故障檢修與技術(shù)維護

柴油發(fā)動(dòng)機氣缸套磨損的原因

 

摘要：氣缸套-活塞環(huán)是柴油發(fā)電機中關(guān)鍵的一對摩擦副，該摩擦副性能的優(yōu)劣直接影響到柴油發(fā)電機的動(dòng)力性、經(jīng)濟性、可靠性、環(huán)保性、安全性等多項綜合性能指標。如何提高氣缸套的耐磨性一直以來(lái)都是困擾柴油機行業(yè)發(fā)展的一大難題?？得魉拱l(fā)電機廠(chǎng)家在本文中分析了氣缸套磨損的原因，并重點(diǎn)從氣缸套的材料、表面處理、珩磨技術(shù)等方面進(jìn)行研究，得出減少氣缸套磨損的方法及發(fā)展方向。同時(shí)介紹了鏜缸和換缸套步驟，用于修復發(fā)動(dòng)機缸套的磨損或破損問(wèn)題。

 

一、引起氣缸套快速磨損的原因

 

      正常使用的氣缸磨損狀況是不均勻的，工作表面在活塞運動(dòng)區域內的磨損沿縱斷面方向呈上大下小的不規則倒“錐形”，磨損的最大處是第一道活塞環(huán)在上止點(diǎn)位置時(shí)所對應的氣缸壁。從氣缸的橫斷面看，磨損后失去原來(lái)正圓形狀。因為活塞環(huán)接觸不到的氣缸上口幾乎沒(méi)有磨損，所以形成了“臺肩”。針對活塞無(wú)磨損和有磨損變化的情況，利用有限元分析軟件對氣缸套進(jìn)行振動(dòng)對比分析，如圖1、圖2所示。結果表明，活塞磨損型線(xiàn)變化后，氣缸的振動(dòng)幅值明顯增加，而且在時(shí)域上的振動(dòng)分布也有明顯變化。

1、氣缸套材料與柴油機性能要求不匹配

      氣缸套材料是影響柴油機性能的關(guān)鍵所在，當前柴油機設計受氣缸套材料影響主要體現在以下幾個(gè)方面：柴油機輸出功率的不斷提高；柴油機使用壽命、耐久性的不斷提升；輕量化；節能；廢氣和噪音；成本降低等等，所有的這些要求，都直接或間接地與氣缸套材料聯(lián)系在一起。例如：提高發(fā)動(dòng)機功率則要求有高強度的材料，即為防止在上止點(diǎn)附近爆發(fā)壓力的增大而引起氣缸套的變形或破裂。又如：采用增壓后氣缸套內溫度增高，材料軟化，燃燒生成物增多，潤滑油變質(zhì)，油膜破裂等現象也易于產(chǎn)生，進(jìn)而導致缸壁拉傷與磨損加劇。另外廢氣循環(huán)系統的應用也能引起因硫磺而產(chǎn)生腐蝕磨損。

      基于以上事例可以得知：氣缸套材料不但要具有良好的耐磨性，同時(shí)還必須有較高的抗拉強度等其它特性，可以預想今后這種趨勢將會(huì )更明顯。表1為氣缸套常用鑄鐵材料及發(fā)展趨勢。

2、氣缸套-活塞環(huán)配副差

（1）氣缸套-活塞環(huán)基礎材料匹配性：

      正確選擇摩擦副的材料是提高氣缸套-活塞環(huán)耐磨性的關(guān)鍵。根據不同的磨損類(lèi)型來(lái)具體考慮不同的配副材料，一般選用互溶性小的材料，以防止粘著(zhù)磨損；選用高硬度材料以防止磨料磨損。就氣缸套來(lái)說(shuō)，缸壁承受高壓氣體和活塞的側推力，以及由于高溫氣體引起的熱應力，要求氣缸套材料必須具有很高的抗疲勞強度，否則會(huì )引起氣缸套變形或材料過(guò)早疲勞破壞。此外，還必須具有良好的摩擦學(xué)性能，例如，耐磨性和抗咬合性，但是單一的材料往往不具備上述所需各項性能。

