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故障检查与技术维护 |
康明斯柴油发电机的机体和缸盖裂纹的维修方法 |
摘要：气缸盖、气缸体产生裂纹会导致柴油发电机漏气、漏水和漏油。柴油发电机气缸体和气缸盖由于其结构复杂，如果使用不当，容易产生裂缝，而且修复困难。根据康明斯发电机公司数据统计，康明斯气缸盖与气缸体发生裂纹现象多是同于使用维护不当造成的，如长时高负荷运转，热应力过大，而且缸盖裂纹大多发生在气门座附近或水套薄壁处。针对柴油机常见的汽缸盖和气缸体裂纹故障，分析汽缸盖和气缸体过度磨损的原因，提出相应的预防措施和对策，并结合实例对活塞环的日常管理和维护提出切实可行的管理建议。
一、产生裂缝的主要原因分析
汽缸盖的工作条件比较恶劣，其底部直接与高温、高压燃气接触、承受较高的机械负荷、热负荷和腐蚀作用。当管理不当时，就会使燃烧室的工作条件更加恶化，导致汽缸盖的局部出现裂纹。由汽缸盖所起的作用和它所处的位置可以知道，汽缸盖受到螺栓预紧力和缸套的反力的作用，其冷却水腔还受到水的腐蚀。汽缸盖由于结构复杂，金属分布不均，各部位的温差很大，因此承受着很大的、分布不均匀的机械应力和热应力，是柴油机的主要易损部件之一。由于气缸盖材料（层状石墨铸铁GJL-300）原本不存在于EDF的数据库中，因此该材料的热力学参数必须通过实验从反应堆中废弃气缸盖上采集的样品中提取。EDF在20℃，220℃ 和420℃ 下对气缸盖材料进行了单向拉伸实验、循环拉/压实验和疲劳裂缝发展实验，并获得了相应的材料力学参数。参数曲线如图1、图2所示。
1、冷却不良
（1）由于汽缸盖冷却水侧结垢及铁锈等，使得触火侧的温度上升，若周期性地与吸入低温的扫气空气相接触即产生热应力，从而导致在汽缸盖阀孔边缘处产生裂纹。
（2）冷却水流通不良或形成气袋，无法使空气或蒸汽逸出，则会造成局部过热的状态，从而产生热应力。
（3）冷却水温调整不当或停机后过早中断冷却水循环。
通常冷却水中含有溶解氧，水温升高时即分离而出，倘若冷却水的温度再上升，则急速蒸发而产生蒸汽，若无法由逸气管排出，则在水流缓慢处滞留，形成气袋。如果有由于失误或自动温度调整阀的动作不良，而使冷却水出口温度超过95℃时，温度就会急速上升而接近沸点，故在冷却水接近95℃以前应立即减车，以确保柴油机的安全。
2、爆发压力过高
（1）由于船底污秽或螺旋桨效率降低等导致阻力增加，以及主机长期使用后功率下降时，而欲维持原功率，将油门开度增加，结果将造成柴油机超负荷运转，导致爆发压力过高。
（2）暖机或压缩压力不足而欲启动主机时，因加大喷油量导致缸内积油过多，或在更换喷油器或喷油泵后，泵油驱气使活塞头顶部积留燃油，在启动时一次点燃而产生爆震，使安全阀跳开而导致爆发压力过高。
（3）喷油器不良、喷油泵定时不当等造成的不正常燃烧，导致在燃烧室内发生爆震，同时爆发压力异常升高，导致柴油机发生震动，冷却水侧的肋骨及水流导向肋等的应力值增加，致使热应力及机械应力增加。
3、热负荷过大
（1）柴油机因长时间超负荷运转，导致缸盖过热；或因各缸的功率不均，使某缸超负荷运行。
（2）喷油器性能不良，致使喷射燃烧不良使缸盖触火侧积炭，使得缸盖底面的温度过热产生裂纹。
（3）排气阀漏泄使阀座附近产生局部过热，致使阀孔的圆周边缘附近或阀盘周沿边缘产生裂纹。
4、腐蚀
