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技术维修与康明斯知识 |
柴油发电机气缸体和缸盖不平度、变形检测方法 |
摘要：康明斯发动机长期在高转速、大负荷条件下工作，润滑不足、烧瓦抱轴等会导致气缸体变形、开裂以及轴承座孔中心线的变化。康明斯发电机厂家在本文中以东风康明斯6BT5.9系列柴油机为例，分析了深圳某用户在实际使用中所出现的问题，并介绍了柴油发电机气缸体和缸盖的裂纹、不平度、变形检测方法。
一、气缸盖产生裂纹和变形、不平的原因
应力是造成发动机气缸盖在使用过程中产生裂纹和稳定性差的原因之一。在发动机运转过程中，气缸盖会受到螺栓紧固力、燃气爆发压力以及活塞、连杆等产生的惯性力和离心力的作用，这些大小和方向都不相同的力，会使气缸盖发生轻微的弯曲和扭转，严重时甚至会产生裂纹。图1和图2分别为柴油机启动与停机时的应力云图。
1、气缸盖裂纹的主要原因
（1）使用管理不当，柴油机过热时，突然加冷水；或在冷态下急剧加热（柴油机启动后不暖机又急剧增加负荷）；供油时间不对，产生早燃或爆燃，造成缸盖温度过高等，致使缸盖热胀冷缩而产生裂纹；寒冷季节，停车熄火后，马上放掉冷却水或没有放净，使缸体和缸盖由热骤冷或因剩余冷却水而冻裂。
（2）冷却系统水垢太多，散热效率差，局部高温而使缸盖产生裂纹。
（3）修理时，气缸盖螺栓没有按规定顺序、规定扭矩拧紧，或各螺栓拧紧程度不一致，造成缸盖、缸体受力不匀而产生裂纹。
（4）缸盖材料问题，如铸造应力和材质缺陷等，会出现应力集中使其产生裂纹。
2、气缸盖变形的主要原因
（1）气缸盖铸造后时效处理不当
内部存在过大的应力，长期在高温高压状态下工作，内应力慢慢向外释放，造成缸盖变形。
（2）使用不当
柴油发电机长期超负荷运转；柴油机高温状态骤加冷却水；长期使用硬水，水道内产生过多的水垢，造成散热差，尤其是铝合金缸盖，膨胀系数大，热变形大，更容易造成翘曲。
（3）维修不当
装配时缸盖螺母没按规定扭矩、次序拧紧，或主观的增加扭矩，以为密封效果好，其实这样不但增大了缸盖的变形，破坏了密封，而且缩短了螺栓的使用寿命；缸盖各螺检扭紧力不一致时，往往会造成局部凸起变形；汽缸套过盈量过大或台肩凸出不一致，缸盖压紧后变形。在热车状态下拆卸气缸盖也是引起缸盖变形的重要原因。检查是重点是检查平整度，以及积碳程度和配气机构的磨损度及间隙。
3、气缸盖底平面不平的主要原因
（1）缸盖螺栓固定螺母没按规定顺序扭紧，扭矩过大或扭矩不均。
（2）缸垫烧损，缸盖受燃气吹拂或烧损严重。
（3）缸垫漏水，缸盖锈蚀严重。
（4）缸套台肩凸出缸体平面超过规定值，并且各缸凸出量相差悬殊。
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柴油机启动阶段气缸盖应力云图 |
柴油机停机阶段气缸盖应力云图 |
二、气缸体检测操作步骤
1、检修标准及要求
首先要检测气缸体缸壁的裂纹和缸盖不平度，然后可先用堵漏剂试验，如不能解决则需更换缸体或加装薄壁干式缸套。其次，要解决排气管不通的问题——疏通或换管，才能彻底排除故障。
（1）与缸体变形∶上平面最大变形为0.05mm。
（2）气缸盖变形∶下平面表面最大变形为0.05mm，进气歧管（或排气歧管）侧平面为0.10mm，排气歧管侧平面为0.10mm。
2、清洁气缸体的上平面和气缸盖的下平面
（1）用木方垫将气缸体和气缸盖垫起，让气缸体上平面（或气缸盖下平面）和气缸盖下平面向上。
（2）用铲刀铲除气缸体上平面（或气缸盖下平面）和气缸盖下平面上气缸垫残余黏连物、气缸盖两侧的进气和排气接口平面上的残余黏连物。
（3）用细砂纸打磨铲刀无法去除的残余黏连物。
（4）放入清洗盆中，用煤油清洗气新缸体上平面、气缸盖下平面和气缸盖两侧的进气和排气接口平面。
（5）用压缩空气吹净气缸体上平面（或气缸盖下平面）和气缸盖下平面上的煤油。
3、测量气缸体上平面和气缸盖下平面
（1）用一只手轻轻将刀刃直尺的锐角靠在气缸体上平面（或气缸盖下平面），如图4（a）/（b）所示，另一只手用塞尺内0.05mm的测量片向刀刃直尺和气缸体上平面（或气缸盖下平面）的缝隙中试插。
