故障檢查與技術維護

柴油發電機汽缸套早期磨損特征與機理

 

【摘要】柴油發電機汽缸套早期磨損是一種常見的故障，氣缸會早期磨損的結果將導致柴油發電機功率下降，啟動困難，竄機油嚴重和機油消耗量增大，甚至會造成自動熄火而使柴油發電機不能正常工作。本文較為全面而系統的分析了康明斯柴油發電機組汽缸套表面異常磨損的類型、機理，并針對性地提出各類磨損的防治措施，為柴油發電機汽缸套表面異常磨損研究領域提供參考。

 

一、汽缸套的磨損現象

 

      汽缸套是發動機的關鍵零部件之一，其產品性能直接影響發動機的動力性、經濟性、可靠性、環保性和安全性。汽缸套與氣缸蓋、活塞、活塞環組成燃燒室，通過進氣、壓縮、燃燒、膨脹、排氣等過程，將熱能轉化為機械能，提供動力保障。汽缸套是發動機中工作環境最惡劣的零部件之一。

      汽缸套長期受活塞環高速往復運動，承受大爆發壓力和高溫燃氣作用，機械負荷和熱負荷嚴重，潤滑條件惡劣，要求產品具備高耐磨、高減磨、自潤滑、耐腐蝕和良好的散熱、抗變形等性能。其主要的失效形式是磨損，形成磨損的主要原因包括汽缸套本身構造原因引起的磨損、未正確使用造成的磨損以及維修異常所造成的磨損（如圖1所示）。有效減少磨損、延緩失效對提高內燃機性能有著極其重要的意義。

1、汽缸套磨損特征

      汽缸套使用一段時間，就會出現不均勻磨損。其特征是沿長度方向產生失圓度，沿圓周方向產生橢圓度和圓錐度。磨損最大、最不均勻的部位，一般是在活塞處于上止點位置時，第一道氣環相對應的缸壁處，往下使逐漸減小，康明斯柴油發電機汽缸套在活塞運動區域之外磨損很小，特別是在磨損最大斷面以上部位，幾乎沒有磨損。所以在此處形成明顯的臺肩。

2、汽缸套磨損現象仿真分析

      由于發電機組散熱器用復合箔在工作狀態下要承受600 ℃高溫，因此需要具有良好的抗下垂性能.參照日本低溫焊接委員會的抗下垂性試驗方法測試復合箔的抗下垂性。

      利用發動機專用軟件模塊進行了汽缸套-活塞碰撞動力學仿真，獲得了汽缸套與活塞接觸區域內，汽缸套內部表面的每個節點的碰撞力，而且對每個不同的活塞型線進行了碰撞動力學仿真.對于無磨損、保持原始型線的活塞，汽缸套的中上部接觸區域中某一節點的碰撞力的動態響應如圖2所示。通過上述汽缸套-活塞碰撞動力學仿真分析，可以獲得汽缸套內部表面各節點的碰撞力結果。

 

圖1  汽缸套常見磨損和損傷現象

圖2   汽缸套內部表面某一節點的碰撞力曲線

 

二、汽缸套產生失圓度條件和原因

 

      汽缸套沿長度方向產生失圓度，與其工作條件密切相關，可從潤滑、冷卻、溫度、壓力、活塞動力速度、磨料和腐蝕性物質等方面來分析其原因。

1、潤滑條件

      汽缸套上部潤滑條件最差。由于康明斯柴油發電機汽缸套多采用激濺式潤滑，康明斯柴油發電機汽缸套上部潤滑油最少，而且康明斯柴油發電機汽缸套上部溫度最高，潤滑油的粘度最低，油膜強度最弱。而康明斯柴油發電機汽缸套上部又與高溫氣體接觸時間最長，易燒損汽缸壁上的油膜，形成半天摩擦或邊界摩擦，這些因素都使康明斯柴油發電機汽缸套上部磨損比下部大，從而產生失圓度。

2、壓力的影響

      康明斯柴油發電機汽缸套上部承受的壓力最大。這個壓力除了活塞本身的彈力以外，主要是燃燒過程產生的高壓氣體竄入活塞環背隙而作用于汽缸壁的壓力。由于這個壓力隨活塞下行而降低，因而造成康明斯柴油發電機汽缸套上部磨損最大。

3、磨料的影響

      來自空氣中的灰塵，以及不完全燃燒時產生的積炭等磨料，進入汽缸壁與活塞、活塞環的配合表面之間，隨著活塞在汽缸中的往復運動，會造成磨料磨損。這些磨料在康明斯柴油發電機汽缸套上部時，其棱角最鋒利，向下會沿途磨鈍，因而康明斯柴油發電機汽缸套上部磨損最大。

4、腐蝕的影響

      汽缸套上部腐蝕最強烈，這也是康明斯柴油發電機汽缸套上部磨損大于下部的重要原因。

（1）康明斯柴油發電機汽缸套內的燃料燃燒后，會產生水蒸氣和某些酸性物質。例如燃料中含有的硫化物在燃燒中與水蒸氣化合生成硫酸，二氧化碳與水蒸氣化合形成碳酸，在高溫燃燒時，大氣中的氮與氧化合成氧化氮，而氧化氮又與水蒸氣化合生成硝酸等等，這些酸性物質會使汽缸壁發生化學腐蝕。

（2）當汽缸壁溫度低于露點溫度時，燃燒廢氣中的水蒸氣在汽缸壁上凝結為水滴，會產生比化學腐蝕嚴重得多的電化學腐蝕。腐蝕物被運動的活塞環刮去后，又出現新的腐蝕，這樣不斷重復，越靠近康明斯柴油發電機汽缸套上部化學腐蝕和電化學腐蝕就越嚴重。實踐證時，當冷卻水溫度低于85℃時，汽缸壁腐蝕最嚴重，而在此溫度以上時，燃燒后生成的水蒸氣和酸類物質可隨廢氣排出，危害性要小得多。

