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故障检修与技术维护 |
柴油发电机气缸垫渗油漏水漏水问题分析与维修方法 |
摘要：柴油机气缸垫、气缸盖和缸体装配在一起，缸盖底面与压缩终了时的活塞顶部组成一个密封燃烧室，为了保证密封，在缸盖和缸体之间装有气缸垫。通常，气缸垫采用薄钢板制作而成，其中，水道孔、油道孔、燃烧室密封孔采用橡胶圈与薄钢板硫化粘结，粘接强度≥3 MPa，能有效承受最高燃烧压力达15.5 MPa的冲击，保证燃烧室密封，防止漏水、漏油、漏气。气缸垫失效将导致燃烧室密封不严并造成局部漏气，使高温高压的气体冲出燃烧室，造成气缸套变形，密封阻水圈损坏以及缸盖和缸体之间过梁处受高温高压气体的冲击，导致烧蚀沟痕，致使维修困难或机件报废，这些情况将严重影响柴油发电机的使用经济性及可靠性。
一、案例分析
针对装有康明斯4B3.9系列柴油机的深圳用户，在运行了2000小时后试机时气缸垫与缸体结合面有多处不同程度的油迹。疑是气缸垫失效导致渗漏问题，结合气缸垫、缸盖和缸体的尺寸计算，以及密封结构的安装（如图1所示），通过对该现象进行了分析，并经过试验验证，确定了导致该现象的真实原因，并提出了优化措施，该问题得到解决。
1、现象描述
装有康明斯4B3.9系列柴油机在试机时，发现柴油机气缸垫与缸体结合面处有不同程度的油迹，怀疑是从气缸垫处渗漏。
2、拆检情况
拆卸缸盖前对缸盖螺栓的拧紧力矩进行了检测，满足检验力矩300（N·m），缸盖螺栓裸露部分有机油。拆检后目测检查气缸垫等零部件没有异常，缸体螺栓孔内存有3～4mm机油。
3、原因分析
根据柴油机的工作原理和气缸垫、气缸盖的安装情况，初步分析认为：造成气缸垫和缸体结合面有油迹的原因可能有以下几种：
（1）缸盖螺栓拧紧力矩不足，引起气缸垫渗油漏水，其位置如图2所示；
（2）气缸垫橡胶厚度尺寸设计不合理，密封不严引起渗油漏水；
（3）气缸垫的质量问题，气缸垫外形尺寸、缸垫的硬度和橡胶的变形量不符合设计要求；
（4）安装时缸盖螺栓涂机油较多，随着柴油机的振动和发热，螺纹间隙处的机油流出，造成缸体和气缸垫结合面渗油漏水的假象。
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图1 柴油机气缸盖密封结构图 |
图2 柴油机缸盖和拧紧螺钉位置图 |
二、具体检查
为了进一步确认故障原因，对上述可能的故障原因进行逐一分析、验证。
首先为排除其他零件对气缸垫密封的影响，对3台缸体安装缸套的止口深度尺寸8.9±0.03 mm及3件缸套台肩的厚度尺寸9.02°-0.02mm进行检测，检测结果均符合要求，具体数据见表1。
表1曲轴箱及缸套检测数据单位：mm
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零件名称
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要求值
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检测值
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备注
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曲轴箱
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8.9±0.03
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8.915
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8.92
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8.905
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合格
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缸套
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9.02°-0.02
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9.01
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9.02
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9.02
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合格
