康明斯动力设备（深圳）有限公司

 

故障检修与技术维护

柴油发动机气缸套磨损的原因

 

摘要：气缸套-活塞环是柴油发电机中关键的一对摩擦副，该摩擦副性能的优劣直接影响到柴油发电机的动力性、经济性、可靠性、环保性、安全性等多项综合性能指标。如何提高气缸套的耐磨性一直以来都是困扰柴油机行业发展的一大难题。康明斯发电机厂家在本文中分析了气缸套磨损的原因，并重点从气缸套的材料、表面处理、珩磨技术等方面进行研究，得出减少气缸套磨损的方法及发展方向。同时介绍了镗缸和换缸套步骤，用于修复发动机缸套的磨损或破损问题。

 

一、引起气缸套快速磨损的原因

 

      正常使用的气缸磨损状况是不均匀的，工作表面在活塞运动区域内的磨损沿纵断面方向呈上大下小的不规则倒“锥形”，磨损的最大处是第一道活塞环在上止点位置时所对应的气缸壁。从气缸的横断面看，磨损后失去原来正圆形状。因为活塞环接触不到的气缸上口几乎没有磨损，所以形成了“台肩”。针对活塞无磨损和有磨损变化的情况，利用有限元分析软件对气缸套进行振动对比分析，如图1、图2所示。结果表明，活塞磨损型线变化后，气缸的振动幅值明显增加，而且在时域上的振动分布也有明显变化。

1、气缸套材料与柴油机性能要求不匹配

      气缸套材料是影响柴油机性能的关键所在，当前柴油机设计受气缸套材料影响主要体现在以下几个方面：柴油机输出功率的不断提高；柴油机使用寿命、耐久性的不断提升；轻量化；节能；废气和噪音；成本降低等等，所有的这些要求，都直接或间接地与气缸套材料联系在一起。例如：提高发动机功率则要求有高强度的材料，即为防止在上止点附近爆发压力的增大而引起气缸套的变形或破裂。又如：采用增压后气缸套内温度增高，材料软化，燃烧生成物增多，润滑油变质，油膜破裂等现象也易于产生，进而导致缸壁拉伤与磨损加剧。另外废气循环系统的应用也能引起因硫磺而产生腐蚀磨损。

      基于以上事例可以得知：气缸套材料不但要具有良好的耐磨性，同时还必须有较高的抗拉强度等其它特性，可以预想今后这种趋势将会更明显。表1为气缸套常用铸铁材料及发展趋势。

2、气缸套-活塞环配副差

（1）气缸套-活塞环基础材料匹配性：

      正确选择摩擦副的材料是提高气缸套-活塞环耐磨性的关键。根据不同的磨损类型来具体考虑不同的配副材料，一般选用互溶性小的材料，以防止粘着磨损；选用高硬度材料以防止磨料磨损。就气缸套来说，缸壁承受高压气体和活塞的侧推力，以及由于高温气体引起的热应力，要求气缸套材料必须具有很高的抗疲劳强度，否则会引起气缸套变形或材料过早疲劳破坏。此外，还必须具有良好的摩擦学性能，例如，耐磨性和抗咬合性，但是单一的材料往往不具备上述所需各项性能。

（2）气缸套-活塞环之间要求具有稳定的油膜：

      长期从事研究活塞环擦伤问题的德国格茨公司(Goet-zwerke)认为，90%的擦伤是在磨合运转过程中产生的。活塞环与缸壁接触不均匀，而引起局部地方接触应力很高，油膜遭到破坏易发生擦伤。粗糙度对气缸套-活塞环的影响：众所周知在柴油机中，气缸套内表面粗糙度对耗油量影响很大，也是影响柴油机的抗咬合性、耐磨性和使用寿命的最重要因素之一。一般来说需要有光滑、无毛刺、均匀平稳的表面粗糙度，这样会形成良好的油膜分布，适于支承作高速往复运动的活塞和活塞环迅速磨合，以改善抗咬合性和耐磨性。

