技術(shù)維修與康明斯知識

汽缸套的氣穴腐蝕和非質(zhì)量磨損影響因素

 

摘要：隨著(zhù)現代柴油發(fā)電機的有效壓力和功率比的不斷提高，而設備質(zhì)量卻越來(lái)越小，結構日益緊湊，氣缸套壁厚有減薄的趨勢，這使其抗穴蝕的能力有所下降。如果氣缸套水道壁厚設計較薄，在供電頻繁的區域，由于柴油機經(jīng)常高負荷工作，從而導致柴油機氣缸套水道壁更容易出現穴蝕現象。并且，康明斯公司售后部門(mén)在維修實(shí)踐中發(fā)現，氣缸套穴蝕損壞情況非常嚴重，許多氣缸套并不是因為超過(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

 

      在柴油機工作中，如果反復的沖擊和高溫作用于運動(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。這種因氣穴腐蝕現象而產(chǎn)生的零件剝蝕現象稱(chēng)為氣蝕現象，圖2為不同氣蝕現象模擬圖。

1、氣缸套穴蝕

      穴蝕是指柴油發(fā)電機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。

      一般認為，穴蝕由缸套高頻振動(dòng)引起。機械振動(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，當壓力超過(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動(dòng)而產(chǎn)生水擊現象，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。在這種力的反復作用下， 柴油發(fā)電機的缸套外表面產(chǎn)生疲勞而逐漸脫落，呈麻點(diǎn)狀和針狀小孔，并隨著(zhù)穴蝕的進(jìn)行而逐漸擴展。

 2、軸承穴蝕

      滑動(dòng)軸承在氣缸壓力沖擊載荷）的反復作用下，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展，然后隨著(zhù)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)，是先出現凹坑，然后這種凹坑逐步擴大并引起合金層界面的開(kāi)裂，裂紋沿著(zhù)界面的平行方向擴展，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構要素的橫斷面突然改變引起油流強烈紊亂，在油流紊亂的真空區形成氣泡，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，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)，并導致水泵性能的下降，嚴重時(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(zhù)減少了水泵的揚程和流量，從而引起柴油機過(guò)熱，工作過(guò)程惡化，零件強度降低，機油變質(zhì)，零件磨損加劇，最終導致柴油機動(dòng)力性、經(jīng)濟性、可靠性下降，縮短柴油機使用壽命。嚴重時(shí)直接導致柴油機拉缸和燒融，損壞柴油機。

 

圖1  氣缸套穴蝕穿孔現象圖

圖2  柴油機冷卻水泵各種氣蝕現象模擬圖

 

二、缸套磨損的影響因素

 

1、原機體的影響

      如果柴油機原機體因長(cháng)期使用產(chǎn)生金屬疲勞損傷導致剛度不夠或位置精度發(fā)生變化，導致缸套外表面不能與機體缸套孔內表面很好地貼合（角度標準如圖3所示）。正因為如此，從而影響缸套的傳熱，導致缸套、活塞、活塞環(huán)熱負荷過(guò)高（這種情況用水溫表測溫是反映不了缸套真實(shí)溫度的），加快活塞環(huán)槽機油的積碳和卡環(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，早期竄機油現象將不可避免發(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，造成柴油機動(dòng)力性能急劇下降；特別是，若讓哪怕很細小的砂粒進(jìn)入柴油機活塞缸套間隙，將在以微秒計的時(shí)間內足以拉傷缸套和活塞環(huán)，甚至使高速運行的柴油機產(chǎn)生連桿斷裂、機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，影響柴油機正常燃燒，將嚴重影響柴油機燃燒效率和各缸工作均勻度。特別是出現的二次噴射，將使柴油機活塞溫度急劇升高，加快活塞環(huán)槽的積碳，導致卡環(huán)，影響缸套組件的使用壽命。

