新聞主題	柴油發(fā)電機(jī)部件系統(tǒng)的改進(jìn)和提升技術(shù)

 

摘要：在人們的印象中，柴油發(fā)電機(jī)都是傻大黑粗，技術(shù)落后，除了動(dòng)力強(qiáng)勁之外一無(wú)是處。其實(shí)現(xiàn)代的柴油發(fā)電機(jī)隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，也搭載了越來(lái)越多的先進(jìn)技術(shù)，讓柴油發(fā)電機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性越來(lái)越突出，而且噪音和排放控制得越來(lái)越好。當(dāng)今先進(jìn)的柴油發(fā)電機(jī)，是一種集冶金、材料、加工、自動(dòng)控制、傳感器、化工為一體的高科技產(chǎn)品。本文以康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)KTA38系列為例，論述了通過(guò)缸體選擇合理的爐料配比、化學(xué)成分、增C劑，并控制Si/C、Mn/S,提高大馬力缸體鑄件力學(xué)性能的工藝改進(jìn)。

 

一、康明斯各部件常見(jiàn)提升技術(shù)

 

1、冷卻系統(tǒng)

      柴油發(fā)電機(jī)的散熱與熱管理是非常重要的，也是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的一個(gè)難題?，F(xiàn)代柴油發(fā)電機(jī)一般使用強(qiáng)制循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，合理設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體水道，可以讓冷卻液均勻地流過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)每一個(gè)角落，讓散熱更均衡，避免了老式柴油發(fā)電機(jī)部分氣缸冷卻不足的缺陷?，F(xiàn)代柴油發(fā)電機(jī)大多使用免維護(hù)水泵，樹(shù)脂葉輪，碳化硅密封圈，葉輪重量更輕、更耐腐蝕，防滲漏能力更強(qiáng)，使用壽命大大延長(zhǎng)。為了避免冷卻液腐蝕發(fā)動(dòng)機(jī)，一般都使用專(zhuān)用防凍液，不允許用普通防凍液替代。同時(shí)采用電控硅油風(fēng)扇離合器，可以更精準(zhǔn)地控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，讓發(fā)動(dòng)機(jī)盡快升溫，并保證高負(fù)荷時(shí)的冷卻強(qiáng)度。

2、盤(pán)車(chē)裝置

      原發(fā)電機(jī)組的盤(pán)車(chē)采用的盤(pán)車(chē)桿手動(dòng)盤(pán)車(chē)，飛輪外圓上有盤(pán)車(chē)孔，需要盤(pán)車(chē)時(shí)將盤(pán)車(chē)桿插人盤(pán)車(chē)孔，通過(guò)人力搬動(dòng)盤(pán)車(chē)桿進(jìn)行盤(pán)車(chē)。這樣輪機(jī)人員不但勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且盤(pán)車(chē)不準(zhǔn)確，需要多次搬動(dòng)盤(pán)車(chē)桿才能達(dá)到盤(pán)車(chē)要求，同時(shí)無(wú)法進(jìn)行盤(pán)車(chē)連鎖，盤(pán)車(chē)時(shí)很容易造成人身傷亡事故。為此我們?cè)O(shè)計(jì)了電動(dòng)盤(pán)車(chē)裝置，見(jiàn)圖1，另外在柴油發(fā)電機(jī)飛輪上設(shè)計(jì)安裝了一個(gè)盤(pán)車(chē)齒圈。需要盤(pán)車(chē)時(shí)，只需按動(dòng)按鈕，電動(dòng)盤(pán)車(chē)裝置的小齒輪與飛輪的盤(pán)車(chē)齒圈相嚙合，就可以順利帶動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)按照要求進(jìn)行盤(pán)車(chē)。重要的是該盤(pán)車(chē)裝置可以安裝一個(gè)手柄開(kāi)關(guān)進(jìn)行起動(dòng)盤(pán)車(chē)連鎖。盤(pán)車(chē)時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)起動(dòng)空氣管路被自動(dòng)切斷，避免了盤(pán)車(chē)時(shí)人身傷亡事故的發(fā)生。

