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柴油發(fā)電機(jī)氣缸套失圓度、橢圓度和圓錐度的測(cè)量
發(fā)布時(shí)間:2020-12-22 23:36:59  ▏閱讀:1265次

 

故障檢查與技術(shù)維護(hù)

柴油發(fā)電機(jī)汽缸套早期磨損特征與機(jī)理

 

【摘要】柴油發(fā)電機(jī)汽缸套早期磨損是一種常見(jiàn)的故障,氣缸會(huì)早期磨損的結(jié)果將導(dǎo)致柴油發(fā)電機(jī)功率下降,啟動(dòng)困難,竄機(jī)油嚴(yán)重和機(jī)油消耗量增大,甚至?xí)斐勺詣?dòng)熄火而使柴油發(fā)電機(jī)不能正常工作。本文較為全面而系統(tǒng)的分析了康明斯柴油發(fā)電機(jī)組汽缸套表面異常磨損的類(lèi)型、機(jī)理,并針對(duì)性地提出各類(lèi)磨損的防治措施,為柴油發(fā)電機(jī)汽缸套表面異常磨損研究領(lǐng)域提供參考。

 

一、汽缸套的磨損現(xiàn)象

 

      汽缸套是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件之一,其產(chǎn)品性能直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、環(huán)保性和安全性。汽缸套與氣缸蓋、活塞、活塞環(huán)組成燃燒室,通過(guò)進(jìn)氣、壓縮、燃燒、膨脹、排氣等過(guò)程,將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,提供動(dòng)力保障。汽缸套是發(fā)動(dòng)機(jī)中工作環(huán)境最?lèi)毫拥牧悴考弧?/span>

      汽缸套長(zhǎng)期受活塞環(huán)高速往復(fù)運(yùn)動(dòng),承受大爆發(fā)壓力和高溫燃?xì)庾饔?,機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷嚴(yán)重,潤(rùn)滑條件惡劣,要求產(chǎn)品具備高耐磨、高減磨、自潤(rùn)滑、耐腐蝕和良好的散熱、抗變形等性能。其主要的失效形式是磨損,形成磨損的主要原因包括汽缸套本身構(gòu)造原因引起的磨損、未正確使用造成的磨損以及維修異常所造成的磨損(如圖1所示)。有效減少磨損、延緩失效對(duì)提高內(nèi)燃機(jī)性能有著極其重要的意義。

1、汽缸套磨損特征

      汽缸套使用一段時(shí)間,就會(huì)出現(xiàn)不均勻磨損。其特征是沿長(zhǎng)度方向產(chǎn)生失圓度,沿圓周方向產(chǎn)生橢圓度和圓錐度。磨損最大、最不均勻的部位,一般是在活塞處于上止點(diǎn)位置時(shí),第一道氣環(huán)相對(duì)應(yīng)的缸壁處,往下使逐漸減小,康明斯柴油發(fā)電機(jī)汽缸套在活塞運(yùn)動(dòng)區(qū)域之外磨損很小,特別是在磨損最大斷面以上部位,幾乎沒(méi)有磨損。所以在此處形成明顯的臺(tái)肩。

2、汽缸套磨損現(xiàn)象仿真分析

      由于發(fā)電機(jī)組散熱器用復(fù)合箔在工作狀態(tài)下要承受600 ℃高溫,因此需要具有良好的抗下垂性能.參照日本低溫焊接委員會(huì)的抗下垂性試驗(yàn)方法測(cè)試復(fù)合箔的抗下垂性。

      利用發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)用軟件模塊進(jìn)行了汽缸套-活塞碰撞動(dòng)力學(xué)仿真,獲得了汽缸套與活塞接觸區(qū)域內(nèi),汽缸套內(nèi)部表面的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的碰撞力,而且對(duì)每個(gè)不同的活塞型線(xiàn)進(jìn)行了碰撞動(dòng)力學(xué)仿真.對(duì)于無(wú)磨損、保持原始型線(xiàn)的活塞,汽缸套的中上部接觸區(qū)域中某一節(jié)點(diǎn)的碰撞力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖2所示。通過(guò)上述汽缸套-活塞碰撞動(dòng)力學(xué)仿真分析,可以獲得汽缸套內(nèi)部表面各節(jié)點(diǎn)的碰撞力結(jié)果。