 

三、汽缸套產生橢圓度和圓錐度的原因

 

      康明斯柴油發電機汽缸套沿圓周方向磨損不均勻，產生橢圓度和圓錐度則與下列因素有關：

1、潤滑、冷卻條件的影響

      在正常條件下，汽缸套的最大橢圓一般也是發生在康明斯柴油發電機汽缸套上部潤滑條件最差的最大磨損位置。

2、活塞環壓力的影響

      活塞環壓力沿徑向的分布是不均勻的，其開口處的單位壓力常達平均壓力的好幾倍，這也是康明斯柴油發電機汽缸套沿徑向產生偏磨的原因。

3、側壓力的影響

      在正常條件下，活塞往復運動的側壓力會使康明斯柴油發電機汽缸套在連桿運動平面產生較大的磨損，而側壓力較大的一邊，磨損也較大。因而促使康明斯柴油發電機汽缸套沿徑向產生橢圓度和圓錐度。注意，由于側壓力的最大位置并不在康明斯柴油發電機汽缸套上部，所以對最大橢圓度和圓錐度的形成不起主要作用。

      另外使用維護不當，工作環境惡劣，潤滑油不能及時添加或使用不潔凈的潤滑油，柴油發電機汽缸套或活塞環變形，連桿扭曲等等，都會使康明斯柴油發電機汽缸套發生早期磨損。

 

四、汽缸的磨損檢測方法

 

1、使用量缸表進行檢驗

      用量缸表測量汽缸的橢圓度和圓錐度，是在垂直于汽缸內壁工作表面的三個截面上進行測量的，如圖3所示。 第一個截面在活塞上止點時的第一道活塞環所處的位置，在這個位置，汽缸內磨損量最大；第二個截面在汽缸套內壁的中間位置；第三個截面在活塞下止點時能后一道活塞環位置處，在這個位置，汽缸內壁的磨損量最小。在三個截面上分別泱出每一個截面的左、右和前、后方向的直徑，就可計算出汽缸的圓錐度和橢圓度。同一個截面內測量出的互相垂直的兩直徑的差值為橢圓度。分別在汽缸套內壁的三截面上的相同方向上，測量出的最大直徑和最小直徑的差值為圓錐度。量缸表在汽內壁磨損的最大位置外測量的直徑與標準尺寸的差值為該缸的最大磨損量。在一般情況下，對汽缸套的橢圓度要求是：汽缸套的內徑小于100mm時，橢圓應小于0.2mm;汽缸套的內徑大于100mm時，橢圓度應小于0.30mm。汽缸套的大限度橢圓度為3D/1000mm（D為缸套內徑）。對汽缸套的圓錐度要求是：汽缸套度大于250mm時，圓錐度應小于0.025~0.5mm。在正常情況下，允許汽缸套的圓度為0.05mm，最大極限圓錐度不允許超過5D/1000mm。

2、使用壓力表進行檢驗

      壓力表是另一種常見的氣缸壓力測量工具，如圖4所示。與壓力傳感器不同，壓力表通常是機械式的裝置，它使用彈簧原理或其他機械機構來測量氣體或液體的壓力。在氣缸壓力測量中，壓力表通常需要通過連接管與氣缸內的氣體相連。當氣體壓力作用在壓力表上時，壓力表的指針會隨之移動，指示出氣缸內的壓力數值。

（1）氣缸壓力測量目的

      柴油機的汽缸壓力測試是檢測柴油機內部結構和性能狀況的重要手段。一般來說，汽缸壓力測試能夠反映出柴油機的壓縮比、燃燒室密封性、活塞環的磨損程度、噴油系統的工作狀態等方面的問題。通過對柴油機的汽缸壓力測試，可以及時發現柴油機的故障和問題，并采取相應的修理措施，從而確保柴油機的正常運轉和可靠性。

（2）汽缸壓力測試的操作步驟

      汽缸壓力測試一般分為以下幾個步驟：

① 準備工作

      在進行汽缸壓力測試之前，要先檢查柴油機的供電是否正常，以及檢查試驗儀器的連接線路是否良好。同時，要將柴油機的冷卻液排放干凈，確保柴油機處于干燥狀態。

② 安裝測試儀器

      將汽缸壓力測試儀器連接到柴油機的高壓油管上，然后將高壓油管擰緊，確保油管的密封。

③ 測量壓力值

      接下來，啟動柴油機，并將其運轉到一定的轉速下，然后按下汽缸壓力測試儀器上的測試按鈕，即可進行汽缸壓力測試。在測試過程中，要根據測試儀器上的指示器，記錄下各個氣缸的壓力值。

④ 進行數據處理

      測試完成后，按照汽缸壓力測試儀器上的操作步驟進行數據處理。將測得的壓力值作圖，分析各個氣缸測試結果的差異性，并根據測試結果判斷柴油機的內部結構和性能狀況。

 

圖3  氣缸橢圓度和圓錐度的測量

圖4  氣缸壓力測試圖

 

總結：

      汽缸套在潤滑不良、高溫、高壓、交變載荷和腐蝕物質的作用會產生早磨、穴蝕、裂紋等常見失效形式。維修保養和使用不當是造成早期過度磨損的主要原因，只有了解，掌握了汽缸套的正常磨損和早期非正常磨損的規律、原因和預防措施，才能提升其綜合性能。采用螨墨鑄鐵汽缸套，對汽缸套進行表面改性處理以及先進珩磨工藝等這些方法都可以減少汽缸套的磨損，延長汽缸套的使用壽命。

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