康明斯动力（深圳）有限公司

 

 

故障检修与技术维护

汽缸盖及缸体裂缝的原因和补救措施

 

摘要：柴油发电机气缸体和气缸盖的裂纹经常发生在曲轴主轴承隔墙，气缸套轴孔，水套壁较薄处或工作过程中作用力，尤其是作用力比较集中的部位。而气缸体与气缸盖容易发生裂纹的部位往往与它们的结构有关，不同形式的发动机出现裂纹的部位各自有一定的规律性。一般来说，水道内腔水垢沉积导热变坏；长期在高温下工作使零件材质强度下降；以及制造、使用不当等是出现裂纹的主要原因。下面康明斯公司所述的内容就是我们经常遇到的柴油发电机缸体和缸盖裂缝的原因分析。

一、缸盖和机体裂纹生成的主要原因

 

     气缸盖是个比较复杂的零件，长期在恶劣的条件下工作，阀座之间的“鼻梁区”是热力负荷很严重的地方，往往会出现裂纹。而裂纹是气缸体的一种主要损伤形式，也是发动机报废的主要原因。因此探究气缸体裂纹产生的原因对设计和产出高品质发动机以及通过合理使用来延长其使用寿命有着重要意义。对气缸体裂纹产生原因的分析可以设计、维修和使用几个方面来进行。

1、结构设计欠妥

（1）气缸体是发动机的基础零件，是安放气缸和安装曲柄连杆机构以及其它辅助机构的骨架，外观示意图如图1和图2所示。为了保证活塞、连杆、曲轴及凸轮轴等高速运动件工作可靠、耐久，气缸体必须对这些零件提供提供位置精确的支承和导向。因此在结构设计上，为了加固各主要承载部位的强度和刚度，通常采用加强筋，使其构成一个刚性很强地空间桁架系统。这个系统的刚度大小在很大程度上取决于加强筋的分布位置、长短、厚薄和高矮。如果这些方面设计欠妥，一方面会影响到系统的刚度，使各运动件因气缸体支承部位的变形而加速失效；另一方面容易引起气缸体内部较大的内应力，从而影响几何尺寸的稳定性。这就为使用过程中产生裂纹埋下了隐患。

（2）在设计确定气缸体壁厚时，根据材料抗力以及铸造工艺许用最小壁厚来进行，但同时还考虑到对运动件精确支承和导向、各部密封面的可靠密封以及气缸体表面辐射噪声控制等方面的因素。如设计时对某些方面考虑不周，采用了较薄弱的壁厚，这样会使发动机工作失常（运动件失去应有的运动规率、密封件不能可靠密封等）。工作失常的发动机气缸体各部承受的各种负荷都有增大的趋势，这又会使发动机的使用性能进一步恶化。这样的恶性循环，气缸体上这些薄弱部位可能会产生变形、裂纹等形式的损坏。

（3）气缸体上在加工与非加工部分、工件薄厚不同的部分过渡不够圆滑，易引起应力集中，往往也是形成裂纹的原因。

      在气缸体结构设计时，应充分考虑到各处冷却均匀。气缸体结构相当复杂，如设计时考虑不周，发动机在使用中会出现局部过热现象，也容易出现热裂纹。

2、维修错误

      在维修过程中，不能严格执行维修技术标准或违反工艺规程，也会使气缸体出现裂纹。

（1）发动机分解应在其冷态（手长时间搁置）下进行。如维修时在热态下分解发动机，分解开来的机件在自由状态下冷却，容易引起变形。变形后的机件如气缸体和气缸盖在强行装和后，机件内部积集了过大的内应力，很容易产生裂纹。

（2）气缸体和气缸盖是通过多个螺栓进行连接的。在将气缸盖向气缸体裝和时，螺栓的拧紧应按一定的次序分多次进行。最后拧紧的力矩也有一定的要求。如保修时不按规定进行，很容易在气缸体和气缸盖内造成部平衡的内应力，易使气缸体或气缸盖开裂。气缸盖螺栓拧紧力矩过大，可能使气缸体螺孔处出现变形和裂纹。