 

氣缸套常見(jiàn)磨損和損傷現(xiàn)象.png

圖1  汽缸套常見(jiàn)磨損和損傷現(xiàn)象

氣缸套內(nèi)部表面某一節(jié)點(diǎn)的碰撞力曲線(xiàn).png圖2   汽缸套內(nèi)部表面某一節(jié)點(diǎn)的碰撞力曲線(xiàn)

 

二、汽缸套產(chǎn)生失圓度條件和原因

 

      汽缸套沿長(zhǎng)度方向產(chǎn)生失圓度,與其工作條件密切相關(guān),可從潤(rùn)滑、冷卻、溫度、壓力、活塞動(dòng)力速度、磨料和腐蝕性物質(zhì)等方面來(lái)分析其原因。

1、潤(rùn)滑條件

      汽缸套上部潤(rùn)滑條件最差。由于康明斯柴油發(fā)電機(jī)汽缸套多采用激濺式潤(rùn)滑,康明斯柴油發(fā)電機(jī)汽缸套上部潤(rùn)滑油最少,而且康明斯柴油發(fā)電機(jī)汽缸套上部溫度最高,潤(rùn)滑油的粘度最低,油膜強(qiáng)度最弱。而康明斯柴油發(fā)電機(jī)汽缸套上部又與高溫氣體接觸時(shí)間最長(zhǎng),易燒損汽缸壁上的油膜,形成半天摩擦或邊界摩擦,這些因素都使康明斯柴油發(fā)電機(jī)汽缸套上部磨損比下部大,從而產(chǎn)生失圓度。

2、壓力的影響

      康明斯柴油發(fā)電機(jī)汽缸套上部承受的壓力最大。這個(gè)壓力除了活塞本身的彈力以外,主要是燃燒過(guò)程產(chǎn)生的高壓氣體竄入活塞環(huán)背隙而作用于汽缸壁的壓力。由于這個(gè)壓力隨活塞下行而降低,因而造成康明斯柴油發(fā)電機(jī)汽缸套上部磨損最大。

3、磨料的影響

      來(lái)自空氣中的灰塵,以及不完全燃燒時(shí)產(chǎn)生的積炭等磨料,進(jìn)入汽缸壁與活塞、活塞環(huán)的配合表面之間,隨著活塞在汽缸中的往復(fù)運(yùn)動(dòng),會(huì)造成磨料磨損。這些磨料在康明斯柴油發(fā)電機(jī)汽缸套上部時(shí),其棱角最鋒利,向下會(huì)沿途磨鈍,因而康明斯柴油發(fā)電機(jī)汽缸套上部磨損最大。

4、腐蝕的影響

      汽缸套上部腐蝕最強(qiáng)烈,這也是康明斯柴油發(fā)電機(jī)汽缸套上部磨損大于下部的重要原因。

(1)康明斯柴油發(fā)電機(jī)汽缸套內(nèi)的燃料燃燒后,會(huì)產(chǎn)生水蒸氣和某些酸性物質(zhì)。例如燃料中含有的硫化物在燃燒中與水蒸氣化合生成硫酸,二氧化碳與水蒸氣化合形成碳酸,在高溫燃燒時(shí),大氣中的氮與氧化合成氧化氮,而氧化氮又與水蒸氣化合生成硝酸等等,這些酸性物質(zhì)會(huì)使汽缸壁發(fā)生化學(xué)腐蝕。