4、機油清潔度的影響

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

5、冷卻系統的影響

       冷卻系統有問(wèn)題，會(huì )使缸套組件熱負荷過(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，它導致活塞頭部金屬燒損，拉傷缸套；也會(huì )導致缸套上部壁面和活塞環(huán)槽機油迅速積碳，卡死活塞環(huán)，使得活塞環(huán)外邊角強力刮擦缸套，破壞缸內壁潤滑油膜，很容易使缸套在第一道活塞環(huán)上止點(diǎn)處出現臺階狀的嚴重磨痕。

 

圖3  機體與氣缸套配合角度標準

圖4  噴油嘴噴射質(zhì)量不良現象

 

三、預防穴蝕的措施

 

1、選用的油液

      要保證油品質(zhì)量和適宜的粘度。嚴格按油尺標準加油，保持系統清潔。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)電機的各種油液油尺均標有上限和下限刻度，控制油量的正常標準有利于降低穴蝕。應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)現柴油發(fā)電機液壓系統中有水珠、油液變成乳白色或油液呈泡沫狀時(shí)，應仔細查找水和空氣的來(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

      合理設計散熱系統，保證油溫正常。如果出現故障，應進(jìn)行分析，及時(shí)排除。如出現油路不暢通，冷卻水過(guò)少或內、外泄漏時(shí)，應立即排除。

3、保持各結合面的正常間隙

      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)生穴蝕現象，只能用金相紙拋光除去積炭，切不可用一般的細砂紙打磨。

4、正確保養冷卻系統

      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(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，應對氣缸套的材質(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)。柴油機結構緊湊，冷卻水空間被壓縮，可以對機體的線(xiàn)型作適當的改變，增加缸套與機體狹窄處的通流面積，提高這一區域的流體壓力，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，適當附鑄幾條螺旋線(xiàn)引導加強筋，以減少氣缸套的振幅；

② 適當增加氣缸套的厚度，據了解，當氣缸套厚度大于缸徑的1/11時(shí)，氣蝕現象將大大減少；

③ 保持運動(dòng)部件之間合適的潤滑間隙，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200KW康明斯柴油發(fā)電機組為例，在接到用戶(hù)報修后（報告故障類(lèi)型為設備漏水），康明斯售后服務(wù)站對其的處理的過(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(lèi)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)腐蝕綜合作用的結果。氣缸套的穴蝕主要發(fā)生在連桿擺動(dòng)平面內，尤其是承受側壓力的一側；其次在冷卻水流的方向和速度有較大的變化處（如進(jìn)水口或水流轉彎、水腔狹窄處）以及氣缸套和機體配合的凸肩處。

2、處理過(guò)程

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

（2）停機6小時(shí)后，拔出1缸、2缸氣缸套，發(fā)現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)現裂紋，缸套水跡相對應的機體部位也有約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，冷機狀態(tài)沙眼縮小，磁粉探傷很難發(fā)現。2缸缸套和與之對應的機體部位沒(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)仔細觀(guān)察缸套、機體的結構組成后，發(fā)現1缸至6缸由缸套與機體構成的空腔是連通的，并且在2缸、3缸連接處的底部有一個(gè)約6mm高的凸臺，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缸缸套已運用11年多，缸套內徑已磨耗到限，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)電機運行一年多來(lái)技術(shù)狀態(tài)良好，未再發(fā)生缸套漏水現象。為確保內燃柴油發(fā)電機檢修質(zhì)量，提高柴油發(fā)電機利用率，減少柴油發(fā)電機停修時(shí)間，應將更換柴油發(fā)電機全部缸套納入大修范圍。

 

圖5  柴油機氣缸套的類(lèi)型特征

圖6  柴油機氣缸套穴蝕水跡現象

 

總結：

      選用品質(zhì)好的缸套組件不會(huì )導致柴油機熱負荷過(guò)高。熱負荷過(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。熱負荷過(guò)高是加快活塞環(huán)槽積碳卡環(huán)導致缸套和活塞環(huán)超常磨損竄機油的原因。而缸套組件損壞只是熱負荷過(guò)高的結果。熱負荷過(guò)高是導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為使用時(shí)間很長(cháng)而進(jìn)行的正常更換，就應該從裝配上和其它系統上找出導致缸套組件損壞的原因。

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