康明斯动力（深圳）有限公司

 

技术维修与康明斯知识

汽缸套的气穴腐蚀和非质量磨损影响因素

 

摘要：随着现代柴油发电机的有效压力和功率比的不断提高，而设备质量却越来越小，结构日益紧凑，气缸套壁厚有减薄的趋势，这使其抗穴蚀的能力有所下降。如果气缸套水道壁厚设计较薄，在供电频繁的区域，由于柴油机经常高负荷工作，从而导致柴油机气缸套水道壁更容易出现穴蚀现象。并且，康明斯公司售后部门在维修实践中发现，气缸套穴蚀损坏情况非常严重，许多气缸套并不是因为超过了磨损极限而更换，往往是因穴蚀损坏被迫换新。因此，穴蚀已成为影响康明斯柴油发电机使用寿命和可靠性的重要因素。

一、气穴腐蚀的影响因素

 

      在柴油机工作中，如果反复的冲击和高温作用于运动零件壁面上，可引起零部件壁面的氧化腐蚀，并产生剥落破坏或穿孔，如图1所示。这种因气穴腐蚀现象而产生的零件剥蚀现象称为气蚀现象，图2为不同气蚀现象模拟图。

1、气缸套穴蚀

      穴蚀是指柴油发电机组湿式缸套外壁与冷却液接触的表面被破坏成一些针状的孔洞，这些孔洞逐渐扩大、加深，最后形成深孔或裂纹；孔洞一般很清洁，没有腐蚀生成物。湿式缸套直接与冷却液接触，不可避免地逐渐被穴蚀；而干式缸套虽然不与冷却液直接接触，但缸套座同样受到穴蚀，缸套座被逐渐穴蚀成通孔或裂纹后，就会进一步破坏干式缸套。

      一般认为，穴蚀由缸套高频振动引起。机械振动引起冷却液压力变化，使冷却液中产生气泡并破裂，此过程就是穴蚀产生的原因。由于冷却液中溶有气体，当气缸高频振动使冷却液的局部压力降到某一临界值时，溶于冷却液中的气体便以气泡的形式分离出来，这些气泡流到高压区，当压力超过气泡压力时便发生溃灭。处于气泡状态的气体重新液化或溶于冷却液中，体积骤然减小，冷却液向气泡中心高速运动而产生水击现象，产生极大的冲击力和高温，并以压力波的形式超音速向四周传播，当作用在气缸套外表面时，产生很大的冲击、挤压和高温。在这种力的反复作用下， 柴油发电机的缸套外表面产生疲劳而逐渐脱落，呈麻点状和针状小孔，并随着穴蚀的进行而逐渐扩展。

 2、轴承穴蚀

      滑动轴承在气缸压力冲击载荷）的反复作用下，表面层发生塑性变形和冷作硬化，局部丧失变形能力，逐步形成纹并不断扩展，然后随着磨屑的脱落，在受载表面层形成穴。一般轴瓦发生穴蚀时，是先出现凹坑，然后这种凹坑逐步扩大并引起合金层界面的开裂，裂纹沿着界面的平行方向扩展，直到剥落为止。滑动轴承穴蚀的主要原因是，由于油槽和油孔等结构要素的横断面突然改变引起油流强烈紊乱，在油流紊乱的真空区形成气泡，随后由于压力升高，气泡溃灭而产生穴蚀。穴蚀一般发生在轴承的高载区，如曲轴主轴承的下轴瓦上。

3、水泵穴蚀

      水泵穴蚀是水泵损坏的重要原因。水泵一旦产生穴蚀，除了会对过流部件产生破坏作用外，还会产生噪音和振动，并导致水泵性能的下降，严重时会使泵中液体中断，不能正常工作。水泵气蚀将会降低其泵水效率，显著减少了水泵的扬程和流量，从而引起柴油机过热，工作过程恶化，零件强度降低，机油变质，零件磨损加剧，最终导致柴油机动力性、经济性、可靠性下降，缩短柴油机使用寿命。严重时直接导致柴油机拉缸和烧融，损坏柴油机。

 

图1  气缸套穴蚀穿孔现象图

图2  柴油机冷却水泵各种气蚀现象模拟图

 

