故障檢修與技術(shù)維護(hù) |
柴油發(fā)電機(jī)汽缸體和缸蓋裂紋的修理方法 |
摘要:發(fā)動(dòng)機(jī)裝配和修理作業(yè)中應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行工藝要求,如缸蓋螺栓未能按規(guī)定的順序和扭矩緊固,緊固力不均勻等,都會(huì)導(dǎo)致汽缸蓋變形或螺栓孔附近產(chǎn)生裂紋。柴油發(fā)電機(jī)汽缸蓋裂紋的修理,應(yīng)根據(jù)其破裂的程度、損傷的部位及自身修理?xiàng)l件和設(shè)備狀況,確定其修理方法。需要強(qiáng)調(diào)的是若裂紋發(fā)生在關(guān)鍵部位,如缸孔邊等受力較大的部位時(shí),一般無(wú)法修復(fù),應(yīng)更換汽缸蓋。需特別注意的是凡經(jīng)過(guò)修補(bǔ)的缸蓋都應(yīng)進(jìn)行水壓試驗(yàn),以檢查其是否有滲漏現(xiàn)象。
一、氣缸蓋出現(xiàn)裂紋的常見(jiàn)原因
汽缸蓋產(chǎn)生裂紋是汽缸蓋較為常見(jiàn)的故障,其中,單個(gè)裂紋現(xiàn)象如圖1(a)所示,多個(gè)裂紋現(xiàn)象如圖1(b)所示。大型柴油機(jī)汽缸蓋裂紋主要發(fā)生在底面孔與孔之間和孔的圓角處,即有應(yīng)力集中的地方,具體產(chǎn)生裂紋的部位則隨機(jī)型、汽缸蓋的結(jié)構(gòu)和材料不同而異;小型柴油機(jī)通常在汽缸蓋底面進(jìn)排氣閥孔與噴油器孔之間以及閥座面上產(chǎn)生裂紋。汽缸蓋產(chǎn)生裂紋的根本原因是熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力周期性的作用,具體分析汽缸蓋產(chǎn)生裂紋主要有以下幾方面原因。
1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的原因
汽缸蓋底面氣閥孔周?chē)猿.a(chǎn)生裂紋,主要因?yàn)樵撎幱休^大的表面積,因此,受熱膨脹和冷卻時(shí)收縮速度都較大。例如,柴油機(jī)工作一段時(shí)間停機(jī)后,汽缸蓋溫度分布變化劇烈,熱量通過(guò)冷卻水和進(jìn)排氣通道迅速散發(fā),所以在氣閥孔處容易產(chǎn)生裂縫。再者,由于結(jié)構(gòu)或受力不合理、過(guò)渡圓角太小等均會(huì)引起過(guò)大的機(jī)械應(yīng)力,從而導(dǎo)致裂紋。
2、材料和工藝上的原因。
汽缸蓋材料選擇不當(dāng),質(zhì)量不符合要求,鑄造時(shí)沒(méi)有很好地消除鑄造應(yīng)力,從而導(dǎo)致零件內(nèi)部有缺陷,從而使汽缸蓋在工作時(shí)易產(chǎn)生裂紋。
3、裝配質(zhì)量上的原因
汽缸蓋螺栓不按規(guī)定交叉擰緊,或在發(fā)生汽缸蓋平面漏氣時(shí)擰緊該處的螺母來(lái)解決,都會(huì)造成汽缸蓋受力不均勻而產(chǎn)生裂紋。噴油器安裝不正確,會(huì)引起汽缸蓋底面局部變形,增大噴油器孔處所受的拉應(yīng)力,使之容易產(chǎn)生裂紋。
4、操作和管理上的原因
柴油機(jī)長(zhǎng)期在超負(fù)荷條件下運(yùn)轉(zhuǎn)或在未充分暖機(jī)的情況下突然增大負(fù)荷,使汽缸蓋從冷態(tài)急劇變?yōu)闊釕B(tài),或在高溫下急劇冷卻而產(chǎn)生裂紋。柴油機(jī)冷車(chē)啟動(dòng)或啟動(dòng)后加速太快,致使汽缸蓋底面與冷卻面溫差過(guò)大,熱應(yīng)力增大。故應(yīng)暖機(jī)后再啟動(dòng),啟動(dòng)后待油、水溫度升高后方可加速;頻繁啟動(dòng)、停車(chē)和長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)均會(huì)使機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力增加;冷卻與潤(rùn)滑不足或中斷,亦會(huì)導(dǎo)致機(jī)件過(guò)熱。
5、維護(hù)保養(yǎng)不良的原因
