氣、漏水，燒壞缸墊，降低發(fā)動機的經(jīng)濟性、動力性，甚至發(fā)生重大事故。因此，本文從柴油機氣缸蓋的結(jié)構(gòu)、材料及工作狀況，分析氣缸蓋產(chǎn)生裂紋的部位和原因，并探討預(yù)防裂紋的措施，在實踐中尋找快速修復(fù)氣缸蓋裂紋的方法。
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