3、增壓器

      康明斯柴油發(fā)電機(jī)組原來(lái)采用TPS61-F33增壓器，雖然也能滿(mǎn)足發(fā)電機(jī)組使用要求，但是存在大馬拉小車(chē)的現(xiàn)象，該增壓器裕度太大，存在浪費(fèi)現(xiàn)象。為了在不影響柴油發(fā)電機(jī)性能的前提下節(jié)約成本，特地重新進(jìn)行了增壓器選型。經(jīng)過(guò)配機(jī)試驗(yàn)，選用了霍爾塞特增壓器正式作為該型發(fā)電機(jī)組的增壓器（外觀如圖2所示），僅此1項(xiàng)每臺(tái)可節(jié)約成本5萬(wàn)余元。48臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組，可節(jié)約成本240萬(wàn)元，效益相當(dāng)可觀。

 

圖1  柴油機(jī)電動(dòng)盤(pán)車(chē)裝置

圖2  霍爾塞特增壓器內(nèi)部透視圖

 

4、啟動(dòng)技術(shù)

      現(xiàn)代柴油機(jī)不論是冷啟動(dòng)能力還是熱啟動(dòng)能力都非常強(qiáng)，幾乎都可以做到“點(diǎn)火就著”。這是因?yàn)楝F(xiàn)代柴油機(jī)有一套先進(jìn)的啟動(dòng)技術(shù)。首先是有一個(gè)大功率的起動(dòng)機(jī)，保證柴油機(jī)有足夠的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速；其次是有先進(jìn)的啟動(dòng)控制邏輯，在啟動(dòng)階段的噴油正時(shí)、噴油量等控制更精準(zhǔn)；最后就是有火焰預(yù)熱啟動(dòng)系統(tǒng)，可以在氣溫較低時(shí)加熱進(jìn)入燃燒室的空氣，讓冷啟動(dòng)更容易。

5、缸套、活塞

      為了提高缸套內(nèi)表面耐磨性，防止拉缸現(xiàn)象發(fā)生，因此在缸套內(nèi)表面增加了軟氮化要求，缸套內(nèi)表面粗糙度由Rz 5-10改為Rz 3-7。

      活塞由分體式改為整體鑄鐵活塞，為了防止燃油噴到氣缸壁上和活塞頂過(guò)熱，對(duì)w型線進(jìn)行了優(yōu)化，w型深由26mm增加到33·5mm，同時(shí)加大了活塞滑油冷卻腔面積。為了防止柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中活塞頂與進(jìn)、排氣閥干涉（即頂缸），特意在活塞頂布置了4個(gè)0.5mm深的避閥坑。

6、曲軸

       現(xiàn)代柴油發(fā)電機(jī)一般使用整體式鑄造曲軸，材質(zhì)為球墨鑄鐵或者鑄鋼。隨著現(xiàn)代機(jī)械加工技術(shù)的進(jìn)步，曲軸的加工精度越來(lái)越高，甚至可以控制到微米級(jí)。曲軸的軸頸表面通常使用氮化技術(shù)，以增強(qiáng)表面硬度，提高耐磨性能，提高曲軸的抗疲勞強(qiáng)度。

7、進(jìn)氣與燃燒技術(shù)

      現(xiàn)代的柴油發(fā)電機(jī)為了讓更多的空氣進(jìn)入燃燒室，通常都使用渦輪增壓、進(jìn)氣中冷、多氣門(mén)（四氣門(mén)）技術(shù)，可以把柴油發(fā)電機(jī)的功率和扭矩提升30%以上。部分乘用車(chē)柴油發(fā)電機(jī)還采用可變進(jìn)氣正時(shí)、可變氣門(mén)升程、可變截面渦輪增壓器、雙增壓器等技術(shù)，有效提升充氣系數(shù)?，F(xiàn)代柴油發(fā)電機(jī)大多采用ω型燃燒室，較小的面容比，中置噴油器，進(jìn)氣可以形成更強(qiáng)勁的進(jìn)氣渦流，燃燒更加穩(wěn)定、柔和、充分，有利于提升柴油發(fā)電機(jī)的動(dòng)力性能和排放水平。

8、密封技術(shù)