因長(zhǎng)期使用,冷卻水腔積垢影響散熱,產(chǎn)生過(guò)大的熱應(yīng)力,從而導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。實(shí)物裂紋示例如圖2所示。
圖1 氣缸蓋裂紋常見(jiàn)部位示意圖 |
圖2 柴油機(jī)氣缸蓋裂紋實(shí)物圖 |
二、缸蓋裂紋的基礎(chǔ)性理論分析
首先可以肯定各缸裂紋的嚴(yán)重程度及裂紋在各缸分布位置及散熱條件,與發(fā)生時(shí)間順序及各缸布局位置決定的散熱特性有關(guān)。
缸蓋裂紋位置在缸蓋的受熱表面,幾乎所有的裂紋發(fā)生在4個(gè)氣門(mén)座之間“鼻梁”處,即在氣門(mén)座與噴油器孔之間,這一部位全天候承受著燃燒爆發(fā)力及高溫、高壓燃燒混合氣體的作用,當(dāng)其表面溫度達(dá)到350℃以上時(shí)缸蓋表面抗蠕變性明顯下降(常規(guī)理論),蠕變現(xiàn)象開(kāi)始出現(xiàn),這種蠕變(蠕變:固體材料在保持應(yīng)力不變的條件下,應(yīng)變隨時(shí)間延長(zhǎng)而增加的現(xiàn)象。)同時(shí)開(kāi)始產(chǎn)生殘余應(yīng)力,由于這種應(yīng)力的持續(xù)與增加將客觀呈現(xiàn)蠕變的機(jī)理過(guò)程或者說(shuō)是效應(yīng): (即沿晶蠕變斷裂)、機(jī)制(擴(kuò)散滑移)、形態(tài)(緩慢變形),值得注意的是,由于其蠕變的環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜,機(jī)理也可能出現(xiàn)穿晶及延縮性斷裂,以上在硅鋁金鑄鐵中更為常見(jiàn)。
非常值得注意的一個(gè)問(wèn)題是,最有效的防止蠕變的途徑就是對(duì)零件進(jìn)行冷卻或隔熱。所以研究的結(jié)果是缸蓋的散熱是重中之重,必須把缸蓋的整體降溫與均勻散熱作為重點(diǎn)實(shí)施項(xiàng)目。汽缸蓋常見(jiàn)影響裂紋的因素有:
1、分隔式燃燒室
如渦流室、預(yù)燃室等,部分燃燒室布置在汽缸蓋內(nèi),增加了缸蓋的熱負(fù)荷。而且使缸蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜,水套布置困難、水道狹窄冷卻條件差,缸蓋產(chǎn)生裂紋幾率較大。
2、半分開(kāi)式燃燒室
其燃燒室為球形。由于燃燒過(guò)程需要強(qiáng)烈的渦流,空氣和燃燒產(chǎn)物的旋流,使熱量集中在中央,又加上收口的燃燒室將大量的高溫燃燒氣體噴在缸蓋中央鼻梁部位,使鼻梁部位的熱負(fù)荷特別高。如果水套布置不當(dāng),或鑄造質(zhì)量較差,就極易產(chǎn)生裂紋。
3、直接噴射式燃燒室
如ω形燃燒室、淺盆形燃燒室等。這種燃燒室一般空氣渦流要求不高,并且是敞口燃燒室,這樣燃?xì)獠粫?huì)集中噴刷在缸蓋中央,使鼻梁部位得到緩解。而且這種燃燒室噴油嘴布置在正中間,利于4個(gè)氣門(mén)布置。使中間高溫區(qū)可以布置寬敞的水道,獲得良好的冷卻條件,此種發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋產(chǎn)生裂紋幾率很小,強(qiáng)化潛力相對(duì)較大。
三、爆震對(duì)缸蓋裂紋的巨大影響
1、爆震的產(chǎn)生
對(duì)于柴油機(jī)而言,爆震主要來(lái)自燃油質(zhì)量及供油點(diǎn)火時(shí)間,燃油質(zhì)量問(wèn)題似乎是我們國(guó)家目前無(wú)法抗拒的,然而燃油的抗爆性能(十六烷值)直接影響著燃燒室相關(guān)部件的壽命,燃油的抗爆性能差將導(dǎo)致爆燃,爆燃即爆震,將直接對(duì)缸蓋、活塞、缸筒、氣門(mén),其中對(duì)缸蓋、活塞的影響最大,常見(jiàn)的后果是導(dǎo)致缸蓋裂紋,活塞燒頂;供油點(diǎn)火時(shí)間在實(shí)踐中是最常見(jiàn)的,供油點(diǎn)火時(shí)間過(guò)早將導(dǎo)致嚴(yán)重爆燃,爆燃是一種非正常的急速燃燒,接近于爆炸的燃燒速度,這將導(dǎo)致燃燒室內(nèi)部產(chǎn)生異常高溫、超高速震動(dòng)波,為缸蓋的蠕變提供了非常有利的條件。
