故障檢修與技術(shù)維護

柴油發(fā)電機氣缸墊滲油漏水漏水問題分析與維修方法

 

摘要：柴油機氣缸墊、氣缸蓋和缸體裝配在一起，缸蓋底面與壓縮終了時的活塞頂部組成一個密封燃燒室，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)，粘接強度≥3 MPa，能有效承受最高燃燒壓力達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，致使維修困難或機件報廢，這些情況將嚴(yán)重影響柴油發(fā)電機的使用經(jīng)濟性及可靠性。

 

一、案例分析

 

      針對裝有康明斯4B3.9系列柴油機的深圳用戶，在運行了2000小時后試機時氣缸墊與缸體結(jié)合面有多處不同程度的油跡。疑是氣缸墊失效導(dǎo)致滲漏問題，結(jié)合氣缸墊、缸蓋和缸體的尺寸計算，以及密封結(jié)構(gòu)的安裝（如圖1所示），通過對該現(xiàn)象進行了分析，并經(jīng)過試驗驗證，確定了導(dǎo)致該現(xiàn)象的真實原因，并提出了優(yōu)化措施，該問題得到解決。

1、現(xiàn)象描述

      裝有康明斯4B3.9系列柴油機在試機時，發(fā)現(xiàn)柴油機氣缸墊與缸體結(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

      拆卸缸蓋前對缸蓋螺栓的擰緊力矩進行了檢測，滿足檢驗力矩300（N·m），缸蓋螺栓裸露部分有機油。拆檢后目測檢查氣缸墊等零部件沒有異常，缸體螺栓孔內(nèi)存有3～4mm機油。

3、原因分析

      根據(jù)柴油機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)計不合理，密封不嚴(yán)引起滲油漏水；

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

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

 

圖1  柴油機氣缸蓋密封結(jié)構(gòu)圖

圖2  柴油機缸蓋和擰緊螺釘位置圖

 

二、具體檢查

 

      為了進一步確認(rèn)故障原因，對上述可能的故障原因進行逐一分析、驗證。

      首先為排除其他零件對氣缸墊密封的影響，對3臺缸體安裝缸套的止口深度尺寸8.9±0.03 mm及3件缸套臺肩的厚度尺寸9.02°_-0.02mm進行檢測，檢測結(jié)果均符合要求，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1曲軸箱及缸套檢測數(shù)據(jù)單位：mm

      對所有缸蓋螺栓的擰緊力矩進行檢測，檢測結(jié)果滿足檢驗力矩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算

（1）缸體凸臺尺寸8.9±0.03 mm，缸套臺肩尺寸9.02°_-0.02mm，經(jīng)計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，計算密封橡膠的實際變形量。由于缸墊上下凸起部分最大各為0.25mm，實際安裝時缸墊凸起部分處于壓平狀態(tài)，所以計算橡膠變形量時不考慮缸墊的凸起尺寸。

橡膠厚度最小時：?_min=0.65-0.15=0.5（mm）

橡膠厚度最大時：?_max=0.75-0.07=0.68（mm）

（3）設(shè)計的理論變形量

      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的氣缸墊為例進行計算，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，通過計算對比，實際設(shè)計的氣缸墊的橡膠厚度尺寸B=t+0.7±0.05mm滿足性能要求，可以排除由于氣缸墊橡膠厚度尺寸設(shè)計不合理，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)檢人員對氣缸墊重新進行檢測，檢測結(jié)果：氣缸墊外形尺寸符合圖樣要求，缸墊硬度滿足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)量問題。

2、檢查結(jié)論

      根據(jù)拆檢、安裝、試驗情況可以發(fā)現(xiàn)：

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

（2）安裝時缸蓋螺栓涂少量機油，并用油布擦拭，運行3小時后，有少量機油滲出；

（3）安裝時缸蓋螺栓清理干凈，在螺紋端和頭部各用手涂抹少量機油，運行3小時后，無油跡滲出。

      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)的機油滲出。

 

三、抽檢試驗

 

