故障檢修與技術(shù)維護(hù)

機(jī)體、噴油泵、缸套氣蝕現(xiàn)象產(chǎn)生原因和預(yù)防方法

 

摘要：氣蝕是柴油發(fā)電機(jī)組機(jī)械或機(jī)件與液體相對(duì)高速運(yùn)動(dòng)時(shí)在機(jī)件表面上產(chǎn)生的一種破壞，氣蝕又稱空泡腐蝕，或氣蝕， 氣蝕也是一種局部腐蝕。由于氣蝕主要發(fā)生在缸體、冷卻水泵、燃油泵、噴油器和氣缸套部位，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生的氣蝕對(duì)燃油系統(tǒng)及配氣機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)行和工作將造成極大的危害。康明斯發(fā)電機(jī)廠家為了減少或避免產(chǎn)生氣蝕，使其運(yùn)行和工作況達(dá)到理想效果，通過(guò)本文中對(duì)氣蝕產(chǎn)生的原因和危害進(jìn)行了析了解，采取相應(yīng)的措施從而使柴油發(fā)電機(jī)經(jīng)濟(jì)性能得到提高，質(zhì)量得到保證。

 

一、氣蝕的主要原因

 

      柴油機(jī)在使用一段時(shí)間后，冷卻系統(tǒng)中循環(huán)的冷卻水，即使添加防銹劑，仍會(huì)對(duì)接觸部分產(chǎn)生腐蝕；這是因?yàn)槔鋮s水中溶解的氣體，在柴油機(jī)運(yùn)行造成的振動(dòng)作用下，在低壓時(shí)析出氣泡，然后氣泡在高壓下潰滅；機(jī)體水腔和缸套外壁等在氣泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的沖擊和高溫作用下，會(huì)形成麻點(diǎn)狀和針狀的孔洞。該過(guò)程在柴油機(jī)振動(dòng)造成的壓力變化下不斷重復(fù)，氣泡從而持續(xù)對(duì)機(jī)體水腔、缸套外壁等造成破壞。

 1、水濾器失效

      康明斯柴油機(jī)采用弗列加司生產(chǎn)的干式化學(xué)添加劑或含干式化學(xué)添加劑的水濾器，可以在柴油機(jī)工作中不斷消除和抑制冷卻液中的空氣泡或泡沫。所以康明斯柴油機(jī)上的水濾器不僅通過(guò)濾紙過(guò)濾雜質(zhì)，而且裝有防氣蝕的化學(xué)添加劑。定期更換水濾器濾芯可代替向冷卻系統(tǒng)加添加劑。比如有些由于操作員對(duì)康明斯柴油機(jī)的特點(diǎn)和水濾器的放氣蝕作用缺乏了解，認(rèn)為柴油機(jī)頻繁更換水濾器濾芯得不償失因而該機(jī)常年不換水濾器濾芯，造成水濾器失效是氣缸套氣蝕的重要原因。因此，應(yīng)經(jīng)常檢查DCA值，需要時(shí)加用添加劑，在B級(jí)維護(hù)時(shí)（250h或三個(gè)月），將水濾器預(yù)加濾芯換成工作濾芯。

2、冷卻系統(tǒng)使用維護(hù)不當(dāng)

      柴油發(fā)電機(jī)組屬于冷卻系列的閉式循環(huán)水箱。膨脹箱上連接兩根軟管，一根通柴油機(jī)前出水口，另一根接散熱器加水口；下部連接一根軟管，接水泵進(jìn)口。當(dāng)柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，水道和散熱器內(nèi)的水蒸氣都進(jìn)入膨脹箱，以減少水道內(nèi)的空氣和空氣泡，而膨脹箱的冷卻水又可補(bǔ)充水泵進(jìn)口低壓區(qū)，起防氣蝕的作用。但由于操作入員不了解冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，誤認(rèn)為不使用膨脹箱冷卻系統(tǒng)也能工作，因而該機(jī)膨脹箱經(jīng)常不加水，散熱器家說(shuō)口通膨脹箱的水管接頭脫落不焊修。散熱器蓋損壞不更換，甚至膨脹箱無(wú)加水口蓋，導(dǎo)致塵埃進(jìn)入膨脹箱將下部出水口堵塞。該機(jī)冷卻系統(tǒng)不能形成完整的閉式循環(huán)，只是壓力降低、散熱器缺水、空氣和空氣泡增多，空氣泡破裂促使氣缸套加速氣蝕。因此，應(yīng)保證冷卻系統(tǒng)完整、密封、膨脹箱水位正常、管路通常，并按要求選用防凍液，應(yīng)選用含量不超過(guò)0.10%的低硅酸鹽防凍液，比例配置要適當(dāng)，以減少沉淀量。

