故障檢修與技術(shù)維護(hù)

柴油發(fā)電機(jī)氣缸墊滲油漏水漏水問(wèn)題分析與維修方法

 

摘要：柴油機(jī)氣缸墊、氣缸蓋和缸體裝配在一起，缸蓋底面與壓縮終了時(shí)的活塞頂部組成一個(gè)密封燃燒室，為了保證密封，在缸蓋和缸體之間裝有氣缸墊。通常，氣缸墊采用薄鋼板制作而成，其中，水道孔、油道孔、燃燒室密封孔采用橡膠圈與薄鋼板硫化粘結(jié)，粘接強(qiáng)度≥3 MPa，能有效承受最高燃燒壓力達(dá)15.5 MPa的沖擊，保證燃燒室密封，防止漏水、漏油、漏氣。氣缸墊失效將導(dǎo)致燃燒室密封不嚴(yán)并造成局部漏氣，使高溫高壓的氣體沖出燃燒室，造成氣缸套變形，密封阻水圈損壞以及缸蓋和缸體之間過(guò)梁處受高溫高壓氣體的沖擊，導(dǎo)致燒蝕溝痕，致使維修困難或機(jī)件報(bào)廢，這些情況將嚴(yán)重影響柴油發(fā)電機(jī)的使用經(jīng)濟(jì)性及可靠性。

 

一、案例分析

 

      針對(duì)裝有康明斯4B3.9系列柴油機(jī)的深圳用戶(hù)，在運(yùn)行了2000小時(shí)后試機(jī)時(shí)氣缸墊與缸體結(jié)合面有多處不同程度的油跡。疑是氣缸墊失效導(dǎo)致滲漏問(wèn)題，結(jié)合氣缸墊、缸蓋和缸體的尺寸計(jì)算，以及密封結(jié)構(gòu)的安裝（如圖1所示），通過(guò)對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行了分析，并經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，確定了導(dǎo)致該現(xiàn)象的真實(shí)原因，并提出了優(yōu)化措施，該問(wèn)題得到解決。

1、現(xiàn)象描述

      裝有康明斯4B3.9系列柴油機(jī)在試機(jī)時(shí)，發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)氣缸墊與缸體結(jié)合面處有不同程度的油跡，懷疑是從氣缸墊處滲漏。

2、拆檢情況

      拆卸缸蓋前對(duì)缸蓋螺栓的擰緊力矩進(jìn)行了檢測(cè)，滿(mǎn)足檢驗(yàn)力矩300（N·m），缸蓋螺栓裸露部分有機(jī)油。拆檢后目測(cè)檢查氣缸墊等零部件沒(méi)有異常，缸體螺栓孔內(nèi)存有3～4mm機(jī)油。

3、原因分析

      根據(jù)柴油機(jī)的工作原理和氣缸墊、氣缸蓋的安裝情況，初步分析認(rèn)為：造成氣缸墊和缸體結(jié)合面有油跡的原因可能有以下幾種：

（1）缸蓋螺栓擰緊力矩不足，引起氣缸墊滲油漏水，其位置如圖2所示；

（2）氣缸墊橡膠厚度尺寸設(shè)計(jì)不合理，密封不嚴(yán)引起滲油漏水；

（3）氣缸墊的質(zhì)量問(wèn)題，氣缸墊外形尺寸、缸墊的硬度和橡膠的變形量不符合設(shè)計(jì)要求；

（4）安裝時(shí)缸蓋螺栓涂機(jī)油較多，隨著柴油機(jī)的振動(dòng)和發(fā)熱，螺紋間隙處的機(jī)油流出，造成缸體和氣缸墊結(jié)合面滲油漏水的假象。

 

圖1  柴油機(jī)氣缸蓋密封結(jié)構(gòu)圖

圖2  柴油機(jī)缸蓋和擰緊螺釘位置圖

 

二、具體檢查

 

      為了進(jìn)一步確認(rèn)故障原因，對(duì)上述可能的故障原因進(jìn)行逐一分析、驗(yàn)證。

      首先為排除其他零件對(duì)氣缸墊密封的影響，對(duì)3臺(tái)缸體安裝缸套的止口深度尺寸8.9±0.03 mm及3件缸套臺(tái)肩的厚度尺寸9.02°_-0.02mm進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果均符合要求，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1曲軸箱及缸套檢測(cè)數(shù)據(jù)單位：mm