1、臺架試驗

      為了進一步驗證氣缸墊與缸體結(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樣板中抽取5臺康明斯4B3.9柴油機，在柴油機試驗室進行臺架驗證試驗。泄漏試驗用工裝結(jié)構(gòu)如圖3所示，泄漏試驗用工具如圖4所示。

（1）第一臺柴油機磨合30分鐘后，3缸左側(cè)開始滲油漏水，磨合完畢后對滲油漏水位置進行清洗，同時發(fā)現(xiàn)前端吊環(huán)處機油較多，也進行清洗，然后調(diào)試交驗，性能數(shù)據(jù)交驗合格后發(fā)現(xiàn)各缸均有滲油漏水現(xiàn)象。于是再次進行清洗，清洗完畢后柴油機在全速全負荷工況下運行，運行10分鐘后4缸出現(xiàn)輕微滲油漏水，繼續(xù)運行20分鐘后1、4、6缸均出現(xiàn)輕微滲油漏水，停機進行清洗，清洗完畢后再次全速全負荷運轉(zhuǎn)，運行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，且每次所滲出機油均較清澈，停機下臺架靜置（對最后一次出現(xiàn)的輕微滲油漏水未進行清洗）。

（2）第二臺柴油機磨合30分鐘后，4缸出現(xiàn)滲油漏水，磨合完畢后對滲油漏水位置進行清洗，然后調(diào)試交驗，性能數(shù)據(jù)交驗合格后發(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，于是再次進行清洗，清洗完畢后柴油機在全速全負荷工況下運行，運行30分鐘后未再出現(xiàn)滲油漏水現(xiàn)象，停機下臺架靜置。

（3）第三臺柴油機磨合20分鐘后，2、4缸出現(xiàn)滲油漏水，磨合完畢后對滲油漏水位置進行清洗，然后調(diào)試交驗，性能數(shù)據(jù)交驗合格后發(fā)現(xiàn)各缸均有滲油漏水現(xiàn)象，于是再次進行清洗，清洗完畢后柴油機在全速全負荷工況下運行，運行20分鐘后2、4缸出現(xiàn)輕微滲油漏水現(xiàn)象，停機再次進行清洗，清洗后全速全負荷運行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，且每次所滲出機油均較清澈。停機下臺架靜置。

（4）第4臺柴油機磨合30分鐘后，2缸左側(cè)出現(xiàn)滲油漏水，磨合完畢后對滲油漏水位置進行清洗，然后調(diào)試交驗，性能數(shù)據(jù)交驗合格后發(fā)現(xiàn)2、4、5缸輕微滲油漏水現(xiàn)象，再次進行清洗，清洗完畢后柴油機在全速全負荷工況下運行，運行20分鐘后2、4缸再次出現(xiàn)輕微滲油漏水現(xiàn)象，繼續(xù)全速全負荷運轉(zhuǎn)10分鐘后，滲油漏水現(xiàn)象未發(fā)生變化，且每次所滲出機油均較清澈。停機下臺架靜置。

（5）第5臺柴油機磨合20分鐘后，5缸出現(xiàn)滲油漏水，磨合完畢后對滲油漏水位置進行清洗，然后調(diào)試交驗，性能數(shù)據(jù)交驗合格后發(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，再次進行清洗，清洗完畢后柴油機在全速全負荷工況下運行，運轉(zhuǎn)20分鐘后未再出現(xiàn)滲油漏水現(xiàn)象，停機下臺架靜置。

2、靜置情況

      臺架驗證試驗結(jié)束后，柴油機下臺架靜置，第1臺柴油機靜置約46 h，第2臺柴油機靜置約30 h，第3臺柴油機靜置約24h，第4臺柴油機靜置約6h，4臺柴油機靜置后，滲油漏水現(xiàn)象與下臺架時一致，未發(fā)生新的滲油漏水現(xiàn)象。