（2）氣缸套-活塞環(huán)之間要求具有穩定的油膜：

      長(cháng)期從事研究活塞環(huán)擦傷問(wèn)題的德國格茨公司(Goet-zwerke)認為，90%的擦傷是在磨合運轉過(guò)程中產(chǎn)生的?；钊h(huán)與缸壁接觸不均勻，而引起局部地方接觸應力很高，油膜遭到破壞易發(fā)生擦傷。粗糙度對氣缸套-活塞環(huán)的影響：眾所周知在柴油機中，氣缸套內表面粗糙度對耗油量影響很大，也是影響柴油機的抗咬合性、耐磨性和使用壽命的最重要因素之一。一般來(lái)說(shuō)需要有光滑、無(wú)毛刺、均勻平穩的表面粗糙度，這樣會(huì )形成良好的油膜分布，適于支承作高速往復運動(dòng)的活塞和活塞環(huán)迅速磨合，以改善抗咬合性和耐磨性。

3、氣缸套潤滑條件差

      潤滑條件不好(無(wú)法形成油膜，產(chǎn)生干摩擦)，使氣缸套上部磨損嚴重。氣缸套上部鄰近燃燒室，溫度很高，潤滑條件很差，新鮮空氣和未蒸發(fā)的燃料沖刷、稀釋?zhuān)觿×松喜織l件的惡化，使氣缸套上部處于干摩擦或半干摩擦狀態(tài)，這是造成氣缸套上部磨損嚴重的重要原因。

      由于機油牌號規格不對，過(guò)稀或過(guò)稠及潤滑油壓力不足，致使氣缸潤滑不良，氣缸上部處于半干摩擦或干摩擦狀態(tài)，潤滑不良將加劇磨損；潤滑油濾清過(guò)臟，又未及時(shí)保養清潔，致使過(guò)臟潤滑油旁通，或者加注潤滑油時(shí)，塵土或雜質(zhì)混入油底殼內，也會(huì )加劇磨損。

4、氣缸套本身結構不合理

      在柴油機中氣缸套上部承受壓力大，使氣缸套磨損呈上重下輕狀態(tài)?；钊h(huán)在自身彈力和背壓的作用下緊壓在缸壁上，正壓力越大，潤滑油膜形成和保持越困難，磨損加劇。在做功行程中，隨著(zhù)活塞下行，正壓力逐漸降低，故氣缸套磨損呈上重下輕。

5、使用環(huán)境惡劣

      如進(jìn)沙、粉塵嚴重等；空氣濾清不良。濾芯破損或進(jìn)氣管路短路，致使很多沙土吸入氣缸，在氣缸壁間形成嚴重的磨料磨損。因此，空氣濾清器應及時(shí)保養，維護濾清器的正常工作是降低氣缸磨損的關(guān)鍵。

6、長(cháng)時(shí)間不能保持正常工作溫度

      由于柴油機溫度高，氣缸強度降低，潤滑油變稀，造成氣缸粘著(zhù)磨損，甚至釀成“脹缸”事故；溫度過(guò)低，潤滑油粘度大，油膜不易形成。且氣缸內可燃混合氣燃燒后，產(chǎn)生水蒸氣和酸性氧化物，生成礦物酸和有機酸，附在氣缸壁上，在柴油機低溫頻繁起動(dòng)和燃燒不完全時(shí)酸性物質(zhì)更易生成，造成氣缸嚴重的腐蝕磨損。實(shí)踐和實(shí)驗證明，當氣缸壁溫度低于50℃時(shí)，氣缸磨損量是90℃時(shí)的4倍。

7、裝配使用不當

      氣缸套裝配時(shí)，過(guò)盈量過(guò)大，缸套上平面高出缸體量過(guò)多，會(huì )造成氣缸套局部變形，當柴油機高溫、大負荷運轉時(shí)，氣缸因熱變形加劇，當熱變形超過(guò)某一限度時(shí)，會(huì )使活塞環(huán)與氣缸的適應性變差，加速氣缸、活塞環(huán)的磨損。維修中活塞環(huán)端隙，側隙修配不當，環(huán)受熱膨脹、卡死在氣缸內，端口銼修后有飛邊等原因都會(huì )加劇磨損。

