故障檢修與技術(shù)維護

汽缸蓋及缸體裂縫的原因和補救措施

 

摘要：柴油發(fā)電機氣缸體和氣缸蓋的裂紋經(jīng)常發(fā)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(fā)生裂紋的部位往往與它們的結(jié)構(gòu)有關(guān)，不同形式的發(fā)動機出現(xiàn)裂紋的部位各自有一定的規(guī)律性。一般來說，水道內(nèi)腔水垢沉積導(dǎo)熱變壞；長期在高溫下工作使零件材質(zhì)強度下降；以及制造、使用不當(dāng)?shù)仁浅霈F(xiàn)裂紋的主要原因。下面康明斯公司所述的內(nèi)容就是我們經(jīng)常遇到的柴油發(fā)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(fù)雜的零件，長期在惡劣的條件下工作，閥座之間的“鼻梁區(qū)”是熱力負(fù)荷很嚴(yán)重的地方，往往會出現(xiàn)裂紋。而裂紋是氣缸體的一種主要損傷形式，也是發(fā)動機報廢的主要原因。因此探究氣缸體裂紋產(chǎn)生的原因?qū)υO(shè)計和產(chǎn)出高品質(zhì)發(fā)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(chǎn)生原因的分析可以設(shè)計、維修和使用幾個方面來進(jìn)行。

1、結(jié)構(gòu)設(shè)計欠妥

（1）氣缸體是發(fā)動機的基礎(chǔ)零件，是安放氣缸和安裝曲柄連桿機構(gòu)以及其它輔助機構(gòu)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(dǎo)向。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)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(gòu)成一個剛性很強地空間桁架系統(tǒng)。這個系統(tǒng)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(shè)計欠妥，一方面會影響到系統(tǒng)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(nèi)部較大的內(nèi)應(yīng)力，從而影響幾何尺寸的穩(wěn)定性。這就為使用過程中產(chǎn)生裂紋埋下了隱患。

（2）在設(shè)計確定氣缸體壁厚時，根據(jù)材料抗力以及鑄造工藝許用最小壁厚來進(jìn)行，但同時還考慮到對運動件精確支承和導(dǎo)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(shè)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(fā)動機工作失常（運動件失去應(yīng)有的運動規(guī)率、密封件不能可靠密封等）。工作失常的發(fā)動機氣缸體各部承受的各種負(fù)荷都有增大的趨勢，這又會使發(fā)動機的使用性能進(jìn)一步惡化。這樣的惡性循環(huán)，氣缸體上這些薄弱部位可能會產(chǎn)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(yīng)力集中，往往也是形成裂紋的原因。

      在氣缸體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)充分考慮到各處冷卻均勻。氣缸體結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，如設(shè)計時考慮不周，發(fā)動機在使用中會出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象，也容易出現(xiàn)熱裂紋。

2、維修錯誤

      在維修過程中，不能嚴(yán)格執(zhí)行維修技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或違反工藝規(guī)程，也會使氣缸體出現(xiàn)裂紋。

（1）發(fā)動機分解應(yīng)在其冷態(tài)（手長時間擱置）下進(jìn)行。如維修時在熱態(tài)下分解發(fā)動機，分解開來的機件在自由狀態(tài)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(nèi)部積集了過大的內(nèi)應(yīng)力，很容易產(chǎn)生裂紋。

（2）氣缸體和氣缸蓋是通過多個螺栓進(jìn)行連接的。在將氣缸蓋向氣缸體裝和時，螺栓的擰緊應(yīng)按一定的次序分多次進(jìn)行。最后擰緊的力矩也有一定的要求。如保修時不按規(guī)定進(jìn)行，很容易在氣缸體和氣缸蓋內(nèi)造成部平衡的內(nèi)應(yīng)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(xiàn)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(xiàn)裂紋；汽油機點火時間過早，運行中發(fā)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(dāng)時，常在橡皮圈密封處的薄弱部位開裂。

3、使用不當(dāng)

      合理使用發(fā)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(dāng)而易致氣缸體出現(xiàn)裂紋。

（1）冬季氣溫低，為防止冷卻水結(jié)冰膨脹面撐壞氣缸體，應(yīng)在發(fā)動機冷卻液中添加防凍劑，如不添加防凍劑應(yīng)在發(fā)動機停止運轉(zhuǎn)時放盡冷卻水。添加防凍劑后冷卻液的冰點應(yīng)低于當(dāng)?shù)刈畹蜌鉁兀駝t同樣會結(jié)冰凍壞氣缸體，使氣缸體上出現(xiàn)裂紋。通過放冷卻水防結(jié)冰時，應(yīng)將水箱和發(fā)動機水套內(nèi)的冷卻水都放盡。一些操作人員對柴油發(fā)電機組結(jié)構(gòu)不了解，在放水時，將水箱的放水開關(guān)打開后就認(rèn)為可高枕無憂了，結(jié)果氣缸體水套內(nèi)殘余的冷卻水結(jié)冰還是將氣缸體撐出了裂紋。