3、綜合分析

      根據(jù)上述驗證情況，針對試驗中滲油漏水現(xiàn)象的幾個顯著特點分析如下：

（1）每次所滲出機油均較為清澈，如是氣缸墊密封不嚴(yán)，則滲出的機油應(yīng)為柴油機內(nèi)部的機油，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)，則清洗不會減少滲油漏水的程度，清洗完畢后再次運行柴油機，滲油漏水現(xiàn)象應(yīng)會繼續(xù)發(fā)生且滲油漏水程度不會減輕；

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

      綜上所述，可以確定柴油機氣缸墊部位的滲油漏水非柴油機內(nèi)部的機油，而是柴油機在裝配過程中缸蓋螺栓刷涂的機油，在柴油機運轉(zhuǎn)過程中隨著柴油機的振動及溫度的升高，刷涂的機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  柴油機氣缸體的試漏工裝

圖4  柴油機氣缸泄漏測試工具

 

四、解決方案

 

1、維修措施

      為了解決以上滲油漏水問題，可在柴油機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，將海綿塊浸入機油里，然后取出，并將把機油擠出，放置在工作臺上。

注意：安裝柴油發(fā)電機氣缸墊時不能涂潤滑脂。

      氣缸墊是柴油發(fā)電機缸體與缸蓋之間重要的密封材料，如果在氣缸墊上涂潤滑脂， 當(dāng)氣缸蓋螺栓擰緊時，一部分黃油會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， 由于受高溫影響， 一部分會流入氣缸燃燒， 另一部分則會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)電機漏氣。因此安裝氣缸墊時切勿涂抹黃油。

（2）缸蓋螺栓的螺紋部分和螺栓頭部在浸泡過機油的海面上滾涂機油，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)滿足以下要求：

（1）在高溫、高壓燃氣作用下有足夠的強度，不易損壞；

（2）耐熱和耐腐蝕性好，即在高溫、高壓燃氣作用下和在有壓力的機油及冷卻水的作用下，不會燒損或變質(zhì)；

（3）具有一定的彈性，能補償接合面的平面度，以保證密封；

（4）拆裝方便，能重復(fù)使用，壽命長。

3、氣缸墊更換步驟

      柴油機氣缸墊外形如圖5所示，安裝示例如圖6所示。

（1）在柴油發(fā)電機完全冷卻以后再拆卸氣缸蓋。無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，絕對不能一次擰到底。有的柴油發(fā)電機規(guī)定，按規(guī)定力矩擰緊后還要擰轉(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）仔細觀察舊氣缸墊出現(xiàn)毛病的狀況，正確找出氣缸墊損壞的真正原因，以便進行有針對性的修理。

（3）認(rèn)真清洗氣缸蓋與氣缸體的結(jié)合表面，對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，必要時進行磨削處理；二是檢查氣缸套的凸起量，必須符合各機型的要求，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，必須對齊氣缸體、氣缸墊、氣缸蓋之間所有的油孔和水道孔。如果裝錯，氣缸墊擋住了氣缸體通往氣缸蓋的機油油道，將會造成氣缸蓋上的運動零件過早損壞。

（5）氣缸蓋螺栓經(jīng)過長期使用后，可能超過了材料的屈服極限，所以更換氣缸墊時最好同時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 柴油機氣缸密封墊結(jié)構(gòu)圖

圖6  柴油機氣缸墊安裝示意圖

 

 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題，但是實際更換氣缸墊中常常出現(xiàn)這樣的情況，重新安裝并啟動試車后，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有效果。這是由于原來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，不會產(chǎn)生漏氣和漏油。但是經(jīng)過拆卸以后，如果沒有放回原來的位置，則原來的緊密配合關(guān)系遭到破壞。為此，在拆卸氣缸蓋墊片前，在發(fā)動機的側(cè)邊刻畫一個記號，在下次組裝時，應(yīng)當(dāng)對準(zhǔn)這個記號，使氣缸蓋、氣缸墊、氣缸體恢復(fù)原來的對應(yīng)位置，其實質(zhì)是讓這3個零件上的微觀凹凸不平點“對號入座”,再按規(guī)定的順序和扭矩擰緊氣缸蓋螺栓，就不會發(fā)生漏氣和漏油了。

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