（2）如果用0.05mm的测量片不能或很难插入刀刃直尺和气缸体上平面（或气缸盖下平面）之间的缝隙中，则说明此测量点的变形量没有达到最大值，然后更换位置检测刀刃直尺和气缸体上平面（或气缸盖下平面）之间的其他缝隙。
（3）如果测得图4（a）/（b）所示的位置上刀刃直尺和气缸体上平面（或气缸盖下平面）之间的所有缝隙都没有达到最大限值，则再将刀刃直尺按照图中粗实线所示的其他几个方位，用上面两个步骤的方法重复进行检测。
（4）在测量过程中，如果用0.05mm的测量片插入刀刃直尺和气缸体上平面（或气缸盖下平面）之间的缝隙时有一些阻力或阻力很小，则说明此气缸体上平面（或气缸盖下平面）的变形量达到或超过了最大限值。
4、气缸盖进气歧管侧平面、排气歧管侧平面的测量
（1）用一只手轻轻将刀刃直尺的锐角靠在气缸盖进气歧管（或排气歧管）侧平面，如图4（c）/（d）所示，另一只手用塞尺内0.10m m的测量片向刀刃直尺和气缸盖进气歧管（或排气歧管）侧平面的缝隙中试插。
（2）如果用0.10 mm的测量片不能或很难插入刀刃直尺和气缸T盖进气歧管（或排气歧管）侧平面之间的缝隙中，则说明此测量点的变形量没有达到最大限值，然后更换位置检测刀刃直尺和气缸盖进气歧管（或排气歧管）侧平面之间的其他缝隙。
（3）如果测得图4（c）/（d）所示的位置上刀刃直尺和气缸盖进气歧管（或排气歧管）侧平面之间的所有缝隙都没有达到最大限值，则再将刀刃直尺按照图中粗实线所示的其他几个方位，用上面两个步骤的方法重复进行检测。
（4）在测量过程中，如果用0.10mm的测量片插入刀刃直尺和气缸盖进气歧管（或排气歧管）侧平面之间的缝隙时有一些阻力或阻力很小，则说明此气缸盖进气歧管（或排气歧管）侧平面的变形量达到或超过了最大限值。
（5）气缸盖排气歧管侧平面可用以上测量进气歧管（或排气歧管）侧平面的步骤和方法进行测量。
5、检测注意事项
（1）气缸体的上平面、气缸盖的下平面不能直接放在工作台上或地面上，下面应垫木方。
（2）清洁气缸体的上平面、气缸盖的下平面时，不能用锤头敲击，以免造成新的变形或损坏。
（3）用压缩空气吹净气缸体的上平面和气缸盖的下平面上的煤油时要戴好护目镜，气枪不能朝向人吹。
（4） 刀刃直尺要轻拿轻放，避免与测量表面冲击而产生变形或损坏。
（5） 煤油溅刀地面上要及时清洁，以避免因地面湿滑而造成人身伤害。
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图3 柴油机气缸体结构图 |
图4 柴油机汽缸盖测量示意图 |
三、预防缸盖和机体变形的措施
1、优化材料选择
根据柴油机的工作环境和使用要求，选择适合的材料。对于高温高压环境，可以选择具有良好耐热性和耐腐蚀性的材料。
2、提高制造工艺精度
在制造过程中，确保加工精度和装配精度，以提高缸体和缸盖的质量。同时，采用先进的铸造技术和热处理工艺，减少材料内部的缺陷。
3、合理控制温度
定期检查冷却系统，确保其正常工作，防止柴油机过热。同时，避免长时间高负荷运行，以减少温度变化对缸体和缸盖的影响。气门区域温度曲线变化和关系如图5、图6所示。
4、优化机械负载
减少柴油机的机械负载，避免频繁的突加突减负载。此外，选择适合柴油发电机组性能的润滑油，并定期更换。劣质机油会加剧柴油机磨损，进一步加剧缸体和缸盖的变形。
5、加强质量检测
在生产过程中加强质量检测，及时发现和处理变形问题。对于已经变形的缸体和缸盖，进行更换或修复，以确保柴油机的正常运行。
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图5 运行阶段柴油机缸盖气门桥处温度变化曲线 |
图6 柴油机气门桥处温度与到圆心距离的关系曲线 |
总结：
气缸盖结构复杂，壁厚不均匀，在高温高压下各部位热负荷极不均匀，所有这些都会引起热应力的产生，同时，还承受很大的机械应力的作用。气缸盖的工作条件相当恶劣，常发生气缸盖裂纹和底平面翘曲变形等故障。本文在上述内容中对这两种故障进行了分析，讲述了检测与维修方法，以提高柴油发电机气缸盖的检修质量。
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