 

圖1  無(wú)磨損氣缸套的振動(dòng)加速度曲線(xiàn)

圖2  有磨損氣缸套的振動(dòng)加速度曲線(xiàn)

 

二、缸套的修復方法

 

1、鏜缸的基本方法

       鏜缸是一種修復發(fā)動(dòng)機缸套的方法，通過(guò)磨削缸套內壁的表面，恢復其平整度和光滑度。鏜缸裝置如圖3所示，鏜缸的基本步驟：

（1）準備工作：首先，需要將發(fā)動(dòng)機從柴油發(fā)電機上拆卸下來(lái)，并將其放置在工作臺上。然后，清潔發(fā)動(dòng)機表面和周?chē)鷧^域，確保工作環(huán)境清潔。

（2）拆卸缸套：使用適當的工具，將發(fā)動(dòng)機缸套拆卸下來(lái)。在拆卸過(guò)程中，需要注意保護發(fā)動(dòng)機的其他部件，避免損壞。

（3）磨削缸套：將缸套放置在鏜缸機上，根據缸套尺寸和磨削要求，選擇砂輪進(jìn)行磨削。在磨削過(guò)程中，注意控制磨削深度和速度，以免過(guò)度磨削導致缸套變薄。

（4）清潔缸套：磨削完成后，需要用清潔劑徹底清潔缸套內壁，去除磨削產(chǎn)生的金屬屑和油污。

（5）安裝缸套：將清潔后的缸套安裝回發(fā)動(dòng)機中，確保缸套與發(fā)動(dòng)機的其他部件配合良好。在安裝過(guò)程中，需要注意缸套的定位和密封性。

（6）調試和測試：安裝完成后，需要進(jìn)行調試和測試，確保缸套安裝正確，并檢查發(fā)動(dòng)機的運行狀態(tài)和性能。

2、更換氣缸套的基本方法

      更換氣缸套是一種更徹底的修復發(fā)動(dòng)機缸套的方法，通過(guò)將磨損或破損的缸套完全更換成新的缸套。氣缸套安裝示例如圖4所示，更換氣缸套的基本步驟：

（1）準備工作：同樣需要將發(fā)動(dòng)機從柴油發(fā)電機上拆卸下來(lái)，并將其放置在工作臺上。清潔發(fā)動(dòng)機表面和周?chē)鷧^域，確保工作環(huán)境清潔。

（2）拆卸缸套：使用適當的工具，將發(fā)動(dòng)機缸套拆卸下來(lái)。在拆卸過(guò)程中，需要注意保護發(fā)動(dòng)機的其他部件，避免損壞。

（3）清潔發(fā)動(dòng)機：將發(fā)動(dòng)機內部徹底清潔，去除舊的缸套殘留物和油污?？梢允褂们鍧崉┖退⒆舆M(jìn)行清潔，確保發(fā)動(dòng)機內部干凈無(wú)雜質(zhì)。

（4）安裝新缸套：將新的缸套安裝到發(fā)動(dòng)機中，確保缸套與發(fā)動(dòng)機的其他部件配合良好。在安裝過(guò)程中，需要注意缸套的定位和密封性。

（5）調試和測試：安裝完成后，進(jìn)行調試和測試，確保新缸套安裝正確，并檢查發(fā)動(dòng)機的運行狀態(tài)和性能。

3、更換缸套的注意事項

      如果其它系統有問(wèn)題而不加以消除，更換新的純正缸套后，不久還會(huì )出現問(wèn)題。在排除被更換的缸套是因其它系統問(wèn)題導致?lián)p壞的因素后，確定更換裝配新的缸套組件時(shí)，應該特別注意如下幾點(diǎn)：

（1）拆卸舊缸套后，要徹底清洗缸體，嚴格檢查其剛度和位置精度，特別是機體缸套孔的形位公差。如果剛度和位置精度難以補救，就只能更新機體。

（2） 正確的安裝活塞環(huán)，切記不要野蠻裝配，選用正確的活塞環(huán)卡鉗進(jìn)行裝配，避免活塞環(huán)在裝配的過(guò)程受到應力損傷，導致工作出現異常。