（3）另外，气缸盖衬垫损坏不能密封时，冷却水流入高温的气缸，气缸会因激冷而出现裂纹；汽油机点火时间过早，运行中发生爆震，会形成局部过热而造成开裂；柴油机湿式气缸套与气缸体的配合不当时，常在橡皮圈密封处的薄弱部位开裂。

3、使用不当

      合理使用发动机，能有效地延长其使用寿命。反之会加速其损坏。尤其在冬季因使用不当而易致气缸体出现裂纹。

（1）冬季气温低，为防止冷却水结冰膨胀面撑坏气缸体，应在发动机冷却液中添加防冻剂，如不添加防冻剂应在发动机停止运转时放尽冷却水。添加防冻剂后冷却液的冰点应低于当地最低气温，否则同样会结冰冻坏气缸体，使气缸体上出现裂纹。通过放冷却水防结冰时，应将水箱和发动机水套内的冷却水都放尽。一些操作人员对柴油发电机组结构不了解，在放水时，将水箱的放水开关打开后就认为可高枕无忧了，结果气缸体水套内残余的冷却水结冰还是将气缸体撑出了裂纹。

（2）冬季起动发动机时，一些操作员习惯先将发动机走热，一些操作员习惯先将发动机走热，再在发动机怠速运转时向水箱加水。这种作法的恶劣后果是，冷的冷却水进入走热的发动机内部水路后，气缸体受到激冷极易招致开裂。

（3）随意使用冷却水也是造成发动机气缸体出现裂纹的又一常见原因，水（特别是井水和河水）中含有一定数量的钙、镁的酸式碳酸盐和硫酸盐，当其用作发动机冷却水时，在发动机水道内受热升温，会有钙盐沉淀出并集附在气缸体水道内壁上，从而形成一层水垢。水垢不但减小了冷却水道的有效流通面积，同时因其导热性差，降低了发动机的散热效果，尤其是气缸体中部，其散热条件较气缸体两端差由于局部过热而引起热裂现象也较严重。在，是在发动机工作时，水垢受到强烈的机械振动和其他一些原因的影响会产生裂缝，水道内的冷却水便可渗入裂缝中，与高温的气缸体壁接触急速变成蒸气，使该部位压力急剧上升，增加了气缸体产生裂纹的危险。

 

图1  柴油机气缸体端面图

图2  柴油机气缸体底面图

 

二、机体和缸盖检验方法大全

 

     汽缸体和汽缸盖的严重破裂，一般容易发现，但对细小的裂纹，则难以观察出来。因此，在对其修补前，应对缸体、缸盖进行裂纹的检验。

1、目视检验方法

      按要求100％进行目视检查。检验项目主要有：裂纹、疏松、冷隔、缩孔、气孔、沙眼、磕碰、划痕等缺陷；评价结果有：零件可以使用、零件可以修补、零件报废三种，评价标准如表1所列，各缺陷区域如图3所示。

表1    缸盖底面的评价标准（检测模板）

      缸盖缺陷如没有特别偏差定义，按以下标准执行（尤其是气孔和缩孔）：

（1）缺陷必须基底可见，深度不大于2mm；

（2）每个方向上缺陷尺寸不大于3mm；

（3）两个缺陷位置之间的间距不小于5mm；

（4）缺陷聚集（凹穴/气孔群）的零件为废品。所有连续可见的空腔被视为气孔群。圆形和非圆形缺陷的最大长度便是其大小；

（5）有裂纹、不见底的疏松\缩孔\气孔\沙眼、贯穿的冷隔等缺陷的零件为废品。

（6）以下情况的缺陷形状不允许存在，如图4所示。

 

图3  柴油机缸盖缺陷的评价标准

图4  柴油机气缸盖聚集和连续缺陷示意图

 

2、水压试验法

      如图5所示，先将汽缸盖和衬垫装在汽缸体上，用一盖板装在汽缸体的前壁上，并用水管与水压机联通，其他水道口一律封闭，然后将水压入汽缸体的汽缸盖内。水压试验的要求是在340~440千帕的水压下保持5分钟，应没有任何渗漏现象，如出现水珠，即该处有裂纹。另一种检验方法是将裂纹处附近用棉纱擦净，涂上煤油，稍停一会后将油擦掉，

