故障檢修與技術維護

柴油發動機氣缸套磨損的原因

 

摘要：氣缸套-活塞環是柴油發電機中關鍵的一對摩擦副，該摩擦副性能的優劣直接影響到柴油發電機的動力性、經濟性、可靠性、環保性、安全性等多項綜合性能指標。如何提高氣缸套的耐磨性一直以來都是困擾柴油機行業發展的一大難題。康明斯發電機廠家在本文中分析了氣缸套磨損的原因，并重點從氣缸套的材料、表面處理、珩磨技術等方面進行研究，得出減少氣缸套磨損的方法及發展方向。同時介紹了鏜缸和換缸套步驟，用于修復發動機缸套的磨損或破損問題。

 

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，工作表面在活塞運動區域內的磨損沿縱斷面方向呈上大下小的不規則倒“錐形”，磨損的最大處是第一道活塞環在上止點位置時所對應的氣缸壁。從氣缸的橫斷面看，磨損后失去原來正圓形狀。因為活塞環接觸不到的氣缸上口幾乎沒有磨損，所以形成了“臺肩”。針對活塞無磨損和有磨損變化的情況，利用有限元分析軟件對氣缸套進行振動對比分析，如圖1、圖2所示。結果表明，活塞磨損型線變化后，氣缸的振動幅值明顯增加，而且在時域上的振動分布也有明顯變化。

1、氣缸套材料與柴油機性能要求不匹配

      氣缸套材料是影響柴油機性能的關鍵所在，當前柴油機設計受氣缸套材料影響主要體現在以下幾個方面：柴油機輸出功率的不斷提高；柴油機使用壽命、耐久性的不斷提升；輕量化；節能；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系在一起。例如：提高發動機功率則要求有高強度的材料，即為防止在上止點附近爆發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溫度增高，材料軟化，燃燒生成物增多，潤滑油變質，油膜破裂等現象也易于產生，進而導致缸壁拉傷與磨損加劇。另外廢氣循環系統的應用也能引起因硫磺而產生腐蝕磨損。

      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，同時還必須有較高的抗拉強度等其它特性，可以預想今后這種趨勢將會更明顯。表1為氣缸套常用鑄鐵材料及發展趨勢。

2、氣缸套-活塞環配副差

（1）氣缸套-活塞環基礎材料匹配性：

      正確選擇摩擦副的材料是提高氣缸套-活塞環耐磨性的關鍵。根據不同的磨損類型來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。就氣缸套來說，缸壁承受高壓氣體和活塞的側推力，以及由于高溫氣體引起的熱應力，要求氣缸套材料必須具有很高的抗疲勞強度，否則會引起氣缸套變形或材料過早疲勞破壞。此外，還必須具有良好的摩擦學性能，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性能。

（2）氣缸套-活塞環之間要求具有穩定的油膜：

      長期從事研究活塞環擦傷問題的德國格茨公司(Goet-zwerke)認為，90%的擦傷是在磨合運轉過程中產生的。活塞環與缸壁接觸不均勻，而引起局部地方接觸應力很高，油膜遭到破壞易發生擦傷。粗糙度對氣缸套-活塞環的影響：眾所周知在柴油機中，氣缸套內表面粗糙度對耗油量影響很大，也是影響柴油機的抗咬合性、耐磨性和使用壽命的最重要因素之一。一般來說需要有光滑、無毛刺、均勻平穩的表面粗糙度，這樣會形成良好的油膜分布，適于支承作高速往復運動的活塞和活塞環迅速磨合，以改善抗咬合性和耐磨性。

3、氣缸套潤滑條件差

      潤滑條件不好(無法形成油膜，產生干摩擦)，使氣缸套上部磨損嚴重。氣缸套上部鄰近燃燒室，溫度很高，潤滑條件很差，新鮮空氣和未蒸發的燃料沖刷、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，這是造成氣缸套上部磨損嚴重的重要原因。

      由于機油牌號規格不對，過稀或過稠及潤滑油壓力不足，致使氣缸潤滑不良，氣缸上部處于半干摩擦或干摩擦狀態，潤滑不良將加劇磨損；潤滑油濾清過臟，又未及時保養清潔，致使過臟潤滑油旁通，或者加注潤滑油時，塵土或雜質混入油底殼內，也會加劇磨損。

4、氣缸套本身結構不合理

      在柴油機中氣缸套上部承受壓力大，使氣缸套磨損呈上重下輕狀態。活塞環在自身彈力和背壓的作用下緊壓在缸壁上，正壓力越大，潤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、使用環境惡劣

      如進沙、粉塵嚴重等；空氣濾清不良。濾芯破損或進氣管路短路，致使很多沙土吸入氣缸，在氣缸壁間形成嚴重的磨料磨損。因此，空氣濾清器應及時保養，維護濾清器的正常工作是降低氣缸磨損的關鍵。

