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故障检修与技术维护 |
柴油发电机缸盖裂纹故障查找步骤和修复法 |
摘要：柴油机的气缸盖是重要的分部件之一，其主要作用是与气缸配合形成活塞的做工空间，同时还需要为柴油机的冷却、润滑、进排气及喷油系统等提供基座的位置。在柴油机工作过程中，由于冷却系统的存在，气缸盖本身受热极不均匀，热载荷较大，因此，气缸盖所处的是相当恶劣的高温高压环境，同时气缸盖紧固螺栓及其它安装螺栓都有较大的预紧力。综上原因，柴油机气缸盖的主要故障就是变形和裂纹现象，因此，研究气缸盖裂纹产生的原因和维修方法，可避免事故的产生，对提高柴油机的使用效率大有裨益。康明斯公司在本文中以某用户的缸盖裂纹事故为例，逐步介绍该类型故障额查找方法和诊断结果。
一、缸盖发生裂纹的原因和确定方法
在此以常用的某型小功率康明斯柴油机为例，外形模拟图如图1、图2所示。气缸盖通过缸盖螺母以一定扭矩紧固在机体上，一般为120~140Nm，进排气道占据了大部分空间，冷却水道与机体水道相通。上平面倾斜5°以使气缸内的机油通过挺杆孔回流油底壳。上部进、排气阀座，保证进、排气门的正常工作。内部存在一个涡流腔，其底部有涡流腔镶块，通过该镶块上一个倾斜40°左右的孔，使得涡流腔与气缸相通。一个2mm的锥形孔正对喷油嘴，提升启动性能。据数据表明，气缸盖裂纹一般出现在气门座圈周围，如裂纹宽度不超过0 5 mm，仍可继续使用。
1、裂纹产生的原因
发生原因大多由于气缸盖处于高温有关，具体原因如下。
（1）气缸垫没有很好地安装在气缸盖与气缸体之间。其间的孔位没有很好地对准，降低了冷却水的流量，从而影响冷却效果，使冷却水温度很高，导致机体温度升高。
（2）使用中当机器温度较高的情况下，更换冷却水，由于剧冷、剧热，最易引起气缸盖裂纹的发生。因此必须注意在机温很高时不许向发动机内加入冷水。严禁先启动发动机，再加入冷却水。
（3）产生裂纹部位的壁厚单薄，设计强度不足。
（4）经常性供油时间太迟或过早，易使发动机产生早燃和爆燃，从而导致气缸盖底面温度升高。
（5）产生裂纹的部位水道过窄或拐角过小，冷却水循环缓慢，散热不良，在冷热不均时，膨胀不一致引起气缸盖裂纹。
（6）冷却水内含碱性较大，水套内易产生水垢而又没有及时按规定保养。由于水垢等原因，更加降低了冷却系统的效能，从而容易引起气缸盖裂纹。如气缸盖内积1 mm厚的水垢，气缸盖底面的温度约升高170℃。这样就会引起局部更大的热应力集中，加速气缸盖裂纹的产生。
（7）气缸盖或气缸体在铸造制成后，由于没能很好地进行时效处理，消除内应力，致使缸盖和缸体内部存在着很大的内应力，使气门座之间部位产生裂纹。
2、气缸盖裂纹区的确定方法
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。如还找不到可利用专门的设备进行水压试验，加压后渗水的部位即为裂纹所在位置。如果没有专门设备，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，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。
水压试验方法：在给汽缸体或汽缸盖进行水压试验时，先将汽缸体上的水管接头、水套孔用木塞和专用盖板堵住，把其中的一个水管接头用皮管接出。向水套内部加满水后，用高压水枪或高压气筒（或气泵）向汽缸体内部加压。若用高压气简或气泵时，为了防止水气倒流，要在管路中加装单向阀，单向阀一般加装在充气软管和汽缸体水管接头之间。在没有专用盖扳或术塞的情况下对汽缸盖进行水压试验时，也可以用几个人的手指堵塞汽缸盖水道孔。
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图1 柴油机缸盖模型立面图 |
图2 柴油机缸盖模型侧视图 |
二、缸盖裂纹的修复方法和试验
1、修复缸盖裂纹的措施
气缸体、气缸盖裂纹与破裂的修理方法有粘结、焊接和螺钉填补等多种。具体采用哪种方法应根据裂纹大小、程度和部位确定。当遇到缸盖上的穿透性裂纹和关键部位的严重裂纹都必须更换缸盖，并清洗水套后装机试机后，故障排除。
（1）粘结法
大部分裂纹可采用粘结法修复。常采用环氧树脂粘结，它具有粘结力强、收缩小、耐疲劳等优点，同时工艺简单、操作方便、成本低。其主要缺点是不耐高温，不耐冲击等，而且在下一次修理时，经热碱水煮洗后会脱落，需重新粘接。所以，除燃烧室、气门座等高温区域外，其余部位均可采用这种方法。对破洞和裂纹集中部位，可采用补板加环氧树脂法修理。用螺钉固定补板，其间涂以环氧树脂，以确保密封。
（2）焊接
