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气缸体裂纹现象和缸盖平直度的检测方法

摘要：柴油机气缸盖在很高的燃气压力和热应力作用下工作，同时承受气缸盖螺栓预紧力的作用，机械应力和热应力都较大，而且结构又十分复杂。各部位温差大，尤其是进、排气道和喷油器之间水道较窄，热应力更大。因此，恶劣的工作条件下必然容易产生裂纹、翘曲变形等故障，康明斯公司在本文对这两种故障进行了分析，讲述了气缸盖发生裂纹和变形的检测与维修方法，以提高柴油发电机的检修质量。

一、气缸裂纹检查方法与原因分析

    

      一般来说，柴油发电机气缸盖容易产生裂纹的部位往往与他们的结构有关，不同形式的柴油发电机易出现裂纹的部分各自有它一定的规律性。由于气缸盖工作是在高温、高压、热负荷和交变载荷下进行的，因此，在气缸盖平面，气门导管孔、喷油器孔、冷却水套壁等处易产生裂纹。

1、气缸体与气缸盖的裂纹的现象特征

（1）柴油发电机排白烟。

（2）打开水箱盖看到水箱冒气泡

（3）缸压低。

2、气缸体与气缸盖出现裂纹的原因

（1）气缸体结构复杂，各处壁厚不均衡，在一些薄弱部位，刚度低易出现裂纹。

（2）柴油发电机在高速运转时的惯性、热应力、气缸体受交变应力作用等原因，使水套壁产生裂纹。

（3）水套中水垢过厚，减小了冷却水的通过，同时由于水垢传热性差，降低了柴油发电机的散热性能，特别是气缸之间、气门之间的水道阻塞后，严重影响它的散热，使局部工作温度升高，热应力过大，易出现在严冬季节，骤加高温热水而炸裂。

（4）气门座和气缸套镶配次数过多，压配工艺不当或过盈量过大。缸盖的排柴油发电机气缸体与气缸盖容易产生裂纹的部位往往与他们的结构有关，不同形式的柴油发电机易出现裂纹的部分各自有它一定的规律性。柴油发电机的气缸体与气缸盖一般是采用灰铸铁、合金铸铁及铝合金铸造的，它的结构形状复杂，其工作是在高温、高压、热负荷和交变载荷下进行的。因此气缸体和气缸盖常出现砂眼和裂纹等现象。

（5） 使用不当引起渗水、漏水。如柴油机高温状态下骤加冷水，在严冬季节起动时骤加高温水，或没有按规定使用防冻防锈液，致使气缸体、气缸盖被胀裂，或安装水堵盖产生裂缝，造成水堵盖锈蚀、穴蚀出现漏缝。

（6） 拆装维修不当。没有按规定的顺序、方法和力矩紧固缸盖螺栓，使气缸体和气缸盖受力不均或受撞击产生裂纹;或更换水堵盖时安装不到位，偏斜变形。

（7）制造缺陷。如砂眼、时效处理不当、热应力集中或铸造时残余应力较大等，造成气缸体、缸盖渗漏水。

3、裂纹检测方法

      气缸体、气缸盖等零件的裂纹，通常采用水压试验进行检验。

（1）水压试验法

      如图1所示。试验方法是将气缸盖及衬垫装在气缸体上，将水压机出水管接头与气缸前端连接好，并封闭所有水道，然后将水压入缸体水套中，要求压力为30～40 kPa，保持5 min，如气缸，气缸盖由里向外有水珠渗出，即表明该处有裂纹（典型案例如图2所示）。更换气缸套、气门座圈及气门导管后应再进行一次水压试验。在没有水压机的情况下，可用自来水及气泵将水注入气缸体、气缸水套内。

 

 

图1  柴油机气缸体裂纹的水压试验

图2  柴油机气缸盖阀桥处裂纹典型案例

（2）敲击检验法

      另外，对缸体还可采取敲击检验方法。将气缸体侵入煤油或柴油中片刻，取出后将表面擦干，撒上一层白垩粉，然后用小锤敲击，在裂纹处会出现油痕。此法适用于金属疲劳裂纹的检验。4气缸体与气缸盖裂纹的修理气缸体、气缸盖裂纹与破裂的修理方法有粘结、焊接和螺钉填补等。具体采用那种方法应根据裂纹的大小、程度和部位未确定。