      老式柴油發(fā)電機(jī)漏油是非常普遍的現(xiàn)象，現(xiàn)代的柴油發(fā)電機(jī)漏油現(xiàn)象大大減少，主要?dú)w功于先進(jìn)的密封技術(shù)以及更精密的加工技術(shù)。曲軸的前、后油封，越來(lái)越多地使用 PTFE（含聚四氟乙烯高分子化學(xué)材料），密封性、抗高低溫性能、耐腐蝕、耐老化性能更強(qiáng)，使用壽命更長(zhǎng)。在各密封面，由于精密的機(jī)加工技術(shù)，平面度非常高，一般使用普通的厭氧密封膠就可以實(shí)現(xiàn)良好的密封，不再采用密封墊結(jié)構(gòu)。

 

二、康明斯缸體性能提高技術(shù)

 

      以康明斯柴油發(fā)電機(jī)組的動(dòng)力KTA38系列為例，K38缸體是康明斯大馬力發(fā)動(dòng)機(jī)（600～1400KW）的關(guān)鍵件，為V型12個(gè)缸結(jié)構(gòu)（如圖3所示）；外形尺寸1563×866×701mm，缸體凈重1360kg，壁厚變化大（最薄處8mm，最厚部位100mm），生產(chǎn)難度大。按康明斯技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)功率大于800 KW時(shí)缸體力學(xué)性能必須滿(mǎn)足，試棒抗拉強(qiáng)度≥310MPa（鑄件本體按圖紙指定的部位取樣≥241MPa）、本體硬度≥HB187。缸體加工后做氣密性檢查，不允許有滲漏。對(duì)于這樣一個(gè)重量大冷卻速度慢，又要求周身致密的油道、水腔眾多的缸體，要提高其機(jī)械性能，如果采用簡(jiǎn)單的降低碳當(dāng)量或提高合金是行不通的，我們從選擇合理的爐料配比、化學(xué)成分、改進(jìn)增碳工藝，并控制Si/C、Mn/S等措施著手，較好地達(dá)到了提高K38缸體力學(xué)性能的目的。

1、化學(xué)成分的確定

      灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度隨著碳當(dāng)量的提高而降低。為保證缸體的鑄造性能和凝固時(shí)的自補(bǔ)縮能力，我們選取3.95%≤CE≤4.05%進(jìn)行工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)證明缸體鑄件單鑄試棒的抗拉強(qiáng)度接近310MPa，但不穩(wěn)定，如圖4所示。

       為了提高提高缸體的本體硬度和熱疲勞性能，通過(guò)加入Cu、Mo和Cr合金，進(jìn)行合金化，確定合金元素的最佳匹配，如表1。

表1    康明斯柴油機(jī)缸體材料合成

      試驗(yàn)證明Cu對(duì)缸體本體硬度的貢獻(xiàn)比Cr大。由于缸體有熱穩(wěn)定性要求，Mo能提高鑄件的熱疲勞性能，即使價(jià)格比Cr昂貴，加入Mo還是十分必要的。Mn、Cu與Mo對(duì)提高性能有貢獻(xiàn)，但R-Sq值與R-Sq（adj）值不高，合金化不是解決提高力學(xué)性能問(wèn)題的唯一途徑，還要靠其它工藝措施保證。

      因此，康明斯K38缸體鑄件的化學(xué)成分為o（C）3.2~3.35%，CE控制在3.95~4.05%，o（Cu）0.65～0.70%和o（Mo）0.25～0.35%。

 

圖3  KTA38系列康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)缸體結(jié)構(gòu)

圖4  試棒抗拉強(qiáng)度

 

2、提高康明斯K38缸體力學(xué)性能的工藝措施

（1）金屬爐料配比

      生產(chǎn)實(shí)踐證明，相同的化學(xué)成分，由于熔煉工藝不同、配料不同，鐵液的冶金質(zhì)量完全不同。生鐵由于存在具有遺傳性的粗大的過(guò)共晶石墨，在熔化過(guò)程中難以完全消除，使凝固過(guò)程中產(chǎn)生的石墨化膨脹作用削弱，鑄件的致密性降低，鐵液收縮傾向增大，同時(shí)粗大的石墨還加大對(duì)基體的割裂作用，降低材料的性能。增加爐料中廢鋼比例，鑄件的抗拉強(qiáng)度明顯上升。因此，我們?cè)谏a(chǎn)中工藝規(guī)定廢鋼加入量必須大于30%、生鐵加入量小于20%，其余為回爐料。

