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故障检修与技术维护 |
机体、喷油泵、缸套气蚀现象产生原因和预防方法 |
摘要：气蚀是柴油发电机组机械或机件与液体相对高速运动时在机件表面上产生的一种破坏，气蚀又称空泡腐蚀，或气蚀， 气蚀也是一种局部腐蚀。由于气蚀主要发生在缸体、冷却水泵、燃油泵、喷油器和气缸套部位，因此，发动机中产生的气蚀对燃油系统及配气机构的正常运行和工作将造成极大的危害。康明斯发电机厂家为了减少或避免产生气蚀，使其运行和工作况达到理想效果，通过本文中对气蚀产生的原因和危害进行了析了解，采取相应的措施从而使柴油发电机经济性能得到提高，质量得到保证。
一、气蚀的主要原因
柴油机在使用一段时间后，冷却系统中循环的冷却水，即使添加防锈剂，仍会对接触部分产生腐蚀；这是因为冷却水中溶解的气体，在柴油机运行造成的振动作用下，在低压时析出气泡，然后气泡在高压下溃灭；机体水腔和缸套外壁等在气泡溃灭时产生的冲击和高温作用下，会形成麻点状和针状的孔洞。该过程在柴油机振动造成的压力变化下不断重复，气泡从而持续对机体水腔、缸套外壁等造成破坏。
1、水滤器失效
康明斯柴油机采用弗列加司生产的干式化学添加剂或含干式化学添加剂的水滤器，可以在柴油机工作中不断消除和抑制冷却液中的空气泡或泡沫。所以康明斯柴油机上的水滤器不仅通过滤纸过滤杂质，而且装有防气蚀的化学添加剂。定期更换水滤器滤芯可代替向冷却系统加添加剂。比如有些由于操作员对康明斯柴油机的特点和水滤器的放气蚀作用缺乏了解，认为柴油机频繁更换水滤器滤芯得不偿失因而该机常年不换水滤器滤芯，造成水滤器失效是气缸套气蚀的重要原因。因此，应经常检查DCA值，需要时加用添加剂，在B级维护时（250h或三个月），将水滤器预加滤芯换成工作滤芯。
2、冷却系统使用维护不当
柴油发电机组属于冷却系列的闭式循环水箱。膨胀箱上连接两根软管，一根通柴油机前出水口，另一根接散热器加水口；下部连接一根软管，接水泵进口。当柴油机运转时，水道和散热器内的水蒸气都进入膨胀箱，以减少水道内的空气和空气泡，而膨胀箱的冷却水又可补充水泵进口低压区，起防气蚀的作用。但由于操作入员不了解冷却系统的结构特点，误认为不使用膨胀箱冷却系统也能工作，因而该机膨胀箱经常不加水，散热器家说口通膨胀箱的水管接头脱落不焊修。散热器盖损坏不更换，甚至膨胀箱无加水口盖，导致尘埃进入膨胀箱将下部出水口堵塞。该机冷却系统不能形成完整的闭式循环，只是压力降低、散热器缺水、空气和空气泡增多，空气泡破裂促使气缸套加速气蚀。因此，应保证冷却系统完整、密封、膨胀箱水位正常、管路通常，并按要求选用防冻液，应选用含量不超过0.10%的低硅酸盐防冻液，比例配置要适当，以减少沉淀量。
3、水温的影响
当水温在40~71℃时，溶解于水中的空气增多，容易产生空气泡，而且在冷却液温度未达到71℃以前，腐蚀量随温度升高而增加。这种状态恰好是柴油机处于气蚀最严重的低温状态。
4、冷却系统积垢过多
在冷却系统中，化学添加剂久用沉淀，防冻液长期使用变质，燃油、润滑油等有害物质浸入等都会造成水道积垢增多，使水套局部变窄，狭窄处水流速度加快，压力降低，致使空气泡容易产生和破裂，气缸套气蚀加快。因此，若发现冷却系统积垢过多或机油冷却器渗入润滑油，应及时进行清洗。
5、油液质量
如果油液抗泡沫性差，易于汽化并形成泡沫，就容易引起气蚀。
6、油位过高或过低
油位过高，油液受柴油机搅拌而易使气体溶在油液内；油位过低，工作泵易吸入空气导致循环油液流量不足，加大了油液中空气或水形成气泡的机率，这些气泡流到高压区会迅速破裂从而产生气蚀现象。
7、空气和水分侵入油液
侵入油液系统的空气和水分愈多，产生气蚀的范围愈广。空气侵入的渠道主要是泵的吸油口及管接头处因密封不严，导致空气进入系统。水分侵入的主要渠道是怕冷却器内漏。
8、使用条件
柴油发电机的工作过程粗暴，特别是柴油机，最大爆发压力大，引起侧向敲击力相应增大，从而引起气蚀增加。
9、材质硬度低
气蚀原因之一是由于所用的金属材料硬度较低。在燃油系统中较硬的元件如喷油器针阀偶件上出现气蚀的情况相对少一些。但在某些场合中气蚀也可能使喷油器针阀偶件在运行几十小时后损坏。而喷油器针阀阀线的气蚀会破坏喷油器针阀偶件的密封性能，造成雾化不良滴油甚至不雾化，从而使柴油发电机燃烧状态恶化，油耗量增加，严重的影响柴油发电机的经济性，可靠性和耐久性。
