技術(shù)維修與康明斯知識(shí)

汽缸套的氣穴腐蝕和非質(zhì)量磨損影響因素

 

摘要：隨著現(xiàn)代柴油發(fā)電機(jī)的有效壓力和功率比的不斷提高，而設(shè)備質(zhì)量卻越來(lái)越小，結(jié)構(gòu)日益緊湊，氣缸套壁厚有減薄的趨勢(shì)，這使其抗穴蝕的能力有所下降。如果氣缸套水道壁厚設(shè)計(jì)較薄，在供電頻繁的區(qū)域，由于柴油機(jī)經(jīng)常高負(fù)荷工作，從而導(dǎo)致柴油機(jī)氣缸套水道壁更容易出現(xiàn)穴蝕現(xiàn)象。并且，康明斯公司售后部門(mén)在維修實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，氣缸套穴蝕損壞情況非常嚴(yán)重，許多氣缸套并不是因?yàn)槌^(guò)了磨損極限而更換，往往是因穴蝕損壞被迫換新。因此，穴蝕已成為影響康明斯柴油發(fā)電機(jī)使用壽命和可靠性的重要因素。

一、氣穴腐蝕的影響因素

 

      在柴油機(jī)工作中，如果反復(fù)的沖擊和高溫作用于運(yùn)動(dòng)零件壁面上，可引起零部件壁面的氧化腐蝕，并產(chǎn)生剝落破壞或穿孔，如圖1所示。這種因氣穴腐蝕現(xiàn)象而產(chǎn)生的零件剝蝕現(xiàn)象稱為氣蝕現(xiàn)象，圖2為不同氣蝕現(xiàn)象模擬圖。

1、氣缸套穴蝕

      穴蝕是指柴油發(fā)電機(jī)組濕式缸套外壁與冷卻液接觸的表面被破壞成一些針狀的孔洞，這些孔洞逐漸擴(kuò)大、加深，最后形成深孔或裂紋；孔洞一般很清潔，沒(méi)有腐蝕生成物。濕式缸套直接與冷卻液接觸，不可避免地逐漸被穴蝕；而干式缸套雖然不與冷卻液直接接觸，但缸套座同樣受到穴蝕，缸套座被逐漸穴蝕成通孔或裂紋后，就會(huì)進(jìn)一步破壞干式缸套。

      一般認(rèn)為，穴蝕由缸套高頻振動(dòng)引起。機(jī)械振動(dòng)引起冷卻液壓力變化，使冷卻液中產(chǎn)生氣泡并破裂，此過(guò)程就是穴蝕產(chǎn)生的原因。由于冷卻液中溶有氣體，當(dāng)氣缸高頻振動(dòng)使冷卻液的局部壓力降到某一臨界值時(shí)，溶于冷卻液中的氣體便以氣泡的形式分離出來(lái)，這些氣泡流到高壓區(qū)，當(dāng)壓力超過(guò)氣泡壓力時(shí)便發(fā)生潰滅。處于氣泡狀態(tài)的氣體重新液化或溶于冷卻液中，體積驟然減小，冷卻液向氣泡中心高速運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生水擊現(xiàn)象，產(chǎn)生極大的沖擊力和高溫，并以壓力波的形式超音速向四周傳播，當(dāng)作用在氣缸套外表面時(shí)，產(chǎn)生很大的沖擊、擠壓和高溫。在這種力的反復(fù)作用下， 柴油發(fā)電機(jī)的缸套外表面產(chǎn)生疲勞而逐漸脫落，呈麻點(diǎn)狀和針狀小孔，并隨著穴蝕的進(jìn)行而逐漸擴(kuò)展。

 2、軸承穴蝕

      滑動(dòng)軸承在氣缸壓力沖擊載荷）的反復(fù)作用下，表面層發(fā)生塑性變形和冷作硬化，局部喪失變形能力，逐步形成紋并不斷擴(kuò)展，然后隨著磨屑的脫落，在受載表面層形成穴。一般軸瓦發(fā)生穴蝕時(shí)，是先出現(xiàn)凹坑，然后這種凹坑逐步擴(kuò)大并引起合金層界面的開(kāi)裂，裂紋沿著界面的平行方向擴(kuò)展，直到剝落為止?；瑒?dòng)軸承穴蝕的主要原因是，由于油槽和油孔等結(jié)構(gòu)要素的橫斷面突然改變引起油流強(qiáng)烈紊亂，在油流紊亂的真空區(qū)形成氣泡，隨后由于壓力升高，氣泡潰滅而產(chǎn)生穴蝕。穴蝕一般發(fā)生在軸承的高載區(qū)，如曲軸主軸承的下軸瓦上。