2、燃油執(zhí)行器及正時(shí)執(zhí)行器與爆震的關(guān)系
這兩個(gè)執(zhí)行器分別控制燃油噴射量及燃油最佳噴射時(shí)刻,它們自柴油機(jī)啟動(dòng)即開(kāi)始持續(xù)不斷的工作,當(dāng)達(dá)到一定工作時(shí)間后由于其內(nèi)部疲勞磨損,執(zhí)行精確度將逐漸變差,燃油執(zhí)行器磨損將導(dǎo)致噴油量過(guò)大或過(guò)小,導(dǎo)致噴油器霧化性能變差或提前供油,也就是說(shuō)使柴油機(jī)燃燒不充分或點(diǎn)火時(shí)間過(guò)早,點(diǎn)火時(shí)間過(guò)早是產(chǎn)生爆震的重要原因,爆震產(chǎn)生的異常高溫又給蠕變創(chuàng)造了重要條件,蠕變是缸蓋裂紋的根本原因【康明斯公司支持并建議5000hr后更換以上部件】。需要說(shuō)明的是以上兩個(gè)執(zhí)行器性能變差以后沒(méi)有直接故障碼,(與電腦控制幅度有關(guān))唯一的辦法必須憑借維修入員的豐富經(jīng)驗(yàn),必須對(duì)柴油機(jī)的煙色,柴油機(jī)的爆震異響準(zhǔn)確辨別。否則,一旦出現(xiàn)執(zhí)行器性能變差或失效,將給缸蓋裂紋創(chuàng)造重要的有利條件。
3、噴油器與缸蓋裂紋的關(guān)系
噴油器是柴油機(jī)噴油的最終執(zhí)行元件,直接插入惡劣環(huán)境的燃燒室,噴油器性能變差的重要標(biāo)志是霧化不良、滴沿等現(xiàn)象,這樣就會(huì)造成異常高濃度混合氣集聚在噴油器周?chē)?,這個(gè)位置恰恰就是我們前文說(shuō)的“鼻梁”處,從缸蓋解剖圖中我們可以看出,此處又是制造結(jié)構(gòu)最為薄弱的,那么由于集聚在其周?chē)漠惓8邼舛然旌蠚怏w燃燒產(chǎn)生局部異常高溫,"鼻梁"處的蠕變將最為嚴(yán)重,目前同行業(yè)對(duì)噴油器老化更換有著統(tǒng)一共識(shí)。通常做法是8000hr更換全部噴油器。
四、產(chǎn)生裂紋后的修補(bǔ)方法
1、環(huán)氧樹(shù)脂膠粘接
環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑由環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑、增塑劑、促進(jìn)劑、稀釋劑、填充劑、偶聯(lián)劑、阻燃劑、穩(wěn)定劑等組成。其中環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑、增韌劑是不可缺少的組分,其他則根據(jù)需要決定加否。環(huán)氧樹(shù)脂粘接具有粘接力強(qiáng)、收縮小、耐疲勞等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)工藝簡(jiǎn)單、操作方便、成本低。其主要缺點(diǎn)是不耐高溫、不耐沖擊等,而且在下一次修理時(shí),經(jīng)熱堿水煮洗后會(huì)產(chǎn)生脫落現(xiàn)象,需要重新粘接。所以,汽缸體和汽缸蓋除燃燒室、氣門(mén)座等高溫區(qū)域外,其余部位均可采用這種方法進(jìn)行修復(fù)。
2、螺釘填補(bǔ)
這種方法適用于某些受力不大,強(qiáng)度要求小和裂紋范圍較短(一般在50mm以下)的平面部位,其修理質(zhì)量較高,但較費(fèi)工時(shí)。具體的填補(bǔ)工藝如下:
(1)在裂紋兩端各鉆一個(gè)限制孔,以防止裂紋的繼續(xù)延伸。
(2)沿裂紋鉆孔3、4、5,孔的直徑視螺紋的直徑而定,并保證孔與孔之間重疊1/3孔徑
(3)在上述1、2、3、4、5孔中攻出螺紋。
(4)在攻好的螺紋中,擰入預(yù)先鉸好螺紋的紫銅桿(擰入部分漆以白漆),擰好后切斷銅桿,使切斷處高出裂紋表面1、1.5mm,如圖3所示。
(5)巳在已經(jīng)切斷的螺桿之間鉆孔6、7、8、9,按照上述方法攻螺紋并擰入螺桿,使之填滿(mǎn)裂紋,形成一條螺釘鏈。
