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故障檢修與技術維護 |
柴油發電機缸蓋裂紋故障查找步驟和修復法 |
摘要：柴油機的氣缸蓋是重要的分部件之一，其主要作用是與氣缸配合形成活塞的做工空間，同時還需要為柴油機的冷卻、潤滑、進排氣及噴油系統等提供基座的位置。在柴油機工作過程中，由于冷卻系統的存在，氣缸蓋本身受熱極不均勻，熱載荷較大，因此，氣缸蓋所處的是相當惡劣的高溫高壓環境，同時氣缸蓋緊固螺栓及其它安裝螺栓都有較大的預緊力。綜上原因，柴油機氣缸蓋的主要故障就是變形和裂紋現象，因此，研究氣缸蓋裂紋產生的原因和維修方法，可避免事故的產生，對提高柴油機的使用效率大有裨益。康明斯公司在本文中以某用戶的缸蓋裂紋事故為例，逐步介紹該類型故障額查找方法和診斷結果。
一、缸蓋發生裂紋的原因和確定方法
在此以常用的某型小功率康明斯柴油機為例，外形模擬圖如圖1、圖2所示。氣缸蓋通過缸蓋螺母以一定扭矩緊固在機體上，一般為120~140Nm，進排氣道占據了大部分空間，冷卻水道與機體水道相通。上平面傾斜5°以使氣缸內的機油通過挺桿孔回流油底殼。上部進、排氣閥座，保證進、排氣門的正常工作。內部存在一個渦流腔，其底部有渦流腔鑲塊，通過該鑲塊上一個傾斜40°左右的孔，使得渦流腔與氣缸相通。一個2mm的錐形孔正對噴油嘴，提升啟動性能。據數據表明，氣缸蓋裂紋一般出現在氣門座圈周圍，如裂紋寬度不超過0 5 mm，仍可繼續使用。
1、裂紋產生的原因
發生原因大多由于氣缸蓋處于高溫有關，具體原因如下。
（1）氣缸墊沒有很好地安裝在氣缸蓋與氣缸體之間。其間的孔位沒有很好地對準，降低了冷卻水的流量，從而影響冷卻效果，使冷卻水溫度很高，導致機體溫度升高。
（2）使用中當機器溫度較高的情況下，更換冷卻水，由于劇冷、劇熱，最易引起氣缸蓋裂紋的發生。因此必須注意在機溫很高時不許向發動機內加入冷水。嚴禁先啟動發動機，再加入冷卻水。
（3）產生裂紋部位的壁厚單薄，設計強度不足。
（4）經常性供油時間太遲或過早，易使發動機產生早燃和爆燃，從而導致氣缸蓋底面溫度升高。
（5）產生裂紋的部位水道過窄或拐角過小，冷卻水循環緩慢，散熱不良，在冷熱不均時，膨脹不一致引起氣缸蓋裂紋。
（6）冷卻水內含堿性較大，水套內易產生水垢而又沒有及時按規定保養。由于水垢等原因，更加降低了冷卻系統的效能，從而容易引起氣缸蓋裂紋。如氣缸蓋內積1 mm厚的水垢，氣缸蓋底面的溫度約升高170℃。這樣就會引起局部更大的熱應力集中，加速氣缸蓋裂紋的產生。
（7）氣缸蓋或氣缸體在鑄造制成后，由于沒能很好地進行時效處理，消除內應力，致使缸蓋和缸體內部存在著很大的內應力，使氣門座之間部位產生裂紋。
2、氣缸蓋裂紋區的確定方法
用金屬物件輕輕敲擊，如發出的聲音不清脆而沙啞，則有裂紋。然后進行仔細察看，找到裂紋的范圍。如還找不到可利用專門的設備進行水壓試驗，加壓后滲水的部位即為裂紋所在位置。如果沒有專門設備，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，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。