3、水溫的影響

      當(dāng)水溫在40~71℃時(shí)，溶解于水中的空氣增多，容易產(chǎn)生空氣泡，而且在冷卻液溫度未達(dá)到71℃以前，腐蝕量隨溫度升高而增加。這種狀態(tài)恰好是柴油機(jī)處于氣蝕最嚴(yán)重的低溫狀態(tài)。

4、冷卻系統(tǒng)積垢過(guò)多

      在冷卻系統(tǒng)中，化學(xué)添加劑久用沉淀，防凍液長(zhǎng)期使用變質(zhì)，燃油、潤(rùn)滑油等有害物質(zhì)浸入等都會(huì)造成水道積垢增多，使水套局部變窄，狹窄處水流速度加快，壓力降低，致使空氣泡容易產(chǎn)生和破裂，氣缸套氣蝕加快。因此，若發(fā)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)積垢過(guò)多或機(jī)油冷卻器滲入潤(rùn)滑油，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行清洗。

5、油液質(zhì)量

       如果油液抗泡沫性差，易于汽化并形成泡沫，就容易引起氣蝕。

6、油位過(guò)高或過(guò)低

       油位過(guò)高，油液受柴油機(jī)攪拌而易使氣體溶在油液內(nèi)；油位過(guò)低，工作泵易吸入空氣導(dǎo)致循環(huán)油液流量不足，加大了油液中空氣或水形成氣泡的機(jī)率，這些氣泡流到高壓區(qū)會(huì)迅速破裂從而產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。

7、空氣和水分侵入油液

      侵入油液系統(tǒng)的空氣和水分愈多，產(chǎn)生氣蝕的范圍愈廣。空氣侵入的渠道主要是泵的吸油口及管接頭處因密封不嚴(yán)，導(dǎo)致空氣進(jìn)入系統(tǒng)。水分侵入的主要渠道是怕冷卻器內(nèi)漏。

8、使用條件

      柴油發(fā)電機(jī)的工作過(guò)程粗暴，特別是柴油機(jī)，最大爆發(fā)壓力大，引起側(cè)向敲擊力相應(yīng)增大，從而引起氣蝕增加。

9、材質(zhì)硬度低

       氣蝕原因之一是由于所用的金屬材料硬度較低。在燃油系統(tǒng)中較硬的元件如噴油器針閥偶件上出現(xiàn)氣蝕的情況相對(duì)少一些。但在某些場(chǎng)合中氣蝕也可能使噴油器針閥偶件在運(yùn)行幾十小時(shí)后損壞。而噴油器針閥閥線的氣蝕會(huì)破壞噴油器針閥偶件的密封性能，造成霧化不良滴油甚至不霧化，從而使柴油發(fā)電機(jī)燃燒狀態(tài)惡化，油耗量增加，嚴(yán)重的影響柴油發(fā)電機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，可靠性和耐久性。

 

圖1  柴油機(jī)氣蝕形成原因

圖2  柴油機(jī)氣缸套穴蝕現(xiàn)象

 

二、燃油系統(tǒng)氣蝕現(xiàn)象分析

 

      氣蝕破壞是物理效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)的綜合結(jié)果。但是主要還是物理效應(yīng)。柴油發(fā)電機(jī)在工作時(shí)，高壓油泵的瞬時(shí)供油量和油壓都是在變化的。其變化規(guī)律取決于供油凸輪的型線。我們知道燃油是有可壓縮性的，由于燃油的可壓縮性，高壓油泵柱塞產(chǎn)生的壓力是通過(guò)高壓管并且以壓力波的形式在高壓油泵柱塞偶件和噴油器針閥偶件之間傳播的。若此時(shí)，壓力波不足以使噴油器針閥偶件的針閥升起時(shí)，所產(chǎn)生的壓力波便全部反射回高壓油管的內(nèi)部，并且與高壓油泵新產(chǎn)生的壓力波疊加后重新向噴油器的針閥偶件傳播。如此往復(fù)傳播，直到針閥開(kāi)啟，噴油終了為止。因此在噴油過(guò)程中，高壓油管內(nèi)各斷面的油壓是隨著時(shí)間的變化而變化的。當(dāng)燃油系統(tǒng)中任何一點(diǎn)的壓力下降到等于或低于該溫度下的燃油蒸汽壓力時(shí)便形成氣泡。隨后由于氣泡外邊的燃油壓力高，氣泡周圍燃油表面張力低，氣泡外面的燃油就有向氣泡中心加速前進(jìn)的趨勢(shì)，并且有一定的動(dòng)能，氣泡在正壓力波作用下就破裂。破裂時(shí)被壓縮的氣泡凝結(jié)成少量的燃油，同時(shí)產(chǎn)生非常高的壓力，使金屬表面造成脫落形成麻點(diǎn)，即出現(xiàn)氣蝕。隨后形成不規(guī)則的凹槽。這樣周而復(fù)始，就會(huì)使金屬表面遭受破壞。