3、水泵穴蝕

      水泵穴蝕是水泵損壞的重要原因。水泵一旦產(chǎn)生穴蝕，除了會(huì)對(duì)過(guò)流部件產(chǎn)生破壞作用外，還會(huì)產(chǎn)生噪音和振動(dòng)，并導(dǎo)致水泵性能的下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使泵中液體中斷，不能正常工作。水泵氣蝕將會(huì)降低其泵水效率，顯著減少了水泵的揚(yáng)程和流量，從而引起柴油機(jī)過(guò)熱，工作過(guò)程惡化，零件強(qiáng)度降低，機(jī)油變質(zhì)，零件磨損加劇，最終導(dǎo)致柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性下降，縮短柴油機(jī)使用壽命。嚴(yán)重時(shí)直接導(dǎo)致柴油機(jī)拉缸和燒融，損壞柴油機(jī)。

 

圖1  氣缸套穴蝕穿孔現(xiàn)象圖

圖2  柴油機(jī)冷卻水泵各種氣蝕現(xiàn)象模擬圖

 

二、缸套磨損的影響因素

 

1、原機(jī)體的影響

      如果柴油機(jī)原機(jī)體因長(zhǎng)期使用產(chǎn)生金屬疲勞損傷導(dǎo)致剛度不夠或位置精度發(fā)生變化，導(dǎo)致缸套外表面不能與機(jī)體缸套孔內(nèi)表面很好地貼合（角度標(biāo)準(zhǔn)如圖3所示）。正因?yàn)槿绱?，從而影響缸套的傳熱，?dǎo)致缸套、活塞、活塞環(huán)熱負(fù)荷過(guò)高（這種情況用水溫表測(cè)溫是反映不了缸套真實(shí)溫度的），加快活塞環(huán)槽機(jī)油的積碳和卡環(huán)。在工作狀態(tài)下，將無(wú)法保證活塞、活塞環(huán)、缸套之間獲得良好的密封性能，早期竄機(jī)油現(xiàn)象將不可避免發(fā)生。

2、空氣濾清器的影響

      裝用劣質(zhì)空氣濾芯，柴油機(jī)會(huì)吸入大量的灰塵，快速磨損缸套和活塞環(huán)表面，使活塞環(huán)張力下降，密封性能惡化，造成柴油機(jī)動(dòng)力性能急劇下降；特別是，若讓哪怕很細(xì)小的砂粒進(jìn)入柴油機(jī)活塞缸套間隙，將在以微秒計(jì)的時(shí)間內(nèi)足以拉傷缸套和活塞環(huán)，甚至使高速運(yùn)行的柴油機(jī)產(chǎn)生連桿斷裂、機(jī)體被毀的毀滅性后果。

3、噴油嘴質(zhì)量的影響

      如圖4所示，采用劣質(zhì)噴油嘴或不更換已損壞的噴油嘴，燃油霧化質(zhì)量不好，影響柴油機(jī)正常燃燒，將嚴(yán)重影響柴油機(jī)燃燒效率和各缸工作均勻度。特別是出現(xiàn)的二次噴射，將使柴油機(jī)活塞溫度急劇升高，加快活塞環(huán)槽的積碳，導(dǎo)致卡環(huán)，影響缸套組件的使用壽命。

4、機(jī)油清潔度的影響

      采用劣質(zhì)機(jī)油濾芯或者不更換已遭到污染的機(jī)油，會(huì)使活塞環(huán)和氣缸套加快磨損。還將造成噴嘴被機(jī)油雜質(zhì)堵塞，失去其噴油冷卻活塞的效能（往往活塞內(nèi)頂有發(fā)黑燒藍(lán)痕跡），使活塞缸套和活塞環(huán)溫度過(guò)高而導(dǎo)致缸套組件工作失效。

5、冷卻系統(tǒng)的影響

       冷卻系統(tǒng)有問(wèn)題，會(huì)使缸套組件熱負(fù)荷過(guò)高，特別是活塞頂部的溫度過(guò)高，會(huì)產(chǎn)生致命的關(guān)聯(lián)破壞作用，它導(dǎo)致活塞頭部金屬燒損，拉傷缸套；也會(huì)導(dǎo)致缸套上部壁面和活塞環(huán)槽機(jī)油迅速積碳，卡死活塞環(huán)，使得活塞環(huán)外邊角強(qiáng)力刮擦缸套，破壞缸內(nèi)壁潤(rùn)滑油膜，很容易使缸套在第一道活塞環(huán)上止點(diǎn)處出現(xiàn)臺(tái)階狀的嚴(yán)重磨痕。