由于汽缸盖冷却水侧的腐蚀及触火侧的烧损而使汽缸盖壁的厚度减少时，材料强度减弱，应力增加而致破裂。例如，汽缸盖厚度由39mm减至30mm时，则应力增加30%。
（1）冷却水侧腐蚀
冷却水处理不当所致的酸性腐蚀及碱性脆化，不同材料间不同的电位差，经由冷却水构成通路的电化学腐蚀，以及引导水流的导向板损坏，使水流冲击造成漩涡现象的侵蚀等，以上因素若未加以适当处理，均会导致汽缸盖裂纹。
（2）燃气触火侧腐蚀
由于燃油中含有硫，燃烧后成为SO₂，而SO₂氧化变为SO₃，若与燃烧室内水分化合即成硫酸，造成酸性腐蚀，此即为低温腐蚀。
柴油机运转时，燃烧室中的高温高压燃气直接与燃烧室组成零件——汽缸盖及其上的阀件、汽缸套和活塞组件接触，燃气中某些低熔点灰分熔化并附着在零件金属表面上，在高温下发生化学作用使零件表面受到破坏的化学腐蚀，称为高温腐蚀或钒腐蚀。
（3）汽缸盖外侧腐蚀
在缸盖裂纹原因中已提到，由于目前的劣质燃油中含有很高成分的硫分，其在燃烧后形成SO₂，如接触较低温的金属表面（露点以下），则与水分形成亚硫酸，从而造成低温腐蚀，结果在汽缸盖外侧示功阀孔及启动阀附近表面引起腐蚀。
（4）水套穴蚀
穴蚀是快速运动或振动的表面及其附近因压力和温度变化，引起真空小气泡突然破裂而剥离金属材料表面层的腐蚀现象，气缸在水套部位的严重穴蚀可以导致气缸破裂。
5、安装不当
当安装汽缸盖紧固螺帽时，如未能适当平均上紧或过度上紧，就会产生局部应力，降低材料强度。在缸盖结构上有一点要注意的就是：上下部接合时的预紧应力可防止发火时受到过大震动应力，如果长久使用或预紧不当，则在缸盖上下部的接合松动后，燃气压力将使之震动而产生过度的应力，导致破裂。
6、操作不当或疏忽
随着现代科学技术的不断发展，柴油机设计、制造技术已经日趋成熟。因设计不合理、材料内部缺陷和加工制造原因等造成汽缸盖裂纹的现象已经很少见，因此造成汽缸盖裂纹的主要原因是轮机管理人员的技能不足、疏忽或操作不当，而且多发生在四冲程柴油机上。由材料的热应力可知，温度梯度越高，热应力越大。因此若高温的金属零件表面突然冷却，该部分金属将迅速收缩而产生巨大拉应力以至于破裂。在缸盖上因热应力而产生的破裂通常都是沿圆周方向伸长的，因突然的温度变化而造成，其主要原因有以下几方面：
（1）冷却水控制不当导致温度突降。
（2）冷却水失压导致冷却中断或水中有气体。
（3）未适当暖机就启动主机。
（4）汽缸盖遭受液击。
7、设计、材料和铸造不良
（1）由于机械应力和热应力与金属壁厚度成相反的比例，较薄型厚度柴油机的机械应力大，过厚则热应力过高，因此厚薄的设计以及其他的安排有赖于设计者的优化。
（2）随着最高爆发压力的增加及主机转速的降低，对材料的要求也愈加严格，若选用材料不当，机械强度不够，无法承受工作负荷，就会造成裂纹。
（3）因高温铸造过程所产生的残余热应力，以及局部有铸造应变留存或有砂孔等铸造缺陷存在，其产生的应力有时大过缸内爆发压力若干倍，在其内部产生裂纹，是造成裂纹的潜在因素。
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柴油机往复荷载下气缸盖材料的应力变化 |
柴油机气缸盖材料的裂缝发展速率 |
二、裂纹的特征和检测方法
