故障檢修與技術(shù)維護

柴油機氣缸體和缸蓋破裂變形的檢查維修法

摘要：氣缸體是柴油發(fā)電機各個(gè)機構和系統的裝配基體，并由它來(lái)保持柴油機各運動(dòng)件相互之間的準確位置關(guān)系。水冷式柴油機通常將氣缸體與上曲軸箱鑄成一體，簡(jiǎn)稱(chēng)氣缸體。由于氣缸蓋的本身在結構上的復雜及組織上的重要性，一旦出現缸體和氣缸蓋的破裂及變形損傷情況，則會(huì )為柴油發(fā)電機的工作造成不良影響。在柴油機的運行過(guò)程中，由于部分汽缸蓋使用年限長(cháng)，體腔內的鑄造缺陷會(huì )漸漸暴露出來(lái)，延伸到表面后形成裂紋造成漏水、竄油和竄氣，尤其汽缸蓋竄氣會(huì )引起費油功率降低。因此，發(fā)現氣缸體和缸蓋裂紋現象，應及時(shí)修復或更換零件總成。

 

一、故障現象和原因分析

 

1、故障表現

      氣缸體上半部有若干個(gè)為活塞在其中作運動(dòng)導向的圓柱形空腔，稱(chēng)為氣缸。下半部為支承曲軸的上曲軸箱，其內腔為曲軸運動(dòng)的空間。在上曲軸箱上制有主軸承座孔，有的柴油機還制有凸輪軸軸承座孔。為了這些軸承的潤滑，在側壁上鉆有主油道，前后壁和中間隔板上鉆有分油道。 氣缸體的上、下平面用以安裝氣缸蓋和下曲軸箱，是氣缸修理的加工基準。

（1）出現氣缸體漏水、漏油，以致于柴油機工作在非正常的冷卻及潤滑之下；其表現為少水、少機油，水溫高，機油壓力不足等。

（2）因為變形直接導致氣缸蓋的下平面與氣缸體的上平面接合不良、不密封，出現氣缸墊“沖床”現象（即三漏現象）。表現為柴油機工作不良，功率下降、動(dòng)力不足，潤滑不良導致機械磨損加劇。嚴重者會(huì )運行熄火、不好著(zhù)車(chē)、甚至不著(zhù)車(chē)。

2、故障原因分析

（1）裂紋破損形成的原因

      缸蓋裂紋常出現部位為氣門(mén)孔附近周邊位置，模擬示例如圖1所示。

① 因其工作環(huán)境溫度不均勻，導致熱應力產(chǎn)生，在薄弱環(huán)節因剛度不足而產(chǎn)生破裂。

② 因長(cháng)期工作疲勞產(chǎn)生裂紋。

③ 季未放凈冷卻液造成凍裂。

④ 冬柴油機過(guò)熱時(shí)，突然加入冷卻液導致爆裂。

⑤ 有可能在運行或操作中出現嚴重沖擊、撞擊。

⑥ 過(guò)度擰緊緊固螺絲或操作不規范等。

      以上幾種原因都有可能造成裂紋，甚至破裂，缸蓋裂紋檢查方法如圖2所示。 

 

圖1  柴油機氣缸蓋的CAD模型（外部幾何形狀）

圖2  柴油機缸蓋裂紋的檢查

 

圖3  柴油機氣缸蓋的進(jìn)氣、排氣與循環(huán)水管道模型

圖4  柴油機氣缸蓋變形檢測

  

二、氣缸蓋參數標準與檢測方法

 

1、參數要求

（1）氣缸蓋長(cháng)度L≤300mm，允許其平面公差在0.05mm；

（2）氣缸蓋長(cháng)度L≥300mm，允許其平面公差在0.1mm；

（3）每任意50mmX50mm的范圍內均不應大于0.025mm。

      缸體頂平面與軸承孔中心線(xiàn)的平行度（在機體全長(cháng)上）：6BT型柴油發(fā)電機不得大于0.05mm?？得魉拱l(fā)電機組氣缸體頂面平面度應在0.10mm之內。

