故障檢修與技術(shù)維護

機體、噴油泵、缸套氣蝕現象產(chǎn)生原因和預防方法

 

摘要：氣蝕是柴油發(fā)電機組機械或機件與液體相對高速運動(dòng)時(shí)在機件表面上產(chǎn)生的一種破壞，氣蝕又稱(chēng)空泡腐蝕，或氣蝕， 氣蝕也是一種局部腐蝕。由于氣蝕主要發(fā)生在缸體、冷卻水泵、燃油泵、噴油器和氣缸套部位，因此，發(fā)動(dòng)機中產(chǎn)生的氣蝕對燃油系統及配氣機構的正常運行和工作將造成極大的危害。康明斯發(fā)電機廠(chǎng)家為了減少或避免產(chǎn)生氣蝕，使其運行和工作況達到理想效果，通過(guò)本文中對氣蝕產(chǎn)生的原因和危害進(jìn)行了析了解，采取相應的措施從而使柴油發(fā)電機經(jīng)濟性能得到提高，質(zhì)量得到保證。

 

一、氣蝕的主要原因

 

      柴油機在使用一段時(shí)間后，冷卻系統中循環(huán)的冷卻水，即使添加防銹劑，仍會(huì )對接觸部分產(chǎn)生腐蝕；這是因為冷卻水中溶解的氣體，在柴油機運行造成的振動(dòng)作用下，在低壓時(shí)析出氣泡，然后氣泡在高壓下潰滅；機體水腔和缸套外壁等在氣泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的沖擊和高溫作用下，會(huì )形成麻點(diǎn)狀和針狀的孔洞。該過(guò)程在柴油機振動(dòng)造成的壓力變化下不斷重復，氣泡從而持續對機體水腔、缸套外壁等造成破壞。

 1、水濾器失效

      康明斯柴油機采用弗列加司生產(chǎn)的干式化學(xué)添加劑或含干式化學(xué)添加劑的水濾器，可以在柴油機工作中不斷消除和抑制冷卻液中的空氣泡或泡沫。所以康明斯柴油機上的水濾器不僅通過(guò)濾紙過(guò)濾雜質(zhì)，而且裝有防氣蝕的化學(xué)添加劑。定期更換水濾器濾芯可代替向冷卻系統加添加劑。比如有些由于操作員對康明斯柴油機的特點(diǎn)和水濾器的放氣蝕作用缺乏了解，認為柴油機頻繁更換水濾器濾芯得不償失因而該機常年不換水濾器濾芯，造成水濾器失效是氣缸套氣蝕的重要原因。因此，應經(jīng)常檢查DCA值，需要時(shí)加用添加劑，在B級維護時(shí)（250h或三個(gè)月），將水濾器預加濾芯換成工作濾芯。

2、冷卻系統使用維護不當

      柴油發(fā)電機組屬于冷卻系列的閉式循環(huán)水箱。膨脹箱上連接兩根軟管，一根通柴油機前出水口，另一根接散熱器加水口；下部連接一根軟管，接水泵進(jìn)口。當柴油機運轉時(shí)，水道和散熱器內的水蒸氣都進(jìn)入膨脹箱，以減少水道內的空氣和空氣泡，而膨脹箱的冷卻水又可補充水泵進(jìn)口低壓區，起防氣蝕的作用。但由于操作入員不了解冷卻系統的結構特點(diǎn)，誤認為不使用膨脹箱冷卻系統也能工作，因而該機膨脹箱經(jīng)常不加水，散熱器家說(shuō)口通膨脹箱的水管接頭脫落不焊修。散熱器蓋損壞不更換，甚至膨脹箱無(wú)加水口蓋，導致塵埃進(jìn)入膨脹箱將下部出水口堵塞。該機冷卻系統不能形成完整的閉式循環(huán)，只是壓力降低、散熱器缺水、空氣和空氣泡增多，空氣泡破裂促使氣缸套加速氣蝕。因此，應保證冷卻系統完整、密封、膨脹箱水位正常、管路通常，并按要求選用防凍液，應選用含量不超過(guò)0.10%的低硅酸鹽防凍液，比例配置要適當，以減少沉淀量。

3、水溫的影響

      當水溫在40~71℃時(shí)，溶解于水中的空氣增多，容易產(chǎn)生空氣泡，而且在冷卻液溫度未達到71℃以前，腐蝕量隨溫度升高而增加。這種狀態(tài)恰好是柴油機處于氣蝕最嚴重的低溫狀態(tài)。

4、冷卻系統積垢過(guò)多

      在冷卻系統中，化學(xué)添加劑久用沉淀，防凍液長(cháng)期使用變質(zhì)，燃油、潤滑油等有害物質(zhì)浸入等都會(huì )造成水道積垢增多，使水套局部變窄，狹窄處水流速度加快，壓力降低，致使空氣泡容易產(chǎn)生和破裂，氣缸套氣蝕加快。因此，若發(fā)現冷卻系統積垢過(guò)多或機油冷卻器滲入潤滑油，應及時(shí)進(jìn)行清洗。

