摘要：所谓湿式缸套的穴蚀，是指柴油发电机使用一段时间后，在气缸套外表面沿连杆摆动方向两侧出现的蜂窝状的孔群。湿式缸套直接与冷却液接触，不可避免地逐渐被穴蚀。本文系统阐述湿式缸套穴蚀的机理、主要原因及预防措施，为用户提供气缸套穴蚀故障的防治技术参考。
一、气蚀现象的主要原因
气缸套的材料一般为灰铸铁、球墨铸铁、高磷合金铸铁等，这些材料硬度大、脆性也大，尤其是磷元素的存在，削弱了材质的韧性。在高速高压水的冲击下，首先是将材质中的石墨击落，削弱了其强度，如此周而复始、层层蚕食、步步剥落，直至击穿。此外，从金属材料的金属组织上看，缸套内部结构以珠光体为主，其内均匀布满片状石墨，这种石墨不但削弱了基体的连贯性和强度，而且在周期性应力的作用下，还起着对金属的切削和割裂作用，瓦解基体，造成许多应力集中点，危害很大。
1. 材质因素
汽缸套的材料一般为灰铸铁、球墨铸铁、高磷合金铸铁等，这些材料硬度大、脆性也大，尤其是磷元素的存在，削弱了材质的韧性。在高速高压水的冲击下，首先是将材质中的石墨击落，削弱了其强度，如此周而复始、层层蚕食、步步剥落，直至击穿。此外，从金属材料的金属组织上看，缸套内部结构以珠光体为主，其内均匀布满片状石墨，这种石墨不但削弱了基体的连贯性和强度，而且在周期性应力的作用下，还起着对金属的切削和割裂作用，瓦解基体，造成许多应力集中点，危害很大。
2. 热交换速度
（1）从结构上看，气蚀产生的部位，正是冷却水空间通道最狭窄处，根据流体理论，这里的流速最大，热交换量也最高，区域内压力小，助长了气泡产生的数量和速度。
（2）从腐蚀带的长度看，正处于柴油机燃烧膨胀冲程活塞所对应的位置，宽度也与高温区相对应。为此认为温度是产生气蚀的重要原因，腐蚀带在活塞上、下死点附近，因温度相对低，腐蚀不明显，得益于缸套距支撑近。
3. 振动因素
小型柴油机采用湿衬，湿体无十字头高速机，其缸套只有两处支撑，而其下支撑是橡胶水密封圈，所以气缸套的整体刚性是打折扣的。两处支撑之间的距离在1.5倍缸径以上，为此很多因素会造成缸套的颤动，如运动件（尤其是往复运动）的撞击，气缸内压力的变化，活塞换向过程对气缸套施加的周期性压力改变等。这些现象配以气缸套因温度改变而产生的伸缩，势必造成缸套形体周期性的改变，时胀时缩，在冷却水空间不间断地产生瞬间的高压区和低压区。当低压区的压力低于该温度下的汽化压力时，冷却水就会汽化，同时溶解在水中的气体也会游离出来，在缸套的外表面形成许多微小的气泡（在冷却水温度为90 ℃时，只要压力低于0.07 MPa，就会产生汽化现象）。随着水的流动和周期性高压区水的补充，气泡将会被动力很大的水流击破，同时殃及气缸套。活塞的膨胀冲程，对气缸套的承压方向撞击力最强，为此气蚀最易发生在这条纵线上，而与此相对的非活塞摆动压力面上，振动压力小，就不易产生气蚀现象。综合地讲，以上各种因素相辅相成、互为促进，对高速柴油机来说，都是气蚀产生的重要原因。
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图1 缸套外径表面穴蚀示意图 |
图2 气缸套穴蚀现象放大图 |
二、穴蚀原因分析