2、外觀(guān)檢查

（1）康明斯發(fā)電機組氣缸體外部應無(wú)任何裂紋和損傷。若發(fā)現有導致漏水、漏油、漏氣的損傷時(shí)，必須予以修理和更換。

（2）檢查康明斯發(fā)電機組氣缸體與氣缸套接觸的密封環(huán)帶處有無(wú)穴蝕、腐蝕，如果腐蝕表面無(wú)法清除或表面已變形，應更換缸體。

3、測量氣缸體的高度

      康明斯發(fā)電機組氣缸體經(jīng)外部檢查合格后，還應進(jìn)行各部位測量。

（1）從主軸承蓋的結合面至康明斯發(fā)電機組氣缸體的頂平面的距離為康明斯發(fā)電機組氣缸體的高度，

（2）康明斯發(fā)電機組氣缸體的高度從主軸承處測量，可從康明斯發(fā)電機組氣缸體主軸承座孔的最高處測量。

4、汽缸蓋裂紋檢查常用方法

      通常，汽缸蓋裂紋都有一個(gè)產(chǎn)生和發(fā)展的過(guò)程，因此，平時(shí)認真檢查、仔細觀(guān)察、及早發(fā)現，就能避免機損事故的發(fā)生。汽缸蓋裂紋檢查主要有3種方法：直接觀(guān)測法、著(zhù)色顯痕法、液壓試驗法。

（1）直接觀(guān)測法。

      可根據冷卻水壓力表指針的擺動(dòng)和膨脹水箱中水位的上下波動(dòng)及有無(wú)氣泄、油漬等來(lái)判斷汽缸蓋是否有裂紋，還可通過(guò)示功閥檢查排氣是否冒白煙或有燃燒不良現象來(lái)判斷裂紋發(fā)生在哪一缸。經(jīng)常檢查曲軸箱中滑油油位的變化，若油位升高，油中水分明顯增加，則應懷疑內有裂紋。

（2）著(zhù)色顯痕法。

      首先仔細擦干汽缸蓋的檢查表面，涂上一層色油，干后再揩去色油，用放大鏡進(jìn)行檢查，如有裂紋，金屬表面就會(huì )有細小的紅色斑痕出現。

（3）液壓試驗法。

       對于內部微小裂紋，如冷卻水腔的微小裂紋，用著(zhù)色法很難檢查，通常做液壓試驗才能檢查出來(lái)。

      在檢修中，還可用放大鏡檢測法、水壓法、磁力探測法、熒光粉法、染色劑浸泡法、白粉敲擊法、超生波探傷法、射線(xiàn)探傷法等多種方法來(lái)檢查裂紋。情況而定，如為裂紋，則可采取焊補，也可運用AB膠粘補。此類(lèi)維修只可針對情節較輕的。但是修補后不可保證長(cháng)期的在惡劣工作環(huán)境下再次出現故障，導致發(fā)生連鎖損傷。因而最好建議更換總成。

4、缸蓋變形檢查

      對于缸數較少，4缸以下（包括4缸）柴油發(fā)電機采取的測量方法依照圖（5）缸數較多，6缸及其以上柴油機缸數采取的測量方法依照圖（6）步驟進(jìn)行。

 

圖5  四缸柴油機氣缸蓋變形測量步驟圖

圖6  六缸以上柴油機氣缸蓋變形測量步驟圖

 

三、氣缸蓋的拆裝和維修

 

      氣缸蓋本體因為相對體積比較大，且工作在密封腔內，高溫、高壓、高強度工作負荷是其主要工作特性，結構如圖7所示。在維修操作中，為了避免造成不必要人為的損傷。應嚴格按正規的操作順序及方法。檢修前應徹底清除平面上的水垢、積炭，清除毛刺，鏟平或刮平螺孔周?chē)妮p微凸起。

