新聞主題	氣缸套穴蝕擊穿現(xiàn)象產(chǎn)生的原因及預(yù)防方法

     

摘要：所謂濕式缸套的穴蝕，是指柴油發(fā)電機(jī)使用一段時(shí)間（情況嚴(yán)重時(shí)，往往在高負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)幾十小時(shí)）后，在氣缸套外表面沿連桿擺動(dòng)方向兩側(cè)出現(xiàn)的蜂窩狀的孔群（通常其直徑為1~5mm，深度達(dá)2~3mm），部分是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(kuò)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(huì)進(jìn)一步破壞干式缸套。

 

一、氣蝕現(xiàn)象的主要原因

 

1、材質(zhì)

      汽缸套的材料一般為灰鑄鐵、球墨鑄鐵、高磷合金鑄鐵等，這些材料硬度大、脆性也大，尤其是磷元素的存在，削弱了材質(zhì)的韌性。在高速高壓水的沖擊下，首先是將材質(zhì)中的石墨擊落，削弱了其強(qiáng)度，如此周而復(fù)始、層層蠶食、步步剝落，直至擊穿。此外，從金屬材料的金屬組織上看，缸套內(nèi)部結(jié)構(gòu)以珠光體為主，其內(nèi)均勻布滿片狀石墨，這種石墨不但削弱了基體的連貫性和強(qiáng)度，而且在周期性應(yīng)力的作用下，還起著對金屬的切削和割裂作用，瓦解基體，造成許多應(yīng)力集中點(diǎn)，危害很大。

2、熱交換速度

（1）從結(jié)構(gòu)上看，氣蝕產(chǎn)生的部位，正是冷卻水空間通道最狹窄處，根據(jù)流體理論，這里的流速最大，熱交換量也最高，區(qū)域內(nèi)壓力小，助長了氣泡產(chǎn)生的數(shù)量和速度。

（2）從腐蝕帶的長度看，正處于柴油機(jī)燃燒膨脹沖程活塞所對應(yīng)的位置，寬度也與高溫區(qū)相對應(yīng)。為此認(rèn)為溫度是產(chǎn)生氣蝕的重要原因，腐蝕帶在活塞上、下死點(diǎn)附近，因溫度相對低，腐蝕不明顯，得益于缸套距支撐近。

3、振動(dòng)

      小型柴油機(jī)采用濕襯，濕體無十字頭高速機(jī)，其缸套只有兩處支撐，而其下支撐是橡膠水密封圈，所以氣缸套的整體剛性是打折扣的。兩處支撐之間的距離在1.5倍缸徑以上，為此很多因素會(huì)造成缸套的顫動(dòng)，如運(yùn)動(dòng)件(尤其是往復(fù)運(yùn)動(dòng))的撞擊，氣缸內(nèi)壓力的變化，活塞換向過程對氣缸套施加的周期性壓力改變等，這些現(xiàn)象配以氣缸套因溫度改變而產(chǎn)生的伸縮，勢必造成缸套形體周期性的改變，時(shí)脹時(shí)縮，在冷卻水空間不間斷地產(chǎn)生瞬間的高壓區(qū)和低壓區(qū)。當(dāng)?shù)蛪簠^(qū)的壓力低于該溫度下的汽化壓力時(shí)，冷卻水就會(huì)汽化，同時(shí)溶解在水中的氣體也會(huì)游離出來，在缸套的外表面形成許多微小的氣泡(在冷卻水溫度為90℃時(shí)，只要壓力低于0.07 MPa，就會(huì)產(chǎn)生汽化現(xiàn)象)。隨著水的流動(dòng)和周期性高壓區(qū)水的補(bǔ)充，氣泡將會(huì)被動(dòng)力很大的水流擊破，同時(shí)殃及氣缸套。活塞的膨脹沖程，對氣缸套的承壓方向撞擊力最強(qiáng)，為此氣蝕最易發(fā)生在這條縱線上，而與此相對的非活塞擺動(dòng)壓力面上，振動(dòng)壓力小，就不易產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象

      綜合地講，以上各種因素相輔相成、互為促進(jìn)，對高速柴油機(jī)來說，都是氣蝕產(chǎn)生的重要原因。

 

圖1  缸套外徑表面穴蝕示意圖

圖2  氣缸套穴蝕現(xiàn)象放大圖

 

二、穴蝕原因分析

 

      柴油發(fā)電機(jī)缸套產(chǎn)生穴蝕有內(nèi)因和外因（如圖3所示），由于缸套本身存在微觀的小孔、裂縫或溝槽，這是材料本身或在加工制造過程中存在的缺陷，我們稱之為內(nèi)因；而外因主要是由于缸套的振動(dòng)。