      對(duì)所有缸蓋螺栓的擰緊力矩進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果滿(mǎn)足檢驗(yàn)力矩300（N·m）的要求，所以可以排除因缸蓋螺栓擰緊力矩不足引起氣缸墊與缸體結(jié)合面滲油漏水的可能。

1、氣缸墊橡膠厚度尺寸計(jì)算

（1）缸體凸臺(tái)尺寸8.9±0.03 mm，缸套臺(tái)肩尺寸9.02°_-0.02mm，經(jīng)計(jì)算缸套和缸體安裝面間隙為：

δ_min=（9.02-0.02）-（8.9+0.03）=0.07（mm）

δ_min=9.02_-（8.9-0.03）=0.15（mm）

（2）氣缸墊密封橡膠厚度為B=t+0.7±0.05mm，計(jì)算密封橡膠的實(shí)際變形量。由于缸墊上下凸起部分最大各為0.25mm，實(shí)際安裝時(shí)缸墊凸起部分處于壓平狀態(tài)，所以計(jì)算橡膠變形量時(shí)不考慮缸墊的凸起尺寸。

橡膠厚度最小時(shí)：?_min=0.65-0.15=0.5（mm）

橡膠厚度最大時(shí)：?_max=0.75-0.07=0.68（mm）

（3）設(shè)計(jì)的理論變形量

      密封橡膠的允許變形量為20%~30%，小于20%密封效果不佳，超出30%屬于永久變形。以t=1.6mm的氣缸墊為例進(jìn)行計(jì)算，密封橡膠理論允許的變形量：

?_min=（1.6+0.65）×（20%～30%）=0.45~0.675（mm）

?_max=（1.6+0.75）×（20%~30%）=0.47~0.705（mm）

      經(jīng)比較，實(shí)際最小變形量為0.5 mm，在理論允許的最小變形量0.45～0.675 mm之間，實(shí)際最大變形量為0.68 mm，在理論允許的最大變形量0.47～0.705mm之間，通過(guò)計(jì)算對(duì)比，實(shí)際設(shè)計(jì)的氣缸墊的橡膠厚度尺寸B=t+0.7±0.05mm滿(mǎn)足性能要求，可以排除由于氣缸墊橡膠厚度尺寸設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致密封不嚴(yán)，引起滲油漏水。

      為了確認(rèn)氣缸墊的質(zhì)量，質(zhì)檢人員對(duì)氣缸墊重新進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果：氣缸墊外形尺寸符合圖樣要求，缸墊硬度滿(mǎn)足90～120HV，橡膠變形量≤30%，完全符合圖樣要求，可以排除氣缸墊質(zhì)量問(wèn)題。

2、檢查結(jié)論

      根據(jù)拆檢、安裝、試驗(yàn)情況可以發(fā)現(xiàn)：

（1）缸蓋螺栓裸露部分有機(jī)油，缸體螺栓孔內(nèi)存有3～4mm機(jī)油，由于裝配原因，安裝時(shí)缸蓋螺栓涂機(jī)油較多，在此情況下，熱機(jī)后隨著柴油機(jī)的振動(dòng)和發(fā)熱，螺紋間隙處的機(jī)油滲出；

（2）安裝時(shí)缸蓋螺栓涂少量機(jī)油，并用油布擦拭，運(yùn)行3小時(shí)后，有少量機(jī)油滲出；

（3）安裝時(shí)缸蓋螺栓清理干凈，在螺紋端和頭部各用手涂抹少量機(jī)油，運(yùn)行3小時(shí)后，無(wú)油跡滲出。

      所以氣缸墊標(biāo)記孔側(cè)和缸體結(jié)合面處的油跡是缸蓋螺栓孔內(nèi)的機(jī)油滲出。

 

三、抽檢試驗(yàn)

 

1、臺(tái)架試驗(yàn)

      為了進(jìn)一步驗(yàn)證氣缸墊與缸體結(jié)合面滲油漏水的原因，從康明斯售后站出現(xiàn)同樣漏油故障的柴油機(jī)樣板中抽取5臺(tái)康明斯4B3.9柴油機(jī)，在柴油機(jī)試驗(yàn)室進(jìn)行臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)。泄漏試驗(yàn)用工裝結(jié)構(gòu)如圖3所示，泄漏試驗(yàn)用工具如圖4所示。

