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故障检查与技术维护 |
柴油发电机汽缸套早期磨损特征与机理 |
【摘要】柴油发电机汽缸套早期磨损是一种常见的故障，气缸会早期磨损的结果将导致柴油发电机功率下降，启动困难，窜机油严重和机油消耗量增大，甚至会造成自动熄火而使柴油发电机不能正常工作。本文较为全面而系统的分析了康明斯柴油发电机组汽缸套表面异常磨损的类型、机理，并针对性地提出各类磨损的防治措施，为柴油发电机汽缸套表面异常磨损研究领域提供参考。
一、汽缸套的磨损现象
汽缸套是发动机的关键零部件之一，其产品性能直接影响发动机的动力性、经济性、可靠性、环保性和安全性。汽缸套与气缸盖、活塞、活塞环组成燃烧室，通过进气、压缩、燃烧、膨胀、排气等过程，将热能转化为机械能，提供动力保障。汽缸套是发动机中工作环境最恶劣的零部件之一。
汽缸套长期受活塞环高速往复运动，承受大爆发压力和高温燃气作用，机械负荷和热负荷严重，润滑条件恶劣，要求产品具备高耐磨、高减磨、自润滑、耐腐蚀和良好的散热、抗变形等性能。其主要的失效形式是磨损，形成磨损的主要原因包括汽缸套本身构造原因引起的磨损、未正确使用造成的磨损以及维修异常所造成的磨损（如图1所示）。有效减少磨损、延缓失效对提高内燃机性能有着极其重要的意义。
1、汽缸套磨损特征
汽缸套使用一段时间，就会出现不均匀磨损。其特征是沿长度方向产生失圆度，沿圆周方向产生椭圆度和圆锥度。磨损最大、最不均匀的部位，一般是在活塞处于上止点位置时，第一道气环相对应的缸壁处，往下使逐渐减小，康明斯柴油发电机汽缸套在活塞运动区域之外磨损很小，特别是在磨损最大断面以上部位，几乎没有磨损。所以在此处形成明显的台肩。
2、汽缸套磨损现象仿真分析
由于发电机组散热器用复合箔在工作状态下要承受600 ℃高温，因此需要具有良好的抗下垂性能.参照日本低温焊接委员会的抗下垂性试验方法测试复合箔的抗下垂性。
利用发动机专用软件模块进行了汽缸套-活塞碰撞动力学仿真，获得了汽缸套与活塞接触区域内，汽缸套内部表面的每个节点的碰撞力，而且对每个不同的活塞型线进行了碰撞动力学仿真.对于无磨损、保持原始型线的活塞，汽缸套的中上部接触区域中某一节点的碰撞力的动态响应如图2所示。通过上述汽缸套-活塞碰撞动力学仿真分析，可以获得汽缸套内部表面各节点的碰撞力结果。
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图1 汽缸套常见磨损和损伤现象 |
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图2 汽缸套内部表面某一节点的碰撞力曲线
二、汽缸套产生失圆度条件和原因
汽缸套沿长度方向产生失圆度，与其工作条件密切相关，可从润滑、冷却、温度、压力、活塞动力速度、磨料和腐蚀性物质等方面来分析其原因。
1、润滑条件
汽缸套上部润滑条件最差。由于康明斯柴油发电机汽缸套多采用激溅式润滑，康明斯柴油发电机汽缸套上部润滑油最少，而且康明斯柴油发电机汽缸套上部温度最高，润滑油的粘度最低，油膜强度最弱。而康明斯柴油发电机汽缸套上部又与高温气体接触时间最长，易烧损汽缸壁上的油膜，形成半天摩擦或边界摩擦，这些因素都使康明斯柴油发电机汽缸套上部磨损比下部大，从而产生失圆度。
2、压力的影响
康明斯柴油发电机汽缸套上部承受的压力最大。这个压力除了活塞本身的弹力以外，主要是燃烧过程产生的高压气体窜入活塞环背隙而作用于汽缸壁的压力。由于这个压力随活塞下行而降低，因而造成康明斯柴油发电机汽缸套上部磨损最大。
3、磨料的影响
来自空气中的灰尘，以及不完全燃烧时产生的积炭等磨料，进入汽缸壁与活塞、活塞环的配合表面之间，随着活塞在汽缸中的往复运动，会造成磨料磨损。这些磨料在康明斯柴油发电机汽缸套上部时，其棱角最锋利，向下会沿途磨钝，因而康明斯柴油发电机汽缸套上部磨损最大。
4、腐蚀的影响
汽缸套上部腐蚀最强烈，这也是康明斯柴油发电机汽缸套上部磨损大于下部的重要原因。
（1）康明斯柴油发电机汽缸套内的燃料燃烧后，会产生水蒸气和某些酸性物质。例如燃料中含有的硫化物在燃烧中与水蒸气化合生成硫酸，二氧化碳与水蒸气化合形成碳酸，在高温燃烧时，大气中的氮与氧化合成氧化氮，而氧化氮又与水蒸气化合生成硝酸等等，这些酸性物质会使汽缸壁发生化学腐蚀。
（2）当汽缸壁温度低于露点温度时，燃烧废气中的水蒸气在汽缸壁上凝结为水滴，会产生比化学腐蚀严重得多的电化学腐蚀。腐蚀物被运动的活塞环刮去后，又出现新的腐蚀，这样不断重复，越靠近康明斯柴油发电机汽缸套上部化学腐蚀和电化学腐蚀就越严重。实践证时，当冷却水温度低于85℃时，汽缸壁腐蚀最严重，而在此温度以上时，燃烧后生成的水蒸气和酸类物质可随废气排出，危害性要小得多。
