故障檢修與技術(shù)維護(hù)

柴油機(jī)氣缸體和缸蓋破裂變形的檢查維修法

摘要：氣缸體是柴油發(fā)電機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)的裝配基體，并由它來保持柴油機(jī)各運(yùn)動(dòng)件相互之間的準(zhǔn)確位置關(guān)系。水冷式柴油機(jī)通常將氣缸體與上曲軸箱鑄成一體，簡稱氣缸體。由于氣缸蓋的本身在結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜及組織上的重要性，一旦出現(xiàn)缸體和氣缸蓋的破裂及變形損傷情況，則會(huì)為柴油發(fā)電機(jī)的工作造成不良影響。在柴油機(jī)的運(yùn)行過程中，由于部分汽缸蓋使用年限長，體腔內(nèi)的鑄造缺陷會(huì)漸漸暴露出來，延伸到表面后形成裂紋造成漏水、竄油和竄氣，尤其汽缸蓋竄氣會(huì)引起費(fèi)油功率降低。因此，發(fā)現(xiàn)氣缸體和缸蓋裂紋現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)修復(fù)或更換零件總成。

 

一、故障現(xiàn)象和原因分析

 

1、故障表現(xiàn)

      氣缸體上半部有若干個(gè)為活塞在其中作運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向的圓柱形空腔，稱為氣缸。下半部為支承曲軸的上曲軸箱，其內(nèi)腔為曲軸運(yùn)動(dòng)的空間。在上曲軸箱上制有主軸承座孔，有的柴油機(jī)還制有凸輪軸軸承座孔。為了這些軸承的潤滑，在側(cè)壁上鉆有主油道，前后壁和中間隔板上鉆有分油道。 氣缸體的上、下平面用以安裝氣缸蓋和下曲軸箱，是氣缸修理的加工基準(zhǔn)。

（1）出現(xiàn)氣缸體漏水、漏油，以致于柴油機(jī)工作在非正常的冷卻及潤滑之下；其表現(xiàn)為少水、少機(jī)油，水溫高，機(jī)油壓力不足等。

（2）因?yàn)樽冃沃苯訉?dǎo)致氣缸蓋的下平面與氣缸體的上平面接合不良、不密封，出現(xiàn)氣缸墊“沖床”現(xiàn)象（即三漏現(xiàn)象）。表現(xiàn)為柴油機(jī)工作不良，功率下降、動(dòng)力不足，潤滑不良導(dǎo)致機(jī)械磨損加劇。嚴(yán)重者會(huì)運(yùn)行熄火、不好著車、甚至不著車。

2、故障原因分析

（1）裂紋破損形成的原因

      缸蓋裂紋常出現(xiàn)部位為氣門孔附近周邊位置，模擬示例如圖1所示。

① 因其工作環(huán)境溫度不均勻，導(dǎo)致熱應(yīng)力產(chǎn)生，在薄弱環(huán)節(jié)因剛度不足而產(chǎn)生破裂。

② 因長期工作疲勞產(chǎn)生裂紋。

③ 季未放凈冷卻液造成凍裂。

④ 冬柴油機(jī)過熱時(shí)，突然加入冷卻液導(dǎo)致爆裂。

⑤ 有可能在運(yùn)行或操作中出現(xiàn)嚴(yán)重沖擊、撞擊。

⑥ 過度擰緊緊固螺絲或操作不規(guī)范等。

      以上幾種原因都有可能造成裂紋，甚至破裂，缸蓋裂紋檢查方法如圖2所示。 

 

圖1  柴油機(jī)氣缸蓋的CAD模型（外部幾何形狀）

圖2  柴油機(jī)缸蓋裂紋的檢查

 

圖3  柴油機(jī)氣缸蓋的進(jìn)氣、排氣與循環(huán)水管道模型

圖4  柴油機(jī)氣缸蓋變形檢測

  

二、氣缸蓋參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)與檢測方法

 

1、參數(shù)要求

（1）氣缸蓋長度L≤300mm，允許其平面公差在0.05mm；

（2）氣缸蓋長度L≥300mm，允許其平面公差在0.1mm；

（3）每任意50mmX50mm的范圍內(nèi)均不應(yīng)大于0.025mm。

      缸體頂平面與軸承孔中心線的平行度（在機(jī)體全長上）：6BT型柴油發(fā)電機(jī)不得大于0.05mm。康明斯發(fā)電機(jī)組氣缸體頂面平面度應(yīng)在0.10mm之內(nèi)。

