故障檢修與技術(shù)維護(hù)

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套磨損的原因

 

摘要：氣缸套-活塞環(huán)是柴油發(fā)電機(jī)中關(guān)鍵的一對(duì)摩擦副，該摩擦副性能的優(yōu)劣直接影響到柴油發(fā)電機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、環(huán)保性、安全性等多項(xiàng)綜合性能指標(biāo)。如何提高氣缸套的耐磨性一直以來(lái)都是困擾柴油機(jī)行業(yè)發(fā)展的一大難題。康明斯發(fā)電機(jī)廠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(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)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(yùn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)的磨損沿縱斷面方向呈上大下小的不規(guī)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(duì)應(yīng)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?yàn)榛钊h(huán)接觸不到的氣缸上口幾乎沒有磨損，所以形成了“臺(tái)肩”。針對(duì)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(duì)氣缸套進(jìn)行振動(dòng)對(duì)比分析，如圖1、圖2所示。結(jié)果表明，活塞磨損型線變化后，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(jī)性能要求不匹配

      氣缸套材料是影響柴油機(jī)性能的關(guān)鍵所在，當(dāng)前柴油機(jī)設(shè)計(jì)受氣缸套材料影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：柴油機(jī)輸出功率的不斷提高；柴油機(jī)使用壽命、耐久性的不斷提升；輕量化；節(jié)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(jī)功率則要求有高強(qiáng)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(nèi)溫度增高，材料軟化，燃燒生成物增多，潤(rùn)滑油變質(zhì)，油膜破裂等現(xiàn)象也易于產(chǎn)生，進(jìn)而導(dǎo)致缸壁拉傷與磨損加劇。另外廢氣循環(huán)系統(tǒng)的應(yīng)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(qiáng)度等其它特性，可以預(yù)想今后這種趨勢(shì)將會(huì)更明顯。表1為氣缸套常用鑄鐵材料及發(fā)展趨勢(shì)。

2、氣缸套-活塞環(huán)配副差

（1）氣缸套-活塞環(huán)基礎(chǔ)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(jù)不同的磨損類型來(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(cè)推力，以及由于高溫氣體引起的熱應(yīng)力，要求氣缸套材料必須具有很高的抗疲勞強(qiáng)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(xiàng)性能。

（2）氣缸套-活塞環(huán)之間要求具有穩(wěn)定的油膜：

      長(zhǎng)期從事研究活塞環(huán)擦傷問(wèn)題的德國(guó)格茨公司(Goet-zwerke)認(rèn)為，90%的擦傷是在磨合運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的。活塞環(huán)與缸壁接觸不均勻，而引起局部地方接觸應(yīng)力很高，油膜遭到破壞易發(fā)生擦傷。粗糙度對(duì)氣缸套-活塞環(huán)的影響：眾所周知在柴油機(jī)中，氣缸套內(nèi)表面粗糙度對(duì)耗油量影響很大，也是影響柴油機(jī)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(wěn)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(fù)運(yùn)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(rùn)滑條件差

      潤(rùn)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(yán)重。氣缸套上部鄰近燃燒室，溫度很高，潤(rùn)滑條件很差，新鮮空氣和未蒸發(fā)的燃料沖刷、稀釋，加劇了上部條件的惡化，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(yán)重的重要原因。

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

4、氣缸套本身結(jié)構(gòu)不合理

      在柴油機(jī)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)。活塞環(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(rùn)滑油膜形成和保持越困難，磨損加劇。在做功行程中，隨著活塞下行，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(yán)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(yán)重的磨料磨損。因此，空氣濾清器應(yīng)及時(shí)保養(yǎng)，維護(hù)濾清器的正常工作是降低氣缸磨損的關(guān)鍵。

6、長(zhǎng)時(shí)間不能保持正常工作溫度

      由于柴油機(jī)溫度高，氣缸強(qiáng)度降低，潤(rùn)滑油變稀，造成氣缸粘著磨損，甚至釀成“脹缸”事故；溫度過(guò)低，潤(rùn)滑油粘度大，油膜不易形成。且氣缸內(nèi)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(jī)酸，附在氣缸壁上，在柴油機(jī)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(yán)重的腐蝕磨損。實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)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(dāng)

      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(dāng)柴油機(jī)高溫、大負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，氣缸因熱變形加劇，當(dāng)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(yīng)性變差，加速氣缸、活塞環(huán)的磨損。維修中活塞環(huán)端隙，側(cè)隙修配不當(dāng)，環(huán)受熱膨脹、卡死在氣缸內(nèi)，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

圖2  有磨損氣缸套的振動(dòng)加速度曲線

 

二、缸套的修復(fù)方法

 

1、鏜缸的基本方法

       鏜缸是一種修復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)缸套的方法，通過(guò)磨削缸套內(nèi)壁的表面，恢復(fù)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(zhǔn)備工作：首先，需要將發(fā)動(dòng)機(jī)從柴油發(fā)電機(jī)上拆卸下來(lái)，并將其放置在工作臺(tái)上。然后，清潔發(fā)動(dòng)機(jī)表面和周圍區(qū)域，確保工作環(huán)境清潔。

（2）拆卸缸套：使用適當(dāng)?shù)墓ぞ撸瑢l(fā)動(dòng)機(jī)缸套拆卸下來(lái)。在拆卸過(guò)程中，需要注意保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)的其他部件，避免損壞。

