故障檢修與技術維護

汽缸蓋及缸體裂縫的原因和補救措施

 

摘要：柴油發電機氣缸體和氣缸蓋的裂紋經常發生在曲軸主軸承隔墻，氣缸套軸孔，水套壁較薄處或工作過程中作用力，尤其是作用力比較集中的部位。而氣缸體與氣缸蓋容易發生裂紋的部位往往與它們的結構有關，不同形式的發動機出現裂紋的部位各自有一定的規律性。一般來說，水道內腔水垢沉積導熱變壞；長期在高溫下工作使零件材質強度下降；以及制造、使用不當等是出現裂紋的主要原因。下面康明斯公司所述的內容就是我們經常遇到的柴油發電機缸體和缸蓋裂縫的原因分析。

一、缸蓋和機體裂紋生成的主要原因

 

     氣缸蓋是個比較復雜的零件，長期在惡劣的條件下工作，閥座之間的“鼻梁區”是熱力負荷很嚴重的地方，往往會出現裂紋。而裂紋是氣缸體的一種主要損傷形式，也是發動機報廢的主要原因。因此探究氣缸體裂紋產生的原因對設計和產出高品質發動機以及通過合理使用來延長其使用壽命有著重要意義。對氣缸體裂紋產生原因的分析可以設計、維修和使用幾個方面來進行。

1、結構設計欠妥

（1）氣缸體是發動機的基礎零件，是安放氣缸和安裝曲柄連桿機構以及其它輔助機構的骨架，外觀示意圖如圖1和圖2所示。為了保證活塞、連桿、曲軸及凸輪軸等高速運動件工作可靠、耐久，氣缸體必須對這些零件提供提供位置精確的支承和導向。因此在結構設計上，為了加固各主要承載部位的強度和剛度，通常采用加強筋，使其構成一個剛性很強地空間桁架系統。這個系統的剛度大小在很大程度上取決于加強筋的分布位置、長短、厚薄和高矮。如果這些方面設計欠妥，一方面會影響到系統的剛度，使各運動件因氣缸體支承部位的變形而加速失效；另一方面容易引起氣缸體內部較大的內應力，從而影響幾何尺寸的穩定性。這就為使用過程中產生裂紋埋下了隱患。

（2）在設計確定氣缸體壁厚時，根據材料抗力以及鑄造工藝許用最小壁厚來進行，但同時還考慮到對運動件精確支承和導向、各部密封面的可靠密封以及氣缸體表面輻射噪聲控制等方面的因素。如設計時對某些方面考慮不周，采用了較薄弱的壁厚，這樣會使發動機工作失常（運動件失去應有的運動規率、密封件不能可靠密封等）。工作失常的發動機氣缸體各部承受的各種負荷都有增大的趨勢，這又會使發動機的使用性能進一步惡化。這樣的惡性循環，氣缸體上這些薄弱部位可能會產生變形、裂紋等形式的損壞。

（3）氣缸體上在加工與非加工部分、工件薄厚不同的部分過渡不夠圓滑，易引起應力集中，往往也是形成裂紋的原因。

      在氣缸體結構設計時，應充分考慮到各處冷卻均勻。氣缸體結構相當復雜，如設計時考慮不周，發動機在使用中會出現局部過熱現象，也容易出現熱裂紋。

2、維修錯誤

      在維修過程中，不能嚴格執行維修技術標準或違反工藝規程，也會使氣缸體出現裂紋。

（1）發動機分解應在其冷態（手長時間擱置）下進行。如維修時在熱態下分解發動機，分解開來的機件在自由狀態下冷卻，容易引起變形。變形后的機件如氣缸體和氣缸蓋在強行裝和后，機件內部積集了過大的內應力，很容易產生裂紋。

（2）氣缸體和氣缸蓋是通過多個螺栓進行連接的。在將氣缸蓋向氣缸體裝和時，螺栓的擰緊應按一定的次序分多次進行。最后擰緊的力矩也有一定的要求。如保修時不按規定進行，很容易在氣缸體和氣缸蓋內造成部平衡的內應力，易使氣缸體或氣缸蓋開裂。氣缸蓋螺栓擰緊力矩過大，可能使氣缸體螺孔處出現變形和裂紋。

（3）另外，氣缸蓋襯墊損壞不能密封時，冷卻水流入高溫的氣缸，氣缸會因激冷而出現裂紋；汽油機點火時間過早，運行中發生爆震，會形成局部過熱而造成開裂；柴油機濕式氣缸套與氣缸體的配合不當時，常在橡皮圈密封處的薄弱部位開裂。