      燃油系統(tǒng)中的高壓油泵柱塞、出油閥、噴油器針閥和高壓油管均有氣蝕發(fā)生。燃油系統(tǒng)中因噴油需要產(chǎn)生瞬時(shí)高壓和瞬時(shí)低壓。噴油時(shí)系統(tǒng)中處于高壓供油，噴油終了會(huì)使系統(tǒng)內(nèi)油壓驟然降低。此外，隨著柴油機(jī)強(qiáng)載程度不斷提高，燃油噴射壓力和噴油率也相應(yīng)提高。高的噴射壓力容易引起二次噴射使柴油機(jī)性能下降，并造成系統(tǒng)的氣蝕。燃油系統(tǒng)中的氣蝕有以下兩種：

1、波動(dòng)穴蝕

      主要發(fā)生在高壓油管上。燃油系統(tǒng)中的高壓燃油流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生和傳播壓力波，特別是噴射終了時(shí)會(huì)使某些部位壓力變化很大，甚至產(chǎn)生負(fù)壓力波，導(dǎo)致氣泡產(chǎn)生，高壓時(shí)又使氣泡潰滅產(chǎn)生氣蝕，稱為波動(dòng)氣蝕。柴油機(jī)低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)波動(dòng)氣蝕較為嚴(yán)重。

2、流動(dòng)穴蝕

      主要發(fā)生在高壓油泵柱塞螺旋槽附近和噴油器針閥截面變化處。燃油系統(tǒng)中，高壓燃油流經(jīng)通道截面變化處產(chǎn)生強(qiáng)烈節(jié)流，壓力下降并形成氣泡，隨后的壓力升高又使氣泡潰滅而發(fā)生氣蝕，稱為流動(dòng)氣蝕。柴油機(jī)高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)節(jié)流作用增大使氣蝕更加嚴(yán)重。

      燃油系統(tǒng)中不適當(dāng)?shù)膲毫Σ▌?dòng)引起氣蝕，而壓力波動(dòng)主要由于卸載不當(dāng)引起。所以目前對(duì)此進(jìn)行大量的研究，仿真模擬如圖4所示。例如采用緩沖型出油閥、等壓出油閥、控制節(jié)流和階梯型螺旋槽柱塞、雙錐型針閥等。此外，對(duì)容易氣蝕部位采用保護(hù)性措施等。

 

圖3  柴油機(jī)零件表面缺陷穴蝕氣泡模擬仿真圖

圖4  柴油機(jī)高壓鑄造零件的穴蝕氣泡模擬仿真圖

 

三、防止氣蝕破壞的措施

 

      由于康明斯燃油噴射系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系復(fù)雜，引起氣蝕的因素很多。所以防止氣蝕必須從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，材質(zhì)，熱處理，加工精度，燃油噴射系統(tǒng)匹配及使用部門的維護(hù)保養(yǎng)和檢修等方面來(lái)綜合考慮采取措施。

1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)

      供油凸輪型面的優(yōu)化設(shè)計(jì)合理設(shè)計(jì)供油凸輪型面，使之適應(yīng)瞬時(shí)間供油量和油壓的變化規(guī)律。

2、采用工藝堵

      當(dāng)前在一些高壓油泵的泵體上采用工藝堵來(lái)抗氣蝕，延長(zhǎng)高壓油泵的使用壽命；采用高強(qiáng)度合金材料在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)上采用高強(qiáng)度合金材料，防止對(duì)配件產(chǎn)生氣蝕。

3、采用緩沖型出油閥

      緩沖型出油閥是在原下置等容卸載結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的。出油閥座面的下部增加了直徑6毫米的阻尼圓柱，出油閥落座之前，卸載凸緣進(jìn)入導(dǎo)向中孔之后，閥體內(nèi)的燃油處于某種程度的密封狀態(tài)，燃油的排泄只能通過(guò)6毫米和14毫米兩處的配合間隙。利用燃油的阻尼作用，減緩出油閥落座速度，降低供油終了后的系統(tǒng)內(nèi)回油速度。同時(shí)還可收到減少壓力波震蕩的幅度，減輕二次噴射的效果。使噴油器針閥偶件氣蝕減輕。

