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故障检修与技术维护 |
柴油机气缸体和缸盖破裂变形的检查维修法 |
摘要：气缸体是柴油发电机各个机构和系统的装配基体，并由它来保持柴油机各运动件相互之间的准确位置关系。水冷式柴油机通常将气缸体与上曲轴箱铸成一体，简称气缸体。由于气缸盖的本身在结构上的复杂及组织上的重要性，一旦出现缸体和气缸盖的破裂及变形损伤情况，则会为柴油发电机的工作造成不良影响。在柴油机的运行过程中，由于部分汽缸盖使用年限长，体腔内的铸造缺陷会渐渐暴露出来，延伸到表面后形成裂纹造成漏水、窜油和窜气，尤其汽缸盖窜气会引起费油功率降低。因此，发现气缸体和缸盖裂纹现象，应及时修复或更换零件总成。
一、故障现象和原因分析
1、故障表现
气缸体上半部有若干个为活塞在其中作运动导向的圆柱形空腔，称为气缸。下半部为支承曲轴的上曲轴箱，其内腔为曲轴运动的空间。在上曲轴箱上制有主轴承座孔，有的柴油机还制有凸轮轴轴承座孔。为了这些轴承的润滑，在侧壁上钻有主油道，前后壁和中间隔板上钻有分油道。 气缸体的上、下平面用以安装气缸盖和下曲轴箱，是气缸修理的加工基准。
（1）出现气缸体漏水、漏油，以致于柴油机工作在非正常的冷却及润滑之下；其表现为少水、少机油，水温高，机油压力不足等。
（2）因为变形直接导致气缸盖的下平面与气缸体的上平面接合不良、不密封，出现气缸垫“冲床”现象（即三漏现象）。表现为柴油机工作不良，功率下降、动力不足，润滑不良导致机械磨损加剧。严重者会运行熄火、不好着车、甚至不着车。
2、故障原因分析
（1）裂纹破损形成的原因
缸盖裂纹常出现部位为气门孔附近周边位置，模拟示例如图1所示。
① 因其工作环境温度不均匀，导致热应力产生，在薄弱环节因刚度不足而产生破裂。
② 因长期工作疲劳产生裂纹。
③ 季未放净冷却液造成冻裂。
④ 冬柴油机过热时，突然加入冷却液导致爆裂。
⑤ 有可能在运行或操作中出现严重冲击、撞击。
⑥ 过度拧紧紧固螺丝或操作不规范等。
以上几种原因都有可能造成裂纹，甚至破裂，缸盖裂纹检查方法如图2所示。
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图1 柴油机气缸盖的CAD模型（外部几何形状） |
图2 柴油机缸盖裂纹的检查 |
（2）变形损伤形成的原因
缸盖变形会出现烧机油，动力下降，油耗增高等问题，气缸盖未变形前模拟图如图3所示。前述对于破裂损伤形成的原因，在情况较轻时，都有可能导致其变形。合金缸盖遇到温度高时、缸盖螺栓紧固力矩不均时、汽缸垫大面积烧蚀时、其他外力造成都会造成缸盖变形，其中主要应为受热不均与维修操作不当导致。变形检查方法如图4所示。
① 材料问题：
缸体和缸盖是由多种金属材料制成的，如铸铁、铝合金等。这些材料在高温高压环境下工作，可能会发生变形。材料的热胀冷缩效应可能导致缸体缸盖变形。此外，材料本身的机械性能也会影响其变形程度。
② 制造工艺问题：
缸体和缸盖的制造过程中，如果加工精度不够，或者装配过程中存在误差，都可能导致变形。此外，如果材料内部存在缺陷，如铸造缺陷、热处理不当等，也可能会在运行过程中导致变形。
③ 温度变化：
柴油机工作时，温度变化可能会导致缸体和缸盖变形。在高温环境下，材料会膨胀；而在低温环境下，材料则会收缩。这种温度变化可能导致缸体和缸盖的翘曲变形。
④ 机械负载过大：
柴油机的机械负载过大，如频繁加速、制动等，都可能导致缸体和缸盖变形。过大的机械负载会使柴油机温度和压力升高，进而导致变形。
⑤ 润滑不良：
良好的润滑是柴油机正常工作的关键。如果润滑不良，摩擦力会增加，导致柴油机过热，进而导致缸体和缸盖变形。此外，劣质机油也会加剧柴油机磨损，进一步加剧缸体和缸盖的变形。
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图3 柴油机气缸盖的进气、排气与循环水管道模型 |
图4 柴油机气缸盖变形检测 |
二、气缸盖参数标准与检测方法
1、参数要求
（1）气缸盖长度L≤300mm，允许其平面公差在0.05mm；
（2）气缸盖长度L≥300mm，允许其平面公差在0.1mm；
（3）每任意50mmX50mm的范围内均不应大于0.025mm。
缸体顶平面与轴承孔中心线的平行度（在机体全长上）：6BT型柴油发电机不得大于0.05mm。康明斯发电机组气缸体顶面平面度应在0.10mm之内。