3、声音法

      用金属物件轻轻敲击，如发出的声音不清脆而沙哑，则有裂纹。然后进行仔细察看，找到裂纹的范围。

4、流体法

      可将75％的机油和25％的煤油混合液涂抹在待检查的部位，然后用干棉絮将混合液擦掉。用小锤轻轻敲击，由于轻微的震动，渗进缝里的煤油，会从缝里挤出来，并立即涂上一层氧化锌甲醇溶液，溶液改变颜色的地方即为裂纹所在地。这样会明显看到裂缝，并在裂缝两端做出记号。

5、染色法

     如图6所示，在气缸盖的表面涂色进行缺陷检查。对于铝制缸盖，将一种特殊的染色剂喷在零件上，然后再喷上化学显影剂。显影剂使裂纹中的染色剂变红，将裂纹显现出来。

 

图5  柴油机气缸体和缸盖水压试验连接图

图6  柴油机缸体裂纹的检查方法

 

三、缸体和缸盖裂缝的补救措施

 

      汽缸体、汽缸盖裂纹的修补，应根据其裂纹的程度、损伤的部位、修理条件和设备情况，确定其修复方法。修补时必须满足以下的要求：

――没有定义的修补必须经过康明斯公司售后服务部和用户技术部门评审确认，并共同制定修补标准；

――所使用的修补材料必须符合环保、劳动保护等要求；

――所用的修补材料和所包围金属的化学性能和物理性能相匹配；

――所有的修补工作都必须由经过培训的熟练工人按照修补作业指导书和相关的技术文件进行修补。

1、粘接法

      环氧树脂是具有粘接力强、收缩性小、耐疲劳等优点。利用环氧树脂粘接时，使用的设备简单，操作方便，适合郊外及夜间条件下的抢修。但存在粘补处不耐高温、不耐冲击的缺点。汽缸体、汽缸盖除燃烧室、气门座附近等温度较高、受力较大的部位外，其他部位的破裂均可用环氧树脂胶粘接修复。941快速粘结剂是常用的环氧树脂之一，其包括A、B两个组份：A为树脂组份，B为固化剂组份，使用时，将A、B组份按一定比例调合，即可应用。该粘结剂适用于工作温度在100℃以下的金属、胶木、玻璃等零件小面积的快速修补，而不适用于聚氯乙烯、聚乙烯、有机玻璃等材料的粘接；同时不宜做大面积粘结和承受冲击负荷大、工作温度高的机件的粘结。该粘结剂的A、B组份是采用牙膏皮包装，便于携带及应急修补。其粘接工艺为：

（1）开坡口。

      选用直径3~4毫米的钻头，将裂纹两端钻孔，尔后沿裂纹长度錾出V形坡口。

（2）清洗。

      经打磨后的粘合面，要用丙酮或酒精清洗干净，并使之干燥。

（3）配胶。

      根据粘接需要，将A、B组份大致按体积比5:1或质量比6:1取料，然后在玻璃板上用竹签调和均匀，即可使用。若要改善其性能，可掺和进适量的添加剂。

（4）粘接。

      将胶均匀涂在粘合面上，使之无气泡，并适当加压或捆扎，使其定位粘合。如条件允许，可在粘合处附加金属片、螺丝码、玻璃纤维布等帮合和缠结，以提高粘接强度。

（5）固化。

     粘合件在25℃条件下经3小时或在20℃条件下经5小时就能固化使用，若急需，也可加热至120℃经1小时即完全固化。这种粘接只限用于缸体水套部分，至于汽缸盖燃烧室、气门座附近的裂纹，因环氧树脂不耐高温，其使用受到一定限制。

 

图7  螺钉填补缸盖裂纹中钻孔顺序

图8  螺钉填补缸盖裂纹拧入紫铜杆的方法

 

总结：

      汽缸体上部用于安装汽缸盖，下部用于安装机油盘，下部的空间是曲轴箱。汽缸体是发电机组的机体和骨架，它不仅承受高压气体的作用力，而且柴油发电机组所有零部件几乎都安装在汽缸体上。在发电机组工作时，汽缸体承受着大小和方向为周期性变化的气体压力、惯性力和力矩的作用，使机体产生变形、裂纹和腐蚀等，影响柴油发电机组的正常工作。因此，在发电机组大修时，要对汽缸体进行真认的检查、测量和维修，及早排除故障隐患。

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