 

圖3  機(jī)體與氣缸套配合角度標(biāo)準(zhǔn)

圖4  噴油嘴噴射質(zhì)量不良現(xiàn)象

 

三、預(yù)防穴蝕的措施

 

1、選用的油液

      要保證油品質(zhì)量和適宜的粘度。嚴(yán)格按油尺標(biāo)準(zhǔn)加油，保持系統(tǒng)清潔。加油時(shí)必須注意清潔，切勿帶進(jìn)水分和雜質(zhì)；加冷卻水時(shí)，水中一定不要含腐蝕物質(zhì)。柴油發(fā)電機(jī)的各種油液油尺均標(biāo)有上限和下限刻度，控制油量的正常標(biāo)準(zhǔn)有利于降低穴蝕。應(yīng)定期清洗磁鐵粗濾器，更換各種濾芯，保持油液清潔。注意檢查油位。油質(zhì)和油色，如果發(fā)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)液壓系統(tǒng)中有水珠、油液變成乳白色或油液呈泡沫狀時(shí)，應(yīng)仔細(xì)查找水和空氣的來(lái)源，檢查油冷卻器和各管接頭處的密封性。

2、防止油溫過(guò)高

      合理設(shè)計(jì)散熱系統(tǒng)，保證油溫正常。如果出現(xiàn)故障，應(yīng)進(jìn)行分析，及時(shí)排除。如出現(xiàn)油路不暢通，冷卻水過(guò)少或內(nèi)、外泄漏時(shí)，應(yīng)立即排除。

3、保持各結(jié)合面的正常間隙

      在制造或修理時(shí)，按裝配的公差下限裝配可以減少穴蝕的影響。如已發(fā)生穴蝕現(xiàn)象，只能用金相紙拋光除去積炭，切不可用一般的細(xì)砂紙打磨。

4、正確保養(yǎng)冷卻系統(tǒng)

      保證散熱器壓力蓋完好并能正常工作，可以減少穴蝕的產(chǎn)生;讓冷卻系統(tǒng)的溫度保持在合適的范圍，以降低氣泡破裂的能量;使用適量的冷卻液添加劑，可抑制銹蝕作用。

5、生產(chǎn)材質(zhì)改進(jìn)

      隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)對(duì)氣缸套的材質(zhì)進(jìn)行改進(jìn)，如在氣缸套外表面加附韌性好的材料來(lái)彌補(bǔ)韌性不足的缺陷，減少水擊的危害程度，防止剝落，同時(shí)也能解決鑄鐵金相組織復(fù)雜，容易產(chǎn)生電化腐蝕的傾向，保證氣缸套的厚度，減少振動(dòng)。柴油機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，冷卻水空間被壓縮，可以對(duì)機(jī)體的線型作適當(dāng)?shù)母淖儯黾痈滋着c機(jī)體狹窄處的通流面積，提高這一區(qū)域的流體壓力，減少氣化力度：

① 在氣缸套外表面，可以沿冷卻水的流動(dòng)方向，適當(dāng)附鑄幾條螺旋線引導(dǎo)加強(qiáng)筋，以減少氣缸套的振幅；

② 適當(dāng)增加氣缸套的厚度，據(jù)了解，當(dāng)氣缸套厚度大于缸徑的1/11時(shí)，氣蝕現(xiàn)象將大大減少；

③ 保持運(yùn)動(dòng)部件之間合適的潤(rùn)滑間隙，減低振動(dòng)，會(huì)明顯減輕氣蝕。

 

四、氣缸套穴蝕維修案例

 

      以東莞天虹商場(chǎng)一臺(tái)200KW康明斯柴油發(fā)電機(jī)組為例，在接到用戶報(bào)修后（報(bào)告故障類型為設(shè)備漏水），康明斯售后服務(wù)站對(duì)其的處理的過(guò)程如下。