（3）磨削缸套：將缸套放置在鏜缸機(jī)上，根據(jù)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(dǎo)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(nèi)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(jī)中，確保缸套與發(fā)動(dòng)機(jī)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(diào)試和測(cè)試：安裝完成后，需要進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試，確保缸套安裝正確，并檢查發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)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(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)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(zhǔn)備工作：同樣需要將發(fā)動(dòng)機(jī)從柴油發(fā)電機(jī)上拆卸下來(lái)，并將其放置在工作臺(tái)上。清潔發(fā)動(dòng)機(jī)表面和周圍區(qū)域，確保工作環(huán)境清潔。

（2）拆卸缸套：使用適當(dāng)?shù)墓ぞ撸瑢l(fā)動(dòng)機(jī)缸套拆卸下來(lái)。在拆卸過(guò)程中，需要注意保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)的其他部件，避免損壞。

（3）清潔發(fā)動(dòng)機(jī)：將發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部徹底清潔，去除舊的缸套殘留物和油污。可以使用清潔劑和刷子進(jìn)行清潔，確保發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)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(jī)中，確保缸套與發(fā)動(dòng)機(jī)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(diào)試和測(cè)試：安裝完成后，進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試，確保新缸套安裝正確，并檢查發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和性能。

3、更換缸套的注意事項(xiàng)

      如果其它系統(tǒng)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(xiàn)問(wèn)題。在排除被更換的缸套是因其它系統(tǒng)問(wèn)題導(dǎo)致?lián)p壞的因素后，確定更換裝配新的缸套組件時(shí)，應(yīng)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(yán)格檢查其剛度和位置精度，特別是機(jī)體缸套孔的形位公差。如果剛度和位置精度難以補(bǔ)救，就只能更新機(jī)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(yīng)力損傷，導(dǎo)致工作出現(xiàn)異常。

（3）嚴(yán)格檢查和清理發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)，特別檢查水泵工作效能和水泵皮帶之張力。防止冷卻系統(tǒng)失效而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱。

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

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

（6）啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后，必須從小至大逐步加大負(fù)荷進(jìn)行數(shù)小時(shí)的磨合。

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

圖3  柴油機(jī)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(jù)氣缸套行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，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(qiáng)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(dǎo)熱性能，是一種潛力巨大的新型工程材料。在柴油機(jī)零件、交變熱載荷下工作的鑄件、液壓件類鑄件、輕工及紡織機(jī)械鑄件等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，特別是近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)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(cè)等多方面著手，采用合適的工藝方法和生產(chǎn)技術(shù)，精確控制，才能達(dá)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(dǎo)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(xì)化晶粒以及固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)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(shù)曲線如圖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(jī)械珩磨的方法進(jìn)行處理，這種工藝可以形成便于儲(chǔ)油的網(wǎng)狀珩磨紋。對(duì)于高硅鋁合金缸套材料來(lái)說(shuō)，鋁具有較強(qiáng)的延展性，容易在加工的過(guò)程中覆蓋在硅顆粒表面，導(dǎo)致磨合期摩擦因數(shù)大。高硅鋁合金缸套材料的理想表面結(jié)構(gòu)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儲(chǔ)油加強(qiáng)潤(rùn)滑效果，凸出的硅顆粒邊角圓化以減少應(yīng)力集中。在活塞環(huán)與高硅鋁合金缸套表面摩擦?xí)r，凸出結(jié)構(gòu)避免了其與軟金屬直接接觸，可以減少黏著而且硬質(zhì)硅顆粒承載能夠提高配對(duì)副的摩擦磨損性能。

2、表面改性技術(shù)應(yīng)用

      近年來(lái)氣缸套生產(chǎn)中已應(yīng)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(nèi)外表面顯微硬度顯著提高，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(qiáng)化技術(shù)

      激光淬火及等離子強(qiáng)化技術(shù)采用激光淬火或等離子束對(duì)氣缸套內(nèi)表面進(jìn)行局部淬火強(qiáng)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(yīng)器對(duì)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，能顯著地提高氣缸套的抗疲勞強(qiáng)度、耐磨性和耐腐蝕性。成品外觀呈現(xiàn)均勻的銀灰色，氮化層厚5-10μm，硬度：HV700或更高。氣缸套應(yīng)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(nèi)表面的減磨和潤(rùn)滑性能，從而使氣缸套的耐磨性能得到提高，使氣缸套節(jié)油性效果明顯，環(huán)保性能顯著提升。

3、先進(jìn)珩磨工藝應(yīng)用

      隨著柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展，尤其是國(guó)家對(duì)柴油機(jī)排放要求的提高，對(duì)柴油機(jī)零部件的要求也越來(lái)越高。在此趨勢(shì)下康明斯公司經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，自主研發(fā)了螺傘滑動(dòng)珩磨氣缸套，應(yīng)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(rùn)滑性、減磨性，以及與活塞的配副性（間隙變化曲線如圖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(jī)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(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的大修期。

 

圖5  缸套摩擦因數(shù)和磨損量隨時(shí)間變化曲線圖

圖6  氣缸套與活塞間的磨損間隙變化過(guò)程

 

總結(jié)：

      柴油發(fā)電機(jī)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(hù)。由于缸套是發(fā)動(dòng)機(jī)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(gòu)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(jī)機(jī)體缸套安裝孔受到關(guān)聯(lián)破壞，甚至產(chǎn)生不可修復(fù)的后果。但是，選擇好的缸套組件，只是保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常使用的前提。而其安裝、更換和維護(hù)也極為關(guān)鍵。本文中所述鏜缸和更換氣缸套是兩種常見的發(fā)動(dòng)機(jī)維修方法，用于修復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)缸套的磨損或破損問(wèn)題。鏜缸是通過(guò)磨削缸套內(nèi)壁來(lái)修復(fù)，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(zhǔn)備工作，并在安裝后進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試，以確保發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。正確操作這兩種維修方法，可以延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，提高柴油發(fā)電機(jī)的性能和可靠性。

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