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图1 柴油机气蚀形成原因 |
图2 柴油机气缸套穴蚀现象 |
二、燃油系统气蚀现象分析
气蚀破坏是物理效应和化学效应的综合结果。但是主要还是物理效应。柴油发电机在工作时，高压油泵的瞬时供油量和油压都是在变化的。其变化规律取决于供油凸轮的型线。我们知道燃油是有可压缩性的，由于燃油的可压缩性，高压油泵柱塞产生的压力是通过高压管并且以压力波的形式在高压油泵柱塞偶件和喷油器针阀偶件之间传播的。若此时，压力波不足以使喷油器针阀偶件的针阀升起时，所产生的压力波便全部反射回高压油管的内部，并且与高压油泵新产生的压力波叠加后重新向喷油器的针阀偶件传播。如此往复传播，直到针阀开启，喷油终了为止。因此在喷油过程中，高压油管内各断面的油压是随着时间的变化而变化的。当燃油系统中任何一点的压力下降到等于或低于该温度下的燃油蒸汽压力时便形成气泡。随后由于气泡外边的燃油压力高，气泡周围燃油表面张力低，气泡外面的燃油就有向气泡中心加速前进的趋势，并且有一定的动能，气泡在正压力波作用下就破裂。破裂时被压缩的气泡凝结成少量的燃油，同时产生非常高的压力，使金属表面造成脱落形成麻点，即出现气蚀。随后形成不规则的凹槽。这样周而复始，就会使金属表面遭受破坏。
燃油系统中的高压油泵柱塞、出油阀、喷油器针阀和高压油管均有气蚀发生。燃油系统中因喷油需要产生瞬时高压和瞬时低压。喷油时系统中处于高压供油，喷油终了会使系统内油压骤然降低。此外，随着柴油机强载程度不断提高，燃油喷射压力和喷油率也相应提高。高的喷射压力容易引起二次喷射使柴油机性能下降，并造成系统的气蚀。燃油系统中的气蚀有以下两种：
1、波动穴蚀
主要发生在高压油管上。燃油系统中的高压燃油流动时产生和传播压力波，特别是喷射终了时会使某些部位压力变化很大，甚至产生负压力波，导致气泡产生，高压时又使气泡溃灭产生气蚀，称为波动气蚀。柴油机低负荷运转时波动气蚀较为严重。
2、流动穴蚀
主要发生在高压油泵柱塞螺旋槽附近和喷油器针阀截面变化处。燃油系统中，高压燃油流经通道截面变化处产生强烈节流，压力下降并形成气泡，随后的压力升高又使气泡溃灭而发生气蚀，称为流动气蚀。柴油机高负荷运转时节流作用增大使气蚀更加严重。
燃油系统中不适当的压力波动引起气蚀，而压力波动主要由于卸载不当引起。所以目前对此进行大量的研究，仿真模拟如图4所示。例如采用缓冲型出油阀、等压出油阀、控制节流和阶梯型螺旋槽柱塞、双锥型针阀等。此外，对容易气蚀部位采用保护性措施等。
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图3 柴油机零件表面缺陷穴蚀气泡模拟仿真图 |
图4 柴油机高压铸造零件的穴蚀气泡模拟仿真图 |
三、防止气蚀破坏的措施
由于康明斯燃油喷射系统的参数关系复杂，引起气蚀的因素很多。所以防止气蚀必须从结构设计，材质，热处理，加工精度，燃油喷射系统匹配及使用部门的维护保养和检修等方面来综合考虑采取措施。
1、结构设计的改进
供油凸轮型面的优化设计合理设计供油凸轮型面，使之适应瞬时间供油量和油压的变化规律。
2、采用工艺堵
当前在一些高压油泵的泵体上采用工艺堵来抗气蚀，延长高压油泵的使用寿命；采用高强度合金材料在产品的设计上采用高强度合金材料，防止对配件产生气蚀。
3、采用缓冲型出油阀
缓冲型出油阀是在原下置等容卸载结构的基础上改进而成的。出油阀座面的下部增加了直径6毫米的阻尼圆柱，出油阀落座之前，卸载凸缘进入导向中孔之后，阀体内的燃油处于某种程度的密封状态，燃油的排泄只能通过6毫米和14毫米两处的配合间隙。利用燃油的阻尼作用，减缓出油阀落座速度，降低供油终了后的系统内回油速度。同时还可收到减少压力波震荡的幅度，减轻二次喷射的效果。使喷油器针阀偶件气蚀减轻。
4、采用压力卸载式出油阀
