技術維修與康明斯知識

汽缸套的氣穴腐蝕和非質量磨損影響因素

 

摘要：隨著現代柴油發電機的有效壓力和功率比的不斷提高，而設備質量卻越來越小，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在維修實踐中發現，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零件壁面上，可引起零部件壁面的氧化腐蝕，并產生剝落破壞或穿孔，如圖1所示。這種因氣穴腐蝕現象而產生的零件剝蝕現象稱為氣蝕現象，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，就會進一步破壞干式缸套。

      一般認為，穴蝕由缸套高頻振動引起。機械振動引起冷卻液壓力變化，使冷卻液中產生氣泡并破裂，此過程就是穴蝕產生的原因。由于冷卻液中溶有氣體，當氣缸高頻振動使冷卻液的局部壓力降到某一臨界值時，溶于冷卻液中的氣體便以氣泡的形式分離出來，這些氣泡流到高壓區，當壓力超過氣泡壓力時便發生潰滅。處于氣泡狀態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而產生水擊現象，產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，產生很大的沖擊、擠壓和高溫。在這種力的反復作用下， 柴油發電機的缸套外表面產生疲勞而逐漸脫落，呈麻點狀和針狀小孔，并隨著穴蝕的進行而逐漸擴展。

 2、軸承穴蝕

      滑動軸承在氣缸壓力沖擊載荷）的反復作用下，表面層發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，然后隨著磨屑的脫落，在受載表面層形成穴。一般軸瓦發生穴蝕時，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裂，裂紋沿著界面的平行方向擴展，直到剝落為止。滑動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，氣泡潰滅而產生穴蝕。穴蝕一般發生在軸承的高載區，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。水泵一旦產生穴蝕，除了會對過流部件產生破壞作用外，還會產生噪音和振動，并導致水泵性能的下降，嚴重時會使泵中液體中斷，不能正常工作。水泵氣蝕將會降低其泵水效率，顯著減少了水泵的揚程和流量，從而引起柴油機過熱，工作過程惡化，零件強度降低，機油變質，零件磨損加劇，最終導致柴油機動力性、經濟性、可靠性下降，縮短柴油機使用壽命。嚴重時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期使用產生金屬疲勞損傷導致剛度不夠或位置精度發生變化，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、活塞環熱負荷過高（這種情況用水溫表測溫是反映不了缸套真實溫度的），加快活塞環槽機油的積碳和卡環。在工作狀態下，將無法保證活塞、活塞環、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生。

2、空氣濾清器的影響

      裝用劣質空氣濾芯，柴油機會吸入大量的灰塵，快速磨損缸套和活塞環表面，使活塞環張力下降，密封性能惡化，造成柴油機動力性能急劇下降；特別是，若讓哪怕很細小的砂粒進入柴油機活塞缸套間隙，將在以微秒計的時間內足以拉傷缸套和活塞環，甚至使高速運行的柴油機產生連桿斷裂、機體被毀的毀滅性后果。

3、噴油嘴質量的影響

      如圖4所示，采用劣質噴油嘴或不更換已損壞的噴油嘴，燃油霧化質量不好，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，加快活塞環槽的積碳，導致卡環，影響缸套組件的使用壽命。

4、機油清潔度的影響

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

5、冷卻系統的影響

       冷卻系統有問題，會使缸套組件熱負荷過高，特別是活塞頂部的溫度過高，會產生致命的關聯破壞作用，它導致活塞頭部金屬燒損，拉傷缸套；也會導致缸套上部壁面和活塞環槽機油迅速積碳，卡死活塞環，使得活塞環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上止點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。加油時必須注意清潔，切勿帶進水分和雜質；加冷卻水時，水中一定不要含腐蝕物質。柴油發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。油質和油色，如果發現柴油發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，應仔細查找水和空氣的來源，檢查油冷卻器和各管接頭處的密封性。

2、防止油溫過高

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

3、保持各結合面的正常間隙

      在制造或修理時，按裝配的公差下限裝配可以減少穴蝕的影響。如已發生穴蝕現象，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、生產材質改進

      隨著科學技術的不斷發展，應對氣缸套的材質進行改進，如在氣缸套外表面加附韌性好的材料來彌補韌性不足的缺陷，減少水擊的危害程度，防止剝落，同時也能解決鑄鐵金相組織復雜，容易產生電化腐蝕的傾向，保證氣缸套的厚度，減少振動。柴油機結構緊湊，冷卻水空間被壓縮，可以對機體的線型作適當的改變，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方向，適當附鑄幾條螺旋線引導加強筋，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，氣蝕現象將大大減少；

③ 保持運動部件之間合適的潤滑間隙，減低振動，會明顯減輕氣蝕。

 

四、氣缸套穴蝕維修案例

 

      以東莞天虹商場一臺200KW康明斯柴油發電機組為例，在接到用戶報修后（報告故障類型為設備漏水），康明斯售后服務站對其的處理的過程如下。

1、進水支管漏水原因分析

（1）封水圈失效

      進水支管與氣缸套外壁連接處的橡膠封水圈磨損，造成進水支管處往外漏水。

（2）氣缸套穴蝕有沙眼。

      氣缸套基本類型如圖6所示。引起穴蝕破壞的原因，主要是空泡腐蝕和電化學腐蝕綜合作用的結果。氣缸套的穴蝕主要發生在連桿擺動平面內，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、處理過程

（1）停機后約2小時的熱機狀態下，更換進水支管與氣缸套外壁連接處的橡膠封水圈，當水位超過此封水圈位置后，1缸仍滲漏、2缸仍長流水，說明處理未完全到位。

（2）停機6小時后，拔出1缸、2缸氣缸套，發現1缸氣缸套進水孔上部有大約160cm²水跡，磁粉探傷2次未發現裂紋，缸套水跡相對應的機體部位也有約160cm²水跡，說明1缸缸套進水孔上部有微小沙眼而不是裂紋，冷機狀態沙眼縮小，磁粉探傷很難發現。2缸缸套和與之對應的機體部位沒有水跡，僅在底部封水圈周圍有高度為2～3mm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）經過仔細觀察缸套、機體的結構組成后，發現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約6mm高的凸臺，氣缸套外徑ø299mm，1缸、2缸進水支管都不漏水，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缸進水支管底部流出，因此，僅在2缸底部封水圈周圍有高度為2～3mm的一圈水跡，說明2缸缸套底部有沙眼，1缸缸套中部有沙眼，進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缸同時更換缸套。

      更換1缸、2缸氣缸套后，柴油發電機運行一年多來技術狀態良好，未再發生缸套漏水現象。為確保內燃柴油發電機檢修質量，提高柴油發電機利用率，減少柴油發電機停修時間，應將更換柴油發電機全部缸套納入大修范圍。

 

圖5  柴油機氣缸套的類型特征

圖6  柴油機氣缸套穴蝕水跡現象

 

總結：

      選用品質好的缸套組件不會導致柴油機熱負荷過高。熱負荷過高不是由缸套組件本身的質量所引起的，而是由其它原因所致。熱負荷過高是加快活塞環槽積碳卡環導致缸套和活塞環超常磨損竄機油的原因。而缸套組件損壞只是熱負荷過高的結果。熱負荷過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，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間很長而進行的正常更換，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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