1、進(jìn)水支管漏水原因分析

（1）封水圈失效

      進(jìn)水支管與氣缸套外壁連接處的橡膠封水圈磨損，造成進(jìn)水支管處往外漏水。

（2）氣缸套穴蝕有沙眼。

      氣缸套基本類型如圖6所示。引起穴蝕破壞的原因，主要是空泡腐蝕和電化學(xué)腐蝕綜合作用的結(jié)果。氣缸套的穴蝕主要發(fā)生在連桿擺動(dòng)平面內(nèi)，尤其是承受側(cè)壓力的一側(cè)；其次在冷卻水流的方向和速度有較大的變化處（如進(jìn)水口或水流轉(zhuǎn)彎、水腔狹窄處）以及氣缸套和機(jī)體配合的凸肩處。

2、處理過(guò)程

（1）停機(jī)后約2小時(shí)的熱機(jī)狀態(tài)下，更換進(jìn)水支管與氣缸套外壁連接處的橡膠封水圈，當(dāng)水位超過(guò)此封水圈位置后，1缸仍滲漏、2缸仍長(zhǎng)流水，說(shuō)明處理未完全到位。

（2）停機(jī)6小時(shí)后，拔出1缸、2缸氣缸套，發(fā)現(xiàn)1缸氣缸套進(jìn)水孔上部有大約160cm²水跡，磁粉探傷2次未發(fā)現(xiàn)裂紋，缸套水跡相對(duì)應(yīng)的機(jī)體部位也有約160cm²水跡，說(shuō)明1缸缸套進(jìn)水孔上部有微小沙眼而不是裂紋，冷機(jī)狀態(tài)沙眼縮小，磁粉探傷很難發(fā)現(xiàn)。2缸缸套和與之對(duì)應(yīng)的機(jī)體部位沒(méi)有水跡，僅在底部封水圈周?chē)懈叨葹?～3mm的一圈水跡（如圖6所示），可以斷定漏水是氣缸穴蝕引起的。

（3）經(jīng)過(guò)仔細(xì)觀察缸套、機(jī)體的結(jié)構(gòu)組成后，發(fā)現(xiàn)1缸至6缸由缸套與機(jī)體構(gòu)成的空腔是連通的，并且在2缸、3缸連接處的底部有一個(gè)約6mm高的凸臺(tái)，氣缸套外徑ø299mm，1缸、2缸進(jìn)水支管都不漏水，由于水從高處往低處流，1缸沙眼處往外漏的水一部分從1缸滲出，大部分從與之相連的2缸進(jìn)水支管底部流出，因此，僅在2缸底部封水圈周?chē)懈叨葹?～3mm的一圈水跡，說(shuō)明2缸缸套底部有沙眼，1缸缸套中部有沙眼，進(jìn)一步證明了穴蝕情況。

（4）由于1缸、2缸缸套已運(yùn)用11年多，缸套內(nèi)徑已磨耗到限，且均有沙眼，因此1缸、2缸同時(shí)更換缸套。

      更換1缸、2缸氣缸套后，柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行一年多來(lái)技術(shù)狀態(tài)良好，未再發(fā)生缸套漏水現(xiàn)象。為確保內(nèi)燃柴油發(fā)電機(jī)檢修質(zhì)量，提高柴油發(fā)電機(jī)利用率，減少柴油發(fā)電機(jī)停修時(shí)間，應(yīng)將更換柴油發(fā)電機(jī)全部缸套納入大修范圍。

 

圖5  柴油機(jī)氣缸套的類型特征

圖6  柴油機(jī)氣缸套穴蝕水跡現(xiàn)象

 

總結(jié)：

      選用品質(zhì)好的缸套組件不會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)熱負(fù)荷過(guò)高。熱負(fù)荷過(guò)高不是由缸套組件本身的質(zhì)量所引起的，而是由其它原因所致。熱負(fù)荷過(guò)高是加快活塞環(huán)槽積碳卡環(huán)導(dǎo)致缸套和活塞環(huán)超常磨損竄機(jī)油的原因。而缸套組件損壞只是熱負(fù)荷過(guò)高的結(jié)果。熱負(fù)荷過(guò)高是導(dǎo)致缸套組件損壞最普遍也是最致命的殺手。因果不能倒置。因此，更換新的缸套組件時(shí)，應(yīng)該首先檢查被更換的原缸套組件損壞的原因。如果被更換的缸套組件原是正品零件而又不是因?yàn)槭褂脮r(shí)間很長(zhǎng)而進(jìn)行的正常更換，就應(yīng)該從裝配上和其它系統(tǒng)上找出導(dǎo)致缸套組件損壞的原因。

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