故障檢修與技術(shù)維護(hù)

柴油發(fā)電機(jī)汽缸體和缸蓋裂紋的修理方法

摘要：發(fā)動(dòng)機(jī)裝配和修理作業(yè)中應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行工藝要求，如缸蓋螺栓未能按規(guī)定的順序和扭矩緊固，緊固力不均勻等，都會(huì)導(dǎo)致汽缸蓋變形或螺栓孔附近產(chǎn)生裂紋。柴油發(fā)電機(jī)汽缸蓋裂紋的修理，應(yīng)根據(jù)其破裂的程度、損傷的部位及自身修理?xiàng)l件和設(shè)備狀況，確定其修理方法。需要強(qiáng)調(diào)的是若裂紋發(fā)生在關(guān)鍵部位，如缸孔邊等受力較大的部位時(shí)，一般無法修復(fù)，應(yīng)更換汽缸蓋。需特別注意的是凡經(jīng)過修補(bǔ)的缸蓋都應(yīng)進(jìn)行水壓試驗(yàn)，以檢查其是否有滲漏現(xiàn)象。

一、氣缸蓋出現(xiàn)裂紋的常見原因

 

      汽缸蓋產(chǎn)生裂紋是汽缸蓋較為常見的故障，其中，單個(gè)裂紋現(xiàn)象如圖1（a）所示，多個(gè)裂紋現(xiàn)象如圖1（b）所示。大型柴油機(jī)汽缸蓋裂紋主要發(fā)生在底面孔與孔之間和孔的圓角處，即有應(yīng)力集中的地方，具體產(chǎn)生裂紋的部位則隨機(jī)型、汽缸蓋的結(jié)構(gòu)和材料不同而異；小型柴油機(jī)通常在汽缸蓋底面進(jìn)排氣閥孔與噴油器孔之間以及閥座面上產(chǎn)生裂紋。汽缸蓋產(chǎn)生裂紋的根本原因是熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力周期性的作用，具體分析汽缸蓋產(chǎn)生裂紋主要有以下幾方面原因。

1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的原因

      汽缸蓋底面氣閥孔周圍之所以常產(chǎn)生裂紋，主要因?yàn)樵撎幱休^大的表面積，因此，受熱膨脹和冷卻時(shí)收縮速度都較大。例如，柴油機(jī)工作一段時(shí)間停機(jī)后，汽缸蓋溫度分布變化劇烈，熱量通過冷卻水和進(jìn)排氣通道迅速散發(fā)，所以在氣閥孔處容易產(chǎn)生裂縫。再者，由于結(jié)構(gòu)或受力不合理、過渡圓角太小等均會(huì)引起過大的機(jī)械應(yīng)力，從而導(dǎo)致裂紋。

2、材料和工藝上的原因。

      汽缸蓋材料選擇不當(dāng)，質(zhì)量不符合要求，鑄造時(shí)沒有很好地消除鑄造應(yīng)力，從而導(dǎo)致零件內(nèi)部有缺陷，從而使汽缸蓋在工作時(shí)易產(chǎn)生裂紋。

3、裝配質(zhì)量上的原因

      汽缸蓋螺栓不按規(guī)定交叉擰緊，或在發(fā)生汽缸蓋平面漏氣時(shí)擰緊該處的螺母來解決，都會(huì)造成汽缸蓋受力不均勻而產(chǎn)生裂紋。噴油器安裝不正確，會(huì)引起汽缸蓋底面局部變形，增大噴油器孔處所受的拉應(yīng)力，使之容易產(chǎn)生裂紋。

4、操作和管理上的原因

      柴油機(jī)長(zhǎng)期在超負(fù)荷條件下運(yùn)轉(zhuǎn)或在未充分暖機(jī)的情況下突然增大負(fù)荷，使汽缸蓋從冷態(tài)急劇變?yōu)闊釕B(tài)，或在高溫下急劇冷卻而產(chǎn)生裂紋。柴油機(jī)冷車啟動(dòng)或啟動(dòng)后加速太快，致使汽缸蓋底面與冷卻面溫差過大，熱應(yīng)力增大。故應(yīng)暖機(jī)后再啟動(dòng)，啟動(dòng)后待油、水溫度升高后方可加速；頻繁啟動(dòng)、停車和長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)均會(huì)使機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力增加；冷卻與潤(rùn)滑不足或中斷，亦會(huì)導(dǎo)致機(jī)件過熱。

5、維護(hù)保養(yǎng)不良的原因

      因長(zhǎng)期使用，冷卻水腔積垢影響散熱，產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。實(shí)物裂紋示例如圖2所示。

 