水壓試驗方法：在給汽缸體或汽缸蓋進行水壓試驗時，先將汽缸體上的水管接頭、水套孔用木塞和專用蓋板堵住，把其中的一個水管接頭用皮管接出。向水套內部加滿水后，用高壓水槍或高壓氣筒（或氣泵）向汽缸體內部加壓。若用高壓氣簡或氣泵時，為了防止水氣倒流，要在管路中加裝單向閥，單向閥一般加裝在充氣軟管和汽缸體水管接頭之間。在沒有專用蓋扳或術塞的情況下對汽缸蓋進行水壓試驗時，也可以用幾個人的手指堵塞汽缸蓋水道孔。
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圖1 柴油機缸蓋模型立面圖 |
圖2 柴油機缸蓋模型側視圖 |
二、缸蓋裂紋的修復方法和試驗
1、修復缸蓋裂紋的措施
氣缸體、氣缸蓋裂紋與破裂的修理方法有粘結、焊接和螺釘填補等多種。具體采用哪種方法應根據裂紋大小、程度和部位確定。當遇到缸蓋上的穿透性裂紋和關鍵部位的嚴重裂紋都必須更換缸蓋，并清洗水套后裝機試機后，故障排除。
（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，而且在下一次修理時，經熱堿水煮洗后會脫落，需重新粘接。所以，除燃燒室、氣門座等高溫區域外，其余部位均可采用這種方法。對破洞和裂紋集中部位，可采用補板加環氧樹脂法修理。用螺釘固定補板，其間涂以環氧樹脂，以確保密封。
（2）焊接
焊接可分為冷焊和熱焊兩種。熱焊時，將工件預熱到327-427℃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，可防止零件產生白口鐵組織和裂紋。但熱焊易產生變形，工藝復雜。冷焊一般不預熱。目前，隨著冷焊質量可靠性的提高，在氣缸體、氣缸蓋裂紋的修理中，得到廣泛應用。
（3）堵漏劑堵漏
堵漏劑是修補氣缸漏水的一種新材料。它是由水玻璃、無機聚沉劑、有機絮凝劑、無機填充劑和粘結劑組成的膠狀液體，適用于鑄鐵、鋁缸體所出現的裂紋、砂眼等缺陷的堵漏。
（4）打磨法
裂紋微小時采用銼刀、油石和風砂輪等工具打磨裂紋處予以消除，經無損探傷或水壓試驗檢驗合格后繼續使用。否則，繼續打磨、檢驗。若裂紋較深達壁厚的3%以上時，停止打磨改用其他方法修理或報廢換新。
（5）金屬扣合法
氣缸蓋底面和其他部位的裂紋采用金屬扣合法修理，不僅零件的強度要求，還可滿足密封性要求。
（6）鑲套修理
對于孔壁上的裂紋，如氣缸蓋上的進、排氣閥孔壁和噴油器孔壁的裂紋采用鑲套修理。此法效果好，可使零件繼續使用2年以上的時間。襯套的材料一般為不銹鋼或青銅、襯套端部與閥孔底部間墊以紫鋼墊片以增強密封性。
（7）覆板修理
氣缸蓋外表面裂紋可采用覆板修理。修理時，先在裂紋兩端鉆止裂孔，涂膠粘劑(如環氧樹脂)后將鋼板覆蓋其上，用螺釘將鋼板固緊在氣缸蓋上。
2、焊后加工及試驗
在臥式萬能銑床上以缸蓋上平面定位，先后用粗齒和細齒主銑刀加工，將焊縫銑平，然后進行研磨。
磨料為鋼玉和碳化硅，粗研為60～100#，精研為150～240#，研磨劑可用潤滑油、煤油、汽油；研具用鑄鐵、夾布膠木、紫銅、青銅等。研磨余量為0.02～0.03mm。研磨不但能提高焊縫表面質量，提高光潔度，還能夠提高缸蓋平面度，增加與缸體連接的密合性，防止漏水、漏汽。經過修復后，對缸蓋進行檢驗、測量，裝配后以0.4～0.45MPa壓力進行5min水壓試驗無泄漏，試車發動容易，排氣聲響正常，功率充足，正常投入生產。