(2)當(dāng)汽缸壁溫度低于露點(diǎn)溫度時(shí),燃燒廢氣中的水蒸氣在汽缸壁上凝結(jié)為水滴,會(huì)產(chǎn)生比化學(xué)腐蝕嚴(yán)重得多的電化學(xué)腐蝕。腐蝕物被運(yùn)動(dòng)的活塞環(huán)刮去后,又出現(xiàn)新的腐蝕,這樣不斷重復(fù),越靠近康明斯柴油發(fā)電機(jī)汽缸套上部化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕就越嚴(yán)重。實(shí)踐證時(shí),當(dāng)冷卻水溫度低于85℃時(shí),汽缸壁腐蝕最嚴(yán)重,而在此溫度以上時(shí),燃燒后生成的水蒸氣和酸類(lèi)物質(zhì)可隨廢氣排出,危害性要小得多。

 

三、汽缸套產(chǎn)生橢圓度和圓錐度的原因

 

      康明斯柴油發(fā)電機(jī)汽缸套沿圓周方向磨損不均勻,產(chǎn)生橢圓度和圓錐度則與下列因素有關(guān):

1、潤(rùn)滑、冷卻條件的影響

      在正常條件下,汽缸套的最大橢圓一般也是發(fā)生在康明斯柴油發(fā)電機(jī)汽缸套上部潤(rùn)滑條件最差的最大磨損位置。

2、活塞環(huán)壓力的影響

      活塞環(huán)壓力沿徑向的分布是不均勻的,其開(kāi)口處的單位壓力常達(dá)平均壓力的好幾倍,這也是康明斯柴油發(fā)電機(jī)汽缸套沿徑向產(chǎn)生偏磨的原因。

3、側(cè)壓力的影響

      在正常條件下,活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的側(cè)壓力會(huì)使康明斯柴油發(fā)電機(jī)汽缸套在連桿運(yùn)動(dòng)平面產(chǎn)生較大的磨損,而側(cè)壓力較大的一邊,磨損也較大。因而促使康明斯柴油發(fā)電機(jī)汽缸套沿徑向產(chǎn)生橢圓度和圓錐度。注意,由于側(cè)壓力的最大位置并不在康明斯柴油發(fā)電機(jī)汽缸套上部,所以對(duì)最大橢圓度和圓錐度的形成不起主要作用。

      另外使用維護(hù)不當(dāng),工作環(huán)境惡劣,潤(rùn)滑油不能及時(shí)添加或使用不潔凈的潤(rùn)滑油,柴油發(fā)電機(jī)汽缸套或活塞環(huán)變形,連桿扭曲等等,都會(huì)使康明斯柴油發(fā)電機(jī)汽缸套發(fā)生早期磨損。

 

四、汽缸的磨損檢測(cè)方法

 

1、使用量缸表進(jìn)行檢驗(yàn)

      用量缸表測(cè)量汽缸的橢圓度和圓錐度,是在垂直于汽缸內(nèi)壁工作表面的三個(gè)截面上進(jìn)行測(cè)量的,如圖3所示。 第一個(gè)截面在活塞上止點(diǎn)時(shí)的第一道活塞環(huán)所處的位置,在這個(gè)位置,汽缸內(nèi)磨損量最大;第二個(gè)截面在汽缸套內(nèi)壁的中間位置;第三個(gè)截面在活塞下止點(diǎn)時(shí)能后一道活塞環(huán)位置處,在這個(gè)位置,汽缸內(nèi)壁的磨損量最小。在三個(gè)截面上分別泱出每一個(gè)截面的左、右和前、后方向的直徑,就可計(jì)算出汽缸的圓錐度和橢圓度。同一個(gè)截面內(nèi)測(cè)量出的互相垂直的兩直徑的差值為橢圓度。分別在汽缸套內(nèi)壁的三截面上的相同方向上,測(cè)量出的最大直徑和最小直徑的差值為圓錐度。量缸表在汽內(nèi)壁磨損的最大位置外測(cè)量的直徑與標(biāo)準(zhǔn)尺寸的差值為該缸的最大磨損量。在一般情況下,對(duì)汽缸套的橢圓度要求是:汽缸套的內(nèi)徑小于100mm時(shí),橢圓應(yīng)小于0.2mm;汽缸套的內(nèi)徑大于100mm時(shí),橢圓度應(yīng)小于0.30mm。汽缸套的大限度橢圓度為3D/1000mm(D為缸套內(nèi)徑)。對(duì)汽缸套的圓錐度要求是:汽缸套度大于250mm時(shí),圓錐度應(yīng)小于0.025~0.5mm。在正常情況下,允許汽缸套的圓度為0.05mm,最大極限圓錐度不允許超過(guò)5D/1000mm。