二、缸套磨损的影响因素

 

1、原机体的影响

      如果柴油机原机体因长期使用产生金属疲劳损伤导致刚度不够或位置精度发生变化，导致缸套外表面不能与机体缸套孔内表面很好地贴合（角度标准如图3所示）。正因为如此，从而影响缸套的传热，导致缸套、活塞、活塞环热负荷过高（这种情况用水温表测温是反映不了缸套真实温度的），加快活塞环槽机油的积碳和卡环。在工作状态下，将无法保证活塞、活塞环、缸套之间获得良好的密封性能，早期窜机油现象将不可避免发生。

2、空气滤清器的影响

      装用劣质空气滤芯，柴油机会吸入大量的灰尘，快速磨损缸套和活塞环表面，使活塞环张力下降，密封性能恶化，造成柴油机动力性能急剧下降；特别是，若让哪怕很细小的砂粒进入柴油机活塞缸套间隙，将在以微秒计的时间内足以拉伤缸套和活塞环，甚至使高速运行的柴油机产生连杆断裂、机体被毁的毁灭性后果。

3、喷油嘴质量的影响

      如图4所示，采用劣质喷油嘴或不更换已损坏的喷油嘴，燃油雾化质量不好，影响柴油机正常燃烧，将严重影响柴油机燃烧效率和各缸工作均匀度。特别是出现的二次喷射，将使柴油机活塞温度急剧升高，加快活塞环槽的积碳，导致卡环，影响缸套组件的使用寿命。

4、机油清洁度的影响

      采用劣质机油滤芯或者不更换已遭到污染的机油，会使活塞环和气缸套加快磨损。还将造成喷嘴被机油杂质堵塞，失去其喷油冷却活塞的效能（往往活塞内顶有发黑烧蓝痕迹），使活塞缸套和活塞环温度过高而导致缸套组件工作失效。

5、冷却系统的影响

       冷却系统有问题，会使缸套组件热负荷过高，特别是活塞顶部的温度过高，会产生致命的关联破坏作用，它导致活塞头部金属烧损，拉伤缸套；也会导致缸套上部壁面和活塞环槽机油迅速积碳，卡死活塞环，使得活塞环外边角强力刮擦缸套，破坏缸内壁润滑油膜，很容易使缸套在第一道活塞环上止点处出现台阶状的严重磨痕。

 

图3  机体与气缸套配合角度标准

图4  喷油嘴喷射质量不良现象

 

三、预防穴蚀的措施

 

1、选用的油液

      要保证油品质量和适宜的粘度。严格按油尺标准加油，保持系统清洁。加油时必须注意清洁，切勿带进水分和杂质；加冷却水时，水中一定不要含腐蚀物质。柴油发电机的各种油液油尺均标有上限和下限刻度，控制油量的正常标准有利于降低穴蚀。应定期清洗磁铁粗滤器，更换各种滤芯，保持油液清洁。注意检查油位。油质和油色，如果发现柴油发电机液压系统中有水珠、油液变成乳白色或油液呈泡沫状时，应仔细查找水和空气的来源，检查油冷却器和各管接头处的密封性。

2、防止油温过高

      合理设计散热系统，保证油温正常。如果出现故障，应进行分析，及时排除。如出现油路不畅通，冷却水过少或内、外泄漏时，应立即排除。

3、保持各结合面的正常间隙

      在制造或修理时，按装配的公差下限装配可以减少穴蚀的影响。如已发生穴蚀现象，只能用金相纸抛光除去积炭，切不可用一般的细砂纸打磨。

4、正确保养冷却系统

      保证散热器压力盖完好并能正常工作，可以减少穴蚀的产生;让冷却系统的温度保持在合适的范围，以降低气泡破裂的能量;使用适量的冷却液添加剂，可抑制锈蚀作用。

5、生产材质改进

      随着科学技术的不断发展，应对气缸套的材质进行改进，如在气缸套外表面加附韧性好的材料来弥补韧性不足的缺陷，减少水击的危害程度，防止剥落，同时也能解决铸铁金相组织复杂，容易产生电化腐蚀的倾向，保证气缸套的厚度，减少振动。柴油机结构紧凑，冷却水空间被压缩，可以对机体的线型作适当的改变，增加缸套与机体狭窄处的通流面积，提高这一区域的流体压力，减少气化力度：