（2）選用經(jīng)過(guò)高溫石墨化處理增碳劑

       廢鋼比例的增加，鐵液的o（C）量必須靠增碳技術(shù)來(lái)保證。以前我公司采用碳化硅或優(yōu)質(zhì)無(wú)煙煤球作為增碳劑，增碳效果不明顯，操作者抱怨較多，工藝規(guī)定的爐料配比難以嚴(yán)格執(zhí)行。選用經(jīng)過(guò)高溫石墨化處理的增碳劑后，與第一批爐料一起加在爐底，增碳效果大為改善。經(jīng)過(guò)高溫石墨化處理的增碳劑，碳原子從無(wú)序排列過(guò)渡到片狀石墨的有序排列，片狀石墨能成為石墨形核的最好核心，促進(jìn)石墨化，減少了鐵液收縮。我公司采用經(jīng)過(guò)高溫石墨化處理的增碳劑后，缸體致密性改善，機(jī)械性能提升，滲漏比例明顯下降。

（3）控制Si/C比

      提高Si/C比，鐵液o（C）量相對(duì)較低，對(duì)基體的割裂作用減弱。o（Si）量相對(duì)較高，固溶強(qiáng)化增強(qiáng)，有利于鑄鐵強(qiáng)度的提高。高Si/C比的鐵液有利于消除鑄件邊角處的白口。在CE相同條件下，高Si/C比的鑄件，殘留應(yīng)力低，缸體鑄件在機(jī)械加工時(shí)也不易變形。

      康明斯K38缸體本體硬度檢測(cè)點(diǎn)有8個(gè)，每處的HB硬度差值不能超過(guò)30。因此，標(biāo)準(zhǔn)要求缸體薄壁處硬度不要太高，壁厚處硬度也不要太低。我們將原始Si選擇在1.85-1.90%之間，Si/C比控制在0.6～0.7之間，解決了缸體各檢測(cè)點(diǎn)硬度均勻性問(wèn)題。

（4）控制Mn/S比

      Mn、S和P都是阻止石墨化的元素。只有少量溶入滲碳體的Mn可增強(qiáng)Fe、C原子間的結(jié)合力，促進(jìn)形成珠光體，同時(shí)Mn與S可形成石墨非自發(fā)形核的核心MnS，減弱S阻礙石墨化作用，間接地有利于石墨化。S可以改善鐵液的孕育效果，提高鑄件的加工斷屑性能。但石墨非自發(fā)形核的核心MnS必須維持在一個(gè)特定的范圍，MnS增加過(guò)多，石墨會(huì)變粗，多余的MnS形成密集的夾渣，割裂基體降低鑄鐵的強(qiáng)度，影響鑄件的致密性，增加縮漏傾向。

      由于錳和硫在鑄鐵中有相互制約的作用，所以在選擇Mn含量與硫含量時(shí)必需考慮Mn/S值。生產(chǎn)實(shí)踐證明，康明斯K38缸體Mn/S選擇6-8較為合適，缸體單鑄試棒機(jī)械性能、本體硬度均達(dá)到康明斯技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，缸體滲漏率低于3%。 

3、結(jié)論

（1）為保證康明斯K38發(fā)動(dòng)機(jī)缸體鑄鐵具有良好鑄造性能與力學(xué)性能，CE控制在3.95-4.05之間，加入Cu與Mo進(jìn)行合金化。

（2）控制爐料配比中生鐵加入量不應(yīng)高于20%，廢鋼不應(yīng)低于30%。選取經(jīng)過(guò)高溫石墨化的增碳劑增碳，增碳效果明顯，鐵液收縮性小，缸體致密性增加。

（3）在提高力學(xué)性能的同時(shí)，控制Si/C比在0.6-0.7之間，Mn/S比在6-8之間，鑄件縮松和縮漏缺陷降低。

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