      在柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，活塞在曲柄連桿機(jī)物的作用下，在缸套內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其側(cè)推力的方向亦發(fā)生周期性的變化，由于柴油發(fā)電機(jī)汽缸套與活塞之間存在著間隙，使活塞在橫向擺動(dòng)時(shí)具有沖擊性，這種沖擊性引起缸套產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)。活塞在側(cè)推力的作用下不斷地撞擊氣缸壁的左右兩側(cè)，從而引起缸套的高頻振動(dòng)，缸套的高頻振動(dòng)和氣缸壁的彈性變形使冷卻水空間的容積交替地增大和減小，冷卻水也相應(yīng)地被交替膨脹和壓縮，膨脹時(shí)受拉伸作用形成瞬間低壓。壓縮時(shí)，空間變小，形成瞬時(shí)高壓。此外，冷卻水在流動(dòng)時(shí)有時(shí)會(huì)產(chǎn)生漩渦，使冷卻水在通道內(nèi)的壓力也會(huì)產(chǎn)生變化形成瞬時(shí)的高壓和低壓，在低壓的瞬時(shí)，局部地區(qū)會(huì)發(fā)生變化，使得其間充滿水蒸氣，并從水中分離出氣泡，而在高壓的瞬時(shí)氣泡被壓縮而破裂并產(chǎn)生極強(qiáng)的壓力沖擊波，其壓力可高達(dá)數(shù)千個(gè)大氣壓，作用在缸套的金屬表面，使金屬表面受到損傷，隨著活塞的循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這樣的高壓反復(fù)沖擊缸套外壁，造成缸套外壁的金屬疲勞脫落，大量的金屬疲勞脫落在缸套外壁形成麻點(diǎn)狀的密集孔穴群，從而造成柴油發(fā)電機(jī)缸套的穴蝕。此外，是因?yàn)楦滋渍駝?dòng)能量的轉(zhuǎn)化。液體間摩擦和空泡破裂時(shí)產(chǎn)生的大量熱量、缸套表面局部產(chǎn)生的高溫可以達(dá)到熔化狀態(tài)以及在高壓作用下都會(huì)造成金屬破壞剝落后形成針孔狀的穴蝕。

      柴油發(fā)電機(jī)循環(huán)冷卻水也由于世界各個(gè)供應(yīng)地區(qū)的不同會(huì)呈弱酸、弱堿性或鹽溶質(zhì)的弱電解質(zhì)溶液，這些與缸套外壁金屬接觸的弱電解質(zhì)溶液跟缸壁上的金屬和雜質(zhì)或碳，一起形成無數(shù)的微小原電池，缸壁上的金屬顆粒為正極，雜質(zhì)(或碳)為負(fù)極的原電池會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致柴油發(fā)電機(jī)缸套的電化學(xué)腐蝕。另外，在氣缸套與缸體的接觸處，由于水流相對緩慢，冷卻水的溫度較高，氧的溶解度也較小，冷卻水中含氧濃度不同形成的氧濃差現(xiàn)象也會(huì)加速柴油發(fā)電機(jī)缸套的電化學(xué)腐蝕。

      一般認(rèn)為，穴蝕由缸套高頻振動(dòng)引起（如圖4所示）。機(jī)械振動(dòng)引起冷卻液壓力變化，使冷卻液中產(chǎn)生氣泡并破裂，此過程就是穴蝕產(chǎn)生的原因。由于冷卻液中溶有氣體，當(dāng)氣缸高頻振動(dòng)使冷卻液的局部壓力降到某一臨界值時(shí)，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(qū)，當(dāng)壓力超過氣泡壓力時(shí)便發(fā)生潰滅。處于氣泡狀態(tài)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(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生水擊現(xiàn)象，產(chǎn)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(dāng)作用在氣缸套外表面時(shí)，產(chǎn)生很大的沖擊、擠壓和高溫。在這種力的反復(fù)作用下， 柴油發(fā)電機(jī)的缸套外表面產(chǎn)生疲勞而逐漸脫落，呈麻點(diǎn)狀和針狀小孔，并隨著穴蝕的進(jìn)行而逐漸擴(kuò)展。

      有時(shí)柴油發(fā)電機(jī)的氣缸內(nèi)壁尚未使用到磨損極限，即被穴蝕所擊穿。如果氣缸套被穴蝕擊穿，就會(huì)產(chǎn)生比較大的危害：例如水進(jìn)入氣缸、柴油發(fā)電機(jī)盤車不動(dòng)。當(dāng)前，對氣缸套的穴蝕還缺少行之有效的解決方法，只能采取一些方法或措施來預(yù)防或減少穴蝕對氣缸套的破壞作用。

 

圖3  缸套穴蝕產(chǎn)生的原因

圖4  活塞高頻振動(dòng)現(xiàn)象

 

三、預(yù)防措施 

 

1、制造方面的措施

（1）在柴油發(fā)電機(jī)的水套側(cè)壁涂防穴蝕材料和吸振物質(zhì)；

（2）提高氣缸套外表面的硬度；

（3）盡量降低外表面的粗糙度；

（4）選用抗穴蝕能力強(qiáng)的材料；

（5）用合適的氣缸套壁厚，增加其剛度，以避免共振。

（6）盡可能地減小活塞與氣缸套之間的間隙，活塞撞擊缸壁的能量是活塞橫擺時(shí)接觸缸壁瞬間的橫向速度與其質(zhì)量所決定的。減小活塞與氣缸套之間的間隙可以大大降低撞擊時(shí)的速度，從而達(dá)到降低撞擊能量的目的。