（1）第一臺(tái)柴油機(jī)磨合30分鐘后，3缸左側(cè)開(kāi)始滲油漏水，磨合完畢后對(duì)滲油漏水位置進(jìn)行清洗，同時(shí)發(fā)現(xiàn)前端吊環(huán)處機(jī)油較多，也進(jìn)行清洗，然后調(diào)試交驗(yàn)，性能數(shù)據(jù)交驗(yàn)合格后發(fā)現(xiàn)各缸均有滲油漏水現(xiàn)象。于是再次進(jìn)行清洗，清洗完畢后柴油機(jī)在全速全負(fù)荷工況下運(yùn)行，運(yùn)行10分鐘后4缸出現(xiàn)輕微滲油漏水，繼續(xù)運(yùn)行20分鐘后1、4、6缸均出現(xiàn)輕微滲油漏水，停機(jī)進(jìn)行清洗，清洗完畢后再次全速全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)行15分鐘后，1、4、6缸再次出現(xiàn)輕微滲油漏水，但較上次滲油漏水程度有所減輕，且每次所滲出機(jī)油均較清澈，停機(jī)下臺(tái)架靜置（對(duì)最后一次出現(xiàn)的輕微滲油漏水未進(jìn)行清洗）。

（2）第二臺(tái)柴油機(jī)磨合30分鐘后，4缸出現(xiàn)滲油漏水，磨合完畢后對(duì)滲油漏水位置進(jìn)行清洗，然后調(diào)試交驗(yàn)，性能數(shù)據(jù)交驗(yàn)合格后發(fā)現(xiàn)1、3、4、5缸均有滲油漏水現(xiàn)象，2、6缸有輕微滲油漏水現(xiàn)象，于是再次進(jìn)行清洗，清洗完畢后柴油機(jī)在全速全負(fù)荷工況下運(yùn)行，運(yùn)行30分鐘后未再出現(xiàn)滲油漏水現(xiàn)象，停機(jī)下臺(tái)架靜置。

（3）第三臺(tái)柴油機(jī)磨合20分鐘后，2、4缸出現(xiàn)滲油漏水，磨合完畢后對(duì)滲油漏水位置進(jìn)行清洗，然后調(diào)試交驗(yàn)，性能數(shù)據(jù)交驗(yàn)合格后發(fā)現(xiàn)各缸均有滲油漏水現(xiàn)象，于是再次進(jìn)行清洗，清洗完畢后柴油機(jī)在全速全負(fù)荷工況下運(yùn)行，運(yùn)行20分鐘后2、4缸出現(xiàn)輕微滲油漏水現(xiàn)象，停機(jī)再次進(jìn)行清洗，清洗后全速全負(fù)荷運(yùn)行40分鐘，2缸再次出現(xiàn)輕微滲油漏水，但較上次滲油漏水程度明顯減輕，且每次所滲出機(jī)油均較清澈。停機(jī)下臺(tái)架靜置。

（4）第4臺(tái)柴油機(jī)磨合30分鐘后，2缸左側(cè)出現(xiàn)滲油漏水，磨合完畢后對(duì)滲油漏水位置進(jìn)行清洗，然后調(diào)試交驗(yàn)，性能數(shù)據(jù)交驗(yàn)合格后發(fā)現(xiàn)2、4、5缸輕微滲油漏水現(xiàn)象，再次進(jìn)行清洗，清洗完畢后柴油機(jī)在全速全負(fù)荷工況下運(yùn)行，運(yùn)行20分鐘后2、4缸再次出現(xiàn)輕微滲油漏水現(xiàn)象，繼續(xù)全速全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)10分鐘后，滲油漏水現(xiàn)象未發(fā)生變化，且每次所滲出機(jī)油均較清澈。停機(jī)下臺(tái)架靜置。

（5）第5臺(tái)柴油機(jī)磨合20分鐘后，5缸出現(xiàn)滲油漏水，磨合完畢后對(duì)滲油漏水位置進(jìn)行清洗，然后調(diào)試交驗(yàn)，性能數(shù)據(jù)交驗(yàn)合格后發(fā)現(xiàn)5缸有滲油漏水現(xiàn)象、2缸有輕微滲油漏水現(xiàn)象，再次進(jìn)行清洗，清洗完畢后柴油機(jī)在全速全負(fù)荷工況下運(yùn)行，運(yùn)轉(zhuǎn)20分鐘后未再出現(xiàn)滲油漏水現(xiàn)象，停機(jī)下臺(tái)架靜置。