5、油液質(zhì)量

       如果油液抗泡沫性差，易于汽化并形成泡沫，就容易引起氣蝕。

6、油位過(guò)高或過(guò)低

       油位過(guò)高，油液受柴油機攪拌而易使氣體溶在油液內；油位過(guò)低，工作泵易吸入空氣導致循環(huán)油液流量不足，加大了油液中空氣或水形成氣泡的機率，這些氣泡流到高壓區會(huì )迅速破裂從而產(chǎn)生氣蝕現象。

7、空氣和水分侵入油液

      侵入油液系統的空氣和水分愈多，產(chǎn)生氣蝕的范圍愈廣?？諝馇秩氲那乐饕潜玫奈涂诩肮芙宇^處因密封不嚴，導致空氣進(jìn)入系統。水分侵入的主要渠道是怕冷卻器內漏。

8、使用條件

      柴油發(fā)電機的工作過(guò)程粗暴，特別是柴油機，最大爆發(fā)壓力大，引起側向敲擊力相應增大，從而引起氣蝕增加。

9、材質(zhì)硬度低

       氣蝕原因之一是由于所用的金屬材料硬度較低。在燃油系統中較硬的元件如噴油器針閥偶件上出現氣蝕的情況相對少一些。但在某些場(chǎng)合中氣蝕也可能使噴油器針閥偶件在運行幾十小時(shí)后損壞。而噴油器針閥閥線(xiàn)的氣蝕會(huì )破壞噴油器針閥偶件的密封性能，造成霧化不良滴油甚至不霧化，從而使柴油發(fā)電機燃燒狀態(tài)惡化，油耗量增加，嚴重的影響柴油發(fā)電機的經(jīng)濟性，可靠性和耐久性。

 

圖1  柴油機氣蝕形成原因

圖2  柴油機氣缸套穴蝕現象

 

二、燃油系統氣蝕現象分析

 

      氣蝕破壞是物理效應和化學(xué)效應的綜合結果。但是主要還是物理效應。柴油發(fā)電機在工作時(shí)，高壓油泵的瞬時(shí)供油量和油壓都是在變化的。其變化規律取決于供油凸輪的型線(xiàn)。我們知道燃油是有可壓縮性的，由于燃油的可壓縮性，高壓油泵柱塞產(chǎn)生的壓力是通過(guò)高壓管并且以壓力波的形式在高壓油泵柱塞偶件和噴油器針閥偶件之間傳播的。若此時(shí)，壓力波不足以使噴油器針閥偶件的針閥升起時(shí)，所產(chǎn)生的壓力波便全部反射回高壓油管的內部，并且與高壓油泵新產(chǎn)生的壓力波疊加后重新向噴油器的針閥偶件傳播。如此往復傳播，直到針閥開(kāi)啟，噴油終了為止。因此在噴油過(guò)程中，高壓油管內各斷面的油壓是隨著(zhù)時(shí)間的變化而變化的。當燃油系統中任何一點(diǎn)的壓力下降到等于或低于該溫度下的燃油蒸汽壓力時(shí)便形成氣泡。隨后由于氣泡外邊的燃油壓力高，氣泡周?chē)加捅砻鎻埩Φ?，氣泡外面的燃油就有向氣泡中心加速前進(jìn)的趨勢，并且有一定的動(dòng)能，氣泡在正壓力波作用下就破裂。破裂時(shí)被壓縮的氣泡凝結成少量的燃油，同時(shí)產(chǎn)生非常高的壓力，使金屬表面造成脫落形成麻點(diǎn)，即出現氣蝕。隨后形成不規則的凹槽。這樣周而復始，就會(huì )使金屬表面遭受破壞。

      燃油系統中的高壓油泵柱塞、出油閥、噴油器針閥和高壓油管均有氣蝕發(fā)生。燃油系統中因噴油需要產(chǎn)生瞬時(shí)高壓和瞬時(shí)低壓。噴油時(shí)系統中處于高壓供油，噴油終了會(huì )使系統內油壓驟然降低。此外，隨著(zhù)柴油機強載程度不斷提高，燃油噴射壓力和噴油率也相應提高。高的噴射壓力容易引起二次噴射使柴油機性能下降，并造成系統的氣蝕。燃油系統中的氣蝕有以下兩種：