（3）嚴格檢查和清理發(fā)動(dòng)機冷卻系統，特別檢查水泵工作效能和水泵皮帶之張力。防止冷卻系統失效而導致發(fā)動(dòng)機過(guò)熱。

（4）更換被污染的機油，清洗油道、機油噴嘴和進(jìn)氣道，并換上優(yōu)質(zhì)三濾。

（5）應保證發(fā)動(dòng)機在正常工作情況下的噴油器、油泵等技術(shù)參數。

（6）啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機后，必須從小至大逐步加大負荷進(jìn)行數小時(shí)的磨合。

（7）在進(jìn)行磨合程序后讓發(fā)動(dòng)機進(jìn)行正常工作前，再次更換機油濾芯，并放開(kāi)油底殼放油孔螺塞清除磨合后機油內的金屬末屑，或者更換新的機油。

圖3  柴油機鏜缸加工裝置

圖4  氣缸套安裝示意圖

 

三、減輕氣缸套磨損的措施

 

1、氣缸套用高性能新材料

（1）蠕墨貝氏體灰鑄鐵

      根據氣缸套行業(yè)發(fā)展趨勢，發(fā)展出了蠕墨貝氏體灰鑄鐵新材料，有效解決了行業(yè)產(chǎn)品材料單一、綜合性能低等一系列技術(shù)難題。

      蠕墨貝氏體灰鑄鐵中的石墨大部分呈蠕蟲(chóng)狀形態(tài)，少量呈圓球狀，其組織和性能均介于灰鐵和球鐵之間，它的強度、塑性、韌性高于灰鑄鐵，鑄造性能優(yōu)于球鐵，具有良好的耐熱疲勞性能和導熱性能，是一種潛力巨大的新型工程材料。在柴油機零件、交變熱載荷下工作的鑄件、液壓件類(lèi)鑄件、輕工及紡織機械鑄件等領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用，特別是近年來(lái)在國內外發(fā)動(dòng)機缸體、缸蓋和活塞環(huán)生產(chǎn)中得到了廣泛推廣。但由于其蠕化處理范圍較窄，若想獲得蠕化優(yōu)良的鑄件，就必須從蠕化劑、蠕化處理、爐前檢測等多方面著(zhù)手，采用合適的工藝方法和生產(chǎn)技術(shù)，精確控制，才能達到理想的蠕化效果。

（2）高硅鋁合金缸套

      高硅鋁合金缸套因其具有質(zhì)量輕、導熱性好、與鋁活塞熱物理相容性好、可回收率高等優(yōu)點(diǎn)，受到了業(yè)界的關(guān)注。但是由于鋁合金較軟較黏，耐磨性較差，所以在這方面還需要提高，加入變質(zhì)劑細化晶粒以及固溶強化和沉淀強化等方法都能夠提高材料本身的耐磨性。而表面處理工藝能夠改善其在磨合期的摩擦磨損性能（摩擦系數曲線(xiàn)如圖5所示），從而進(jìn)一步提高缸套整體的耐磨性。在實(shí)際生產(chǎn)中，缸套表面大多采用機械珩磨的方法進(jìn)行處理，這種工藝可以形成便于儲油的網(wǎng)狀珩磨紋。對于高硅鋁合金缸套材料來(lái)說(shuō)，鋁具有較強的延展性，容易在加工的過(guò)程中覆蓋在硅顆粒表面，導致磨合期摩擦因數大。高硅鋁合金缸套材料的理想表面結構是作為硬質(zhì)相的硅顆粒凸出承載，凹下的鋁基體位置可以?xún)τ图訌姖櫥Ч?，凸出的硅顆粒邊角圓化以減少應力集中。在活塞環(huán)與高硅鋁合金缸套表面摩擦時(shí)，凸出結構避免了其與軟金屬直接接觸，可以減少黏著(zhù)而且硬質(zhì)硅顆粒承載能夠提高配對副的摩擦磨損性能。

2、表面改性技術(shù)應用

      近年來(lái)氣缸套生產(chǎn)中已應用多種新型表面處理工藝技術(shù)，其中較為典型處理方法如下：

（1）多元合金共滲技術(shù)(QPQ)

