故障檢修與技術(shù)維護

柴油發(fā)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(shí)還需要為柴油機的冷卻、潤滑、進(jìn)排氣及噴油系統等提供基座的位置。在柴油機工作過(guò)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(huán)境，同時(shí)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(chǎn)生的原因和維修方法，可避免事故的產(chǎn)生，對提高柴油機的使用效率大有裨益?？得魉构驹诒疚闹幸阅秤脩?hù)的缸蓋裂紋事故為例，逐步介紹該類(lèi)型故障額查找方法和診斷結果。

 

一、缸蓋發(fā)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(guò)缸蓋螺母以一定扭矩緊固在機體上，一般為120~140Nm，進(jìn)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(guò)挺桿孔回流油底殼。上部進(jìn)、排氣閥座，保證進(jìn)、排氣門(mén)的正常工作。內部存在一個(gè)渦流腔，其底部有渦流腔鑲塊，通過(guò)該鑲塊上一個(gè)傾斜40°左右的孔，使得渦流腔與氣缸相通。一個(gè)2mm的錐形孔正對噴油嘴，提升啟動(dòng)性能。據數據表明，氣缸蓋裂紋一般出現在氣門(mén)座圈周?chē)?，如裂紋寬度不超過(guò)0 5 mm，仍可繼續使用。

1、裂紋產(chǎn)生的原因

      發(fā)生原因大多由于氣缸蓋處于高溫有關(guān)，具體原因如下。

（1）氣缸墊沒(méi)有很好地安裝在氣缸蓋與氣缸體之間。其間的孔位沒(méi)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(fā)生。因此必須注意在機溫很高時(shí)不許向發(fā)動(dòng)機內加入冷水。嚴禁先啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機，再加入冷卻水。

（3）產(chǎn)生裂紋部位的壁厚單薄，設計強度不足。

（4）經(jīng)常性供油時(shí)間太遲或過(guò)早，易使發(fā)動(dòng)機產(chǎn)生早燃和爆燃，從而導致氣缸蓋底面溫度升高。

（5）產(chǎn)生裂紋的部位水道過(guò)窄或拐角過(guò)小，冷卻水循環(huán)緩慢，散熱不良，在冷熱不均時(shí)，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(chǎn)生水垢而又沒(méi)有及時(shí)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(huì )引起局部更大的熱應力集中，加速氣缸蓋裂紋的產(chǎn)生。

（7）氣缸蓋或氣缸體在鑄造制成后，由于沒(méi)能很好地進(jìn)行時(shí)效處理，消除內應力，致使缸蓋和缸體內部存在著(zhù)很大的內應力，使氣門(mén)座之間部位產(chǎn)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(fā)出的聲音不清脆而沙啞，則有裂紋。然后進(jìn)行仔細察看，找到裂紋的范圍。如還找不到可利用專(zhuān)門(mén)的設備進(jìn)行水壓試驗，加壓后滲水的部位即為裂紋所在位置。如果沒(méi)有專(zhuān)門(mén)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(jìn)行水壓試驗時(shí)，先將汽缸體上的水管接頭、水套孔用木塞和專(zhuān)用蓋板堵住，把其中的一個(gè)水管接頭用皮管接出。向水套內部加滿(mǎn)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(jiǎn)或氣泵時(shí)，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(méi)有專(zhuān)用蓋扳或術(shù)塞的情況下對汽缸蓋進(jìn)行水壓試驗時(shí)，也可以用幾個(gè)人的手指堵塞汽缸蓋水道孔。

 

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(guān)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(huán)氧樹(shù)脂粘結，它具有粘結力強、收縮小、耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)工藝簡(jiǎn)單、操作方便、成本低。其主要缺點(diǎn)是不耐高溫，不耐沖擊等，而且在下一次修理時(shí)，經(jīng)熱堿水煮洗后會(huì )脫落，需重新粘接。所以，除燃燒室、氣門(mén)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(huán)氧樹(shù)脂法修理。用螺釘固定補板，其間涂以環(huán)氧樹(shù)脂，以確保密封。