1、波動(dòng)穴蝕

      主要發(fā)生在高壓油管上。燃油系統中的高壓燃油流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生和傳播壓力波，特別是噴射終了時(shí)會(huì )使某些部位壓力變化很大，甚至產(chǎn)生負壓力波，導致氣泡產(chǎn)生，高壓時(shí)又使氣泡潰滅產(chǎn)生氣蝕，稱(chēng)為波動(dòng)氣蝕。柴油機低負荷運轉時(shí)波動(dòng)氣蝕較為嚴重。

2、流動(dòng)穴蝕

      主要發(fā)生在高壓油泵柱塞螺旋槽附近和噴油器針閥截面變化處。燃油系統中，高壓燃油流經(jīng)通道截面變化處產(chǎn)生強烈節流，壓力下降并形成氣泡，隨后的壓力升高又使氣泡潰滅而發(fā)生氣蝕，稱(chēng)為流動(dòng)氣蝕。柴油機高負荷運轉時(shí)節流作用增大使氣蝕更加嚴重。

      燃油系統中不適當的壓力波動(dòng)引起氣蝕，而壓力波動(dòng)主要由于卸載不當引起。所以目前對此進(jìn)行大量的研究，仿真模擬如圖4所示。例如采用緩沖型出油閥、等壓出油閥、控制節流和階梯型螺旋槽柱塞、雙錐型針閥等。此外，對容易氣蝕部位采用保護性措施等。

 

圖3  柴油機零件表面缺陷穴蝕氣泡模擬仿真圖

圖4  柴油機高壓鑄造零件的穴蝕氣泡模擬仿真圖

 

三、防止氣蝕破壞的措施

 

      由于康明斯燃油噴射系統的參數關(guān)系復雜，引起氣蝕的因素很多。所以防止氣蝕必須從結構設計，材質(zhì)，熱處理，加工精度，燃油噴射系統匹配及使用部門(mén)的維護保養和檢修等方面來(lái)綜合考慮采取措施。

1、結構設計的改進(jìn)

      供油凸輪型面的優(yōu)化設計合理設計供油凸輪型面，使之適應瞬時(shí)間供油量和油壓的變化規律。

2、采用工藝堵

      當前在一些高壓油泵的泵體上采用工藝堵來(lái)抗氣蝕，延長(cháng)高壓油泵的使用壽命；采用高強度合金材料在產(chǎn)品的設計上采用高強度合金材料，防止對配件產(chǎn)生氣蝕。

3、采用緩沖型出油閥

      緩沖型出油閥是在原下置等容卸載結構的基礎上改進(jìn)而成的。出油閥座面的下部增加了直徑6毫米的阻尼圓柱，出油閥落座之前，卸載凸緣進(jìn)入導向中孔之后，閥體內的燃油處于某種程度的密封狀態(tài)，燃油的排泄只能通過(guò)6毫米和14毫米兩處的配合間隙。利用燃油的阻尼作用，減緩出油閥落座速度，降低供油終了后的系統內回油速度。同時(shí)還可收到減少壓力波震蕩的幅度，減輕二次噴射的效果。使噴油器針閥偶件氣蝕減輕。

4、采用壓力卸載式出油閥

      目前東風(fēng)康明斯柴油發(fā)動(dòng)機使用的就是這種出油閥。它是用看來(lái)控制兩次噴射之間泵體所保存的系統壓力，防止在噴射后燃油從噴油器逆流。出油閥設有順流閥和逆流閥各一個(gè)。它能保證在柴油發(fā)電機全部工況下高壓燃油管內的剩余壓力保持恒定。不受柴油發(fā)電機的負荷及轉速的影響，可以改善部分負荷時(shí)的柴油發(fā)電機性能，改善噴油器的使用壽命；使用部門(mén)的措施使用部門(mén)的細心維護和精心保養與嚴格的檢修也是保證減少氣蝕的必不可少的條件。

5、噴油器偶件材料的選擇

       隨著(zhù)柴油發(fā)電機功率等級和強化程度的提高，噴油器偶件的材料選擇成為一個(gè)重要課題。因為真閥體的選材與其在柴油發(fā)電機中的工作溫度有及為密切的關(guān)系。以上這些是有關(guān)設計部門(mén)和生產(chǎn)廠(chǎng)家在生產(chǎn)配件時(shí)采取的防氣蝕的必要措施。

6、保證活塞與缸套的配合間隙

      柴油機廠(chǎng)家說(shuō)明書(shū)規定活塞裙部的上部與氣缸間隙為0.27～0.34mm,下部與氣缸間隙為0.24～0.31mm，只能供修理時(shí)參考。因為目前用戶(hù)所使用的缸套一般要進(jìn)行選擇，如硼鑄鐵缸套、釩欽鑄鐵缸套等，其膨脹系數不等，裝配時(shí)的實(shí)際攝氏溫度也不相同，再加上老缸體變形基本穩定以及加工精度和裝配質(zhì)量有差異等，所以不能把上述間隙作為公式導用。我們在實(shí)際修理中建議把活塞裙部的上部與氣缸間隙改為0.28～0.30mm，下部與氣缸間隙改為0.25～0.27mm，能使缸套氣蝕有所減輕。一旦發(fā)現輕微氣蝕，可將缸套安裝方向調轉90°（即將被氣蝕表面轉到與連桿擺動(dòng)面的垂直方向，繼續使用）。

