技術維修與康明斯知識

氣缸體裂紋現象和缸蓋平直度的檢測方法

摘要：柴油機氣缸蓋在很高的燃氣壓力和熱應力作用下工作，同時承受氣缸蓋螺栓預緊力的作用，機械應力和熱應力都較大，而且結構又十分復雜。各部位溫差大，尤其是進、排氣道和噴油器之間水道較窄，熱應力更大。因此，惡劣的工作條件下必然容易產生裂紋、翹曲變形等故障，康明斯公司在本文對這兩種故障進行了分析，講述了氣缸蓋發生裂紋和變形的檢測與維修方法，以提高柴油發電機的檢修質量。

一、氣缸裂紋檢查方法與原因分析

    

      一般來說，柴油發電機氣缸蓋容易產生裂紋的部位往往與他們的結構有關，不同形式的柴油發電機易出現裂紋的部分各自有它一定的規律性。由于氣缸蓋工作是在高溫、高壓、熱負荷和交變載荷下進行的，因此，在氣缸蓋平面，氣門導管孔、噴油器孔、冷卻水套壁等處易產生裂紋。

1、氣缸體與氣缸蓋的裂紋的現象特征

（1）柴油發電機排白煙。

（2）打開水箱蓋看到水箱冒氣泡

（3）缸壓低。

2、氣缸體與氣缸蓋出現裂紋的原因

（1）氣缸體結構復雜，各處壁厚不均衡，在一些薄弱部位，剛度低易出現裂紋。

（2）柴油發電機在高速運轉時的慣性、熱應力、氣缸體受交變應力作用等原因，使水套壁產生裂紋。

（3）水套中水垢過厚，減小了冷卻水的通過，同時由于水垢傳熱性差，降低了柴油發電機的散熱性能，特別是氣缸之間、氣門之間的水道阻塞后，嚴重影響它的散熱，使局部工作溫度升高，熱應力過大，易出現在嚴冬季節，驟加高溫熱水而炸裂。

（4）氣門座和氣缸套鑲配次數過多，壓配工藝不當或過盈量過大。缸蓋的排柴油發電機氣缸體與氣缸蓋容易產生裂紋的部位往往與他們的結構有關，不同形式的柴油發電機易出現裂紋的部分各自有它一定的規律性。柴油發電機的氣缸體與氣缸蓋一般是采用灰鑄鐵、合金鑄鐵及鋁合金鑄造的，它的結構形狀復雜，其工作是在高溫、高壓、熱負荷和交變載荷下進行的。因此氣缸體和氣缸蓋常出現砂眼和裂紋等現象。

（5） 使用不當引起滲水、漏水。如柴油機高溫狀態下驟加冷水，在嚴冬季節起動時驟加高溫水，或沒有按規定使用防凍防銹液，致使氣缸體、氣缸蓋被脹裂，或安裝水堵蓋產生裂縫，造成水堵蓋銹蝕、穴蝕出現漏縫。

（6） 拆裝維修不當。沒有按規定的順序、方法和力矩緊固缸蓋螺栓，使氣缸體和氣缸蓋受力不均或受撞擊產生裂紋;或更換水堵蓋時安裝不到位，偏斜變形。

（7）制造缺陷。如砂眼、時效處理不當、熱應力集中或鑄造時殘余應力較大等，造成氣缸體、缸蓋滲漏水。

3、裂紋檢測方法

      氣缸體、氣缸蓋等零件的裂紋，通常采用水壓試驗進行檢驗。

（1）水壓試驗法

      如圖1所示。試驗方法是將氣缸蓋及襯墊裝在氣缸體上，將水壓機出水管接頭與氣缸前端連接好，并封閉所有水道，然后將水壓入缸體水套中，要求壓力為30～40 kPa，保持5 min，如氣缸，氣缸蓋由里向外有水珠滲出，即表明該處有裂紋（典型案例如圖2所示）。更換氣缸套、氣門座圈及氣門導管后應再進行一次水壓試驗。在沒有水壓機的情況下，可用自來水及氣泵將水注入氣缸體、氣缸水套內。

 

 

圖1  柴油機氣缸體裂紋的水壓試驗

圖2  柴油機氣缸蓋閥橋處裂紋典型案例

（2）敲擊檢驗法

      另外，對缸體還可采取敲擊檢驗方法。將氣缸體侵入煤油或柴油中片刻，取出后將表面擦干，撒上一層白堊粉，然后用小錘敲擊，在裂紋處會出現油痕。此法適用于金屬疲勞裂紋的檢驗。4氣缸體與氣缸蓋裂紋的修理氣缸體、氣缸蓋裂紋與破裂的修理方法有粘結、焊接和螺釘填補等。具體采用那種方法應根據裂紋的大小、程度和部位未確定。