三、汽缸套产生椭圆度和圆锥度的原因
康明斯柴油发电机汽缸套沿圆周方向磨损不均匀，产生椭圆度和圆锥度则与下列因素有关：
1、润滑、冷却条件的影响
在正常条件下，汽缸套的最大椭圆一般也是发生在康明斯柴油发电机汽缸套上部润滑条件最差的最大磨损位置。
2、活塞环压力的影响
活塞环压力沿径向的分布是不均匀的，其开口处的单位压力常达平均压力的好几倍，这也是康明斯柴油发电机汽缸套沿径向产生偏磨的原因。
3、侧压力的影响
在正常条件下，活塞往复运动的侧压力会使康明斯柴油发电机汽缸套在连杆运动平面产生较大的磨损，而侧压力较大的一边，磨损也较大。因而促使康明斯柴油发电机汽缸套沿径向产生椭圆度和圆锥度。注意，由于侧压力的最大位置并不在康明斯柴油发电机汽缸套上部，所以对最大椭圆度和圆锥度的形成不起主要作用。
另外使用维护不当，工作环境恶劣，润滑油不能及时添加或使用不洁净的润滑油，柴油发电机汽缸套或活塞环变形，连杆扭曲等等，都会使康明斯柴油发电机汽缸套发生早期磨损。
四、汽缸的磨损检测方法
1、使用量缸表进行检验
用量缸表测量汽缸的椭圆度和圆锥度，是在垂直于汽缸内壁工作表面的三个截面上进行测量的，如图3所示。 第一个截面在活塞上止点时的第一道活塞环所处的位置，在这个位置，汽缸内磨损量最大；第二个截面在汽缸套内壁的中间位置；第三个截面在活塞下止点时能后一道活塞环位置处，在这个位置，汽缸内壁的磨损量最小。在三个截面上分别泱出每一个截面的左、右和前、后方向的直径，就可计算出汽缸的圆锥度和椭圆度。同一个截面内测量出的互相垂直的两直径的差值为椭圆度。分别在汽缸套内壁的三截面上的相同方向上，测量出的最大直径和最小直径的差值为圆锥度。量缸表在汽内壁磨损的最大位置外测量的直径与标准尺寸的差值为该缸的最大磨损量。在一般情况下，对汽缸套的椭圆度要求是：汽缸套的内径小于100mm时，椭圆应小于0.2mm;汽缸套的内径大于100mm时，椭圆度应小于0.30mm。汽缸套的大限度椭圆度为3D/1000mm（D为缸套内径）。对汽缸套的圆锥度要求是：汽缸套度大于250mm时，圆锥度应小于0.025~0.5mm。在正常情况下，允许汽缸套的圆度为0.05mm，最大极限圆锥度不允许超过5D/1000mm。
2、使用压力表进行检验
压力表是另一种常见的气缸压力测量工具，如图4所示。与压力传感器不同，压力表通常是机械式的装置，它使用弹簧原理或其他机械机构来测量气体或液体的压力。在气缸压力测量中，压力表通常需要通过连接管与气缸内的气体相连。当气体压力作用在压力表上时，压力表的指针会随之移动，指示出气缸内的压力数值。
（1）气缸压力测量目的
柴油机的汽缸压力测试是检测柴油机内部结构和性能状况的重要手段。一般来说，汽缸压力测试能够反映出柴油机的压缩比、燃烧室密封性、活塞环的磨损程度、喷油系统的工作状态等方面的问题。通过对柴油机的汽缸压力测试，可以及时发现柴油机的故障和问题，并采取相应的修理措施，从而确保柴油机的正常运转和可靠性。
（2）汽缸压力测试的操作步骤
汽缸压力测试一般分为以下几个步骤：
① 准备工作
在进行汽缸压力测试之前，要先检查柴油机的供电是否正常，以及检查试验仪器的连接线路是否良好。同时，要将柴油机的冷却液排放干净，确保柴油机处于干燥状态。
② 安装测试仪器
将汽缸压力测试仪器连接到柴油机的高压油管上，然后将高压油管拧紧，确保油管的密封。
③ 测量压力值
接下来，启动柴油机，并将其运转到一定的转速下，然后按下汽缸压力测试仪器上的测试按钮，即可进行汽缸压力测试。在测试过程中，要根据测试仪器上的指示器，记录下各个气缸的压力值。
④ 进行数据处理
测试完成后，按照汽缸压力测试仪器上的操作步骤进行数据处理。将测得的压力值作图，分析各个气缸测试结果的差异性，并根据测试结果判断柴油机的内部结构和性能状况。
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图3 气缸椭圆度和圆锥度的测量 |
图4 气缸压力测试图 |
总结：
汽缸套在润滑不良、高温、高压、交变载荷和腐蚀物质的作用会产生早磨、穴蚀、裂纹等常见失效形式。维修保养和使用不当是造成早期过度磨损的主要原因，只有了解，掌握了汽缸套的正常磨损和早期非正常磨损的规律、原因和预防措施，才能提升其综合性能。采用螨墨铸铁汽缸套，对汽缸套进行表面改性处理以及先进珩磨工艺等这些方法都可以减少汽缸套的磨损，延长汽缸套的使用寿命。
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