2、外观检查
（1）康明斯发电机组气缸体外部应无任何裂纹和损伤。若发现有导致漏水、漏油、漏气的损伤时，必须予以修理和更换。
（2）检查康明斯发电机组气缸体与气缸套接触的密封环带处有无穴蚀、腐蚀，如果腐蚀表面无法清除或表面已变形，应更换缸体。
3、测量气缸体的高度
康明斯发电机组气缸体经外部检查合格后，还应进行各部位测量。
（1）从主轴承盖的结合面至康明斯发电机组气缸体的顶平面的距离为康明斯发电机组气缸体的高度，
（2）康明斯发电机组气缸体的高度从主轴承处测量，可从康明斯发电机组气缸体主轴承座孔的最高处测量。
4、汽缸盖裂纹检查常用方法
通常，汽缸盖裂纹都有一个产生和发展的过程，因此，平时认真检查、仔细观察、及早发现，就能避免机损事故的发生。汽缸盖裂纹检查主要有3种方法：直接观测法、着色显痕法、液压试验法。
（1）直接观测法。
可根据冷却水压力表指针的摆动和膨胀水箱中水位的上下波动及有无气泄、油渍等来判断汽缸盖是否有裂纹，还可通过示功阀检查排气是否冒白烟或有燃烧不良现象来判断裂纹发生在哪一缸。经常检查曲轴箱中滑油油位的变化，若油位升高，油中水分明显增加，则应怀疑内有裂纹。
（2）着色显痕法。
首先仔细擦干汽缸盖的检查表面，涂上一层色油，干后再揩去色油，用放大镜进行检查，如有裂纹，金属表面就会有细小的红色斑痕出现。
（3）液压试验法。
对于内部微小裂纹，如冷却水腔的微小裂纹，用着色法很难检查，通常做液压试验才能检查出来。
在检修中，还可用放大镜检测法、水压法、磁力探测法、荧光粉法、染色剂浸泡法、白粉敲击法、超生波探伤法、射线探伤法等多种方法来检查裂纹。情况而定，如为裂纹，则可采取焊补，也可运用AB胶粘补。此类维修只可针对情节较轻的。但是修补后不可保证长期的在恶劣工作环境下再次出现故障，导致发生连锁损伤。因而最好建议更换总成。
4、缸盖变形检查
对于缸数较少，4缸以下（包括4缸）柴油发电机采取的测量方法依照图（5）缸数较多，6缸及其以上柴油机缸数采取的测量方法依照图（6）步骤进行。
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图5 四缸柴油机气缸盖变形测量步骤图 |
图6 六缸以上柴油机气缸盖变形测量步骤图 |
三、气缸盖的拆装和维修
气缸盖本体因为相对体积比较大，且工作在密封腔内，高温、高压、高强度工作负荷是其主要工作特性，结构如图7所示。在维修操作中，为了避免造成不必要人为的损伤。应严格按正规的操作顺序及方法。检修前应彻底清除平面上的水垢、积炭，清除毛刺，铲平或刮平螺孔周围的轻微凸起。
1、拆卸过程
（1）在确定要进行拆检之后，应对热车柴油机给予其自然冷却，而不得为提高生产效率，热车拆卸。更不得往冷却系统内加注冷水进行强制冷却。
（2）维修时必须放干冷却水。
（3）应该选用专业工具（扭力扳手）进行，对其紧固螺丝的拆卸按照一定的顺序进行。为了均匀的的分散紧固力，应采取从两边至中间进行交叉法拆卸。
（4）全部螺丝应第一次全部卸力，最后由2—3次实现取下缸盖。
2、维修过程
拆卸的零部件应进行全面的清洁、清洗，再按照正确的各项检测方法及程序进行，确定零部件为待检、待修、待换并及时上报。 如要出现类似变形、裂纹情况，可采用铲削、磨削的方法进行维修。但其磨削量也有一定的极限值。一般缸盖在维修时基本与气缸体同进行，其最多只可以进行三次磨削，最大极限不得超过10S/级。过度磨削会影响燃烧室容积，导致压缩比变动。影响柴油机的正常工作。气缸体上的平面修整方法如下：
（1）康明斯发电机组气缸体上平面可用磨削的最大厚度为0.254mm。
（2）修整时也可采用铣床或大型平面磨床进行，康明斯发电机组气缸体应以主轴承座下平面定位，而不能以油底壳结合面定位。
（3）若用磨床时，应从康明斯发电机组气缸体上平面卸下定位销，对康明斯发电机组气缸体进行磨削，每次磨削量应为0.03-0.08mm。
经修整后应重新检查各部位尺寸，并应符合上述要求。
3、重新装配过程
在组装时，应对新件、加工件进行再次清洁、清洗、检测。确定后组装，对缸盖紧固螺丝也应按照从内到外交叉法进行紧固，分3—4次完成，螺栓拧紧次序如图8所示。并对各紧固螺丝以专业工具（扭力扳手）施加标准扭力。第一次扭力：40N.M，第二次扭力：60N.M，第三次扭力：75N.M，第四次旋紧90N.M.