2、靜置情況

      臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)束后，柴油機(jī)下臺(tái)架靜置，第1臺(tái)柴油機(jī)靜置約46 h，第2臺(tái)柴油機(jī)靜置約30 h，第3臺(tái)柴油機(jī)靜置約24h，第4臺(tái)柴油機(jī)靜置約6h，4臺(tái)柴油機(jī)靜置后，滲油漏水現(xiàn)象與下臺(tái)架時(shí)一致，未發(fā)生新的滲油漏水現(xiàn)象。

3、綜合分析

      根據(jù)上述驗(yàn)證情況，針對(duì)試驗(yàn)中滲油漏水現(xiàn)象的幾個(gè)顯著特點(diǎn)分析如下：

（1）每次所滲出機(jī)油均較為清澈，如是氣缸墊密封不嚴(yán)，則滲出的機(jī)油應(yīng)為柴油機(jī)內(nèi)部的機(jī)油，其顏色應(yīng)偏黑色；

（2）清洗之后一次比一次滲油漏水程度減輕，如是氣缸墊密封不嚴(yán)，則清洗不會(huì)減少滲油漏水的程度，清洗完畢后再次運(yùn)行柴油機(jī)，滲油漏水現(xiàn)象應(yīng)會(huì)繼續(xù)發(fā)生且滲油漏水程度不會(huì)減輕；

（3）柴油機(jī)靜置后滲油漏水現(xiàn)象未再繼續(xù)發(fā)生：如是氣缸墊密封不嚴(yán)，則靜置時(shí)因缸蓋內(nèi)有殘余機(jī)油，殘余機(jī)油應(yīng)會(huì)繼續(xù)滲出。

      綜上所述，可以確定柴油機(jī)氣缸墊部位的滲油漏水非柴油機(jī)內(nèi)部的機(jī)油，而是柴油機(jī)在裝配過(guò)程中缸蓋螺栓刷涂的機(jī)油，在柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中隨著柴油機(jī)的振動(dòng)及溫度的升高，刷涂的機(jī)油滲出并沿氣缸墊與缸體結(jié)合面滲出，造成了氣缸墊滲油漏水的假象。

 

圖3  柴油機(jī)氣缸體的試漏工裝

圖4  柴油機(jī)氣缸泄漏測(cè)試工具

 

四、解決方案

 

1、維修措施

      為了解決以上滲油漏水問(wèn)題，可在柴油機(jī)上采取以下維修措施：

（1）在安裝氣缸墊的工位處，配置30mm×25 mm×4mm海綿塊，將海綿塊浸入機(jī)油里，然后取出，并將把機(jī)油擠出，放置在工作臺(tái)上。

注意：安裝柴油發(fā)電機(jī)氣缸墊時(shí)不能涂潤(rùn)滑脂。

      氣缸墊是柴油發(fā)電機(jī)缸體與缸蓋之間重要的密封材料，如果在氣缸墊上涂潤(rùn)滑脂， 當(dāng)氣缸蓋螺栓擰緊時(shí)，一部分黃油會(huì)被擠壓到氣缸水道和油道中， 留在缸墊間的黃油在氣缸工作時(shí)， 由于受高溫影響， 一部分會(huì)流入氣缸燃燒， 另一部分則會(huì)形成積炭存于缸體與缸蓋的結(jié)合面間，在高壓高溫作用下，極易將氣缸墊擊穿和燒穿， 造成柴油發(fā)電機(jī)漏氣。因此安裝氣缸墊時(shí)切勿涂抹黃油。