2、外觀檢查

（1）康明斯發(fā)電機(jī)組氣缸體外部應(yīng)無任何裂紋和損傷。若發(fā)現(xiàn)有導(dǎo)致漏水、漏油、漏氣的損傷時(shí)，必須予以修理和更換。

（2）檢查康明斯發(fā)電機(jī)組氣缸體與氣缸套接觸的密封環(huán)帶處有無穴蝕、腐蝕，如果腐蝕表面無法清除或表面已變形，應(yīng)更換缸體。

3、測量氣缸體的高度

      康明斯發(fā)電機(jī)組氣缸體經(jīng)外部檢查合格后，還應(yīng)進(jìn)行各部位測量。

（1）從主軸承蓋的結(jié)合面至康明斯發(fā)電機(jī)組氣缸體的頂平面的距離為康明斯發(fā)電機(jī)組氣缸體的高度，

（2）康明斯發(fā)電機(jī)組氣缸體的高度從主軸承處測量，可從康明斯發(fā)電機(jī)組氣缸體主軸承座孔的最高處測量。

4、汽缸蓋裂紋檢查常用方法

      通常，汽缸蓋裂紋都有一個(gè)產(chǎn)生和發(fā)展的過程，因此，平時(shí)認(rèn)真檢查、仔細(xì)觀察、及早發(fā)現(xiàn)，就能避免機(jī)損事故的發(fā)生。汽缸蓋裂紋檢查主要有3種方法：直接觀測法、著色顯痕法、液壓試驗(yàn)法。

（1）直接觀測法。

      可根據(jù)冷卻水壓力表指針的擺動(dòng)和膨脹水箱中水位的上下波動(dòng)及有無氣泄、油漬等來判斷汽缸蓋是否有裂紋，還可通過示功閥檢查排氣是否冒白煙或有燃燒不良現(xiàn)象來判斷裂紋發(fā)生在哪一缸。經(jīng)常檢查曲軸箱中滑油油位的變化，若油位升高，油中水分明顯增加，則應(yīng)懷疑內(nèi)有裂紋。

（2）著色顯痕法。

      首先仔細(xì)擦干汽缸蓋的檢查表面，涂上一層色油，干后再揩去色油，用放大鏡進(jìn)行檢查，如有裂紋，金屬表面就會(huì)有細(xì)小的紅色斑痕出現(xiàn)。

（3）液壓試驗(yàn)法。

       對于內(nèi)部微小裂紋，如冷卻水腔的微小裂紋，用著色法很難檢查，通常做液壓試驗(yàn)才能檢查出來。

      在檢修中，還可用放大鏡檢測法、水壓法、磁力探測法、熒光粉法、染色劑浸泡法、白粉敲擊法、超生波探傷法、射線探傷法等多種方法來檢查裂紋。情況而定，如為裂紋，則可采取焊補(bǔ)，也可運(yùn)用AB膠粘補(bǔ)。此類維修只可針對情節(jié)較輕的。但是修補(bǔ)后不可保證長期的在惡劣工作環(huán)境下再次出現(xiàn)故障，導(dǎo)致發(fā)生連鎖損傷。因而最好建議更換總成。

4、缸蓋變形檢查

      對于缸數(shù)較少，4缸以下（包括4缸）柴油發(fā)電機(jī)采取的測量方法依照圖（5）缸數(shù)較多，6缸及其以上柴油機(jī)缸數(shù)采取的測量方法依照圖（6）步驟進(jìn)行。

 

圖5  四缸柴油機(jī)氣缸蓋變形測量步驟圖

圖6  六缸以上柴油機(jī)氣缸蓋變形測量步驟圖

 

三、氣缸蓋的拆裝和維修

 

      氣缸蓋本體因?yàn)橄鄬w積比較大，且工作在密封腔內(nèi)，高溫、高壓、高強(qiáng)度工作負(fù)荷是其主要工作特性，結(jié)構(gòu)如圖7所示。在維修操作中，為了避免造成不必要人為的損傷。應(yīng)嚴(yán)格按正規(guī)的操作順序及方法。檢修前應(yīng)徹底清除平面上的水垢、積炭，清除毛刺，鏟平或刮平螺孔周圍的輕微凸起。