3、气缸套润滑条件差

      润滑条件不好(无法形成油膜，产生干摩擦)，使气缸套上部磨损严重。气缸套上部邻近燃烧室，温度很高，润滑条件很差，新鲜空气和未蒸发的燃料冲刷、稀释，加剧了上部条件的恶化，使气缸套上部处于干摩擦或半干摩擦状态，这是造成气缸套上部磨损严重的重要原因。

      由于机油牌号规格不对，过稀或过稠及润滑油压力不足，致使气缸润滑不良，气缸上部处于半干摩擦或干摩擦状态，润滑不良将加剧磨损；润滑油滤清过脏，又未及时保养清洁，致使过脏润滑油旁通，或者加注润滑油时，尘土或杂质混入油底壳内，也会加剧磨损。

4、气缸套本身结构不合理

      在柴油机中气缸套上部承受压力大，使气缸套磨损呈上重下轻状态。活塞环在自身弹力和背压的作用下紧压在缸壁上，正压力越大，润滑油膜形成和保持越困难，磨损加剧。在做功行程中，随着活塞下行，正压力逐渐降低，故气缸套磨损呈上重下轻。

5、使用环境恶劣

      如进沙、粉尘严重等；空气滤清不良。滤芯破损或进气管路短路，致使很多沙土吸入气缸，在气缸壁间形成严重的磨料磨损。因此，空气滤清器应及时保养，维护滤清器的正常工作是降低气缸磨损的关键。

6、长时间不能保持正常工作温度

      由于柴油机温度高，气缸强度降低，润滑油变稀，造成气缸粘着磨损，甚至酿成“胀缸”事故；温度过低，润滑油粘度大，油膜不易形成。且气缸内可燃混合气燃烧后，产生水蒸气和酸性氧化物，生成矿物酸和有机酸，附在气缸壁上，在柴油机低温频繁起动和燃烧不完全时酸性物质更易生成，造成气缸严重的腐蚀磨损。实践和实验证明，当气缸壁温度低于50℃时，气缸磨损量是90℃时的4倍。

7、装配使用不当

      气缸套装配时，过盈量过大，缸套上平面高出缸体量过多，会造成气缸套局部变形，当柴油机高温、大负荷运转时，气缸因热变形加剧，当热变形超过某一限度时，会使活塞环与气缸的适应性变差，加速气缸、活塞环的磨损。维修中活塞环端隙，侧隙修配不当，环受热膨胀、卡死在气缸内，端口锉修后有飞边等原因都会加剧磨损。

 

图1  无磨损气缸套的振动加速度曲线

图2  有磨损气缸套的振动加速度曲线

 

二、缸套的修复方法

 