圖1  氣缸蓋裂紋常見部位示意圖

圖2  柴油機(jī)氣缸蓋裂紋實(shí)物圖

 

二、缸蓋裂紋的基礎(chǔ)性理論分析

 

      首先可以肯定各缸裂紋的嚴(yán)重程度及裂紋在各缸分布位置及散熱條件，與發(fā)生時(shí)間順序及各缸布局位置決定的散熱特性有關(guān)。

      缸蓋裂紋位置在缸蓋的受熱表面，幾乎所有的裂紋發(fā)生在4個(gè)氣門座之間“鼻梁”處，即在氣門座與噴油器孔之間，這一部位全天候承受著燃燒爆發(fā)力及高溫、高壓燃燒混合氣體的作用，當(dāng)其表面溫度達(dá)到350℃以上時(shí)缸蓋表面抗蠕變性明顯下降(常規(guī)理論)，蠕變現(xiàn)象開始出現(xiàn)，這種蠕變(蠕變：固體材料在保持應(yīng)力不變的條件下，應(yīng)變隨時(shí)間延長(zhǎng)而增加的現(xiàn)象。)同時(shí)開始產(chǎn)生殘余應(yīng)力，由于這種應(yīng)力的持續(xù)與增加將客觀呈現(xiàn)蠕變的機(jī)理過程或者說是效應(yīng)： (即沿晶蠕變斷裂)、機(jī)制(擴(kuò)散滑移)、形態(tài)(緩慢變形)，值得注意的是，由于其蠕變的環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，機(jī)理也可能出現(xiàn)穿晶及延縮性斷裂，以上在硅鋁金鑄鐵中更為常見。

      非常值得注意的一個(gè)問題是，最有效的防止蠕變的途徑就是對(duì)零件進(jìn)行冷卻或隔熱。所以研究的結(jié)果是缸蓋的散熱是重中之重，必須把缸蓋的整體降溫與均勻散熱作為重點(diǎn)實(shí)施項(xiàng)目。汽缸蓋常見影響裂紋的因素有：

1、分隔式燃燒室

      如渦流室、預(yù)燃室等，部分燃燒室布置在汽缸蓋內(nèi)，增加了缸蓋的熱負(fù)荷。而且使缸蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，水套布置困難、水道狹窄冷卻條件差，缸蓋產(chǎn)生裂紋幾率較大。

2、半分開式燃燒室

      其燃燒室為球形。由于燃燒過程需要強(qiáng)烈的渦流，空氣和燃燒產(chǎn)物的旋流，使熱量集中在中央，又加上收口的燃燒室將大量的高溫燃燒氣體噴在缸蓋中央鼻梁部位，使鼻梁部位的熱負(fù)荷特別高。如果水套布置不當(dāng)，或鑄造質(zhì)量較差，就極易產(chǎn)生裂紋。

3、直接噴射式燃燒室

      如ω形燃燒室、淺盆形燃燒室等。這種燃燒室一般空氣渦流要求不高，并且是敞口燃燒室，這樣燃?xì)獠粫?huì)集中噴刷在缸蓋中央，使鼻梁部位得到緩解。而且這種燃燒室噴油嘴布置在正中間，利于4個(gè)氣門布置。使中間高溫區(qū)可以布置寬敞的水道，獲得良好的冷卻條件，此種發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋產(chǎn)生裂紋幾率很小，強(qiáng)化潛力相對(duì)較大。

 

三、爆震對(duì)缸蓋裂紋的巨大影響

 

1、爆震的產(chǎn)生

      對(duì)于柴油機(jī)而言，爆震主要來自燃油質(zhì)量及供油點(diǎn)火時(shí)間，燃油質(zhì)量問題似乎是我們國(guó)家目前無法抗拒的，然而燃油的抗爆性能(十六烷值)直接影響著燃燒室相關(guān)部件的壽命，燃油的抗爆性能差將導(dǎo)致爆燃，爆燃即爆震，將直接對(duì)缸蓋、活塞、缸筒、氣門，其中對(duì)缸蓋、活塞的影響最大，常見的后果是導(dǎo)致缸蓋裂紋，活塞燒頂；供油點(diǎn)火時(shí)間在實(shí)踐中是最常見的，供油點(diǎn)火時(shí)間過早將導(dǎo)致嚴(yán)重爆燃，爆燃是一種非正常的急速燃燒，接近于爆炸的燃燒速度，這將導(dǎo)致燃燒室內(nèi)部產(chǎn)生異常高溫、超高速震動(dòng)波，為缸蓋的蠕變提供了非常有利的條件。