柴油发电机缸套产生穴蚀有内因和外因（如图3所示），由于缸套本身存在微观的小孔、裂缝或沟槽，这是材料本身或在加工制造过程中存在的缺陷，我们称之为内因；而外因主要是由于缸套的振动。
1. 缸套振动与气泡生成机理
（1）在柴油发电机运转的过程中，活塞在曲柄连杆机构的作用下，在缸套内作往复运动，其侧推力的方向亦发生周期性的变化。由于柴油发电机汽缸套与活塞之间存在着间隙，使活塞在横向摆动时具有冲击性，这种冲击性引起缸套产生强烈的振动。活塞在侧推力的作用下不断地撞击气缸壁的左右两侧，从而引起缸套的高频振动，缸套的高频振动和气缸壁的弹性变形使冷却水空间的容积交替地增大和减小，冷却水也相应地被交替膨胀和压缩，膨胀时受拉伸作用形成瞬间低压，压缩时空间变小形成瞬时高压。
（2）冷却水在流动时有时会产生漩涡，使冷却水在通道内的压力也会产生变化形成瞬时的高压和低压。在低压的瞬时，局部地区会发生变化，使得其间充满水蒸气，并从水中分离出气泡，而在高压的瞬时气泡被压缩而破裂并产生极强的压力冲击波，其压力可高达数千个大气压（约100～500 MPa），作用在缸套的金属表面，使金属表面受到损伤。
（3）随着活塞的循环往复运动，这样的高压反复冲击缸套外壁，造成缸套外壁的金属疲劳脱落，大量的金属疲劳脱落在缸套外壁形成麻点状的密集孔穴群，从而造成柴油发电机缸套的穴蚀。穴蚀的严重程度与缸套振动加速度成正比——振动加速度越大，气泡溃灭时的冲击能量越高，金属剥落速率越快。
2. 热力效应与局部高温
（1）缸套振动能量除转化为冲击波外，还有相当一部分转化为热能。液体间摩擦和空泡破裂时产生的大量热量，使缸套表面局部温度急剧升高，局部高温可以达到熔化状态（瞬间温度可达800～1000 ℃），使金属表面发生微区熔化和热疲劳。
（2）在高压冲击波和局部高温的共同作用下，缸套外壁金属发生热-力耦合疲劳，表面产生微裂纹，冷却液渗入裂纹后进一步加剧裂纹扩展，最终导致金属颗粒剥落，形成穴蚀的初始针孔。
3. 电化学腐蚀的加速作用
（1）柴油发电机循环冷却水由于世界各个供应地区的不同会呈弱酸、弱碱性或盐溶质的弱电解质溶液，这些与缸套外壁金属接触的弱电解质溶液跟缸壁上的金属和杂质或碳，一起形成无数的微小原电池。缸壁上的金属颗粒为正极，杂质（或碳）为负极的原电池会发生电化学反应，导致柴油发电机缸套的电化学腐蚀。
（2）在气缸套与缸体的接触处，由于水流相对缓慢，冷却水的温度较高，氧的溶解度也较小，冷却水中含氧浓度不同形成的氧浓差现象也会加速柴油发电机缸套的电化学腐蚀。腐蚀产物（如铁锈）在缸套表面形成疏松层，进一步降低了表面的抗冲击能力。
（3）穴蚀产生的针孔和粗糙表面为电化学腐蚀提供了更大的反应面积，而电化学腐蚀产生的腐蚀坑又成为新的气泡成核点，两者形成“穴蚀-腐蚀”的恶性循环，加速了缸套的破坏进程。
4. 穴蚀的物理模型与临界条件
一般认为，穴蚀由缸套高频振动引起（如图4所示）。机械振动引起冷却液压力变化，使冷却液中产生气泡并破裂，此过程就是穴蚀产生的原因。由于冷却液中溶有气体，当气缸高频振动使冷却液的局部压力降到某一临界值时，溶于冷却液中的气体便以气泡的形式分离出来，这些气泡流到高压区，当压力超过气泡压力时便发生溃灭。处于气泡状态的气体重新液化或溶于冷却液中，体积骤然减小，冷却液向气泡中心高速运动而产生水击现象，产生极大的冲击力和高温，并以压力波的形式超音速向四周传播，当作用在气缸套外表面时，产生很大的冲击、挤压和高温。在这种力的反复作用下，柴油发电机的缸套外表面产生疲劳而逐渐脱落，呈麻点状和针状小孔，并随着穴蚀的进行而逐渐扩展。