1、拆卸過(guò)程

（1）在確定要進(jìn)行拆檢之后，應對熱車(chē)柴油機給予其自然冷卻，而不得為提高生產(chǎn)效率，熱車(chē)拆卸。更不得往冷卻系統內加注冷水進(jìn)行強制冷卻。

（2）維修時(shí)必須放干冷卻水。

（3）應該選用專(zhuān)業(yè)工具（扭力扳手）進(jìn)行，對其緊固螺絲的拆卸按照一定的順序進(jìn)行。為了均勻的的分散緊固力，應采取從兩邊至中間進(jìn)行交叉法拆卸。

（4）全部螺絲應第一次全部卸力，最后由2—3次實(shí)現取下缸蓋。

2、維修過(guò)程

      拆卸的零部件應進(jìn)行全面的清潔、清洗，再按照正確的各項檢測方法及程序進(jìn)行，確定零部件為待檢、待修、待換并及時(shí)上報。 如要出現類(lèi)似變形、裂紋情況，可采用鏟削、磨削的方法進(jìn)行維修。但其磨削量也有一定的極限值。一般缸蓋在維修時(shí)基本與氣缸體同進(jìn)行，其最多只可以進(jìn)行三次磨削，最大極限不得超過(guò)10S/級。過(guò)度磨削會(huì )影響燃燒室容積，導致壓縮比變動(dòng)。影響柴油機的正常工作。氣缸體上的平面修整方法如下：

（1）康明斯發(fā)電機組氣缸體上平面可用磨削的最大厚度為0.254mm。

（2）修整時(shí)也可采用銑床或大型平面磨床進(jìn)行，康明斯發(fā)電機組氣缸體應以主軸承座下平面定位，而不能以油底殼結合面定位。

（3）若用磨床時(shí)，應從康明斯發(fā)電機組氣缸體上平面卸下定位銷(xiāo)，對康明斯發(fā)電機組氣缸體進(jìn)行磨削，每次磨削量應為0.03-0.08mm。

      經(jīng)修整后應重新檢查各部位尺寸，并應符合上述要求。

3、重新裝配過(guò)程

      在組裝時(shí)，應對新件、加工件進(jìn)行再次清潔、清洗、檢測。確定后組裝，對缸蓋緊固螺絲也應按照從內到外交叉法進(jìn)行緊固，分3—4次完成，螺栓擰緊次序如圖8所示。并對各緊固螺絲以專(zhuān)業(yè)工具（扭力扳手）施加標準扭力。第一次扭力：40N.M，第二次扭力：60N.M，第三次扭力：75N.M，第四次旋緊90N.M.

 

圖7  柴油發(fā)電機機體組結構圖

圖8  氣缸蓋緊固螺栓時(shí)的裝配順序

 

四、預防裂紋產(chǎn)生的措施

 

1、氣缸蓋水套的結構設計

      缸蓋水套結構設計好壞，直接影響到缸蓋的散熱，對產(chǎn)生裂紋的幾率有重要的影響。水套結構設計應盡可能寬敞，作到水流暢通，切忌死角，以免造成蒸氣泡滯留而引起局部過(guò)熱。減薄氣門(mén)之間(鼻梁區)的壁厚。氣門(mén)之間的溫度，每減少1單位厚度，降溫量約為10℃/mm,但減薄必須在保證承受缸蓋螺紋預緊力、最大爆發(fā)力等機械負荷強度的前提下進(jìn)行。如考慮鑄造壁厚的偏差，氣門(mén)之間的壁厚H,大型柴油機為15～20mm,中型柴油機為12～17mm,通過(guò)鼻梁三角帶的水流應有較大的流速(約為2～3m/s)。三角帶熱量是泡核沸騰的方式傳熱，此處有較大的水流速，可以把產(chǎn)生的泡核不斷帶走，增強冷卻效果，同時(shí)能沖刷冷卻水中的泥沙、鐵屑等雜質(zhì)，不會(huì )造成堵塞?？赏ㄟ^(guò)小隔板引流，裝冷卻噴水管，氣門(mén)之間鉆孔(鉆孔直徑約為氣缸直徑的10%)等方法，把從缸體上來(lái)的主要水流引到缸蓋三角帶，確保高溫區的冷卻。另外可采取一些補救措施以減少其裂紋的幾率。如噴油嘴孔和進(jìn)、排氣門(mén)座孔邊緣倒圓，以避免應力集中。