① 提高活塞的加工精度；

② 采用膨脹系數(shù)大致相同的材料制造活塞和缸套；

③ 對活塞進(jìn)行有效冷卻等都可以使活塞和缸套之間的間隙減小。但是要注意，間隙的減小始終要受到可能發(fā)生拉缸的限制。

④ 盡量采用長裙活塞以減小活塞橫擺時(shí)的傾角，減輕活塞橫擺時(shí)的傾倒，從而減小活塞的傾覆力矩，增加活塞與缸壁的接觸面積，可以顯著降低氣缸套的振動(dòng)強(qiáng)度。

⑤ 增加缸套的壁度，縮短氣缸套支承間的跨距，增加輔助支撐等方法來提高氣缸套的剛度。   

2、維修和保養(yǎng)方面措施

（1）按規(guī)定更換冷卻液，并及時(shí)清洗冷卻系，使冷卻系經(jīng)常保持良好的技術(shù)狀態(tài)；

（2）按規(guī)定調(diào)整供油提前角及燃料系各總成，保持燃料系工作性能，減輕不正常燃燒造成的危害；

（3）保持良好的配缸間隙、曲軸軸承間隙和連桿軸承間隙，以減輕敲缸和振動(dòng)；

（4）安裝氣缸套、活塞、連桿等機(jī)件時(shí)，要盡量達(dá)到垂直度、平行度的要求，減小活塞對氣缸套的不正常沖擊。

（5）減小氣缸套的振動(dòng)盡量減小活塞與氣缸及氣缸套與氣缸體之間的配合間隙；

（6）減輕活塞重量；

（7）在重量和結(jié)構(gòu)允許的情況下，適當(dāng)選用厚壁缸套以及改善曲軸平衡效果等來減小氣缸套的振動(dòng)。

（8）提高氣缸套的抗穴蝕能力采用較致密的材料以及在氣缸外壁涂保護(hù)層、鍍鉻和滲氮等方法來提高氣缸套的抗穴蝕能力。

（9）在冷卻水中加抗蝕劑。就是在冷卻液中加注一定量的DCA4（防腐劑），這是康明斯的專利技術(shù)，這種防腐劑被溶解在冷卻液中，并隨著液體的流動(dòng)不斷沖刷生成于氣缸套外表面的氣泡，從而大大降低產(chǎn)生穴蝕的機(jī)率。提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的可能性和耐久性。以往產(chǎn)生的早期穴蝕就是因?yàn)闆]有補(bǔ)充DCA4，康明斯公司質(zhì)量部門已有明確的結(jié)論。

（11）保持適當(dāng)?shù)睦鋮s水溫水溫低，穴蝕傾向嚴(yán)重。水溫在90℃左右為宜，因?yàn)樗疁馗邥r(shí)，水中產(chǎn)生氣泡，能起到氣墊緩沖作用。

（12）設(shè)法改善冷卻水在水套中的流動(dòng)狀況，冷卻水流道應(yīng)該是暢通的，不存在“死水區(qū)”、渦流區(qū)和局部狹窄區(qū)，同時(shí)提高冷卻水的壓力，并使之維持恒定可以減少或防止水中出現(xiàn)氣泡。

（13）在冷卻水腔內(nèi)安裝鋅塊可減輕電化學(xué)腐蝕。

（14）在冷卻水中加入添加劑，如乳化油緩蝕劑等，使之在缸套外表面形成一層較薄的連續(xù)保護(hù)膜，這樣不僅可以防止電化學(xué)腐蝕，而且還可以減弱氣泡破裂時(shí)的沖擊波對缸套表面的沖擊作用，從而減輕穴蝕。

 

圖5  抗穴蝕濕式氣缸套技術(shù)

圖6  DCA65L弗列加防銹水

 

總結(jié)：

      除了上述穴蝕預(yù)防措施外，另外，在保證柴油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的前提下，適當(dāng)減小供油提前角，可以減輕柴油機(jī)工作的粗暴強(qiáng)度，減輕活塞的側(cè)向撞擊力，從而保證柴油機(jī)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，也能減緩柴油機(jī)穴蝕的產(chǎn)生。減輕穴蝕盡管有以上這么多預(yù)防穴蝕的措施，但是，氣缸套的穴蝕現(xiàn)象往往是不可避免的，在拆卸氣缸套時(shí)應(yīng)注意檢查穴蝕情況，若不嚴(yán)重可將氣缸套安裝方向調(diào)轉(zhuǎn)90°（即將穴蝕表面轉(zhuǎn)到與連桿擺動(dòng)面的垂直方向上）繼續(xù)使用，否則，應(yīng)更換氣缸套。

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