目前东风康明斯柴油发动机使用的就是这种出油阀。它是用看来控制两次喷射之间泵体所保存的系统压力，防止在喷射后燃油从喷油器逆流。出油阀设有顺流阀和逆流阀各一个。它能保证在柴油发电机全部工况下高压燃油管内的剩余压力保持恒定。不受柴油发电机的负荷及转速的影响，可以改善部分负荷时的柴油发电机性能，改善喷油器的使用寿命；使用部门的措施使用部门的细心维护和精心保养与严格的检修也是保证减少气蚀的必不可少的条件。
5、喷油器偶件材料的选择
随着柴油发电机功率等级和强化程度的提高，喷油器偶件的材料选择成为一个重要课题。因为真阀体的选材与其在柴油发电机中的工作温度有及为密切的关系。以上这些是有关设计部门和生产厂家在生产配件时采取的防气蚀的必要措施。
6、保证活塞与缸套的配合间隙
柴油机厂家说明书规定活塞裙部的上部与气缸间隙为0.27～0.34mm,下部与气缸间隙为0.24～0.31mm，只能供修理时参考。因为目前用户所使用的缸套一般要进行选择，如硼铸铁缸套、钒钦铸铁缸套等，其膨胀系数不等，装配时的实际摄氏温度也不相同，再加上老缸体变形基本稳定以及加工精度和装配质量有差异等，所以不能把上述间隙作为公式导用。我们在实际修理中建议把活塞裙部的上部与气缸间隙改为0.28～0.30mm，下部与气缸间隙改为0.25～0.27mm，能使缸套气蚀有所减轻。一旦发现轻微气蚀，可将缸套安装方向调转90°（即将被气蚀表面转到与连杆摆动面的垂直方向，继续使用）。
7、改善冷却水在水套中的流动
冷却水流应该是畅通的，不存在“死水区”、“涡流区”和局部狭窄处。最好采用切向进水口，因为冷却水切向流动会使空泡离开缸套表面附近的强烈振动区。由于空泡破灭时已随水流而去，没有足够的时间挤人气缸套外壁的微小针孔中去，因而不致产生严重的气蚀。如一柴油机最初使用700h就发现气缸套气蚀穿孔，后将水夹层最窄处加宽，并将机体两端处进水改为每缸独立切向进水，气蚀破坏情况有了显著改善。此外，提高冷却水温对减轻气蚀有一定好处。当水温为55℃时最为不利，85℃左右较好。
8、气缸套外表面加覆盖层
如图5所示。在气缸套外表面镀一层厚约0.02～0.03mm的乳白色镀铬层，可以有效地防止气蚀。因为镀铬层具有较高的机械性能和良好的耐腐蚀能力，故能抵制气蚀和电化学腐蚀。但铬镀层不宜太厚，否则会因振动而碎裂并剥落。硬的光泽铬层由于脆性大及存在有细微裂纹，是不能可靠地防护气缸套的，因此不宜使用。此外，镀铬工艺较复杂、成本高，质量不易保证，再兼之对环境有一定污染，使之在应用上受到一定限制。 在气缸套外表面涂敷环氧酚醛树脂，可以吸收空泡的冲击能量，也可减轻气蚀破坏。但缺点是脆性较大，不能长期地保留在表面上。 在气缸套外表面易发生气蚀处包裹锌带、电镀锅钦合金层，实践表明颇有成效。 气缸套外表面进行渗氮、扩渗铬一锰处理，亦能取得较好的防气蚀效果。即使气缸套外圆表面上不作任何覆盖层，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状或球状而非细碎的，也可提高其自身的抗气蚀能力。
9、利用最新环保技术
结构如图6所示。抗穴蚀的环保型气缸套通过水道壁增强设计及气缸套支撑肩下端面增加铜垫两种结构设计，增加了气缸套整体刚度，减小了气缸套工作时振动，以实现来抗穴蚀，能够使燃油燃烧充分，减少积碳及减少由于积碳引起的磨粒磨损，延长了内燃机的使用寿命。而且上述两种设计都是在不改变发动机设计的基础上实现。
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图5 气缸套表面硬化处理 |
图6 抗穴蚀的环保型气缸套 |
总结：
因柴油发电机液压元件精度高、相对运动部件间配合问隙小，产生气蚀后会导致配合表面变黑甚至出现小坑使闽芯卡住，压力失调。缸套气蚀较重时，受损区会出现较深的形状不规则的凹点，就好像缸套表面被强酸腐蚀过一样；气蚀现象最严重时，四点会穿透缸套壁，使机体内的冷却液体进入气缸，导致发动机发生严重事故。气蚀与其他型式的腐蚀联合作用时，损坏速度将成倍乃至几十倍地增长。通过对高强化柴油发电机出现的气蚀显现，气蚀类型，气蚀原因等进行的系统分析中可以看到，防止燃油喷射系统的气蚀可通过结构设计的改变，材料，热处理，制造精度和使用单位的检修和维护保养等五个方面综合治理来提高柴油机性能，经济性，可靠性和耐久性。
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