故障檢修與技術維護

柴油機氣缸體和缸蓋破裂變形的檢查維修法

摘要：氣缸體是柴油發電機各個機構和系統的裝配基體，并由它來保持柴油機各運動件相互之間的準確位置關系。水冷式柴油機通常將氣缸體與上曲軸箱鑄成一體，簡稱氣缸體。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，則會為柴油發電機的工作造成不良影響。在柴油機的運行過程中，由于部分汽缸蓋使用年限長，體腔內的鑄造缺陷會漸漸暴露出來，延伸到表面后形成裂紋造成漏水、竄油和竄氣，尤其汽缸蓋竄氣會引起費油功率降低。因此，發現氣缸體和缸蓋裂紋現象，應及時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為活塞在其中作運動導向的圓柱形空腔，稱為氣缸。下半部為支承曲軸的上曲軸箱，其內腔為曲軸運動的空間。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、動力不足，潤滑不良導致機械磨損加劇。嚴重者會運行熄火、不好著車、甚至不著車。

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孔附近周邊位置，模擬示例如圖1所示。

① 因其工作環境溫度不均勻，導致熱應力產生，在薄弱環節因剛度不足而產生破裂。

② 因長期工作疲勞產生裂紋。

③ 季未放凈冷卻液造成凍裂。

④ 冬柴油機過熱時，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  柴油機氣缸蓋的進氣、排氣與循環水管道模型

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）氣缸蓋長度L≤300mm，允許其平面公差在0.05mm；

（2）氣缸蓋長度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的平行度（在機體全長上）：6BT型柴油發電機不得大于0.05mm。康明斯發電機組氣缸體頂面平面度應在0.10mm之內。

2、外觀檢查

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

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

3、測量氣缸體的高度

      康明斯發電機組氣缸體經外部檢查合格后，還應進行各部位測量。

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

（2）康明斯發電機組氣缸體的高度從主軸承處測量，可從康明斯發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產生和發展的過程，因此，平時認真檢查、仔細觀察、及早發現，就能避免機損事故的發生。汽缸蓋裂紋檢查主要有3種方法：直接觀測法、著色顯痕法、液壓試驗法。

（1）直接觀測法。

      可根據冷卻水壓力表指針的擺動和膨脹水箱中水位的上下波動及有無氣泄、油漬等來判斷汽缸蓋是否有裂紋，還可通過示功閥檢查排氣是否冒白煙或有燃燒不良現象來判斷裂紋發生在哪一缸。經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，用放大鏡進行檢查，如有裂紋，金屬表面就會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，用著色法很難檢查，通常做液壓試驗才能檢查出來。

      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、射線探傷法等多種方法來檢查裂紋。情況而定，如為裂紋，則可采取焊補，也可運用AB膠粘補。此類維修只可針對情節較輕的。但是修補后不可保證長期的在惡劣工作環境下再次出現故障，導致發生連鎖損傷。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，鏟平或刮平螺孔周圍的輕微凸起。

1、拆卸過程

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

（2）維修時必須放干冷卻水。

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

（4）全部螺絲應第一次全部卸力，最后由2—3次實現取下缸蓋。

2、維修過程

      拆卸的零部件應進行全面的清潔、清洗，再按照正確的各項檢測方法及程序進行，確定零部件為待檢、待修、待換并及時上報。 如要出現類似變形、裂紋情況，可采用鏟削、磨削的方法進行維修。但其磨削量也有一定的極限值。一般缸蓋在維修時基本與氣缸體同進行，其最多只可以進行三次磨削，最大極限不得超過10S/級。過度磨削會影響燃燒室容積，導致壓縮比變動。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）修整時也可采用銑床或大型平面磨床進行，康明斯發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，應從康明斯發電機組氣缸體上平面卸下定位銷，對康明斯發電機組氣缸體進行磨削，每次磨削量應為0.03-0.08mm。

      經修整后應重新檢查各部位尺寸，并應符合上述要求。

3、重新裝配過程

      在組裝時，應對新件、加工件進行再次清潔、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業工具（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  柴油發電機機體組結構圖

圖8  氣缸蓋緊固螺栓時的裝配順序

 

四、預防裂紋產生的措施

 

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熱。減薄氣門之間(鼻梁區)的壁厚。氣門之間的溫度，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、最大爆發力等機械負荷強度的前提下進行。如考慮鑄造壁厚的偏差，氣門之間的壁厚H,大型柴油機為15～20mm,中型柴油機為12～17mm,通過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，可以把產生的泡核不斷帶走，增強冷卻效果，同時能沖刷冷卻水中的泥沙、鐵屑等雜質，不會造成堵塞。可通過小隔板引流，裝冷卻噴水管，氣門之間鉆孔(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、排氣門座孔邊緣倒圓，以避免應力集中。

2、改善使用條件

      柴油機使用過程中形成的水垢，會大大降低導熱率，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，防止水垢的產生。在冷卻水中無防凍劑的情況下，冬天要排空冷卻水。并在啟動前一定要加水，若起動后加冷卻水或柴油機處于高溫狀態下突然加注冷水，會造成局部熱應力過大，使缸蓋產生裂紋。切忌柴油機在使用、運轉過程中斷水或開鍋現象的發生，否則會使溫度急劇上升，如這時加入冷水，會使缸蓋產生裂紋。避免柴油機長時間在超負荷條件下工作，否則缸蓋內應力過大，易產生變形或裂紋。不要在冷車起動后突然加載，使溫度急劇上升。否則，經這樣數次的“冷-熱”循環就會使缸蓋材料不斷的拉縮，最終造成疲勞損壞，產生裂紋。修理作業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，都會導致氣缸蓋變形或螺栓孔附近產生裂紋。

3、加強對缸蓋過熱部位的冷卻

      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化

      若對柴油機操作管理不當，同樣會導致汽缸蓋產生裂紋。例如，柴油機冷車啟動或啟動后加速太快都容易產生裂紋。更甚者，使用人員在沒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過程，如果加速過快，燃燒室部件就會因內外壁溫差過大而產生過大的熱應力，長此下去，就會產生裂紋，因此，使用人員啟動前必須充分暖機，啟動后不可加速太快，待油溫和水溫升高后，方可加至全速轉，同時還要及時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裂會導致柴油機性能下降，甚至可能導致安全問題。因此，了解機體和氣缸蓋變形或開裂的故障原因至關重要。上述文章中已經分析機體和氣缸蓋變形或開裂的常見原因，并提供相應的解決措施。總之，機體和氣缸蓋變形或開裂是柴油機常見故障之一，采取上述相應的解決措施可以有效預防變形問題，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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