1、镗缸的基本方法

       镗缸是一种修复发动机缸套的方法，通过磨削缸套内壁的表面，恢复其平整度和光滑度。镗缸装置如图3所示，镗缸的基本步骤：

（1）准备工作：首先，需要将发动机从柴油发电机上拆卸下来，并将其放置在工作台上。然后，清洁发动机表面和周围区域，确保工作环境清洁。

（2）拆卸缸套：使用适当的工具，将发动机缸套拆卸下来。在拆卸过程中，需要注意保护发动机的其他部件，避免损坏。

（3）磨削缸套：将缸套放置在镗缸机上，根据缸套尺寸和磨削要求，选择砂轮进行磨削。在磨削过程中，注意控制磨削深度和速度，以免过度磨削导致缸套变薄。

（4）清洁缸套：磨削完成后，需要用清洁剂彻底清洁缸套内壁，去除磨削产生的金属屑和油污。

（5）安装缸套：将清洁后的缸套安装回发动机中，确保缸套与发动机的其他部件配合良好。在安装过程中，需要注意缸套的定位和密封性。

（6）调试和测试：安装完成后，需要进行调试和测试，确保缸套安装正确，并检查发动机的运行状态和性能。

2、更换气缸套的基本方法

      更换气缸套是一种更彻底的修复发动机缸套的方法，通过将磨损或破损的缸套完全更换成新的缸套。气缸套安装示例如图4所示，更换气缸套的基本步骤：

（1）准备工作：同样需要将发动机从柴油发电机上拆卸下来，并将其放置在工作台上。清洁发动机表面和周围区域，确保工作环境清洁。

（2）拆卸缸套：使用适当的工具，将发动机缸套拆卸下来。在拆卸过程中，需要注意保护发动机的其他部件，避免损坏。

（3）清洁发动机：将发动机内部彻底清洁，去除旧的缸套残留物和油污。可以使用清洁剂和刷子进行清洁，确保发动机内部干净无杂质。

（4）安装新缸套：将新的缸套安装到发动机中，确保缸套与发动机的其他部件配合良好。在安装过程中，需要注意缸套的定位和密封性。

（5）调试和测试：安装完成后，进行调试和测试，确保新缸套安装正确，并检查发动机的运行状态和性能。

3、更换缸套的注意事项

      如果其它系统有问题而不加以消除，更换新的纯正缸套后，不久还会出现问题。在排除被更换的缸套是因其它系统问题导致损坏的因素后，确定更换装配新的缸套组件时，应该特别注意如下几点：

（1）拆卸旧缸套后，要彻底清洗缸体，严格检查其刚度和位置精度，特别是机体缸套孔的形位公差。如果刚度和位置精度难以补救，就只能更新机体。

（2） 正确的安装活塞环，切记不要野蛮装配，选用正确的活塞环卡钳进行装配，避免活塞环在装配的过程受到应力损伤，导致工作出现异常。

（3）严格检查和清理发动机冷却系统，特别检查水泵工作效能和水泵皮带之张力。防止冷却系统失效而导致发动机过热。

（4）更换被污染的机油，清洗油道、机油喷嘴和进气道，并换上优质三滤。

（5）应保证发动机在正常工作情况下的喷油器、油泵等技术参数。

（6）启动发动机后，必须从小至大逐步加大负荷进行数小时的磨合。

（7）在进行磨合程序后让发动机进行正常工作前，再次更换机油滤芯，并放开油底壳放油孔螺塞清除磨合后机油内的金属末屑，或者更换新的机油。

图3  柴油机镗缸加工装置

图4  气缸套安装示意图

 

三、减轻气缸套磨损的措施

 

1、气缸套用高性能新材料

（1）蠕墨贝氏体灰铸铁

      根据气缸套行业发展趋势，发展出了蠕墨贝氏体灰铸铁新材料，有效解决了行业产品材料单一、综合性能低等一系列技术难题。

      蠕墨贝氏体灰铸铁中的石墨大部分呈蠕虫状形态，少量呈圆球状，其组织和性能均介于灰铁和球铁之间，它的强度、塑性、韧性高于灰铸铁，铸造性能优于球铁，具有良好的耐热疲劳性能和导热性能，是一种潜力巨大的新型工程材料。在柴油机零件、交变热载荷下工作的铸件、液压件类铸件、轻工及纺织机械铸件等领域有着广泛的应用，特别是近年来在国内外发动机缸体、缸盖和活塞环生产中得到了广泛推广。但由于其蠕化处理范围较窄，若想获得蠕化优良的铸件，就必须从蠕化剂、蠕化处理、炉前检测等多方面着手，采用合适的工艺方法和生产技术，精确控制，才能达到理想的蠕化效果。