穴蚀的临界条件可表述为：缸套振动加速度 （临界加速度）且冷却液温度 （临界温度，约50～60 ℃）时，穴蚀速率显著加快。转速越高、负荷越大、冷却液温度越低，穴蚀越严重。
5. 穴蚀的危害程度
有时柴油发电机的气缸内壁尚未使用到磨损极限，即被穴蚀所击穿。如果气缸套被穴蚀击穿，就会产生比较大的危害：例如水进入气缸导致冷却液与机油混合乳化，严重时柴油发电机盘车不动（因水不可压缩，活塞上行时被液锁）。穴蚀是决定湿式缸套使用寿命的关键因素之一，在缸套内壁磨损量还很小的情况下，外壁的穴蚀孔可能已贯穿缸壁，造成发动机报废。
当前，对气缸套的穴蚀还缺少行之有效的解决方法，只能采取一些方法或措施来预防或减少穴蚀对气缸套的破坏作用。
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图3 缸套穴蚀产生的原因 |
图4 活塞高频振动现象 |
三、预防措施
1. 制造方面的措施
（1）在柴油发电机的水套侧壁涂防穴蚀材料和吸振物质，通过在缸套外壁涂覆环氧树脂、聚氨酯等弹性材料涂层，可吸收气泡溃灭时的冲击能量，有效减缓穴蚀的萌生和扩展。
（2）提高气缸套外表面的硬度。通过表面淬火、渗氮或镀铬等热处理工艺，提高缸套外壁的硬度，增强其抵抗气泡冲击的能力。
（3）尽量降低外表面的粗糙度。将缸套外壁的粗糙度降至Ra≤0.8 μm，可减少气泡在表面缺陷处的成核几率，降低穴蚀敏感性。
（4）选用抗穴蚀能力强的材料。采用含镍、铬、钼等合金元素的合金铸铁，改善材料的微观组织，提高其抗疲劳和抗穴蚀能力。
（5）用合适的气缸套壁厚，增加其刚度，以避免共振。适当增加壁厚可提高缸套的固有频率，避开发动机主要激振频率，减少共振幅值。
（6）尽可能地减小活塞与气缸套之间的间隙，活塞撞击缸壁的能量是活塞横摆时接触缸壁瞬间的横向速度与其质量所决定的。减小活塞与气缸套之间的间隙可以大大降低撞击时的速度，从而达到降低撞击能量的目的。具体措施包括：
● 提高活塞的加工精度；
● 采用膨胀系数大致相同的材料制造活塞和缸套；
● 对活塞进行有效冷却等都可以使活塞和缸套之间的间隙减小。但是要注意，间隙的减小始终要受到可能发生拉缸的限制。
● 尽量采用长裙活塞以减小活塞横摆时的倾角，减轻活塞横摆时的倾倒，从而减小活塞的倾覆力矩，增加活塞与缸壁的接触面积，可以显著降低气缸套的振动强度。
● 增加缸套的壁厚，缩短气缸套支承间的跨距，增加辅助支撑等方法来提高气缸套的刚度。
2. 维修和保养方面措施
（1）按规定更换冷却液，并及时清洗冷却系统，使冷却系统经常保持良好的技术状态。建议每运行2000小时或2年更换冷却液，清洗冷却系统内部的水垢和沉积物，确保冷却水流通顺畅。
（2）按规定调整供油提前角及燃料系统各总成，保持燃料系统工作性能，减轻不正常燃烧造成的危害。供油提前角偏差过大会导致燃烧粗暴，增加活塞侧向撞击力，加剧缸套振动。
