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故障检修与技术维护 |
柴油发电机汽缸体和缸盖裂纹的修理方法 |
摘要：发动机装配和修理作业中应严格执行工艺要求，如缸盖螺栓未能按规定的顺序和扭矩紧固，紧固力不均匀等，都会导致汽缸盖变形或螺栓孔附近产生裂纹。柴油发电机汽缸盖裂纹的修理，应根据其破裂的程度、损伤的部位及自身修理条件和设备状况，确定其修理方法。需要强调的是若裂纹发生在关键部位，如缸孔边等受力较大的部位时，一般无法修复，应更换汽缸盖。需特别注意的是凡经过修补的缸盖都应进行水压试验，以检查其是否有渗漏现象。
一、气缸盖出现裂纹的常见原因
汽缸盖产生裂纹是汽缸盖较为常见的故障，其中，单个裂纹现象如图1（a）所示，多个裂纹现象如图1（b）所示。大型柴油机汽缸盖裂纹主要发生在底面孔与孔之间和孔的圆角处，即有应力集中的地方，具体产生裂纹的部位则随机型、汽缸盖的结构和材料不同而异；小型柴油机通常在汽缸盖底面进排气阀孔与喷油器孔之间以及阀座面上产生裂纹。汽缸盖产生裂纹的根本原因是热应力和机械应力周期性的作用，具体分析汽缸盖产生裂纹主要有以下几方面原因。
1、结构设计上的原因
汽缸盖底面气阀孔周围之所以常产生裂纹，主要因为该处有较大的表面积，因此，受热膨胀和冷却时收缩速度都较大。例如，柴油机工作一段时间停机后，汽缸盖温度分布变化剧烈，热量通过冷却水和进排气通道迅速散发，所以在气阀孔处容易产生裂缝。再者，由于结构或受力不合理、过渡圆角太小等均会引起过大的机械应力，从而导致裂纹。
2、材料和工艺上的原因。
汽缸盖材料选择不当，质量不符合要求，铸造时没有很好地消除铸造应力，从而导致零件内部有缺陷，从而使汽缸盖在工作时易产生裂纹。
3、装配质量上的原因
汽缸盖螺栓不按规定交叉拧紧，或在发生汽缸盖平面漏气时拧紧该处的螺母来解决，都会造成汽缸盖受力不均匀而产生裂纹。喷油器安装不正确，会引起汽缸盖底面局部变形，增大喷油器孔处所受的拉应力，使之容易产生裂纹。
4、操作和管理上的原因
柴油机长期在超负荷条件下运转或在未充分暖机的情况下突然增大负荷，使汽缸盖从冷态急剧变为热态，或在高温下急剧冷却而产生裂纹。柴油机冷车启动或启动后加速太快，致使汽缸盖底面与冷却面温差过大，热应力增大。故应暖机后再启动，启动后待油、水温度升高后方可加速；频繁启动、停车和长期超负荷运转均会使机械应力和热应力增加；冷却与润滑不足或中断，亦会导致机件过热。
5、维护保养不良的原因
因长期使用，冷却水腔积垢影响散热，产生过大的热应力，从而导致裂纹的产生。实物裂纹示例如图2所示。
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图1 气缸盖裂纹常见部位示意图 |
图2 柴油机气缸盖裂纹实物图 |
二、缸盖裂纹的基础性理论分析
首先可以肯定各缸裂纹的严重程度及裂纹在各缸分布位置及散热条件，与发生时间顺序及各缸布局位置决定的散热特性有关。
缸盖裂纹位置在缸盖的受热表面，几乎所有的裂纹发生在4个气门座之间“鼻梁”处，即在气门座与喷油器孔之间，这一部位全天候承受着燃烧爆发力及高温、高压燃烧混合气体的作用，当其表面温度达到350℃以上时缸盖表面抗蠕变性明显下降(常规理论)，蠕变现象开始出现，这种蠕变(蠕变：固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。)同时开始产生残余应力，由于这种应力的持续与增加将客观呈现蠕变的机理过程或者说是效应： (即沿晶蠕变断裂)、机制(扩散滑移)、形态(缓慢变形)，值得注意的是，由于其蠕变的环境相当复杂，机理也可能出现穿晶及延缩性断裂，以上在硅铝金铸铁中更为常见。