3、使用不當

      合理使用發動機，能有效地延長其使用壽命。反之會加速其損壞。尤其在冬季因使用不當而易致氣缸體出現裂紋。

（1）冬季氣溫低，為防止冷卻水結冰膨脹面撐壞氣缸體，應在發動機冷卻液中添加防凍劑，如不添加防凍劑應在發動機停止運轉時放盡冷卻水。添加防凍劑后冷卻液的冰點應低于當地最低氣溫，否則同樣會結冰凍壞氣缸體，使氣缸體上出現裂紋。通過放冷卻水防結冰時，應將水箱和發動機水套內的冷卻水都放盡。一些操作人員對柴油發電機組結構不了解，在放水時，將水箱的放水開關打開后就認為可高枕無憂了，結果氣缸體水套內殘余的冷卻水結冰還是將氣缸體撐出了裂紋。

（2）冬季起動發動機時，一些操作員習慣先將發動機走熱，一些操作員習慣先將發動機走熱，再在發動機怠速運轉時向水箱加水。這種作法的惡劣后果是，冷的冷卻水進入走熱的發動機內部水路后，氣缸體受到激冷極易招致開裂。

（3）隨意使用冷卻水也是造成發動機氣缸體出現裂紋的又一常見原因，水（特別是井水和河水）中含有一定數量的鈣、鎂的酸式碳酸鹽和硫酸鹽，當其用作發動機冷卻水時，在發動機水道內受熱升溫，會有鈣鹽沉淀出并集附在氣缸體水道內壁上，從而形成一層水垢。水垢不但減小了冷卻水道的有效流通面積，同時因其導熱性差，降低了發動機的散熱效果，尤其是氣缸體中部，其散熱條件較氣缸體兩端差由于局部過熱而引起熱裂現象也較嚴重。在，是在發動機工作時，水垢受到強烈的機械振動和其他一些原因的影響會產生裂縫，水道內的冷卻水便可滲入裂縫中，與高溫的氣缸體壁接觸急速變成蒸氣，使該部位壓力急劇上升，增加了氣缸體產生裂紋的危險。

 

圖1  柴油機氣缸體端面圖

圖2  柴油機氣缸體底面圖

 

二、機體和缸蓋檢驗方法大全

 

     汽缸體和汽缸蓋的嚴重破裂，一般容易發現，但對細小的裂紋，則難以觀察出來。因此，在對其修補前，應對缸體、缸蓋進行裂紋的檢驗。

1、目視檢驗方法

      按要求100％進行目視檢查。檢驗項目主要有：裂紋、疏松、冷隔、縮孔、氣孔、沙眼、磕碰、劃痕等缺陷；評價結果有：零件可以使用、零件可以修補、零件報廢三種，評價標準如表1所列，各缺陷區域如圖3所示。

表1    缸蓋底面的評價標準（檢測模板）

      缸蓋缺陷如沒有特別偏差定義，按以下標準執行（尤其是氣孔和縮孔）：

（1）缺陷必須基底可見，深度不大于2mm；

（2）每個方向上缺陷尺寸不大于3mm；

（3）兩個缺陷位置之間的間距不小于5mm；

（4）缺陷聚集（凹穴/氣孔群）的零件為廢品。所有連續可見的空腔被視為氣孔群。圓形和非圓形缺陷的最大長度便是其大小；

（5）有裂紋、不見底的疏松\縮孔\氣孔\沙眼、貫穿的冷隔等缺陷的零件為廢品。

（6）以下情況的缺陷形狀不允許存在，如圖4所示。

 

圖3  柴油機缸蓋缺陷的評價標準

圖4  柴油機氣缸蓋聚集和連續缺陷示意圖

 

2、水壓試驗法

      如圖5所示，先將汽缸蓋和襯墊裝在汽缸體上，用一蓋板裝在汽缸體的前壁上，并用水管與水壓機聯通，其他水道口一律封閉，然后將水壓入汽缸體的汽缸蓋內。水壓試驗的要求是在340~440千帕的水壓下保持5分鐘，應沒有任何滲漏現象，如出現水珠，即該處有裂紋。另一種檢驗方法是將裂紋處附近用棉紗擦凈，涂上煤油，稍停一會后將油擦掉，