1、拆卸過程

（1）在確定要進(jìn)行拆檢之后，應(yīng)對熱車柴油機(jī)給予其自然冷卻，而不得為提高生產(chǎn)效率，熱車拆卸。更不得往冷卻系統(tǒng)內(nèi)加注冷水進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。

（2）維修時(shí)必須放干冷卻水。

（3）應(yīng)該選用專業(yè)工具（扭力扳手）進(jìn)行，對其緊固螺絲的拆卸按照一定的順序進(jìn)行。為了均勻的的分散緊固力，應(yīng)采取從兩邊至中間進(jìn)行交叉法拆卸。

（4）全部螺絲應(yīng)第一次全部卸力，最后由2—3次實(shí)現(xiàn)取下缸蓋。

2、維修過程

      拆卸的零部件應(yīng)進(jìn)行全面的清潔、清洗，再按照正確的各項(xiàng)檢測方法及程序進(jìn)行，確定零部件為待檢、待修、待換并及時(shí)上報(bào)。 如要出現(xiàn)類似變形、裂紋情況，可采用鏟削、磨削的方法進(jìn)行維修。但其磨削量也有一定的極限值。一般缸蓋在維修時(shí)基本與氣缸體同進(jìn)行，其最多只可以進(jìn)行三次磨削，最大極限不得超過10S/級(jí)。過度磨削會(huì)影響燃燒室容積，導(dǎo)致壓縮比變動(dòng)。影響柴油機(jī)的正常工作。氣缸體上的平面修整方法如下：

（1）康明斯發(fā)電機(jī)組氣缸體上平面可用磨削的最大厚度為0.254mm。

（2）修整時(shí)也可采用銑床或大型平面磨床進(jìn)行，康明斯發(fā)電機(jī)組氣缸體應(yīng)以主軸承座下平面定位，而不能以油底殼結(jié)合面定位。

（3）若用磨床時(shí)，應(yīng)從康明斯發(fā)電機(jī)組氣缸體上平面卸下定位銷，對康明斯發(fā)電機(jī)組氣缸體進(jìn)行磨削，每次磨削量應(yīng)為0.03-0.08mm。

      經(jīng)修整后應(yīng)重新檢查各部位尺寸，并應(yīng)符合上述要求。

3、重新裝配過程

      在組裝時(shí)，應(yīng)對新件、加工件進(jìn)行再次清潔、清洗、檢測。確定后組裝，對缸蓋緊固螺絲也應(yīng)按照從內(nèi)到外交叉法進(jìn)行緊固，分3—4次完成，螺栓擰緊次序如圖8所示。并對各緊固螺絲以專業(yè)工具（扭力扳手）施加標(biāo)準(zhǔn)扭力。第一次扭力：40N.M，第二次扭力：60N.M，第三次扭力：75N.M，第四次旋緊90N.M.

 

圖7  柴油發(fā)電機(jī)機(jī)體組結(jié)構(gòu)圖

圖8  氣缸蓋緊固螺栓時(shí)的裝配順序

 

四、預(yù)防裂紋產(chǎn)生的措施

 

1、氣缸蓋水套的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      缸蓋水套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)好壞，直接影響到缸蓋的散熱，對產(chǎn)生裂紋的幾率有重要的影響。水套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能寬敞，作到水流暢通，切忌死角，以免造成蒸氣泡滯留而引起局部過熱。減薄氣門之間(鼻梁區(qū))的壁厚。氣門之間的溫度，每減少1單位厚度，降溫量約為10℃/mm,但減薄必須在保證承受缸蓋螺紋預(yù)緊力、最大爆發(fā)力等機(jī)械負(fù)荷強(qiáng)度的前提下進(jìn)行。如考慮鑄造壁厚的偏差，氣門之間的壁厚H,大型柴油機(jī)為15～20mm,中型柴油機(jī)為12～17mm,通過鼻梁三角帶的水流應(yīng)有較大的流速(約為2～3m/s)。三角帶熱量是泡核沸騰的方式傳熱，此處有較大的水流速，可以把產(chǎn)生的泡核不斷帶走，增強(qiáng)冷卻效果，同時(shí)能沖刷冷卻水中的泥沙、鐵屑等雜質(zhì)，不會(huì)造成堵塞。可通過小隔板引流，裝冷卻噴水管，氣門之間鉆孔(鉆孔直徑約為氣缸直徑的10%)等方法，把從缸體上來的主要水流引到缸蓋三角帶，確保高溫區(qū)的冷卻。另外可采取一些補(bǔ)救措施以減少其裂紋的幾率。如噴油嘴孔和進(jìn)、排氣門座孔邊緣倒圓，以避免應(yīng)力集中。