非常值得注意的一个问题是，最有效的防止蠕变的途径就是对零件进行冷却或隔热。所以研究的结果是缸盖的散热是重中之重，必须把缸盖的整体降温与均匀散热作为重点实施项目。汽缸盖常见影响裂纹的因素有：
1、分隔式燃烧室
如涡流室、预燃室等，部分燃烧室布置在汽缸盖内，增加了缸盖的热负荷。而且使缸盖结构复杂，水套布置困难、水道狭窄冷却条件差，缸盖产生裂纹几率较大。
2、半分开式燃烧室
其燃烧室为球形。由于燃烧过程需要强烈的涡流，空气和燃烧产物的旋流，使热量集中在中央，又加上收口的燃烧室将大量的高温燃烧气体喷在缸盖中央鼻梁部位，使鼻梁部位的热负荷特别高。如果水套布置不当，或铸造质量较差，就极易产生裂纹。
3、直接喷射式燃烧室
如ω形燃烧室、浅盆形燃烧室等。这种燃烧室一般空气涡流要求不高，并且是敞口燃烧室，这样燃气不会集中喷刷在缸盖中央，使鼻梁部位得到缓解。而且这种燃烧室喷油嘴布置在正中间，利于4个气门布置。使中间高温区可以布置宽敞的水道，获得良好的冷却条件，此种发动机缸盖产生裂纹几率很小，强化潜力相对较大。
三、爆震对缸盖裂纹的巨大影响
1、爆震的产生
对于柴油机而言，爆震主要来自燃油质量及供油点火时间，燃油质量问题似乎是我们国家目前无法抗拒的，然而燃油的抗爆性能(十六烷值)直接影响着燃烧室相关部件的寿命，燃油的抗爆性能差将导致爆燃，爆燃即爆震，将直接对缸盖、活塞、缸筒、气门，其中对缸盖、活塞的影响最大，常见的后果是导致缸盖裂纹，活塞烧顶；供油点火时间在实践中是最常见的，供油点火时间过早将导致严重爆燃，爆燃是一种非正常的急速燃烧，接近于爆炸的燃烧速度，这将导致燃烧室内部产生异常高温、超高速震动波，为缸盖的蠕变提供了非常有利的条件。
2、燃油执行器及正时执行器与爆震的关系
这两个执行器分别控制燃油喷射量及燃油最佳喷射时刻，它们自柴油机启动即开始持续不断的工作，当达到一定工作时间后由于其内部疲劳磨损，执行精确度将逐渐变差，燃油执行器磨损将导致喷油量过大或过小，导致喷油器雾化性能变差或提前供油，也就是说使柴油机燃烧不充分或点火时间过早，点火时间过早是产生爆震的重要原因，爆震产生的异常高温又给蠕变创造了重要条件，蠕变是缸盖裂纹的根本原因【康明斯公司支持并建议5000hr后更换以上部件】。需要说明的是以上两个执行器性能变差以后没有直接故障码，(与电脑控制幅度有关)唯一的办法必须凭借维修入员的丰富经验，必须对柴油机的烟色，柴油机的爆震异响准确辨别。否则，一旦出现执行器性能变差或失效，将给缸盖裂纹创造重要的有利条件。
3、喷油器与缸盖裂纹的关系
喷油器是柴油机喷油的最终执行元件，直接插入恶劣环境的燃烧室，喷油器性能变差的重要标志是雾化不良、滴沿等现象，这样就会造成异常高浓度混合气集聚在喷油器周围，这个位置恰恰就是我们前文说的“鼻梁”处，从缸盖解剖图中我们可以看出，此处又是制造结构最为薄弱的，那么由于集聚在其周围的异常高浓度混合气体燃烧产生局部异常高温，"鼻梁"处的蠕变将最为严重，目前同行业对喷油器老化更换有着统一共识。通常做法是8000hr更换全部喷油器。
四、产生裂纹后的修补方法
1、环氧树脂胶粘接
环氧树脂胶粘剂由环氧树脂、固化剂、增塑剂、促进剂、稀释剂、填充剂、偶联剂、阻燃剂、稳定剂等组成。其中环氧树脂、固化剂、增韧剂是不可缺少的组分，其他则根据需要决定加否。环氧树脂粘接具有粘接力强、收缩小、耐疲劳等优点，同时工艺简单、操作方便、成本低。其主要缺点是不耐高温、不耐冲击等，而且在下一次修理时，经热碱水煮洗后会产生脱落现象，需要重新粘接。所以，汽缸体和汽缸盖除燃烧室、气门座等高温区域外，其余部位均可采用这种方法进行修复。
2、螺钉填补
这种方法适用于某些受力不大，强度要求小和裂纹范围较短（一般在50mm以下）的平面部位，其修理质量较高，但较费工时。具体的填补工艺如下：