① 在气缸套外表面，可以沿冷却水的流动方向，适当附铸几条螺旋线引导加强筋，以减少气缸套的振幅；

② 适当增加气缸套的厚度，据了解，当气缸套厚度大于缸径的1/11时，气蚀现象将大大减少；

③ 保持运动部件之间合适的润滑间隙，减低振动，会明显减轻气蚀。

 

四、气缸套穴蚀维修案例

 

      以东莞天虹商场一台200KW康明斯柴油发电机组为例，在接到用户报修后（报告故障类型为设备漏水），康明斯售后服务站对其的处理的过程如下。

1、进水支管漏水原因分析

（1）封水圈失效

      进水支管与气缸套外壁连接处的橡胶封水圈磨损，造成进水支管处往外漏水。

（2）气缸套穴蚀有沙眼。

      气缸套基本类型如图6所示。引起穴蚀破坏的原因，主要是空泡腐蚀和电化学腐蚀综合作用的结果。气缸套的穴蚀主要发生在连杆摆动平面内，尤其是承受侧压力的一侧；其次在冷却水流的方向和速度有较大的变化处（如进水口或水流转弯、水腔狭窄处）以及气缸套和机体配合的凸肩处。

2、处理过程

（1）停机后约2小时的热机状态下，更换进水支管与气缸套外壁连接处的橡胶封水圈，当水位超过此封水圈位置后，1缸仍渗漏、2缸仍长流水，说明处理未完全到位。

（2）停机6小时后，拔出1缸、2缸气缸套，发现1缸气缸套进水孔上部有大约160cm²水迹，磁粉探伤2次未发现裂纹，缸套水迹相对应的机体部位也有约160cm²水迹，说明1缸缸套进水孔上部有微小沙眼而不是裂纹，冷机状态沙眼缩小，磁粉探伤很难发现。2缸缸套和与之对应的机体部位没有水迹，仅在底部封水圈周围有高度为2～3mm的一圈水迹（如图6所示），可以断定漏水是气缸穴蚀引起的。

（3）经过仔细观察缸套、机体的结构组成后，发现1缸至6缸由缸套与机体构成的空腔是连通的，并且在2缸、3缸连接处的底部有一个约6mm高的凸台，气缸套外径ø299mm，1缸、2缸进水支管都不漏水，由于水从高处往低处流，1缸沙眼处往外漏的水一部分从1缸渗出，大部分从与之相连的2缸进水支管底部流出，因此，仅在2缸底部封水圈周围有高度为2～3mm的一圈水迹，说明2缸缸套底部有沙眼，1缸缸套中部有沙眼，进一步证明了穴蚀情况。

（4）由于1缸、2缸缸套已运用11年多，缸套内径已磨耗到限，且均有沙眼，因此1缸、2缸同时更换缸套。

      更换1缸、2缸气缸套后，柴油发电机运行一年多来技术状态良好，未再发生缸套漏水现象。为确保内燃柴油发电机检修质量，提高柴油发电机利用率，减少柴油发电机停修时间，应将更换柴油发电机全部缸套纳入大修范围。

 

图5  柴油机气缸套的类型特征

图6  柴油机气缸套穴蚀水迹现象

 

总结：

      选用品质好的缸套组件不会导致柴油机热负荷过高。热负荷过高不是由缸套组件本身的质量所引起的，而是由其它原因所致。热负荷过高是加快活塞环槽积碳卡环导致缸套和活塞环超常磨损窜机油的原因。而缸套组件损坏只是热负荷过高的结果。热负荷过高是导致缸套组件损坏最普遍也是最致命的杀手。因果不能倒置。因此，更换新的缸套组件时，应该首先检查被更换的原缸套组件损坏的原因。如果被更换的缸套组件原是正品零件而又不是因为使用时间很长而进行的正常更换，就应该从装配上和其它系统上找出导致缸套组件损坏的原因。

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