      多元合金共滲技術(shù)(QPQ)具有極高的耐磨性。氣缸套表面QPQ處理后，共滲層顯微硬度HV0.1>500，具有極好的抗蝕性。氣缸套表面QPQ處理后，氣缸套內外表面顯微硬度顯著(zhù)提高，表面形成致密的耐磨、耐腐蝕氮化物層。

（2）激光淬火及等離子強化技術(shù)

      激光淬火及等離子強化技術(shù)采用激光淬火或等離子束對氣缸套內表面進(jìn)行局部淬火強化，提高氣缸套的耐磨性能，表面硬度不低于650HV0.2。

（3）高頻淬火技術(shù)

      采用高頻淬火感應器對氣缸套進(jìn)行表面淬火，淬火深度在1mm左右，硬度大于HRC42，氣缸套耐磨性得到大幅提高。

（4）表面氮化技術(shù)

      通過(guò)氣體氮化處理，能顯著(zhù)地提高氣缸套的抗疲勞強度、耐磨性和耐腐蝕性。成品外觀(guān)呈現均勻的銀灰色，氮化層厚5-10μm，硬度：HV700或更高。氣缸套應用表面氮化處理技術(shù)能使氣缸套表面形成硬度較高的斑紋，可防止金屬腐蝕，并可提高氣缸套內表面的減磨和潤滑性能，從而使氣缸套的耐磨性能得到提高，使氣缸套節油性效果明顯，環(huán)保性能顯著(zhù)提升。

3、先進(jìn)珩磨工藝應用

      隨著(zhù)柴油機技術(shù)的發(fā)展，尤其是國家對柴油機排放要求的提高，對柴油機零部件的要求也越來(lái)越高。在此趨勢下康明斯公司經(jīng)過(guò)反復試驗，自主研發(fā)了螺傘滑動(dòng)珩磨氣缸套，應用該技術(shù)氣缸套產(chǎn)品能增加氣缸套本身的耐磨性、自潤滑性、減磨性，以及與活塞的配副性（間隙變化曲線(xiàn)如圖6所示）和抗高溫、抗咬合、抗腐蝕、抗疲勞性，同時(shí)能增加發(fā)動(dòng)機的輸出功率和扭矩，降低油耗、改善啟動(dòng)性能。能大幅降低氣缸套的磨損，延長(cháng)發(fā)動(dòng)機的大修期。

 

圖5  缸套摩擦因數和磨損量隨時(shí)間變化曲線(xiàn)圖

圖6  氣缸套與活塞間的磨損間隙變化過(guò)程

 

總結：

      柴油發(fā)電機缸套的使用壽命取決于缸套組件本身的質(zhì)量、缸套組件的安裝精度、日常維護。由于缸套是發(fā)動(dòng)機中最關(guān)鍵的組件，選用時(shí)要在優(yōu)先保證質(zhì)量的前提下，采購價(jià)格合理的產(chǎn)品。選用假冒產(chǎn)品，除使用壽命短之外，頻繁的更換將使發(fā)動(dòng)機機體缸套安裝孔受到關(guān)聯(lián)破壞，甚至產(chǎn)生不可修復的后果。但是，選擇好的缸套組件，只是保證發(fā)動(dòng)機正常使用的前提。而其安裝、更換和維護也極為關(guān)鍵。本文中所述鏜缸和更換氣缸套是兩種常見(jiàn)的發(fā)動(dòng)機維修方法，用于修復發(fā)動(dòng)機缸套的磨損或破損問(wèn)題。鏜缸是通過(guò)磨削缸套內壁來(lái)修復，而更換氣缸套是將磨損或破損的缸套完全更換成新的缸套。無(wú)論是鏜缸還是更換氣缸套，都需要在拆卸前進(jìn)行準備工作，并在安裝后進(jìn)行調試和測試，以確保發(fā)動(dòng)機的正常運行。正確操作這兩種維修方法，可以延長(cháng)發(fā)動(dòng)機的使用壽命，提高柴油發(fā)電機的性能和可靠性。

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