（3）保持良好的配缸间隙、曲轴轴承间隙和连杆轴承间隙，以减轻敲缸和振动。定期测量并调整各配合间隙，使其保持在维修手册规定的范围内。
（4）安装气缸套、活塞、连杆等机件时，要尽量达到垂直度、平行度的要求，减小活塞对气缸套的不正常冲击。装配时应使用专用工具，确保各零件的相对位置精确。
（5）减小气缸套的振动——尽量减小活塞与气缸及气缸套与气缸体之间的配合间隙。配合间隙越小，活塞横摆幅度越小，撞击能量越低。
（6）减轻活塞重量。采用铝合金活塞或优化活塞结构设计，减轻往复运动质量，可降低活塞换向时的惯性力，减小对缸套的冲击。
（7）在重量和结构允许的情况下，适当选用厚壁缸套以及改善曲轴平衡效果等来减小气缸套的振动。
（8）提高气缸套的抗穴蚀能力——采用较致密的材料以及在气缸外壁涂保护层、镀铬和渗氮等方法来提高气缸套的抗穴蚀能力。如图5所示。
（9）在冷却水中加抗蚀剂。就是在冷却液中加注一定量的DCA4（防腐剂），这是康明斯的专利技术，实物如图6所示。这种防腐剂被溶解在冷却液中，并随着液体的流动不断冲刷生成于气缸套外表面的气泡，从而大大降低产生穴蚀的几率。提高了发动机的可靠性和耐久性。以往产生的早期穴蚀就是因为没有补充DCA4，康明斯公司质量部门已有明确的结论。
（10）保持适当的冷却水温度——水温低，穴蚀倾向严重。水温在90 ℃左右为宜，因为水温高时，水中产生气泡，能起到气垫缓冲作用，减轻气泡溃灭时的冲击强度。
（11）设法改善冷却水在水套中的流动状况，冷却水流道应该是畅通的，不存在“死水区”、涡流区和局部狭窄区，同时提高冷却水的压力，并使之维持恒定可以减少或防止水中出现气泡。
（12）在冷却水腔内安装锌块可减轻电化学腐蚀。锌作为牺牲阳极，优先被腐蚀，保护缸套外壁金属不被电化学腐蚀。
（13）在冷却水中加入添加剂，如乳化油缓蚀剂等，使之在缸套外表面形成一层较薄的连续保护膜，这样不仅可以防止电化学腐蚀，而且还可以减弱气泡破裂时的冲击波对缸套表面的冲击作用，从而减轻穴蚀。
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图5 抗穴蚀湿式气缸套技术 |
图6 DCA65L弗列加防锈水 |
总结
湿式缸套的穴蚀是由缸套高频振动、冷却液中气泡的周期性形成与溃灭、材料微观组织缺陷以及电化学腐蚀等多种因素共同作用的结果。穴蚀首先在缸套外壁产生针状孔洞，逐渐扩大为蜂窝状孔群，严重时可导致缸套在未达到磨损极限前即被击穿。预防穴蚀应从制造和维修两方面入手——制造方面可通过选用抗穴蚀材料、提高外壁硬度、降低表面粗糙度、减小配缸间隙和增加缸套刚度等措施；维修保养方面应按规定更换冷却液并添加DCA4防腐剂、调整供油提前角和各配合间隙、保持冷却水温在90 ℃左右、改善冷却水流动状况、安装锌块防电化学腐蚀等。在拆卸气缸套时应注意检查穴蚀情况，若不严重可将气缸套安装方向调转90°（即将穴蚀表面转到与连杆摆动面的垂直方向上）继续使用，否则应更换气缸套。综合应用上述预防措施，可有效延缓穴蚀的进程，延长气缸套的使用寿命。
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