（3）探傷檢測法

 

      探傷檢測法（裂紋檢測組件零件號 3375432）是一種以毛細作用原理為基礎的用于檢測非疏孔性金屬和非金屬試件表面開口缺陷的常規無損檢測方法。其由于具有較高的檢測靈敏度，能夠發現開口寬度為10μm的缺陷。圖3為氣缸體探傷檢測示意圖；圖3為氣缸蓋探傷檢測示意圖。

 

圖3  氣缸體裂紋檢查（康明斯零件號3375432）

圖4  氣缸蓋裂紋檢查（康明斯零件號3375432）

 

4、修復方法

（1）粘結法

      大部分裂紋可采用粘結法修復。常采用環氧樹脂粘結，它具有粘結力強、收縮性小、耐疲勞等優點，同時工藝簡單、操作方便、成本低。其主要缺點是不耐高溫，不耐沖擊等，而且在下一次所以，除了燃燒室、氣門座附近的高溫區以外，其余均可采用此法。對于工作溫度較高的部位如燃燒室、氣門座附近在鑲氣門座與氣門導管前發現成孔有局部裂紋，可采用扣合鍵無機粘結劑法修理，它可以防止漏水，可承受600℃的高溫，抗壓性能良好。對破洞和裂紋集中部位，可以采用補板加環氧樹脂粘結法修理。用螺釘固定補板，其間涂以環氧樹脂以保持其密封。

（2）焊接法

      焊接可分為冷焊和熱焊兩種。熱焊時，將工件預熱到600～700℃進行焊接，焊縫金屬冷卻緩慢，零件冷卻時各處溫差小，不易形成較大內應力，防止了零件產生白口和裂紋。但是熱焊易產生變形和氧化比較嚴重，工藝復雜，工人勞動條件差。冷焊一般不預熱，工藝順序是：

① 焊前準備，徹底清潔油污水垢，檢查裂紋方向及起至點，用215 mm鉆頭沿著裂紋鉆一排孔。注意排孔的起至點分別超出裂紋兩端4～5 mm，排孔深度為該處壁厚的2/3，然后修整出60°～70°的V型坡口，下部保持曲線形狀，坡口兩側25 mm以內的表面用鋼絲刷或砂布打光。焊前清除坡口底部裂紋中殘留的油污水分并烘干。

② 焊接時，用“小電流、分段、分層”錘擊，以減少焊接應力和變形。采用直徑為215 mm的鑄607焊條，電流90 A且電流極性為直流反接。③焊接時，應在室內避風處進行，將工件稍加預熱（200～500℃）后施焊，焊接效果更好。

（3）堵漏劑堵漏法

      堵漏劑是由水玻璃，無機聚沉劑、有機絮凝劑、無機填充劑和粘接劑等組成的膠狀液體，適用于鑄鐵或鋁缸體所出現的裂紋、砂眼等缺陷的堵漏。若裂紋寬度、砂眼孔徑超過013 mm時最好不用這種方法修復。堵漏劑堵塞裂紋適于細小裂紋或有微量滲漏時采用。裂紋長度超過40～50 mm時，可在裂紋兩端鉆3～4 mm的限制孔，并點焊或攻絲擰上螺絲，防止裂紋擴展。同時，每間隔30～40 mm鉆孔（不鉆通）點焊或攻絲擰上螺釘，避免工作中的振動使裂紋擴展。

 

二、氣缸蓋變形的原因、檢測及修復

 

      氣缸蓋的作用是密封氣缸，與活塞共同形成燃燒空間，并承受高溫高壓燃氣的作用。氣缸蓋承受氣體力和緊固氣缸螺栓所造成的機械負荷，同時還由于與高溫燃氣接觸而承受很高的熱負荷。為了保證氣缸的良好密封，氣缸蓋既不能損壞，也不能變形。汽缸蓋變形是指氣缸蓋于汽缸體的結合平面（下平面）的平面度誤差超限。汽缸蓋變形會使結合平面不能平順結合，導致氣缸密封不嚴，漏氣、漏油，沖壞汽缸墊，使柴油機無法正常工作。