(6)為使填滿(mǎn)緊密起見(jiàn),應(yīng)用手錘在已切斷的螺桿之間輕輕敲打,最后用銼刀修平,必要時(shí)可用錫焊,以防滲漏。
3、補(bǔ)板封補(bǔ)
在汽缸體、汽缸蓋受力不大的部位上,如裂紋較長(zhǎng)或有破洞時(shí),在破損處的四周采用補(bǔ)板封補(bǔ),如圖4所示。
(1)在各裂紋端部鉆孔,限制其延伸。
(2)用3、5mm厚的紫銅板或1.5、2mm厚的鐵板,截成與破口輪廓相似,四周大于破口154~20mm的補(bǔ)板。如破裂的表面有凸部分,需在補(bǔ)板上敲出同樣凸起形狀,使整個(gè)補(bǔ)板能與封補(bǔ)部位的表面貼合。
(4)將補(bǔ)板按在破口上,從補(bǔ)板孔中用劃針在汽缸體上做出鉆孔記號(hào),移去補(bǔ)板后,在記號(hào)處鉆出深度約10mm的孔,并攻出所需直徑的螺紋。
(5)在汽缸體與補(bǔ)板之間,填入涂有白漆的石棉襯墊,然后用平頭螺栓將補(bǔ)板緊固在汽缸體上,必要時(shí)將補(bǔ)板四周用小錘敲擊,并進(jìn)一步擰緊螺栓,以增加其密封性。
4、焊補(bǔ)
汽缸體與汽缸蓋的裂紋,如發(fā)生在受力較大或溫度較高的部位,以及用以上幾種方法不易操作的部位,多采用焊補(bǔ)法修復(fù)。其焊補(bǔ)工藝如下。
(1)在裂紋兩端各鉆一個(gè)3~5mm的孔,防止裂紋的延伸。
(2)按具體情況,將裂紋鑿成60°~90°的v形槽,并清理干凈,露出光澤。
(3)采用電焊時(shí),應(yīng)使用直流電焊;采用乙炔焊時(shí),應(yīng)將缸體或缸蓋墊平,將焊區(qū)緩慢預(yù)熱至500℃左右,焊補(bǔ)后加熱至500~550℃保持1h,然后在不少于16h內(nèi)緩冷至常溫。
5、堵漏劑堵漏
堵漏劑通常是由水玻璃、無(wú)機(jī)聚沉劑、有機(jī)絮凝劑、無(wú)機(jī)填充劑和粘接劑等組成的膠狀液體。適用于鑄鐵或鋁缸體所出現(xiàn)的細(xì)小裂紋、砂眼等缺陷的堵漏。采用堵漏劑進(jìn)行修復(fù)裂紋時(shí),應(yīng)先找出漏水的部位,確定裂紋的長(zhǎng)度、寬度或砂眼的孔徑。如裂紋長(zhǎng)度超過(guò)40~50mm時(shí),可在裂紋兩端鉆3~4m的限制孔,并點(diǎn)焊或攻螺紋擰上螺釘,防止裂紋的延伸。同時(shí),每隔30、鉆孔(不鉆通),點(diǎn)焊或攻螺紋擰上螺釘,避免工作中的振動(dòng)使裂紋擴(kuò)展。若裂紋寬度、砂眼孔徑超過(guò)0·3mm時(shí)最好不用這種方法修復(fù)。堵漏劑堵漏僅適用于小裂紋或有微量滲漏時(shí)采用。
圖3 氣缸蓋裂紋螺釘填補(bǔ)法 |
圖4 氣缸蓋裂紋的補(bǔ)板封補(bǔ)法 |
總結(jié):
汽缸蓋作為柴油機(jī)的固定機(jī)件,也是柴油機(jī)燃燒室的組成部分。柴油機(jī)汽缸蓋的結(jié)構(gòu)型式繁多,隨機(jī)型不同而異。但各種型式的汽缸蓋的共同特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,孔道較多,壁厚不均。柴油機(jī)汽缸蓋不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜,而且工作條件、受力情況也十分復(fù)雜、惡劣。它不僅受到高溫高壓氣體的強(qiáng)烈作用,而且周期性地承受較高的機(jī)械負(fù)荷與熱負(fù)荷,也受到因冷卻水造成的局部冷熱不勻影響,同時(shí)還由于螺栓預(yù)緊力使汽缸蓋承受著壓應(yīng)力,并與燃?xì)鈮毫餐饔檬蛊咨w受到彎曲作用,此外,還在截面變化處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中等。正是由于汽缸蓋如此惡劣的工作條件,致使汽缸蓋很容易損壞。通常損壞形式為:其底面和冷卻水腔容易產(chǎn)生裂紋,還有汽閥底面和導(dǎo)套容易磨損,冷卻水側(cè)被腐蝕等。綜上所述,主要針對(duì)柴油機(jī)汽缸蓋最經(jīng)常出現(xiàn)的損壞現(xiàn)象——裂紋,進(jìn)行詳細(xì)敘述,分析其裂紋產(chǎn)生原因及其修理、預(yù)防措施等。
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