7、改善冷卻水在水套中的流動(dòng)

      冷卻水流應該是暢通的，不存在“死水區”、“渦流區”和局部狹窄處。最好采用切向進(jìn)水口，因為冷卻水切向流動(dòng)會(huì )使空泡離開(kāi)缸套表面附近的強烈振動(dòng)區。由于空泡破滅時(shí)已隨水流而去，沒(méi)有足夠的時(shí)間擠人氣缸套外壁的微小針孔中去，因而不致產(chǎn)生嚴重的氣蝕。如一柴油機最初使用700h就發(fā)現氣缸套氣蝕穿孔，后將水夾層最窄處加寬，并將機體兩端處進(jìn)水改為每缸獨立切向進(jìn)水，氣蝕破壞情況有了顯著(zhù)改善。此外，提高冷卻水溫對減輕氣蝕有一定好處。當水溫為55℃時(shí)最為不利，85℃左右較好。

8、氣缸套外表面加覆蓋層

      如圖5所示。在氣缸套外表面鍍一層厚約0.02～0.03mm的乳白色鍍鉻層，可以有效地防止氣蝕。因為鍍鉻層具有較高的機械性能和良好的耐腐蝕能力，故能抵制氣蝕和電化學(xué)腐蝕。但鉻鍍層不宜太厚，否則會(huì )因振動(dòng)而碎裂并剝落。硬的光澤鉻層由于脆性大及存在有細微裂紋，是不能可靠地防護氣缸套的，因此不宜使用。此外，鍍鉻工藝較復雜、成本高，質(zhì)量不易保證，再兼之對環(huán)境有一定污染，使之在應用上受到一定限制。 在氣缸套外表面涂敷環(huán)氧酚醛樹(shù)脂，可以吸收空泡的沖擊能量，也可減輕氣蝕破壞。但缺點(diǎn)是脆性較大，不能長(cháng)期地保留在表面上。 在氣缸套外表面易發(fā)生氣蝕處包裹鋅帶、電鍍鍋欽合金層，實(shí)踐表明頗有成效。 氣缸套外表面進(jìn)行滲氮、擴滲鉻一錳處理，亦能取得較好的防氣蝕效果。即使氣缸套外圓表面上不作任何覆蓋層，如能降低其表面粗糙度，就能使其材料得以改善，如：使其材料中的石墨呈片狀或球狀而非細碎的，也可提高其自身的抗氣蝕能力。

9、利用最新環(huán)保技術(shù)

      結構如圖6所示?？寡ㄎg的環(huán)保型氣缸套通過(guò)水道壁增強設計及氣缸套支撐肩下端面增加銅墊兩種結構設計，增加了氣缸套整體剛度，減小了氣缸套工作時(shí)振動(dòng)，以實(shí)現來(lái)抗穴蝕，能夠使燃油燃燒充分，減少積碳及減少由于積碳引起的磨粒磨損，延長(cháng)了內燃機的使用壽命。而且上述兩種設計都是在不改變發(fā)動(dòng)機設計的基礎上實(shí)現。

圖5  氣缸套表面硬化處理

圖6  抗穴蝕的環(huán)保型氣缸套

 

總結：

      因柴油發(fā)電機液壓元件精度高、相對運動(dòng)部件間配合問(wèn)隙小，產(chǎn)生氣蝕后會(huì )導致配合表面變黑甚至出現小坑使閩芯卡住，壓力失調。缸套氣蝕較重時(shí)，受損區會(huì )出現較深的形狀不規則的凹點(diǎn)，就好像缸套表面被強酸腐蝕過(guò)一樣；氣蝕現象最嚴重時(shí)，四點(diǎn)會(huì )穿透缸套壁，使機體內的冷卻液體進(jìn)入氣缸，導致發(fā)動(dòng)機發(fā)生嚴重事故。氣蝕與其他型式的腐蝕聯(lián)合作用時(shí)，損壞速度將成倍乃至幾十倍地增長(cháng)。通過(guò)對高強化柴油發(fā)電機出現的氣蝕顯現，氣蝕類(lèi)型，氣蝕原因等進(jìn)行的系統分析中可以看到，防止燃油噴射系統的氣蝕可通過(guò)結構設計的改變，材料，熱處理，制造精度和使用單位的檢修和維護保養等五個(gè)方面綜合治理來(lái)提高柴油機性能，經(jīng)濟性，可靠性和耐久性。

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