（2）冬季起動發(fā)動機時，一些操作員習(xí)慣先將發(fā)動機走熱，一些操作員習(xí)慣先將發(fā)動機走熱，再在發(fā)動機怠速運轉(zhuǎn)時向水箱加水。這種作法的惡劣后果是，冷的冷卻水進(jìn)入走熱的發(fā)動機內(nèi)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(fā)動機氣缸體出現(xiàn)裂紋的又一常見原因，水（特別是井水和河水）中含有一定數(shù)量的鈣、鎂的酸式碳酸鹽和硫酸鹽，當(dāng)其用作發(fā)動機冷卻水時，在發(fā)動機水道內(nèi)受熱升溫，會有鈣鹽沉淀出并集附在氣缸體水道內(nèi)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(dǎo)熱性差，降低了發(fā)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(xiàn)象也較嚴(yán)重。在，是在發(fā)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(chǎn)生裂縫，水道內(nèi)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(chǎn)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(yán)重破裂，一般容易發(fā)現(xiàn)，但對細(xì)小的裂紋，則難以觀察出來。因此，在對其修補前，應(yīng)對缸體、缸蓋進(jìn)行裂紋的檢驗。

1、目視檢驗方法

      按要求100％進(jìn)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(jié)果有：零件可以使用、零件可以修補、零件報廢三種，評價標(biāo)準(zhǔn)如表1所列，各缺陷區(qū)域如圖3所示。

表1    缸蓋底面的評價標(biāo)準(zhǔn)（檢測模板）

      缸蓋缺陷如沒有特別偏差定義，按以下標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)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(xù)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(biāo)準(zhǔn)

圖4  柴油機氣缸蓋聚集和連續(xù)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(lián)通，其他水道口一律封閉，然后將水壓入汽缸體的汽缸蓋內(nèi)。水壓試驗的要求是在340~440千帕的水壓下保持5分鐘，應(yīng)沒有任何滲漏現(xiàn)象，如出現(xiàn)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(fā)出的聲音不清脆而沙啞，則有裂紋。然后進(jìn)行仔細(xì)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(jìn)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(jìn)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(xué)顯影劑。顯影劑使裂紋中的染色劑變紅，將裂紋顯現(xiàn)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(yīng)根據(jù)其裂紋的程度、損傷的部位、修理條件和設(shè)備情況，確定其修復(fù)方法。修補時必須滿足以下的要求：

――沒有定義的修補必須經(jīng)過康明斯公司售后服務(wù)部和用戶技術(shù)部門評審確認(rèn)，并共同制定修補標(biāo)準(zhǔn)；

――所使用的修補材料必須符合環(huán)保、勞動保護等要求；

――所用的修補材料和所包圍金屬的化學(xué)性能和物理性能相匹配；

――所有的修補工作都必須由經(jīng)過培訓(xùn)的熟練工人按照修補作業(yè)指導(dǎo)書和相關(guān)的技術(shù)文件進(jìn)行修補。

1、粘接法

      環(huán)氧樹脂是具有粘接力強、收縮性小、耐疲勞等優(yōu)點。利用環(huán)氧樹脂粘接時，使用的設(shè)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(huán)氧樹脂膠粘接修復(fù)。941快速粘結(jié)劑是常用的環(huán)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(diào)合，即可應(yīng)用。該粘結(jié)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(jié)和承受沖擊負(fù)荷大、工作溫度高的機件的粘結(jié)。該粘結(jié)劑的A、B組份是采用牙膏皮包裝，便于攜帶及應(yīng)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(jīng)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(jù)粘接需要，將A、B組份大致按體積比5:1或質(zhì)量比6:1取料，然后在玻璃板上用竹簽調(diào)和均勻，即可使用。若要改善其性能，可摻和進(jìn)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(dāng)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(jié)，以提高粘接強度。

（5）固化。

     粘合件在25℃條件下經(jīng)3小時或在20℃條件下經(jīng)5小時就能固化使用，若急需，也可加熱至120℃經(jīng)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(huán)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(jié)：

      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(fā)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(fā)電機組所有零部件幾乎都安裝在汽缸體上。在發(fā)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(chǎn)生變形、裂紋和腐蝕等，影響柴油發(fā)電機組的正常工作。因此，在發(fā)電機組大修時，要對汽缸體進(jìn)行真認(rèn)的檢查、測量和維修，及早排除故障隱患。

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