（2）高硅铝合金缸套

      高硅铝合金缸套因其具有质量轻、导热性好、与铝活塞热物理相容性好、可回收率高等优点，受到了业界的关注。但是由于铝合金较软较黏，耐磨性较差，所以在这方面还需要提高，加入变质剂细化晶粒以及固溶强化和沉淀强化等方法都能够提高材料本身的耐磨性。而表面处理工艺能够改善其在磨合期的摩擦磨损性能（摩擦系数曲线如图5所示），从而进一步提高缸套整体的耐磨性。在实际生产中，缸套表面大多采用机械珩磨的方法进行处理，这种工艺可以形成便于储油的网状珩磨纹。对于高硅铝合金缸套材料来说，铝具有较强的延展性，容易在加工的过程中覆盖在硅颗粒表面，导致磨合期摩擦因数大。高硅铝合金缸套材料的理想表面结构是作为硬质相的硅颗粒凸出承载，凹下的铝基体位置可以储油加强润滑效果，凸出的硅颗粒边角圆化以减少应力集中。在活塞环与高硅铝合金缸套表面摩擦时，凸出结构避免了其与软金属直接接触，可以减少黏着而且硬质硅颗粒承载能够提高配对副的摩擦磨损性能。

2、表面改性技术应用

      近年来气缸套生产中已应用多种新型表面处理工艺技术，其中较为典型处理方法如下：

（1）多元合金共渗技术(QPQ)

      多元合金共渗技术(QPQ)具有极高的耐磨性。气缸套表面QPQ处理后，共渗层显微硬度HV0.1>500，具有极好的抗蚀性。气缸套表面QPQ处理后，气缸套内外表面显微硬度显著提高，表面形成致密的耐磨、耐腐蚀氮化物层。

（2）激光淬火及等离子强化技术

      激光淬火及等离子强化技术采用激光淬火或等离子束对气缸套内表面进行局部淬火强化，提高气缸套的耐磨性能，表面硬度不低于650HV0.2。

（3）高频淬火技术

      采用高频淬火感应器对气缸套进行表面淬火，淬火深度在1mm左右，硬度大于HRC42，气缸套耐磨性得到大幅提高。

（4）表面氮化技术

      通过气体氮化处理，能显著地提高气缸套的抗疲劳强度、耐磨性和耐腐蚀性。成品外观呈现均匀的银灰色，氮化层厚5-10μm，硬度：HV700或更高。气缸套应用表面氮化处理技术能使气缸套表面形成硬度较高的斑纹，可防止金属腐蚀，并可提高气缸套内表面的减磨和润滑性能，从而使气缸套的耐磨性能得到提高，使气缸套节油性效果明显，环保性能显著提升。

3、先进珩磨工艺应用

      随着柴油机技术的发展，尤其是国家对柴油机排放要求的提高，对柴油机零部件的要求也越来越高。在此趋势下康明斯公司经过反复试验，自主研发了螺伞滑动珩磨气缸套，应用该技术气缸套产品能增加气缸套本身的耐磨性、自润滑性、减磨性，以及与活塞的配副性（间隙变化曲线如图6所示）和抗高温、抗咬合、抗腐蚀、抗疲劳性，同时能增加发动机的输出功率和扭矩，降低油耗、改善启动性能。能大幅降低气缸套的磨损，延长发动机的大修期。

 

图5  缸套摩擦因数和磨损量随时间变化曲线图

图6  气缸套与活塞间的磨损间隙变化过程

 

总结：

      柴油发电机缸套的使用寿命取决于缸套组件本身的质量、缸套组件的安装精度、日常维护。由于缸套是发动机中最关键的组件，选用时要在优先保证质量的前提下，采购价格合理的产品。选用假冒产品，除使用寿命短之外，频繁的更换将使发动机机体缸套安装孔受到关联破坏，甚至产生不可修复的后果。但是，选择好的缸套组件，只是保证发动机正常使用的前提。而其安装、更换和维护也极为关键。本文中所述镗缸和更换气缸套是两种常见的发动机维修方法，用于修复发动机缸套的磨损或破损问题。镗缸是通过磨削缸套内壁来修复，而更换气缸套是将磨损或破损的缸套完全更换成新的缸套。无论是镗缸还是更换气缸套，都需要在拆卸前进行准备工作，并在安装后进行调试和测试，以确保发动机的正常运行。正确操作这两种维修方法，可以延长发动机的使用寿命，提高柴油发电机的性能和可靠性。

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