2、燃油執(zhí)行器及正時(shí)執(zhí)行器與爆震的關(guān)系

      這兩個(gè)執(zhí)行器分別控制燃油噴射量及燃油最佳噴射時(shí)刻，它們自柴油機(jī)啟動(dòng)即開始持續(xù)不斷的工作，當(dāng)達(dá)到一定工作時(shí)間后由于其內(nèi)部疲勞磨損，執(zhí)行精確度將逐漸變差，燃油執(zhí)行器磨損將導(dǎo)致噴油量過大或過小，導(dǎo)致噴油器霧化性能變差或提前供油，也就是說使柴油機(jī)燃燒不充分或點(diǎn)火時(shí)間過早，點(diǎn)火時(shí)間過早是產(chǎn)生爆震的重要原因，爆震產(chǎn)生的異常高溫又給蠕變創(chuàng)造了重要條件，蠕變是缸蓋裂紋的根本原因【康明斯公司支持并建議5000hr后更換以上部件】。需要說明的是以上兩個(gè)執(zhí)行器性能變差以后沒有直接故障碼，(與電腦控制幅度有關(guān))唯一的辦法必須憑借維修入員的豐富經(jīng)驗(yàn)，必須對(duì)柴油機(jī)的煙色，柴油機(jī)的爆震異響準(zhǔn)確辨別。否則，一旦出現(xiàn)執(zhí)行器性能變差或失效，將給缸蓋裂紋創(chuàng)造重要的有利條件。

3、噴油器與缸蓋裂紋的關(guān)系

      噴油器是柴油機(jī)噴油的最終執(zhí)行元件，直接插入惡劣環(huán)境的燃燒室，噴油器性能變差的重要標(biāo)志是霧化不良、滴沿等現(xiàn)象，這樣就會(huì)造成異常高濃度混合氣集聚在噴油器周圍，這個(gè)位置恰恰就是我們前文說的“鼻梁”處，從缸蓋解剖圖中我們可以看出，此處又是制造結(jié)構(gòu)最為薄弱的，那么由于集聚在其周圍的異常高濃度混合氣體燃燒產(chǎn)生局部異常高溫，"鼻梁"處的蠕變將最為嚴(yán)重，目前同行業(yè)對(duì)噴油器老化更換有著統(tǒng)一共識(shí)。通常做法是8000hr更換全部噴油器。

 

四、產(chǎn)生裂紋后的修補(bǔ)方法

 

1、環(huán)氧樹脂膠粘接

      環(huán)氧樹脂膠粘劑由環(huán)氧樹脂、固化劑、增塑劑、促進(jìn)劑、稀釋劑、填充劑、偶聯(lián)劑、阻燃劑、穩(wěn)定劑等組成。其中環(huán)氧樹脂、固化劑、增韌劑是不可缺少的組分，其他則根據(jù)需要決定加否。環(huán)氧樹脂粘接具有粘接力強(qiáng)、收縮小、耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)工藝簡(jiǎn)單、操作方便、成本低。其主要缺點(diǎn)是不耐高溫、不耐沖擊等，而且在下一次修理時(shí)，經(jīng)熱堿水煮洗后會(huì)產(chǎn)生脫落現(xiàn)象，需要重新粘接。所以，汽缸體和汽缸蓋除燃燒室、氣門座等高溫區(qū)域外，其余部位均可采用這種方法進(jìn)行修復(fù)。

2、螺釘填補(bǔ)

      這種方法適用于某些受力不大，強(qiáng)度要求小和裂紋范圍較短（一般在50mm以下）的平面部位，其修理質(zhì)量較高，但較費(fèi)工時(shí)。具體的填補(bǔ)工藝如下：

（1）在裂紋兩端各鉆一個(gè)限制孔，以防止裂紋的繼續(xù)延伸。

（2）沿裂紋鉆孔3、4、5，孔的直徑視螺紋的直徑而定，并保證孔與孔之間重疊1/3孔徑

（3）在上述1、2、3、4、5孔中攻出螺紋。

（4）在攻好的螺紋中，擰入預(yù)先鉸好螺紋的紫銅桿（擰入部分漆以白漆），擰好后切斷銅桿，使切斷處高出裂紋表面1、1.5mm，如圖3所示。

（5）巳在已經(jīng)切斷的螺桿之間鉆孔6、7、8、9，按照上述方法攻螺紋并擰入螺桿，使之填滿裂紋，形成一條螺釘鏈。

（6）為使填滿緊密起見，應(yīng)用手錘在已切斷的螺桿之間輕輕敲打，最后用銼刀修平，必要時(shí)可用錫焊，以防滲漏。

3、補(bǔ)板封補(bǔ)