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图7 柴油发电机机体组结构图 |
图8 气缸盖紧固螺栓时的装配顺序 |
四、预防裂纹产生的措施
1、气缸盖水套的结构设计
缸盖水套结构设计好坏，直接影响到缸盖的散热，对产生裂纹的几率有重要的影响。水套结构设计应尽可能宽敞，作到水流畅通，切忌死角，以免造成蒸气泡滞留而引起局部过热。减薄气门之间(鼻梁区)的壁厚。气门之间的温度，每减少1单位厚度，降温量约为10℃/mm,但减薄必须在保证承受缸盖螺纹预紧力、最大爆发力等机械负荷强度的前提下进行。如考虑铸造壁厚的偏差，气门之间的壁厚H,大型柴油机为15～20mm,中型柴油机为12～17mm,通过鼻梁三角带的水流应有较大的流速(约为2～3m/s)。三角带热量是泡核沸腾的方式传热，此处有较大的水流速，可以把产生的泡核不断带走，增强冷却效果，同时能冲刷冷却水中的泥沙、铁屑等杂质，不会造成堵塞。可通过小隔板引流，装冷却喷水管，气门之间钻孔(钻孔直径约为气缸直径的10%)等方法，把从缸体上来的主要水流引到缸盖三角带，确保高温区的冷却。另外可采取一些补救措施以减少其裂纹的几率。如喷油嘴孔和进、排气门座孔边缘倒圆，以避免应力集中。
2、改善使用条件
柴油机使用过程中形成的水垢，会大大降低导热率，使气缸盖散热性下降，易造成气缸盖裂纹的产生。因此，气缸盖应采用有防垢添加剂的冷却水，防止水垢的产生。在冷却水中无防冻剂的情况下，冬天要排空冷却水。并在启动前一定要加水，若起动后加冷却水或柴油机处于高温状态下突然加注冷水，会造成局部热应力过大，使缸盖产生裂纹。切忌柴油机在使用、运转过程中断水或开锅现象的发生，否则会使温度急剧上升，如这时加入冷水，会使缸盖产生裂纹。避免柴油机长时间在超负荷条件下工作，否则缸盖内应力过大，易产生变形或裂纹。不要在冷车起动后突然加载，使温度急剧上升。否则，经这样数次的“冷-热”循环就会使缸盖材料不断的拉缩，最终造成疲劳损坏，产生裂纹。修理作业中严格执行工艺要求，如缸盖螺栓未能按规定的顺序和扭矩紧固，紧固力不均匀等，都会导致气缸盖变形或螺栓孔附近产生裂纹。
3、加强对缸盖过热部位的冷却
在柴油机缸盖冷却水道内增设挡水板，加快水流速度，且对水流给以必要的引导.使其定向地冲刷排气门和喷油器使这些受热严重的部件得到较好地冷却。
4、使用人员的操作管理科学化
若对柴油机操作管理不当，同样会导致汽缸盖产生裂纹。例如，柴油机冷车启动或启动后加速太快都容易产生裂纹。更甚者，使用人员在没有充分暖缸的情况下增加负荷，急剧调节冷却水量，造成汽缸盖“激碎”现象。这是由于受热件和冷却液的温度升高都需要有一个过程，如果加速过快，燃烧室部件就会因内外壁温差过大而产生过大的热应力，长此下去，就会产生裂纹，因此，使用人员启动前必须充分暖机，启动后不可加速太快，待油温和水温升高后，方可加至全速转，同时还要及时清除冷却水腔中的水垢和铁锈。
总结：
机体和气缸盖是柴油机的重要组成部分，它们共同构成柴油机的主体结构，为燃烧室的组成部分。机体和气缸盖变形或开裂会导致柴油机性能下降，甚至可能导致安全问题。因此，了解机体和气缸盖变形或开裂的故障原因至关重要。上述文章中已经分析机体和气缸盖变形或开裂的常见原因，并提供相应的解决措施。总之，机体和气缸盖变形或开裂是柴油机常见故障之一，采取上述相应的解决措施可以有效预防变形问题，提高柴油机性能和使用寿命。因此，定期检查和维护柴油机是保持其正常运转的重要手段。
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