（1）在裂纹两端各钻一个限制孔，以防止裂纹的继续延伸。
（2）沿裂纹钻孔3、4、5，孔的直径视螺纹的直径而定，并保证孔与孔之间重叠1/3孔径
（3）在上述1、2、3、4、5孔中攻出螺纹。
（4）在攻好的螺纹中，拧入预先铰好螺纹的紫铜杆（拧入部分漆以白漆），拧好后切断铜杆，使切断处高出裂纹表面1、1.5mm，如图3所示。
（5）巳在已经切断的螺杆之间钻孔6、7、8、9，按照上述方法攻螺纹并拧入螺杆，使之填满裂纹，形成一条螺钉链。
（6）为使填满紧密起见，应用手锤在已切断的螺杆之间轻轻敲打，最后用锉刀修平，必要时可用锡焊，以防渗漏。
3、补板封补
在汽缸体、汽缸盖受力不大的部位上，如裂纹较长或有破洞时，在破损处的四周采用补板封补，如图4所示。
（1）在各裂纹端部钻孔，限制其延伸。
（2）用3、5mm厚的紫铜板或1.5、2mm厚的铁板，截成与破口轮廓相似，四周大于破口154~20mm的补板。如破裂的表面有凸部分，需在补板上敲出同样凸起形状，使整个补板能与封补部位的表面贴合。
（4）将补板按在破口上，从补板孔中用划针在汽缸体上做出钻孔记号，移去补板后，在记号处钻出深度约10mm的孔，并攻出所需直径的螺纹。
（5）在汽缸体与补板之间，填入涂有白漆的石棉衬垫，然后用平头螺栓将补板紧固在汽缸体上，必要时将补板四周用小锤敲击，并进一步拧紧螺栓，以增加其密封性。
4、焊补
汽缸体与汽缸盖的裂纹，如发生在受力较大或温度较高的部位，以及用以上几种方法不易操作的部位，多采用焊补法修复。其焊补工艺如下。
（1）在裂纹两端各钻一个3~5mm的孔，防止裂纹的延伸。
（2）按具体情况，将裂纹凿成60°~90°的v形槽，并清理干净，露出光泽。
（3）采用电焊时，应使用直流电焊；采用乙炔焊时，应将缸体或缸盖垫平，将焊区缓慢预热至500℃左右，焊补后加热至500~550℃保持1h，然后在不少于16h内缓冷至常温。
5、堵漏剂堵漏
堵漏剂通常是由水玻璃、无机聚沉剂、有机絮凝剂、无机填充剂和粘接剂等组成的胶状液体。适用于铸铁或铝缸体所出现的细小裂纹、砂眼等缺陷的堵漏。采用堵漏剂进行修复裂纹时，应先找出漏水的部位，确定裂纹的长度、宽度或砂眼的孔径。如裂纹长度超过40~50mm时，可在裂纹两端钻3~4m的限制孔，并点焊或攻螺纹拧上螺钉，防止裂纹的延伸。同时，每隔30、钻孔（不钻通），点焊或攻螺纹拧上螺钉，避免工作中的振动使裂纹扩展。若裂纹宽度、砂眼孔径超过0·3mm时最好不用这种方法修复。堵漏剂堵漏仅适用于小裂纹或有微量渗漏时采用。
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图3 气缸盖裂纹螺钉填补法 |
图4 气缸盖裂纹的补板封补法 |
总结：
汽缸盖作为柴油机的固定机件，也是柴油机燃烧室的组成部分。柴油机汽缸盖的结构型式繁多，随机型不同而异。但各种型式的汽缸盖的共同特点是结构复杂，孔道较多，壁厚不均。柴油机汽缸盖不仅结构复杂，而且工作条件、受力情况也十分复杂、恶劣。它不仅受到高温高压气体的强烈作用，而且周期性地承受较高的机械负荷与热负荷，也受到因冷却水造成的局部冷热不匀影响，同时还由于螺栓预紧力使汽缸盖承受着压应力，并与燃气压力共同作用使汽缸盖受到弯曲作用，此外，还在截面变化处容易产生应力集中等。正是由于汽缸盖如此恶劣的工作条件，致使汽缸盖很容易损坏。通常损坏形式为：其底面和冷却水腔容易产生裂纹，还有汽阀底面和导套容易磨损，冷却水侧被腐蚀等。综上所述，主要针对柴油机汽缸盖最经常出现的损坏现象——裂纹，进行详细叙述，分析其裂纹产生原因及其修理、预防措施等。
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