6、長時間不能保持正常工作溫度

      由于柴油機溫度高，氣缸強度降低，潤滑油變稀，造成氣缸粘著磨損，甚至釀成“脹缸”事故；溫度過低，潤滑油粘度大，油膜不易形成。且氣缸內可燃混合氣燃燒后，產生水蒸氣和酸性氧化物，生成礦物酸和有機酸，附在氣缸壁上，在柴油機低溫頻繁起動和燃燒不完全時酸性物質更易生成，造成氣缸嚴重的腐蝕磨損。實踐和實驗證明，當氣缸壁溫度低于50℃時，氣缸磨損量是90℃時的4倍。

7、裝配使用不當

      氣缸套裝配時，過盈量過大，缸套上平面高出缸體量過多，會造成氣缸套局部變形，當柴油機高溫、大負荷運轉時，氣缸因熱變形加劇，當熱變形超過某一限度時，會使活塞環與氣缸的適應性變差，加速氣缸、活塞環的磨損。維修中活塞環端隙，側隙修配不當，環受熱膨脹、卡死在氣缸內，端口銼修后有飛邊等原因都會加劇磨損。

 

圖1  無磨損氣缸套的振動加速度曲線

圖2  有磨損氣缸套的振動加速度曲線

 

二、缸套的修復方法

 

1、鏜缸的基本方法

       鏜缸是一種修復發動機缸套的方法，通過磨削缸套內壁的表面，恢復其平整度和光滑度。鏜缸裝置如圖3所示，鏜缸的基本步驟：

（1）準備工作：首先，需要將發動機從柴油發電機上拆卸下來，并將其放置在工作臺上。然后，清潔發動機表面和周圍區域，確保工作環境清潔。

（2）拆卸缸套：使用適當的工具，將發動機缸套拆卸下來。在拆卸過程中，需要注意保護發動機的其他部件，避免損壞。

（3）磨削缸套：將缸套放置在鏜缸機上，根據缸套尺寸和磨削要求，選擇砂輪進行磨削。在磨削過程中，注意控制磨削深度和速度，以免過度磨削導致缸套變薄。

（4）清潔缸套：磨削完成后，需要用清潔劑徹底清潔缸套內壁，去除磨削產生的金屬屑和油污。

（5）安裝缸套：將清潔后的缸套安裝回發動機中，確保缸套與發動機的其他部件配合良好。在安裝過程中，需要注意缸套的定位和密封性。

（6）調試和測試：安裝完成后，需要進行調試和測試，確保缸套安裝正確，并檢查發動機的運行狀態和性能。

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發動機缸套的方法，通過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）準備工作：同樣需要將發動機從柴油發電機上拆卸下來，并將其放置在工作臺上。清潔發動機表面和周圍區域，確保工作環境清潔。

（2）拆卸缸套：使用適當的工具，將發動機缸套拆卸下來。在拆卸過程中，需要注意保護發動機的其他部件，避免損壞。

（3）清潔發動機：將發動機內部徹底清潔，去除舊的缸套殘留物和油污。可以使用清潔劑和刷子進行清潔，確保發動機內部干凈無雜質。

（4）安裝新缸套：將新的缸套安裝到發動機中，確保缸套與發動機的其他部件配合良好。在安裝過程中，需要注意缸套的定位和密封性。

（5）調試和測試：安裝完成后，進行調試和測試，確保新缸套安裝正確，并檢查發動機的運行狀態和性能。

3、更換缸套的注意事項

      如果其它系統有問題而不加以消除，更換新的純正缸套后，不久還會出現問題。在排除被更換的缸套是因其它系統問題導致損壞的因素后，確定更換裝配新的缸套組件時，應該特別注意如下幾點：