1、氣缸蓋變形的原因

（1）氣缸工作時受熱不均勻；

（2）長時間工作受高溫、高壓影響；

（3）裝配氣缸時螺栓擰緊力不均勻；

（4）螺紋孔有堵塞現象，螺栓不貫穿螺紋孔出現虛假擰緊

（5）高溫下拆卸汽缸蓋時受到外力撞擊。

2、檢測方法和參數

      氣缸蓋與氣缸墊配合表面如有傷痕、腐蝕或不均勻磨損時，應進行檢查。運用的工具有精密直尺和塞規，檢測步驟如圖5所示。對氣缸蓋的表面不平度進行檢查時，檢查的位置在圖6所示的方向上進行。并取幾個方向上測量得到的最大值為缸蓋表面不平度。同時要測量缸蓋與歧管接觸面的變形量。

（1）氣缸套每次加工量為0.1270～0.1524mm，氣缸蓋厚度加工達到使用極限時應予以報廢。康明斯6BT系列柴油機氣缸蓋的厚度最小為111.00mm，最大為111.25mm，磨損極限為110.24mm。應當注意氣缸蓋平面未重新加工時，只允許用0.7939mm的缸墊。

（2）KTTA型柴油機氣缸蓋厚度不小于119.76mm。 氣缸蓋的上平面和下平面必須是平行的，不平行度在0.13mm以內，否則可能使氣缸套座孔發生變形。

（3）缸蓋與噴油器套之間接觸座面的邊緣如有磨損，可用鉸刀來鉸關表面，切削深度不大于0.254mm。

3、缸蓋平面的修復

      輕微的可用刮刀刮研；較重的可在平面磨床上磨削；嚴重的可在刨床上刨削或在銑床上銑削。刮研、磨削、刨削后，允許有不大于1cm2的未加工處，但距孔眼或其它輪廓邊緣均應大于20mm。對局部燒蝕、銹蝕過于嚴重處用挖補法修復。基于氣門桿頂端、搖臂和推桿到凸輪之間的尺寸將縮小，搖臂的幾何位置將改變等原因，可從缸蓋一平面上切除的金屬量是有限的。無論哪種修復方法，在確保達到技術要求的情況下，加工量應盡量少。一般累計加工量（與新的比）不得大于0.5～1.0mm。磨削和刨削時，必須將缸蓋調平。

      氣缸蓋的翹曲，可用敲壓法校正。敲壓法修復柴油機氣缸蓋的方法是：先將厚度約為變形量4倍的鋼片墊放在氣缸蓋與平板之間。把壓板壓在氣缸蓋中部，擰緊螺栓，使氣缸蓋中部的平面貼在平板面上，用小鐵錘沿氣缸蓋筋上敲擊，以減小受壓變形時產生的內應力，停留5min后，將壓板移裝到全長1/3處敲擊，再移到另一端1/3處進行敲擊。氣缸蓋平面翹曲后，也可用磨削法來修整，但每次磨削缸蓋厚度有所變薄，燃燒室容積變小，壓縮比增大，從而引起柴油機的爆燃。因此，磨削不能超過一定厚度。如桑塔納柴油機缸蓋高度極限值為132.60mm。氣缸蓋變形經過磨削后易出現燃燒室容積不等的現象，其容積變化值，一般不應大于同一柴油機各燃燒室平均值的4%。對于汽油機燃燒室容積一般不應小于原廠規定的95%。否則，會出現怠速工作不穩和增加爆燃傾向。所以氣缸蓋修整后，應對燃燒室容積進行測量。

圖5  柴油機氣缸蓋不平度檢查方法

圖6  氣缸蓋不平度檢測方向和位置

 

總結：

      氣缸蓋在極為苛刻的條件下工作，其底板受熱面“鼻梁區”或內側表面可能產生裂紋及腐蝕形式的損壞。在底板受熱面“鼻梁區”產生熱疲勞裂紋是四沖程柴油機氣缸蓋較為常見的損壞形式。產生熱疲勞裂紋是由于受熱面的溫度超過材料的使用極限而發生蠕變，引起局部塑性變形。當氣缸蓋在冷熱交替情況下工作時，受熱面的收縮因塑性變形而受阻，從而產生殘余拉伸應力。受熱面溫度超過極限溫度越多，運行時間越長，殘余拉伸應力就越大，最終因應力的反復交變而出現疲勞裂紋。嚴重時可能經過一次冷熱循環便出現裂紋。因此，熱疲勞是取決于“冷熱”循環次數的低循環疲勞。

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