（2）缸蓋螺栓的螺紋部分和螺栓頭部在浸泡過(guò)機(jī)油的海面上滾涂機(jī)油，滾涂后不允許有滴油現(xiàn)象。

2、維修要求

      修復(fù)后，更換后的氣缸墊應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：

（1）在高溫、高壓燃?xì)庾饔孟掠凶銐虻膹?qiáng)度，不易損壞；

（2）耐熱和耐腐蝕性好，即在高溫、高壓燃?xì)庾饔孟潞驮谟袎毫Φ臋C(jī)油及冷卻水的作用下，不會(huì)燒損或變質(zhì)；

（3）具有一定的彈性，能補(bǔ)償接合面的平面度，以保證密封；

（4）拆裝方便，能重復(fù)使用，壽命長(zhǎng)。

3、氣缸墊更換步驟

      柴油機(jī)氣缸墊外形如圖5所示，安裝示例如圖6所示。

（1）在柴油發(fā)電機(jī)完全冷卻以后再拆卸氣缸蓋。無(wú)論是拆卸還是安裝氣缸蓋螺栓，都要按照規(guī)定的順序和扭矩分2~3次擰緊或擰松，絕對(duì)不能一次擰到底。有的柴油發(fā)電機(jī)規(guī)定，按規(guī)定力矩?cái)Q緊后還要擰轉(zhuǎn)緊固螺母90°。按照規(guī)范拆卸和擰緊氣缸蓋螺栓，這是防止因更換氣缸墊而造成氣缸蓋變形的基本措施。

（2）仔細(xì)觀(guān)察舊氣缸墊出現(xiàn)毛病的狀況，正確找出氣缸墊損壞的真正原因，以便進(jìn)行有針對(duì)性的修理。

（3）認(rèn)真清洗氣缸蓋與氣缸體的結(jié)合表面，對(duì)于有鐵銹和積炭等殘留物，要用刮刀、鋼絲刷、化學(xué)溶劑等加以清除。然后進(jìn)行安裝前的檢查和鑒定，一是用直尺和塞尺檢查氣缸體和氣缸蓋結(jié)合面的平面度，必要時(shí)進(jìn)行磨削處理；二是檢查氣缸套的凸起量，必須符合各機(jī)型的要求，防止氣缸墊出現(xiàn)早期損壞；三是在氣缸墊上適當(dāng)涂抹吸納膠（氣缸墊膠）,以提高其密封性。

（4）注意分清氣缸墊的正面和反面，不要裝錯(cuò)，必須對(duì)齊氣缸體、氣缸墊、氣缸蓋之間所有的油孔和水道孔。如果裝錯(cuò)，氣缸墊擋住了氣缸體通往氣缸蓋的機(jī)油油道，將會(huì)造成氣缸蓋上的運(yùn)動(dòng)零件過(guò)早損壞。

（5）氣缸蓋螺栓經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用后，可能超過(guò)了材料的屈服極限，所以更換氣缸墊時(shí)最好同時(shí)更換所有的氣缸蓋螺栓。

（6）安裝完畢，要檢查氣缸墊是否存在泄漏。新?lián)Q的氣缸墊，在柴油發(fā)電機(jī)工作10～15h以后，要重新擰緊一次氣缸蓋螺栓，以保證氣缸墊可靠壓緊和密封。

 

圖5 柴油機(jī)氣缸密封墊結(jié)構(gòu)圖

圖6  柴油機(jī)氣缸墊安裝示意圖

 

 總結(jié)；

      在使用以上方法基本可以解決氣缸墊處漏水滲油問(wèn)題，但是實(shí)際更換氣缸墊中常常出現(xiàn)這樣的情況，重新安裝并啟動(dòng)試車(chē)后，發(fā)現(xiàn)氣缸蓋與氣缸體結(jié)合部位漏氣或漏油，反復(fù)調(diào)整氣缸蓋墊片的位置和氣缸蓋螺栓的緊度都沒(méi)有效果。這是由于原來(lái)的氣缸蓋墊片在壓力和高溫的作用下，已經(jīng)與氣缸蓋、氣缸體的端面形成了緊密的配合關(guān)系，不會(huì)產(chǎn)生漏氣和漏油。但是經(jīng)過(guò)拆卸以后，如果沒(méi)有放回原來(lái)的位置，則原來(lái)的緊密配合關(guān)系遭到破壞。為此，在拆卸氣缸蓋墊片前，在發(fā)動(dòng)機(jī)的側(cè)邊刻畫(huà)一個(gè)記號(hào)，在下次組裝時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)準(zhǔn)這個(gè)記號(hào)，使氣缸蓋、氣缸墊、氣缸體恢復(fù)原來(lái)的對(duì)應(yīng)位置，其實(shí)質(zhì)是讓這3個(gè)零件上的微觀(guān)凹凸不平點(diǎn)“對(duì)號(hào)入座”,再按規(guī)定的順序和扭矩?cái)Q緊氣缸蓋螺栓，就不會(huì)發(fā)生漏氣和漏油了。

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