（1）拆卸舊缸套后，要徹底清洗缸體，嚴格檢查其剛度和位置精度，特別是機體缸套孔的形位公差。如果剛度和位置精度難以補救，就只能更新機體。

（2） 正確的安裝活塞環，切記不要野蠻裝配，選用正確的活塞環卡鉗進行裝配，避免活塞環在裝配的過程受到應力損傷，導致工作出現異常。

（3）嚴格檢查和清理發動機冷卻系統，特別檢查水泵工作效能和水泵皮帶之張力。防止冷卻系統失效而導致發動機過熱。

（4）更換被污染的機油，清洗油道、機油噴嘴和進氣道，并換上優質三濾。

（5）應保證發動機在正常工作情況下的噴油器、油泵等技術參數。

（6）啟動發動機后，必須從小至大逐步加大負荷進行數小時的磨合。

（7）在進行磨合程序后讓發動機進行正常工作前，再次更換機油濾芯，并放開油底殼放油孔螺塞清除磨合后機油內的金屬末屑，或者更換新的機油。

圖3  柴油機鏜缸加工裝置

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

      根據氣缸套行業發展趨勢，發展出了蠕墨貝氏體灰鑄鐵新材料，有效解決了行業產品材料單一、綜合性能低等一系列技術難題。

      蠕墨貝氏體灰鑄鐵中的石墨大部分呈蠕蟲狀形態，少量呈圓球狀，其組織和性能均介于灰鐵和球鐵之間，它的強度、塑性、韌性高于灰鑄鐵，鑄造性能優于球鐵，具有良好的耐熱疲勞性能和導熱性能，是一種潛力巨大的新型工程材料。在柴油機零件、交變熱載荷下工作的鑄件、液壓件類鑄件、輕工及紡織機械鑄件等領域有著廣泛的應用，特別是近年來在國內外發動機缸體、缸蓋和活塞環生產中得到了廣泛推廣。但由于其蠕化處理范圍較窄，若想獲得蠕化優良的鑄件，就必須從蠕化劑、蠕化處理、爐前檢測等多方面著手，采用合適的工藝方法和生產技術，精確控制，才能達到理想的蠕化效果。

（2）高硅鋁合金缸套

      高硅鋁合金缸套因其具有質量輕、導熱性好、與鋁活塞熱物理相容性好、可回收率高等優點，受到了業界的關注。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，加入變質劑細化晶粒以及固溶強化和沉淀強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（摩擦系數曲線如圖5所示），從而進一步提高缸套整體的耐磨性。在實際生產中，缸套表面大多采用機械珩磨的方法進行處理，這種工藝可以形成便于儲油的網狀珩磨紋。對于高硅鋁合金缸套材料來說，鋁具有較強的延展性，容易在加工的過程中覆蓋在硅顆粒表面，導致磨合期摩擦因數大。高硅鋁合金缸套材料的理想表面結構是作為硬質相的硅顆粒凸出承載，凹下的鋁基體位置可以儲油加強潤滑效果，凸出的硅顆粒邊角圓化以減少應力集中。在活塞環與高硅鋁合金缸套表面摩擦時，凸出結構避免了其與軟金屬直接接觸，可以減少黏著而且硬質硅顆粒承載能夠提高配對副的摩擦磨損性能。

2、表面改性技術應用

      近年來氣缸套生產中已應用多種新型表面處理工藝技術，其中較為典型處理方法如下：

（1）多元合金共滲技術(QPQ)

      多元合金共滲技術(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化技術

      激光淬火及等離子強化技術采用激光淬火或等離子束對氣缸套內表面進行局部淬火強化，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

      采用高頻淬火感應器對氣缸套進行表面淬火，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

      通過氣體氮化處理，能顯著地提高氣缸套的抗疲勞強度、耐磨性和耐腐蝕性。成品外觀呈現均勻的銀灰色，氮化層厚5-10μm，硬度：HV700或更高。氣缸套應用表面氮化處理技術能使氣缸套表面形成硬度較高的斑紋，可防止金屬腐蝕，并可提高氣缸套內表面的減磨和潤滑性能，從而使氣缸套的耐磨性能得到提高，使氣缸套節油性效果明顯，環保性能顯著提升。

3、先進珩磨工藝應用

      隨著柴油機技術的發展，尤其是國家對柴油機排放要求的提高，對柴油機零部件的要求也越來越高。在此趨勢下康明斯公司經過反復試驗，自主研發了螺傘滑動珩磨氣缸套，應用該技術氣缸套產品能增加氣缸套本身的耐磨性、自潤滑性、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，同時能增加發動機的輸出功率和扭矩，降低油耗、改善啟動性能。能大幅降低氣缸套的磨損，延長發動機的大修期。

 

圖5  缸套摩擦因數和磨損量隨時間變化曲線圖

圖6  氣缸套與活塞間的磨損間隙變化過程

 

總結：

      柴油發電機缸套的使用壽命取決于缸套組件本身的質量、缸套組件的安裝精度、日常維護。由于缸套是發動機中最關鍵的組件，選用時要在優先保證質量的前提下，采購價格合理的產品。選用假冒產品，除使用壽命短之外，頻繁的更換將使發動機機體缸套安裝孔受到關聯破壞，甚至產生不可修復的后果。但是，選擇好的缸套組件，只是保證發動機正常使用的前提。而其安裝、更換和維護也極為關鍵。本文中所述鏜缸和更換氣缸套是兩種常見的發動機維修方法，用于修復發動機缸套的磨損或破損問題。鏜缸是通過磨削缸套內壁來修復，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。無論是鏜缸還是更換氣缸套，都需要在拆卸前進行準備工作，并在安裝后進行調試和測試，以確保發動機的正常運行。正確操作這兩種維修方法，可以延長發動機的使用壽命，提高柴油發電機的性能和可靠性。

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