（2）焊接

      焊接可分為冷焊和熱焊兩種。熱焊時(shí)，將工件預熱到327-427℃進(jìn)行焊接。焊縫金屬冷卻緩慢，零件冷卻時(shí)各處溫差小，不易形成較大內應力，可防止零件產(chǎn)生白口鐵組織和裂紋。但熱焊易產(chǎn)生變形，工藝復雜。冷焊一般不預熱。目前，隨著(zhù)冷焊質(zhì)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(wú)機聚沉劑、有機絮凝劑、無(wú)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(shí)采用銼刀、油石和風(fēng)砂輪等工具打磨裂紋處予以消除，經(jīng)無(wú)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(shí)，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(mǎn)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(jìn)、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(shí)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(shí)，先在裂紋兩端鉆止裂孔，涂膠粘劑(如環(huán)氧樹(shù)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(wàn)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(jìn)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(zhì)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(jīng)過(guò)修復后，對缸蓋進(jìn)行檢驗、測量，裝配后以0.4～0.45MPa壓力進(jìn)行5min水壓試驗無(wú)泄漏，試車(chē)發(fā)動(dòng)容易，排氣聲響正常，功率充足，正常投入生產(chǎn)。

 

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(chǎng)，工作過(guò)程中出現冷卻液溫度過(guò)高的故障。停機檢查，發(fā)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(shí)間，故障再次出現。停機檢查，發(fā)現散熱器中冷卻液又少了很多。

2、故障查找分析  

（1）發(fā)動(dòng)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(huì )先流出來(lái)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(wú)水珠。然后檢查機油冷卻交換器的水道與油道之間有無(wú)泄漏，可將交換器放在水中，用手動(dòng)壓力器進(jìn)行壓力檢測。最后進(jìn)行柴油發(fā)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(dòng)柴油發(fā)電機，如果壓力迅速上升，表明氣缸損壞或氣缸體破裂產(chǎn)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(dòng)，表明柴油發(fā)電機在燃燒時(shí)或壓縮時(shí)，冷卻系統發(fā)生了泄漏。此時(shí)若拆下壓力檢測器，高速運轉柴油發(fā)電機，會(huì )發(fā)現冷卻液冒出氣泡，此時(shí)，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(mén)室罩蓋檢查

      發(fā)現缸蓋上面有少量白色泡沫，而機油無(wú)明顯增加，說(shuō)明有少量冷卻液泄漏到潤滑油中，以上現象說(shuō)明冷卻液是蒸發(fā)掉了，即可能是氣缸蓋或者缸套等部件有裂紋，導致在進(jìn)氣沖程中，氣缸內形成負壓，冷卻液由裂紋進(jìn)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(guò)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(chǎn)生肉色泡沫。

（3）對缸蓋和缸套進(jìn)行檢查

      拆下氣缸蓋后，發(fā)現第1缸積炭嚴重，活塞頂部有水，說(shuō)明渡缸有冷卻液泄漏現象，但是檢查缸套時(shí)卻沒(méi)有發(fā)現裂紋。對缸蓋進(jìn)行水壓試驗，結果發(fā)現有水從第1缸排氣門(mén)處流出。拆廠(chǎng)排氣門(mén)時(shí)，發(fā)現缸蓋上的氣門(mén)座附近有一條清晰可見(jiàn)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(shí)，發(fā)現水套內壁有厚厚的一層水垢。分析認為，由于排氣門(mén)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(jìn)一步惡化，因而在應力集中的作用下產(chǎn)生了裂紋。

 

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(fā)出的爆發(fā)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(gè)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(wèn)題，也有使用、維護不當的問(wèn)題。氣缸蓋破裂對發(fā)動(dòng)機性能和可靠性都會(huì )產(chǎn)生嚴重影響，因此在使用和維護發(fā)動(dòng)機時(shí)，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(fā)生。

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