2、改善使用條件

      柴油機使用過(guò)程中形成的水垢，會(huì )大大降低導熱率，使氣缸蓋散熱性下降，易造成氣缸蓋裂紋的產(chǎn)生。因此，氣缸蓋應采用有防垢添加劑的冷卻水，防止水垢的產(chǎn)生。在冷卻水中無(wú)防凍劑的情況下，冬天要排空冷卻水。并在啟動(dòng)前一定要加水，若起動(dòng)后加冷卻水或柴油機處于高溫狀態(tài)下突然加注冷水，會(huì )造成局部熱應力過(guò)大，使缸蓋產(chǎn)生裂紋。切忌柴油機在使用、運轉過(guò)程中斷水或開(kāi)鍋現象的發(fā)生，否則會(huì )使溫度急劇上升，如這時(shí)加入冷水，會(huì )使缸蓋產(chǎn)生裂紋。避免柴油機長(cháng)時(shí)間在超負荷條件下工作，否則缸蓋內應力過(guò)大，易產(chǎn)生變形或裂紋。不要在冷車(chē)起動(dòng)后突然加載，使溫度急劇上升。否則，經(jīng)這樣數次的“冷-熱”循環(huán)就會(huì )使缸蓋材料不斷的拉縮，最終造成疲勞損壞，產(chǎn)生裂紋。修理作業(yè)中嚴格執行工藝要求，如缸蓋螺栓未能按規定的順序和扭矩緊固，緊固力不均勻等，都會(huì )導致氣缸蓋變形或螺栓孔附近產(chǎn)生裂紋。

3、加強對缸蓋過(guò)熱部位的冷卻

      在柴油機缸蓋冷卻水道內增設擋水板，加快水流速度，且對水流給以必要的引導.使其定向地沖刷排氣門(mén)和噴油器使這些受熱嚴重的部件得到較好地冷卻。

4、使用人員的操作管理科學(xué)化

      若對柴油機操作管理不當，同樣會(huì )導致汽缸蓋產(chǎn)生裂紋。例如，柴油機冷車(chē)啟動(dòng)或啟動(dòng)后加速太快都容易產(chǎn)生裂紋。更甚者，使用人員在沒(méi)有充分暖缸的情況下增加負荷，急劇調節冷卻水量，造成汽缸蓋“激碎”現象。這是由于受熱件和冷卻液的溫度升高都需要有一個(gè)過(guò)程，如果加速過(guò)快，燃燒室部件就會(huì )因內外壁溫差過(guò)大而產(chǎn)生過(guò)大的熱應力，長(cháng)此下去，就會(huì )產(chǎn)生裂紋，因此，使用人員啟動(dòng)前必須充分暖機，啟動(dòng)后不可加速太快，待油溫和水溫升高后，方可加至全速轉，同時(shí)還要及時(shí)清除冷卻水腔中的水垢和鐵銹。

 

總結：

      機體和氣缸蓋是柴油機的重要組成部分，它們共同構成柴油機的主體結構，為燃燒室的組成部分。機體和氣缸蓋變形或開(kāi)裂會(huì )導致柴油機性能下降，甚至可能導致安全問(wèn)題。因此，了解機體和氣缸蓋變形或開(kāi)裂的故障原因至關(guān)重要。上述文章中已經(jīng)分析機體和氣缸蓋變形或開(kāi)裂的常見(jiàn)原因，并提供相應的解決措施?？傊?，機體和氣缸蓋變形或開(kāi)裂是柴油機常見(jiàn)故障之一，采取上述相應的解決措施可以有效預防變形問(wèn)題，提高柴油機性能和使用壽命。因此，定期檢查和維護柴油機是保持其正常運轉的重要手段。

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