焊接可分为冷焊和热焊两种。热焊时，将工件预热到327-427℃进行焊接。焊缝金属冷却缓慢，零件冷却时各处温差小，不易形成较大内应力，可防止零件产生白口铁组织和裂纹。但热焊易产生变形，工艺复杂。冷焊一般不预热。目前，随着冷焊质量可靠性的提高，在气缸体、气缸盖裂纹的修理中，得到广泛应用。
（3）堵漏剂堵漏
堵漏剂是修补气缸漏水的一种新材料。它是由水玻璃、无机聚沉剂、有机絮凝剂、无机填充剂和粘结剂组成的胶状液体，适用于铸铁、铝缸体所出现的裂纹、砂眼等缺陷的堵漏。
（4）打磨法
裂纹微小时采用锉刀、油石和风砂轮等工具打磨裂纹处予以消除，经无损探伤或水压试验检验合格后继续使用。否则，继续打磨、检验。若裂纹较深达壁厚的3%以上时，停止打磨改用其他方法修理或报废换新。
（5）金属扣合法
气缸盖底面和其他部位的裂纹采用金属扣合法修理，不仅零件的强度要求，还可满足密封性要求。
（6）镶套修理
对于孔壁上的裂纹，如气缸盖上的进、排气阀孔壁和喷油器孔壁的裂纹采用镶套修理。此法效果好，可使零件继续使用2年以上的时间。衬套的材料一般为不锈钢或青铜、衬套端部与阀孔底部间垫以紫钢垫片以增强密封性。
（7）覆板修理
气缸盖外表面裂纹可采用覆板修理。修理时，先在裂纹两端钻止裂孔，涂胶粘剂(如环氧树脂)后将钢板覆盖其上，用螺钉将钢板固紧在气缸盖上。
2、焊后加工及试验
在卧式万能铣床上以缸盖上平面定位，先后用粗齿和细齿主铣刀加工，将焊缝铣平，然后进行研磨。
磨料为钢玉和碳化硅，粗研为60～100#，精研为150～240#，研磨剂可用润滑油、煤油、汽油；研具用铸铁、夹布胶木、紫铜、青铜等。研磨余量为0.02～0.03mm。研磨不但能提高焊缝表面质量，提高光洁度，还能够提高缸盖平面度，增加与缸体连接的密合性，防止漏水、漏汽。经过修复后，对缸盖进行检验、测量，装配后以0.4～0.45MPa压力进行5min水压试验无泄漏，试车发动容易，排气声响正常，功率充足，正常投入生产。
三、缸盖裂纹故障案例
1、故障现象
一台NTA855型康明斯柴油机售于深圳某工厂，工作过程中出现冷却液温度过高的故障。停机检查，发现散热器中冷却液不足。加足冷却液后，故障消除但运转一段时间，故障再次出现。停机检查，发现散热器中冷却液又少了很多。
2、故障查找分析
（1）发动机内部泄漏检查
先旋下放油螺塞，因冷却液密度比润滑油大，若有冷却液泄漏，冷却液便会先流出来或流出冷却液与机油的乳状混合物；也可抽出机油标尺，查看油标尺有无水珠。然后检查机油冷却交换器的水道与油道之间有无泄漏，可将交换器放在水中，用手动压力器进行压力检测。最后进行柴油发电机冷却系统内部泄漏试验，在散热器上接上压力检测器，起动柴油发电机，如果压力迅速上升，表明气缸损坏或气缸体破裂产生泄漏；如果压力不上升，用压力检测器加压，若压力指针不断摆动，表明柴油发电机在燃烧时或压缩时，冷却系统发生了泄漏。此时若拆下压力检测器，高速运转柴油发电机，会发现冷却液冒出气泡，此时，应更换气缸或气缸体（全新的康明斯缸盖模型如图3所示）。
（2）拆下气门室罩盖检查
发现缸盖上面有少量白色泡沫，而机油无明显增加，说明有少量冷却液泄漏到润滑油中，以上现象说明冷却液是蒸发掉了，即可能是气缸盖或者缸套等部件有裂纹，导致在进气冲程中，气缸内形成负压，冷却液由裂纹进入气缸，而压缩和做功冲程中，部分冷却液在高温的作用下汽化。在排气冲程中，大量汽化了的冷却液排入大气，致使冷却液消耗过量，而残留的少量冷却液沿气缸壁流入油底壳，导致润滑油中有少量冷却液而产生肉色泡沫。
（3）对缸盖和缸套进行检查
拆下气缸盖后，发现第1缸积炭严重，活塞顶部有水，说明渡缸有冷却液泄漏现象，但是检查缸套时却没有发现裂纹。对缸盖进行水压试验，结果发现有水从第1缸排气门处流出。拆厂排气门时，发现缸盖上的气门座附近有一条清晰可见的裂纹，如图4所示。因此，试验表明冷却液就是从这里泄漏的。检查缸盖时，发现水套内壁有厚厚的一层水垢。分析认为，由于排气门座附近温度高、散热条利差、结构单薄，而水垢的隔热作用使散热条件进一步恶化，因而在应力集中的作用下产生了裂纹。
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图3 柴油机全新缸盖模型斜视图 |
图4 柴油机气缸盖裂纹现象示例图 |
总结：
柴油机气缸盖的作用是密封气缸，并同活塞共同组成燃烧室。气缸盖工作条件恶劣，受力情况复杂。它不仅受到燃烧室燃气燃烧所发出的爆发力的强烈作用，也受到因冷却水造成的局部冷热不匀影响，是一个较易损坏的零件。造成气缸体和气缸盖裂纹的原因既有结构不合理、材料和制造工艺的问题，也有使用、维护不当的问题。气缸盖破裂对发动机性能和可靠性都会产生严重影响，因此在使用和维护发动机时，应注意保持正常的工作温度、定期检查冷却系统、正确安装和紧固零部件，并使用合适的冷却液，以预防气缸盖破裂的发生。
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