柴油机气缸盖的材料多为铸铁，气缸盖上装有进、排气门，喷油嘴等各种零部件，构造复杂，直接接受高温燃烧气体的压力作用，产生高机械应力及热应力，特别是正对燃烧室的缸盖中心部位，热负荷非常大。由于在中心部位布置冷却水套的困难性大，往往使水道狭窄、水流不畅。如果设计不妥或铸件质量不高，在此鼻梁三角带有飞边、粘砂等的堵塞，则会致使此处冷却条件很差，使燃烧产生的高热不能很快散出，造成局部温度急剧上升，超过材料所允许的耐热范围而产生热疲劳裂纹。缸盖裂纹示例如图3、图4所示。
1、裂纹的特征
汽缸盖内部的非穿透性裂纹一般通过对汽缸盖及其阀件进行打开检查才能发现，并采用无损探伤法进行检验，以确定裂纹的部位和性质。通常当汽缸盖出现穿透性裂纹时有如下特征：
（1）启动前吹车时，示功阀有水汽或水珠喷出。
（2）对于二冲程柴油机，打开汽缸检查口并盘车，可以发现活塞顶部有积水。
（3）汽缸冷却水耗量明显增加。
（4）膨胀水柜有大量气泡。
（5）汽缸冷却水出口温度高。
（6）四冲程柴油机的油底壳中水分明显增加。
2、裂纹检测方法
检查气缸体、气缸盖的裂纹时，应首先将气缸体、气缸盖各表面清洗干净，并清除缸体缸盖内的积炭，然后检查缸体、缸盖表面是否有裂纹现象。检查裂纹可用目视法、水压法和染色法三种。
（1）目视法
即将清洗后的缸体、缸盖用眼睛仔细检查，可看出裂纹比较明显的部位，以便有针对性的修复。
（2）水压法
则是将气缸盖、气缸垫装于气缸体上，将盖板装于气缸体前壁进水口处，并用水管与水压机连通，封闭其他各水道口，将水以300-1000kpa的压力压入水套，并保持5min，检查表面有无渗漏现象，如有渗漏则该处有裂纹。
（3）染色法
将染色渗透剂喷于被检查的部位，片刻之后将其擦干，如果渗透剂渗入内部则说明该处有裂纹存在。
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图3 柴油机气缸盖裂纹示例图 |
图4 柴油机气缸盖气门桥开口裂缝模拟图 |
三、修补和更换方法
1、裂纹修补法
缸盖裂纹的修理，要根据裂纹的大小、产生的部位和气缸盖的材料而定。通过各种检验，一旦发现气缸盖底面和其他部位有裂纹时，不管是多么细小的裂纹，都要用钳工锉、风砂轮、电动砂轮或油石等工具进行彻底清除，否则这些小裂纹就会很快扩展，以致裂穿。对于气缸盖上的细小裂纹，经过彻底消除，可以继续使用。如果裂纹比较严重，则只能更换新的气缸盖。但是为了应急或延长修理期，可采取以下几种方法进行修理：
（1）机胶粘接法
① 做好表面准备工作，主要包括除油、除锈、打止裂孔等。用化学或有机溶液清洗除油，用粗砂纸清除裂缝周围的铁锈，打磨宽度约为30mm,长度超过裂缝两端点30mm左右，用錾子沿裂缝錾宽为3mm、深为2mm的V形槽，并在裂缝两端钻止裂孔。
② 用清洗剂清洗裂缝周围，待干后，再用酒精擦洗一遍；调配农机1#胶；用调好的胶先填充止裂孔及V形槽，并在槽的周围及预先准备好的布上涂上胶液，把布条粘在裂缝上，在渗漏严重的地方，用同样的方法粘第二条。
③ 在布条的外面再均匀的涂上一层胶，处理完后24小时柴油发电机组便可以使用。
（2）裁丝法
对于单裂纹常用此方法。具体操作步骤如下：
① 钻孔，用φ3～φ5的钻头先在裂缝两端钻出止裂孔，止裂孔距离裂缝3～5mm左右，然后沿裂缝线每隔2～4mm钻孔；在钻好的孔上攻丝；然后将准备好的紫铜棒螺钉旋入螺孔中，在高出气缸面2mm处截断紫铜棒螺钉，依次旋入各螺孔；完成后，在裂缝线上未钻孔处再次重复以上工序，继续钻孔、攻丝、旋入紫铜棒螺钉，在整个裂缝线上形成一条螺钉链。
② 用小锤轻巧紫铜棒螺钉突出部分，使其铆平并咬紧缸面，用水压法检查裂纹处是否漏水，如有轻微漏水现象，可再继续轻巧漏水处的紫铜棒螺钉。