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对所有缸盖螺栓的拧紧力矩进行检测，检测结果满足检验力矩300（N·m）的要求，所以可以排除因缸盖螺栓拧紧力矩不足引起气缸垫与缸体结合面渗油漏水的可能。
1、气缸垫橡胶厚度尺寸计算
（1）缸体凸台尺寸8.9±0.03 mm，缸套台肩尺寸9.02°-0.02mm，经计算缸套和缸体安装面间隙为：
δmin=（9.02-0.02）-（8.9+0.03）=0.07（mm）
δmin=9.02-（8.9-0.03）=0.15（mm）
（2）气缸垫密封橡胶厚度为B=t+0.7±0.05mm，计算密封橡胶的实际变形量。由于缸垫上下凸起部分最大各为0.25mm，实际安装时缸垫凸起部分处于压平状态，所以计算橡胶变形量时不考虑缸垫的凸起尺寸。
橡胶厚度最小时：∆min=0.65-0.15=0.5（mm）
橡胶厚度最大时：∆max=0.75-0.07=0.68（mm）
（3）设计的理论变形量
密封橡胶的允许变形量为20%~30%，小于20%密封效果不佳，超出30%属于永久变形。以t=1.6mm的气缸垫为例进行计算，密封橡胶理论允许的变形量：
∆min=（1.6+0.65）×（20%～30%）=0.45~0.675（mm）
∆max=（1.6+0.75）×（20%~30%）=0.47~0.705（mm）
经比较，实际最小变形量为0.5 mm，在理论允许的最小变形量0.45～0.675 mm之间，实际最大变形量为0.68 mm，在理论允许的最大变形量0.47～0.705mm之间，通过计算对比，实际设计的气缸垫的橡胶厚度尺寸B=t+0.7±0.05mm满足性能要求，可以排除由于气缸垫橡胶厚度尺寸设计不合理，导致密封不严，引起渗油漏水。
为了确认气缸垫的质量，质检人员对气缸垫重新进行检测，检测结果：气缸垫外形尺寸符合图样要求，缸垫硬度满足90～120HV，橡胶变形量≤30%，完全符合图样要求，可以排除气缸垫质量问题。
2、检查结论
根据拆检、安装、试验情况可以发现：
（1）缸盖螺栓裸露部分有机油，缸体螺栓孔内存有3～4mm机油，由于装配原因，安装时缸盖螺栓涂机油较多，在此情况下，热机后随着柴油机的振动和发热，螺纹间隙处的机油渗出；
（2）安装时缸盖螺栓涂少量机油，并用油布擦拭，运行3小时后，有少量机油渗出；
（3）安装时缸盖螺栓清理干净，在螺纹端和头部各用手涂抹少量机油，运行3小时后，无油迹渗出。
所以气缸垫标记孔侧和缸体结合面处的油迹是缸盖螺栓孔内的机油渗出。
三、抽检试验
1、台架试验
为了进一步验证气缸垫与缸体结合面渗油漏水的原因，从康明斯售后站出现同样漏油故障的柴油机样板中抽取5台康明斯4B3.9柴油机，在柴油机试验室进行台架验证试验。泄漏试验用工装结构如图3所示，泄漏试验用工具如图4所示。
（1）第一台柴油机磨合30分钟后，3缸左侧开始渗油漏水，磨合完毕后对渗油漏水位置进行清洗，同时发现前端吊环处机油较多，也进行清洗，然后调试交验，性能数据交验合格后发现各缸均有渗油漏水现象。于是再次进行清洗，清洗完毕后柴油机在全速全负荷工况下运行，运行10分钟后4缸出现轻微渗油漏水，继续运行20分钟后1、4、6缸均出现轻微渗油漏水，停机进行清洗，清洗完毕后再次全速全负荷运转，运行15分钟后，1、4、6缸再次出现轻微渗油漏水，但较上次渗油漏水程度有所减轻，且每次所渗出机油均较清澈，停机下台架静置（对最后一次出现的轻微渗油漏水未进行清洗）。
（2）第二台柴油机磨合30分钟后，4缸出现渗油漏水，磨合完毕后对渗油漏水位置进行清洗，然后调试交验，性能数据交验合格后发现1、3、4、5缸均有渗油漏水现象，2、6缸有轻微渗油漏水现象，于是再次进行清洗，清洗完毕后柴油机在全速全负荷工况下运行，运行30分钟后未再出现渗油漏水现象，停机下台架静置。
（3）第三台柴油机磨合20分钟后，2、4缸出现渗油漏水，磨合完毕后对渗油漏水位置进行清洗，然后调试交验，性能数据交验合格后发现各缸均有渗油漏水现象，于是再次进行清洗，清洗完毕后柴油机在全速全负荷工况下运行，运行20分钟后2、4缸出现轻微渗油漏水现象，停机再次进行清洗，清洗后全速全负荷运行40分钟，2缸再次出现轻微渗油漏水，但较上次渗油漏水程度明显减轻，且每次所渗出机油均较清澈。停机下台架静置。
（4）第4台柴油机磨合30分钟后，2缸左侧出现渗油漏水，磨合完毕后对渗油漏水位置进行清洗，然后调试交验，性能数据交验合格后发现2、4、5缸轻微渗油漏水现象，再次进行清洗，清洗完毕后柴油机在全速全负荷工况下运行，运行20分钟后2、4缸再次出现轻微渗油漏水现象，继续全速全负荷运转10分钟后，渗油漏水现象未发生变化，且每次所渗出机油均较清澈。停机下台架静置。
（5）第5台柴油机磨合20分钟后，5缸出现渗油漏水，磨合完毕后对渗油漏水位置进行清洗，然后调试交验，性能数据交验合格后发现5缸有渗油漏水现象、2缸有轻微渗油漏水现象，再次进行清洗，清洗完毕后柴油机在全速全负荷工况下运行，运转20分钟后未再出现渗油漏水现象，停机下台架静置。