（3）探伤检测法

 

      探伤检测法（裂纹检测组件零件号 3375432）是一种以毛细作用原理为基础的用于检测非疏孔性金属和非金属试件表面开口缺陷的常规无损检测方法。其由于具有较高的检测灵敏度，能够发现开口宽度为10μm的缺陷。图3为气缸体探伤检测示意图；图3为气缸盖探伤检测示意图。

 

图3  气缸体裂纹检查（康明斯零件号3375432）

图4  气缸盖裂纹检查（康明斯零件号3375432）

 

4、修复方法

（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、收缩性小、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，而且在下一次所以，除了燃烧室、气门座附近的高温区以外，其余均可采用此法。对于工作温度较高的部位如燃烧室、气门座附近在镶气门座与气门导管前发现成孔有局部裂纹，可采用扣合键无机粘结剂法修理，它可以防止漏水，可承受600℃的高温，抗压性能良好。对破洞和裂纹集中部位，可以采用补板加环氧树脂粘结法修理。用螺钉固定补板，其间涂以环氧树脂以保持其密封。

（2）焊接法

      焊接可分为冷焊和热焊两种。热焊时，将工件预热到600～700℃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，防止了零件产生白口和裂纹。但是热焊易产生变形和氧化比较严重，工艺复杂，工人劳动条件差。冷焊一般不预热，工艺顺序是：

① 焊前准备，彻底清洁油污水垢，检查裂纹方向及起至点，用215 mm钻头沿着裂纹钻一排孔。注意排孔的起至点分别超出裂纹两端4～5 mm，排孔深度为该处壁厚的2/3，然后修整出60°～70°的V型坡口，下部保持曲线形状，坡口两侧25 mm以内的表面用钢丝刷或砂布打光。焊前清除坡口底部裂纹中残留的油污水分并烘干。

② 焊接时，用“小电流、分段、分层”锤击，以减少焊接应力和变形。采用直径为215 mm的铸607焊条，电流90 A且电流极性为直流反接。③焊接时，应在室内避风处进行，将工件稍加预热（200～500℃）后施焊，焊接效果更好。

（3）堵漏剂堵漏法

      堵漏剂是由水玻璃，无机聚沉剂、有机絮凝剂、无机填充剂和粘接剂等组成的胶状液体，适用于铸铁或铝缸体所出现的裂纹、砂眼等缺陷的堵漏。若裂纹宽度、砂眼孔径超过013 mm时最好不用这种方法修复。堵漏剂堵塞裂纹适于细小裂纹或有微量渗漏时采用。裂纹长度超过40～50 mm时，可在裂纹两端钻3～4 mm的限制孔，并点焊或攻丝拧上螺丝，防止裂纹扩展。同时，每间隔30～40 mm钻孔（不钻通）点焊或攻丝拧上螺钉，避免工作中的振动使裂纹扩展。

 

二、气缸盖变形的原因、检测及修复

 

      气缸盖的作用是密封气缸，与活塞共同形成燃烧空间，并承受高温高压燃气的作用。气缸盖承受气体力和紧固气缸螺栓所造成的机械负荷，同时还由于与高温燃气接触而承受很高的热负荷。为了保证气缸的良好密封，气缸盖既不能损坏，也不能变形。汽缸盖变形是指气缸盖于汽缸体的结合平面（下平面）的平面度误差超限。汽缸盖变形会使结合平面不能平顺结合，导致气缸密封不严，漏气、漏油，冲坏汽缸垫，使柴油机无法正常工作。