      在汽缸體、汽缸蓋受力不大的部位上，如裂紋較長(zhǎng)或有破洞時(shí)，在破損處的四周采用補(bǔ)板封補(bǔ)，如圖4所示。

（1）在各裂紋端部鉆孔，限制其延伸。

（2）用3、5mm厚的紫銅板或1.5、2mm厚的鐵板，截成與破口輪廓相似，四周大于破口154~20mm的補(bǔ)板。如破裂的表面有凸部分，需在補(bǔ)板上敲出同樣凸起形狀，使整個(gè)補(bǔ)板能與封補(bǔ)部位的表面貼合。

（4）將補(bǔ)板按在破口上，從補(bǔ)板孔中用劃針在汽缸體上做出鉆孔記號(hào)，移去補(bǔ)板后，在記號(hào)處鉆出深度約10mm的孔，并攻出所需直徑的螺紋。

（5）在汽缸體與補(bǔ)板之間，填入涂有白漆的石棉襯墊，然后用平頭螺栓將補(bǔ)板緊固在汽缸體上，必要時(shí)將補(bǔ)板四周用小錘敲擊，并進(jìn)一步擰緊螺栓，以增加其密封性。

4、焊補(bǔ)

      汽缸體與汽缸蓋的裂紋，如發(fā)生在受力較大或溫度較高的部位，以及用以上幾種方法不易操作的部位，多采用焊補(bǔ)法修復(fù)。其焊補(bǔ)工藝如下。

（1）在裂紋兩端各鉆一個(gè)3~5mm的孔，防止裂紋的延伸。

（2）按具體情況，將裂紋鑿成60°~90°的v形槽，并清理干凈，露出光澤。

（3）采用電焊時(shí)，應(yīng)使用直流電焊；采用乙炔焊時(shí)，應(yīng)將缸體或缸蓋墊平，將焊區(qū)緩慢預(yù)熱至500℃左右，焊補(bǔ)后加熱至500~550℃保持1h，然后在不少于16h內(nèi)緩冷至常溫。

5、堵漏劑堵漏

      堵漏劑通常是由水玻璃、無機(jī)聚沉劑、有機(jī)絮凝劑、無機(jī)填充劑和粘接劑等組成的膠狀液體。適用于鑄鐵或鋁缸體所出現(xiàn)的細(xì)小裂紋、砂眼等缺陷的堵漏。采用堵漏劑進(jìn)行修復(fù)裂紋時(shí)，應(yīng)先找出漏水的部位，確定裂紋的長(zhǎng)度、寬度或砂眼的孔徑。如裂紋長(zhǎng)度超過40~50mm時(shí)，可在裂紋兩端鉆3~4m的限制孔，并點(diǎn)焊或攻螺紋擰上螺釘，防止裂紋的延伸。同時(shí)，每隔30、鉆孔（不鉆通），點(diǎn)焊或攻螺紋擰上螺釘，避免工作中的振動(dòng)使裂紋擴(kuò)展。若裂紋寬度、砂眼孔徑超過0·3mm時(shí)最好不用這種方法修復(fù)。堵漏劑堵漏僅適用于小裂紋或有微量滲漏時(shí)采用。

 

圖3  氣缸蓋裂紋螺釘填補(bǔ)法

圖4  氣缸蓋裂紋的補(bǔ)板封補(bǔ)法

 

總結(jié)：

      汽缸蓋作為柴油機(jī)的固定機(jī)件，也是柴油機(jī)燃燒室的組成部分。柴油機(jī)汽缸蓋的結(jié)構(gòu)型式繁多，隨機(jī)型不同而異。但各種型式的汽缸蓋的共同特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔道較多，壁厚不均。柴油機(jī)汽缸蓋不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且工作條件、受力情況也十分復(fù)雜、惡劣。它不僅受到高溫高壓氣體的強(qiáng)烈作用，而且周期性地承受較高的機(jī)械負(fù)荷與熱負(fù)荷，也受到因冷卻水造成的局部冷熱不勻影響，同時(shí)還由于螺栓預(yù)緊力使汽缸蓋承受著壓應(yīng)力，并與燃?xì)鈮毫餐饔檬蛊咨w受到彎曲作用，此外，還在截面變化處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中等。正是由于汽缸蓋如此惡劣的工作條件，致使汽缸蓋很容易損壞。通常損壞形式為：其底面和冷卻水腔容易產(chǎn)生裂紋，還有汽閥底面和導(dǎo)套容易磨損，冷卻水側(cè)被腐蝕等。綜上所述，主要針對(duì)柴油機(jī)汽缸蓋最經(jīng)常出現(xiàn)的損壞現(xiàn)象——裂紋，進(jìn)行詳細(xì)敘述，分析其裂紋產(chǎn)生原因及其修理、預(yù)防措施等。

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