2、静置情况
台架验证试验结束后，柴油机下台架静置，第1台柴油机静置约46 h，第2台柴油机静置约30 h，第3台柴油机静置约24h，第4台柴油机静置约6h，4台柴油机静置后，渗油漏水现象与下台架时一致，未发生新的渗油漏水现象。
3、综合分析
根据上述验证情况，针对试验中渗油漏水现象的几个显著特点分析如下：
（1）每次所渗出机油均较为清澈，如是气缸垫密封不严，则渗出的机油应为柴油机内部的机油，其颜色应偏黑色；
（2）清洗之后一次比一次渗油漏水程度减轻，如是气缸垫密封不严，则清洗不会减少渗油漏水的程度，清洗完毕后再次运行柴油机，渗油漏水现象应会继续发生且渗油漏水程度不会减轻；
（3）柴油机静置后渗油漏水现象未再继续发生：如是气缸垫密封不严，则静置时因缸盖内有残余机油，残余机油应会继续渗出。
综上所述，可以确定柴油机气缸垫部位的渗油漏水非柴油机内部的机油，而是柴油机在装配过程中缸盖螺栓刷涂的机油，在柴油机运转过程中随着柴油机的振动及温度的升高，刷涂的机油渗出并沿气缸垫与缸体结合面渗出，造成了气缸垫渗油漏水的假象。
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图3 柴油机气缸体的试漏工装 |
图4 柴油机气缸泄漏测试工具 |
四、解决方案
1、维修措施
为了解决以上渗油漏水问题，可在柴油机上采取以下维修措施：
（1）在安装气缸垫的工位处，配置30mm×25 mm×4mm海绵块，将海绵块浸入机油里，然后取出，并将把机油挤出，放置在工作台上。
注意：安装柴油发电机气缸垫时不能涂润滑脂。
气缸垫是柴油发电机缸体与缸盖之间重要的密封材料，如果在气缸垫上涂润滑脂， 当气缸盖螺栓拧紧时，一部分黄油会被挤压到气缸水道和油道中， 留在缸垫间的黄油在气缸工作时， 由于受高温影响， 一部分会流入气缸燃烧， 另一部分则会形成积炭存于缸体与缸盖的结合面间，在高压高温作用下，极易将气缸垫击穿和烧穿， 造成柴油发电机漏气。因此安装气缸垫时切勿涂抹黄油。
（2）缸盖螺栓的螺纹部分和螺栓头部在浸泡过机油的海面上滚涂机油，滚涂后不允许有滴油现象。
2、维修要求
修复后，更换后的气缸垫应满足以下要求：
（1）在高温、高压燃气作用下有足够的强度，不易损坏；
（2）耐热和耐腐蚀性好，即在高温、高压燃气作用下和在有压力的机油及冷却水的作用下，不会烧损或变质；
（3）具有一定的弹性，能补偿接合面的平面度，以保证密封；
（4）拆装方便，能重复使用，寿命长。
3、气缸垫更换步骤
柴油机气缸垫外形如图5所示，安装示例如图6所示。
（1）在柴油发电机完全冷却以后再拆卸气缸盖。无论是拆卸还是安装气缸盖螺栓，都要按照规定的顺序和扭矩分2~3次拧紧或拧松，绝对不能一次拧到底。有的柴油发电机规定，按规定力矩拧紧后还要拧转紧固螺母90°。按照规范拆卸和拧紧气缸盖螺栓，这是防止因更换气缸垫而造成气缸盖变形的基本措施。
（2）仔细观察旧气缸垫出现毛病的状况，正确找出气缸垫损坏的真正原因，以便进行有针对性的修理。
（3）认真清洗气缸盖与气缸体的结合表面，对于有铁锈和积炭等残留物，要用刮刀、钢丝刷、化学溶剂等加以清除。然后进行安装前的检查和鉴定，一是用直尺和塞尺检查气缸体和气缸盖结合面的平面度，必要时进行磨削处理；二是检查气缸套的凸起量，必须符合各机型的要求，防止气缸垫出现早期损坏；三是在气缸垫上适当涂抹吸纳胶（气缸垫胶）,以提高其密封性。
（4）注意分清气缸垫的正面和反面，不要装错，必须对齐气缸体、气缸垫、气缸盖之间所有的油孔和水道孔。如果装错，气缸垫挡住了气缸体通往气缸盖的机油油道，将会造成气缸盖上的运动零件过早损坏。
（5）气缸盖螺栓经过长期使用后，可能超过了材料的屈服极限，所以更换气缸垫时最好同时更换所有的气缸盖螺栓。
（6）安装完毕，要检查气缸垫是否存在泄漏。新换的气缸垫，在柴油发电机工作10～15h以后，要重新拧紧一次气缸盖螺栓，以保证气缸垫可靠压紧和密封。
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图5 柴油机气缸密封垫结构图 |
图6 柴油机气缸垫安装示意图 |
总结；
在使用以上方法基本可以解决气缸垫处漏水渗油问题，但是实际更换气缸垫中常常出现这样的情况，重新安装并启动试车后，发现气缸盖与气缸体结合部位漏气或漏油，反复调整气缸盖垫片的位置和气缸盖螺栓的紧度都没有效果。这是由于原来的气缸盖垫片在压力和高温的作用下，已经与气缸盖、气缸体的端面形成了紧密的配合关系，不会产生漏气和漏油。但是经过拆卸以后，如果没有放回原来的位置，则原来的紧密配合关系遭到破坏。为此，在拆卸气缸盖垫片前，在发动机的侧边刻画一个记号，在下次组装时，应当对准这个记号，使气缸盖、气缸垫、气缸体恢复原来的对应位置，其实质是让这3个零件上的微观凹凸不平点“对号入座”,再按规定的顺序和扭矩拧紧气缸盖螺栓，就不会发生漏气和漏油了。
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