（3）电焊法
用φ4mm的钻头先在裂缝两端钻出止裂孔，止裂孔距离裂缝3～5mm左右，沿裂缝开V形坡口槽，槽深以不超过机体2/3为宜。用φ4mm的双金属焊条或在加热情况下用铸铁焊条焊补。为防止焊缝周围发生变形，产生内应力，可在焊道红热时用凿口锤敲打焊缝，以消除焊渣。对于长裂缝，可采用分段焊的方法，一般以20～30mm长度为宜，若裂纹过深，可采用多层堆焊的方法，保证焊缝质量。冷却后，检查焊缝质量。合格后，进行磨削加工。
（4）应急修理
在气缸盖底面裂纹严重，造成内侧漏水时，但又无备件更换，此时可采取应急修理的措施。即沿裂纹铲一条沟，镶入铅皮或铜片，或者旋入涂有白铅油的螺栓，将露出部分切平，平直地敲打端面以阻止漏水。
2、更换汽缸盖步骤
缸盖经长期使用后，会逐渐曲变形，必须进行修磨，使其平面度允差恢复，如图5所示。若安装面不进行研磨，否则不但会因漏气而冲坏缸垫，同时可燃气外泄也会使缸盖局部过热，并容易产生裂缝。另外，缸盖螺栓要按规定拧紧，以确保缸盖的密封。缸套装配过程中，若没有严格按照装配工艺规范，强行装合，易使缸体内部积聚过大的残余应力，产生裂纹。气缸盖步骤示意图如图6所示。
（1）在气缸内塞入干净抹布，以免污物等进入缸壁和活塞间。同时也不要让污物进入冷却液中。
（2）清洁缸盖和缸体的密封表面，注意不要形成拉长的小沟或刮痕（使用砂纸粒度不得低于100）。
（3）用抹布仔细擦掉研磨残余物。
（4）将第一缸活塞设置在上死点，并反向旋转曲轴。
（5）铺上气缸密封垫：注意箭头所示的定位销；注意密封垫安装位置，应在进气侧读出零件号。
（6）装上缸盖。
（7）安上缸盖螺栓并用手拧紧。
3、防止出现裂纹的预防措施
（1）汽缸冷却水应随时保持微碱性，使冷却水pH值保持在8~9之间，以防止腐蚀。
（2）保持冷却水量的正常，保持稳定水温及进出口温度，以及防止冷却水泵失压等。
（4）加强燃油净化，避免含有水分的燃油进入汽缸，以免产生硫酸，造成酸性腐蚀。
（6）及时保养喷油器及喷油泵，以免造成雾化不良引起爆压过高，并确保喷油定时的准确及汽缸冷却水温度适当。
（7）避免长期超负荷运转，以免产生过热现象。
（8）要按时打开缸盖及活塞以清洁燃烧室并检查。
（9）在上紧缸盖固定螺栓（帽）时，应按照厂家规定力矩数值上紧，且力求各螺帽力矩的均匀。
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图5 柴油机汽缸盖的安装面研磨 |
图6 柴油机气缸盖安装步骤示意图 |
总结：
气缸盖发生裂纹的原因大多由于缸盖处于不正常的高温下工作产生的热应力所致。当温度超过铸件的临界温度时，材料的抗螨变强度下降，产生塑性变形，这是产生残余拉伸应力的主要原因，而残余拉伸应力的存在是缸盖产生热疲劳裂纹的症结所在。由此，发动机在使用过程中，缸盖鼻梁部位的金属不断地拉缩，最终造成疲劳损坏，即热疲劳，导致大部分缸盖裂纹都产生在鼻梁部位，即进、排气门之间，或喷油嘴座孔和进、排气门座孔之间，造成气缸漏气、漏水，烧坏缸垫，降低发动机的经济性、动力性，甚至发生重大事故。因此，本文从柴油机气缸盖的结构、材料及工作状况，分析气缸盖产生裂纹的部位和原因，并探讨预防裂纹的措施，在实践中寻找快速修复气缸盖裂纹的方法。
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