2、使用壓力表進(jìn)行檢驗(yàn)

      壓力表是另一種常見(jiàn)的氣缸壓力測(cè)量工具,如圖4所示。與壓力傳感器不同,壓力表通常是機(jī)械式的裝置,它使用彈簧原理或其他機(jī)械機(jī)構(gòu)來(lái)測(cè)量氣體或液體的壓力。在氣缸壓力測(cè)量中,壓力表通常需要通過(guò)連接管與氣缸內(nèi)的氣體相連。當(dāng)氣體壓力作用在壓力表上時(shí),壓力表的指針會(huì)隨之移動(dòng),指示出氣缸內(nèi)的壓力數(shù)值。

(1)氣缸壓力測(cè)量目的

      柴油機(jī)的汽缸壓力測(cè)試是檢測(cè)柴油機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能狀況的重要手段。一般來(lái)說(shuō),汽缸壓力測(cè)試能夠反映出柴油機(jī)的壓縮比、燃燒室密封性、活塞環(huán)的磨損程度、噴油系統(tǒng)的工作狀態(tài)等方面的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)柴油機(jī)的汽缸壓力測(cè)試,可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)的故障和問(wèn)題,并采取相應(yīng)的修理措施,從而確保柴油機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和可靠性。

(2)汽缸壓力測(cè)試的操作步驟

      汽缸壓力測(cè)試一般分為以下幾個(gè)步驟:

① 準(zhǔn)備工作

      在進(jìn)行汽缸壓力測(cè)試之前,要先檢查柴油機(jī)的供電是否正常,以及檢查試驗(yàn)儀器的連接線(xiàn)路是否良好。同時(shí),要將柴油機(jī)的冷卻液排放干凈,確保柴油機(jī)處于干燥狀態(tài)。

② 安裝測(cè)試儀器

      將汽缸壓力測(cè)試儀器連接到柴油機(jī)的高壓油管上,然后將高壓油管擰緊,確保油管的密封。

③ 測(cè)量壓力值

      接下來(lái),啟動(dòng)柴油機(jī),并將其運(yùn)轉(zhuǎn)到一定的轉(zhuǎn)速下,然后按下汽缸壓力測(cè)試儀器上的測(cè)試按鈕,即可進(jìn)行汽缸壓力測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中,要根據(jù)測(cè)試儀器上的指示器,記錄下各個(gè)氣缸的壓力值。

④ 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理

      測(cè)試完成后,按照汽缸壓力測(cè)試儀器上的操作步驟進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。將測(cè)得的壓力值作圖,分析各個(gè)氣缸測(cè)試結(jié)果的差異性,并根據(jù)測(cè)試結(jié)果判斷柴油機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能狀況。

 

氣缸橢圓度和圓錐度的測(cè)量-柴油發(fā)電機(jī)組.png

圖3  氣缸橢圓度和圓錐度的測(cè)量

氣缸壓力測(cè)試圖-柴油發(fā)電機(jī)組.png

圖4  氣缸壓力測(cè)試圖

 

總結(jié):

      汽缸套在潤(rùn)滑不良、高溫、高壓、交變載荷和腐蝕物質(zhì)的作用會(huì)產(chǎn)生早磨、穴蝕、裂紋等常見(jiàn)失效形式。維修保養(yǎng)和使用不當(dāng)是造成早期過(guò)度磨損的主要原因,只有了解,掌握了汽缸套的正常磨損和早期非正常磨損的規(guī)律、原因和預(yù)防措施,才能提升其綜合性能。采用螨墨鑄鐵汽缸套,對(duì)汽缸套進(jìn)行表面改性處理以及先進(jìn)珩磨工藝等這些方法都可以減少汽缸套的磨損,延長(zhǎng)汽缸套的使用壽命。


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