1、气缸盖变形的原因

（1）气缸工作时受热不均匀；

（2）长时间工作受高温、高压影响；

（3）装配气缸时螺栓拧紧力不均匀；

（4）螺纹孔有堵塞现象，螺栓不贯穿螺纹孔出现虚假拧紧

（5）高温下拆卸汽缸盖时受到外力撞击。

2、检测方法和参数

      气缸盖与气缸垫配合表面如有伤痕、腐蚀或不均匀磨损时，应进行检查。运用的工具有精密直尺和塞规，检测步骤如图5所示。对气缸盖的表面不平度进行检查时，检查的位置在图6所示的方向上进行。并取几个方向上测量得到的最大值为缸盖表面不平度。同时要测量缸盖与歧管接触面的变形量。

（1）气缸套每次加工量为0.1270～0.1524mm，气缸盖厚度加工达到使用极限时应予以报废。康明斯6BT系列柴油机气缸盖的厚度最小为111.00mm，最大为111.25mm，磨损极限为110.24mm。应当注意气缸盖平面未重新加工时，只允许用0.7939mm的缸垫。

（2）KTTA型柴油机气缸盖厚度不小于119.76mm。 气缸盖的上平面和下平面必须是平行的，不平行度在0.13mm以内，否则可能使气缸套座孔发生变形。

（3）缸盖与喷油器套之间接触座面的边缘如有磨损，可用铰刀来铰关表面，切削深度不大于0.254mm。

3、缸盖平面的修复

      轻微的可用刮刀刮研；较重的可在平面磨床上磨削；严重的可在刨床上刨削或在铣床上铣削。刮研、磨削、刨削后，允许有不大于1cm2的未加工处，但距孔眼或其它轮廓边缘均应大于20mm。对局部烧蚀、锈蚀过于严重处用挖补法修复。基于气门杆顶端、摇臂和推杆到凸轮之间的尺寸将缩小，摇臂的几何位置将改变等原因，可从缸盖一平面上切除的金属量是有限的。无论哪种修复方法，在确保达到技术要求的情况下，加工量应尽量少。一般累计加工量（与新的比）不得大于0.5～1.0mm。磨削和刨削时，必须将缸盖调平。

      气缸盖的翘曲，可用敲压法校正。敲压法修复柴油机气缸盖的方法是：先将厚度约为变形量4倍的钢片垫放在气缸盖与平板之间。把压板压在气缸盖中部，拧紧螺栓，使气缸盖中部的平面贴在平板面上，用小铁锤沿气缸盖筋上敲击，以减小受压变形时产生的内应力，停留5min后，将压板移装到全长1/3处敲击，再移到另一端1/3处进行敲击。气缸盖平面翘曲后，也可用磨削法来修整，但每次磨削缸盖厚度有所变薄，燃烧室容积变小，压缩比增大，从而引起柴油机的爆燃。因此，磨削不能超过一定厚度。如桑塔纳柴油机缸盖高度极限值为132.60mm。气缸盖变形经过磨削后易出现燃烧室容积不等的现象，其容积变化值，一般不应大于同一柴油机各燃烧室平均值的4%。对于汽油机燃烧室容积一般不应小于原厂规定的95%。否则，会出现怠速工作不稳和增加爆燃倾向。所以气缸盖修整后，应对燃烧室容积进行测量。

图5  柴油机气缸盖不平度检查方法

图6  气缸盖不平度检测方向和位置

 

总结：

      气缸盖在极为苛刻的条件下工作，其底板受热面“鼻梁区”或内侧表面可能产生裂纹及腐蚀形式的损坏。在底板受热面“鼻梁区”产生热疲劳裂纹是四冲程柴油机气缸盖较为常见的损坏形式。产生热疲劳裂纹是由于受热面的温度超过材料的使用极限而发生蠕变，引起局部塑性变形。当气缸盖在冷热交替情况下工作时，受热面的收缩因塑性变形而受阻，从而产生残余拉伸应力。受热面温度超过极限温度越多，运行时间越长，残余拉伸应力就越大，最终因应力的反复交变而出现疲劳裂纹。严重时可能经过一次冷热循环便出现裂纹。因此，热疲劳是取决于“冷热”循环次数的低循环疲劳。

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