2、改善使用條件

      柴油機(jī)使用過程中形成的水垢，會(huì)大大降低導(dǎo)熱率，使氣缸蓋散熱性下降，易造成氣缸蓋裂紋的產(chǎn)生。因此，氣缸蓋應(yīng)采用有防垢添加劑的冷卻水，防止水垢的產(chǎn)生。在冷卻水中無防凍劑的情況下，冬天要排空冷卻水。并在啟動(dòng)前一定要加水，若起動(dòng)后加冷卻水或柴油機(jī)處于高溫狀態(tài)下突然加注冷水，會(huì)造成局部熱應(yīng)力過大，使缸蓋產(chǎn)生裂紋。切忌柴油機(jī)在使用、運(yùn)轉(zhuǎn)過程中斷水或開鍋現(xiàn)象的發(fā)生，否則會(huì)使溫度急劇上升，如這時(shí)加入冷水，會(huì)使缸蓋產(chǎn)生裂紋。避免柴油機(jī)長時(shí)間在超負(fù)荷條件下工作，否則缸蓋內(nèi)應(yīng)力過大，易產(chǎn)生變形或裂紋。不要在冷車起動(dòng)后突然加載，使溫度急劇上升。否則，經(jīng)這樣數(shù)次的“冷-熱”循環(huán)就會(huì)使缸蓋材料不斷的拉縮，最終造成疲勞損壞，產(chǎn)生裂紋。修理作業(yè)中嚴(yán)格執(zhí)行工藝要求，如缸蓋螺栓未能按規(guī)定的順序和扭矩緊固，緊固力不均勻等，都會(huì)導(dǎo)致氣缸蓋變形或螺栓孔附近產(chǎn)生裂紋。

3、加強(qiáng)對缸蓋過熱部位的冷卻

      在柴油機(jī)缸蓋冷卻水道內(nèi)增設(shè)擋水板，加快水流速度，且對水流給以必要的引導(dǎo).使其定向地沖刷排氣門和噴油器使這些受熱嚴(yán)重的部件得到較好地冷卻。

4、使用人員的操作管理科學(xué)化

      若對柴油機(jī)操作管理不當(dāng)，同樣會(huì)導(dǎo)致汽缸蓋產(chǎn)生裂紋。例如，柴油機(jī)冷車啟動(dòng)或啟動(dòng)后加速太快都容易產(chǎn)生裂紋。更甚者，使用人員在沒有充分暖缸的情況下增加負(fù)荷，急劇調(diào)節(jié)冷卻水量，造成汽缸蓋“激碎”現(xiàn)象。這是由于受熱件和冷卻液的溫度升高都需要有一個(gè)過程，如果加速過快，燃燒室部件就會(huì)因內(nèi)外壁溫差過大而產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力，長此下去，就會(huì)產(chǎn)生裂紋，因此，使用人員啟動(dòng)前必須充分暖機(jī)，啟動(dòng)后不可加速太快，待油溫和水溫升高后，方可加至全速轉(zhuǎn)，同時(shí)還要及時(shí)清除冷卻水腔中的水垢和鐵銹。

 

總結(jié)：

      機(jī)體和氣缸蓋是柴油機(jī)的重要組成部分，它們共同構(gòu)成柴油機(jī)的主體結(jié)構(gòu)，為燃燒室的組成部分。機(jī)體和氣缸蓋變形或開裂會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)性能下降，甚至可能導(dǎo)致安全問題。因此，了解機(jī)體和氣缸蓋變形或開裂的故障原因至關(guān)重要。上述文章中已經(jīng)分析機(jī)體和氣缸蓋變形或開裂的常見原因，并提供相應(yīng)的解決措施。總之，機(jī)體和氣缸蓋變形或開裂是柴油機(jī)常見故障之一，采取上述相應(yīng)的解決措施可以有效預(yù)防變形問題，提高柴油機(jī)性能和使用壽命。因此，定期檢查和維護(hù)柴油機(jī)是保持其正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要手段。

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