3、聲音法

      用金屬物件輕輕敲擊，如發出的聲音不清脆而沙啞，則有裂紋。然后進行仔細察看，找到裂紋的范圍。

4、流體法

      可將75％的機油和25％的煤油混合液涂抹在待檢查的部位，然后用干棉絮將混合液擦掉。用小錘輕輕敲擊，由于輕微的震動，滲進縫里的煤油，會從縫里擠出來，并立即涂上一層氧化鋅甲醇溶液，溶液改變顏色的地方即為裂紋所在地。這樣會明顯看到裂縫，并在裂縫兩端做出記號。

5、染色法

     如圖6所示，在氣缸蓋的表面涂色進行缺陷檢查。對于鋁制缸蓋，將一種特殊的染色劑噴在零件上，然后再噴上化學顯影劑。顯影劑使裂紋中的染色劑變紅，將裂紋顯現出來。

 

圖5  柴油機氣缸體和缸蓋水壓試驗連接圖

圖6  柴油機缸體裂紋的檢查方法

 

三、缸體和缸蓋裂縫的補救措施

 

      汽缸體、汽缸蓋裂紋的修補，應根據其裂紋的程度、損傷的部位、修理條件和設備情況，確定其修復方法。修補時必須滿足以下的要求：

――沒有定義的修補必須經過康明斯公司售后服務部和用戶技術部門評審確認，并共同制定修補標準；

――所使用的修補材料必須符合環保、勞動保護等要求；

――所用的修補材料和所包圍金屬的化學性能和物理性能相匹配；

――所有的修補工作都必須由經過培訓的熟練工人按照修補作業指導書和相關的技術文件進行修補。

1、粘接法

      環氧樹脂是具有粘接力強、收縮性小、耐疲勞等優點。利用環氧樹脂粘接時，使用的設備簡單，操作方便，適合郊外及夜間條件下的搶修。但存在粘補處不耐高溫、不耐沖擊的缺點。汽缸體、汽缸蓋除燃燒室、氣門座附近等溫度較高、受力較大的部位外，其他部位的破裂均可用環氧樹脂膠粘接修復。941快速粘結劑是常用的環氧樹脂之一，其包括A、B兩個組份：A為樹脂組份，B為固化劑組份，使用時，將A、B組份按一定比例調合，即可應用。該粘結劑適用于工作溫度在100℃以下的金屬、膠木、玻璃等零件小面積的快速修補，而不適用于聚氯乙烯、聚乙烯、有機玻璃等材料的粘接；同時不宜做大面積粘結和承受沖擊負荷大、工作溫度高的機件的粘結。該粘結劑的A、B組份是采用牙膏皮包裝，便于攜帶及應急修補。其粘接工藝為：

（1）開坡口。

      選用直徑3~4毫米的鉆頭，將裂紋兩端鉆孔，爾后沿裂紋長度鏨出V形坡口。

（2）清洗。

      經打磨后的粘合面，要用丙酮或酒精清洗干凈，并使之干燥。

（3）配膠。

      根據粘接需要，將A、B組份大致按體積比5:1或質量比6:1取料，然后在玻璃板上用竹簽調和均勻，即可使用。若要改善其性能，可摻和進適量的添加劑。

（4）粘接。

      將膠均勻涂在粘合面上，使之無氣泡，并適當加壓或捆扎，使其定位粘合。如條件允許，可在粘合處附加金屬片、螺絲碼、玻璃纖維布等幫合和纏結，以提高粘接強度。

（5）固化。

     粘合件在25℃條件下經3小時或在20℃條件下經5小時就能固化使用，若急需，也可加熱至120℃經1小時即完全固化。這種粘接只限用于缸體水套部分，至于汽缸蓋燃燒室、氣門座附近的裂紋，因環氧樹脂不耐高溫，其使用受到一定限制。

 

圖7  螺釘填補缸蓋裂紋中鉆孔順序

圖8  螺釘填補缸蓋裂紋擰入紫銅桿的方法

 

總結：

      汽缸體上部用于安裝汽缸蓋，下部用于安裝機油盤，下部的空間是曲軸箱。汽缸體是發電機組的機體和骨架，它不僅承受高壓氣體的作用力，而且柴油發電機組所有零部件幾乎都安裝在汽缸體上。在發電機組工作時，汽缸體承受著大小和方向為周期性變化的氣體壓力、慣性力和力矩的作用，使機體產生變形、裂紋和腐蝕等，影響柴油發電機組的正常工作。因此，在發電機組大修時，要對汽缸體進行真認的檢查、測量和維修，及早排除故障隱患。

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