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柴油机缸套裂纹的原因及焊修法 |
柴油发电机的气缸套是一个圆筒形零件，置于机体的气缸体孔中，上由气缸盖压紧固定。活塞在其内孔作往复运动，其外有冷却水冷却。当发动机启动工作时，气缸套内表受高温高压燃气直接作用，并始终与活塞环及活塞裙部发生高速滑动摩擦。外表与冷却水接触，在较大温差下产生严重热应力，受冷却水腐蚀。活塞对缸套的侧推力不仅加剧其内表摩擦，并使其产生弯曲。
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气缸套位置示意图 |
1、故障现象
一台柴油发电机组（NT855型重庆康明斯发动机）在使用中出现起动困难，柴油发电机功率不足，排气管冒黑烟故障。经检查发现，润滑油压力下降至0.25MPa，油底壳进水，润滑油已变稀、变质。进一步检查发现，柴油发电机缸壁有一条长约56mm、宽3mm、深3mm的横向裂纹，冷却水通过裂纹渗入缸内，造成缸内燃烧不良，导致熄火、冒黑烟等现象。水又经活塞与缸套之间间隙漏入曲轴箱，稀释润滑油使油压降低，并使润滑油氧化变质。
2、故障查找分析
柴油发电机缸套工作条件恶劣，工作时手里比较复杂，工作温差很大，受制造安装、使用维护等因素的影响易产生裂纹。
（1）生产工艺缺陷
缸套生产制造过程中，由于铸件壁厚不均匀，形状复杂，易产生砂眼、夹砂、气孔、松缩、白口组织、微小裂纹、变形等缺陷，是缸体强度降低；缸体机械加工过程中，如铣削、磨削、刨削、镗孔时产生的残余应力及划痕、刀伤等易造成应力集中，产生微观裂纹；缸套装配过程中，若没有严格按照装配工艺规范进行，强行装合，易使缸套内部积聚过大的残余应力，引发裂纹。
（2）冷态下的发电机组起动之前，柴油发电机缸体的温度与环境气温相同，起动后，操作人员为了尽快提高机体温度，不是以怠速或稍高于怠速运转，而是快速加载使柴油发电机重负荷磨损和高热量，使缸套突然承受过高的燃气温度和过大的燃气压力作用，造成缸套冷热不均，局部过热、应力分布不均衡，长期如此操作在应力过大处引发裂纹。
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康明斯发动机气缸体示意图 |
（3）冷却水不够纯净，或添加剂使用不正确，在机体水道内形成水垢，影响冷却系统的散热性能，是缸体产生裂纹的危险性增大。
3、故障修复
根据实际作业中的维修条件，以及缸套修复质量要求，采用手工电弧焊对裂纹进行修补。这种方法的优点是工艺灵活，适应性强，而且可以通过工艺调整来改善应力的分布。
缸套由灰铸铁而成，塑性差且具有脆性，不能承受塑性变形，强度也较低，导热能力差，焊接性能不好。因此，在进行焊接修复时，按以下步骤进行。
（1）焊接前彻底清除裂纹处的油污、水垢等，可用碱水、丙酮或汽油清洗，并用刮刀、钢丝刷清除，甚至可用火焰烘烤清除，保证被修复表面干燥、清洁、粗糙、防止焊接时产生气孔，夹渣等缺陷。
（2）检查裂纹的位置和方向，在裂纹两端各钻一直径4~5mm的止裂孔，防止焊接时裂纹继续延伸。
（3）沿裂纹开V形坡口，坡口角度为60°~70°，底部为圆弧形坡口，坡口深度约为壁厚H的三分之二，坡口两侧20mm以内的缸套表面用钢丝刷或纱布打磨，露出金属光泽。
（4）焊前用焊枪或喷灯在缸套裂纹处缓慢地预热至350℃。选择Z308纯镍铸铁焊条，焊条直径2~4mm。Z308是纯镍芯石墨型药皮铸铁焊条，该焊条交直流两用。电弧稳定，具有细小熔滴过渡，熔渣覆盖均匀，焊缝成形美观等特点，常温下可得到奥氏体组织焊缝。焊缝区金属韧性好，延伸率高，加工性能好，不易产生裂纹、气孔和夹渣。焊前将焊条加热至120~150℃，经2h烘干，焊接时采用直流电源反接，反接电流为90~110A，在保证焊接质量的前提下尽量采用较小电流。
（5）焊完后立即用小锤轻轻锤击焊缝，以细化微观金属晶粒，提高焊缝的致密性，并消除焊接应力。焊缝应平整光滑，可用錾子、圆锉或纱布进行修整。
经过使用验证，焊修后的柴油发电机缸套工作正常，实现了以较低的检修费用在短期内恢复柴油发电机工作的目的。
4、气缸套常用焊修方法
（1）环氧胶粘结
环氧胶结具有粘接力强、收缩小、抗疲劳等优点，同时工艺简单，操作方便，成本低廉。它最大的缺点是耐热.不耐冲击等，而且在下次维修时，用热碱水煮沸后会出现脱皮现象，需重新粘接。因此，可以用此法对气缸体及气缸盖的其它部位，如燃烧室、气门座等温度较高的地方进行修复。
（2）螺钉填充
此法适用于对一些受力要求不大、对裂缝(一般为50mm以下)要求较低的平面部位，其修复质量较好，但较费时。
（3）补板封补法
如果气缸盖受力较小，如果裂纹较长或有洞，应在破碎部位周围用补板密封。
（4）焊补方法
当出现裂纹时，焊接法通常用于修复受力大或温度高的部位，以及使用上述方法难以操作的部位。
（5）封堵剂的封堵方法
一般而言，由水玻璃、无机聚沉剂、有机絮凝剂、无机填料和粘合剂构成的胶状液，适合于堵塞铸铁或铝缸中的小裂纹、砂眼等缺陷。
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