三、缸蓋裂紋故障案例
1、故障現象
一臺NTA855型康明斯柴油機售于深圳某工廠，工作過程中出現冷卻液溫度過高的故障。停機檢查，發現散熱器中冷卻液不足。加足冷卻液后，故障消除但運轉一段時間，故障再次出現。停機檢查，發現散熱器中冷卻液又少了很多。
2、故障查找分析
（1）發動機內部泄漏檢查
先旋下放油螺塞，因冷卻液密度比潤滑油大，若有冷卻液泄漏，冷卻液便會先流出來或流出冷卻液與機油的乳狀混合物；也可抽出機油標尺，查看油標尺有無水珠。然后檢查機油冷卻交換器的水道與油道之間有無泄漏，可將交換器放在水中，用手動壓力器進行壓力檢測。最后進行柴油發電機冷卻系統內部泄漏試驗，在散熱器上接上壓力檢測器，起動柴油發電機，如果壓力迅速上升，表明氣缸損壞或氣缸體破裂產生泄漏；如果壓力不上升，用壓力檢測器加壓，若壓力指針不斷擺動，表明柴油發電機在燃燒時或壓縮時，冷卻系統發生了泄漏。此時若拆下壓力檢測器，高速運轉柴油發電機，會發現冷卻液冒出氣泡，此時，應更換氣缸或氣缸體（全新的康明斯缸蓋模型如圖3所示）。
（2）拆下氣門室罩蓋檢查
發現缸蓋上面有少量白色泡沫，而機油無明顯增加，說明有少量冷卻液泄漏到潤滑油中，以上現象說明冷卻液是蒸發掉了，即可能是氣缸蓋或者缸套等部件有裂紋，導致在進氣沖程中，氣缸內形成負壓，冷卻液由裂紋進入氣缸，而壓縮和做功沖程中，部分冷卻液在高溫的作用下汽化。在排氣沖程中，大量汽化了的冷卻液排入大氣，致使冷卻液消耗過量，而殘留的少量冷卻液沿氣缸壁流入油底殼，導致潤滑油中有少量冷卻液而產生肉色泡沫。
（3）對缸蓋和缸套進行檢查
拆下氣缸蓋后，發現第1缸積炭嚴重，活塞頂部有水，說明渡缸有冷卻液泄漏現象，但是檢查缸套時卻沒有發現裂紋。對缸蓋進行水壓試驗，結果發現有水從第1缸排氣門處流出。拆廠排氣門時，發現缸蓋上的氣門座附近有一條清晰可見的裂紋，如圖4所示。因此，試驗表明冷卻液就是從這里泄漏的。檢查缸蓋時，發現水套內壁有厚厚的一層水垢。分析認為，由于排氣門座附近溫度高、散熱條利差、結構單薄，而水垢的隔熱作用使散熱條件進一步惡化，因而在應力集中的作用下產生了裂紋。
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圖3 柴油機全新缸蓋模型斜視圖 |
圖4 柴油機氣缸蓋裂紋現象示例圖 |
總結：
柴油機氣缸蓋的作用是密封氣缸，并同活塞共同組成燃燒室。氣缸蓋工作條件惡劣，受力情況復雜。它不僅受到燃燒室燃氣燃燒所發出的爆發力的強烈作用，也受到因冷卻水造成的局部冷熱不勻影響，是一個較易損壞的零件。造成氣缸體和氣缸蓋裂紋的原因既有結構不合理、材料和制造工藝的問題，也有使用、維護不當的問題。氣缸蓋破裂對發動機性能和可靠性都會產生嚴重影響，因此在使用和維護發動機時，應注意保持正常的工作溫度、定期檢查冷卻系統、正確安裝和緊固零部件，并使用合適的冷卻液，以預防氣缸蓋破裂的發生。
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