4、采用壓力卸載式出油閥

      目前東風(fēng)康明斯柴油發(fā)動(dòng)機(jī)使用的就是這種出油閥。它是用看來(lái)控制兩次噴射之間泵體所保存的系統(tǒng)壓力，防止在噴射后燃油從噴油器逆流。出油閥設(shè)有順流閥和逆流閥各一個(gè)。它能保證在柴油發(fā)電機(jī)全部工況下高壓燃油管內(nèi)的剩余壓力保持恒定。不受柴油發(fā)電機(jī)的負(fù)荷及轉(zhuǎn)速的影響，可以改善部分負(fù)荷時(shí)的柴油發(fā)電機(jī)性能，改善噴油器的使用壽命；使用部門的措施使用部門的細(xì)心維護(hù)和精心保養(yǎng)與嚴(yán)格的檢修也是保證減少氣蝕的必不可少的條件。

5、噴油器偶件材料的選擇

       隨著柴油發(fā)電機(jī)功率等級(jí)和強(qiáng)化程度的提高，噴油器偶件的材料選擇成為一個(gè)重要課題。因?yàn)檎骈y體的選材與其在柴油發(fā)電機(jī)中的工作溫度有及為密切的關(guān)系。以上這些是有關(guān)設(shè)計(jì)部門和生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)配件時(shí)采取的防氣蝕的必要措施。

6、保證活塞與缸套的配合間隙

      柴油機(jī)廠家說(shuō)明書規(guī)定活塞裙部的上部與氣缸間隙為0.27～0.34mm,下部與氣缸間隙為0.24～0.31mm，只能供修理時(shí)參考。因?yàn)槟壳坝脩羲褂玫母滋滓话阋M(jìn)行選擇，如硼鑄鐵缸套、釩欽鑄鐵缸套等，其膨脹系數(shù)不等，裝配時(shí)的實(shí)際攝氏溫度也不相同，再加上老缸體變形基本穩(wěn)定以及加工精度和裝配質(zhì)量有差異等，所以不能把上述間隙作為公式導(dǎo)用。我們?cè)趯?shí)際修理中建議把活塞裙部的上部與氣缸間隙改為0.28～0.30mm，下部與氣缸間隙改為0.25～0.27mm，能使缸套氣蝕有所減輕。一旦發(fā)現(xiàn)輕微氣蝕，可將缸套安裝方向調(diào)轉(zhuǎn)90°（即將被氣蝕表面轉(zhuǎn)到與連桿擺動(dòng)面的垂直方向，繼續(xù)使用）。

7、改善冷卻水在水套中的流動(dòng)

      冷卻水流應(yīng)該是暢通的，不存在“死水區(qū)”、“渦流區(qū)”和局部狹窄處。最好采用切向進(jìn)水口，因?yàn)槔鋮s水切向流動(dòng)會(huì)使空泡離開(kāi)缸套表面附近的強(qiáng)烈振動(dòng)區(qū)。由于空泡破滅時(shí)已隨水流而去，沒(méi)有足夠的時(shí)間擠人氣缸套外壁的微小針孔中去，因而不致產(chǎn)生嚴(yán)重的氣蝕。如一柴油機(jī)最初使用700h就發(fā)現(xiàn)氣缸套氣蝕穿孔，后將水夾層最窄處加寬，并將機(jī)體兩端處進(jìn)水改為每缸獨(dú)立切向進(jìn)水，氣蝕破壞情況有了顯著改善。此外，提高冷卻水溫對(duì)減輕氣蝕有一定好處。當(dāng)水溫為55℃時(shí)最為不利，85℃左右較好。

8、氣缸套外表面加覆蓋層

      如圖5所示。在氣缸套外表面鍍一層厚約0.02～0.03mm的乳白色鍍鉻層，可以有效地防止氣蝕。因?yàn)殄冦t層具有較高的機(jī)械性能和良好的耐腐蝕能力，故能抵制氣蝕和電化學(xué)腐蝕。但鉻鍍層不宜太厚，否則會(huì)因振動(dòng)而碎裂并剝落。硬的光澤鉻層由于脆性大及存在有細(xì)微裂紋，是不能可靠地防護(hù)氣缸套的，因此不宜使用。此外，鍍鉻工藝較復(fù)雜、成本高，質(zhì)量不易保證，再兼之對(duì)環(huán)境有一定污染，使之在應(yīng)用上受到一定限制。 在氣缸套外表面涂敷環(huán)氧酚醛樹(shù)脂，可以吸收空泡的沖擊能量，也可減輕氣蝕破壞。但缺點(diǎn)是脆性較大，不能長(zhǎng)期地保留在表面上。 在氣缸套外表面易發(fā)生氣蝕處包裹鋅帶、電鍍鍋欽合金層，實(shí)踐表明頗有成效。 氣缸套外表面進(jìn)行滲氮、擴(kuò)滲鉻一錳處理，亦能取得較好的防氣蝕效果。即使氣缸套外圓表面上不作任何覆蓋層，如能降低其表面粗糙度，就能使其材料得以改善，如：使其材料中的石墨呈片狀或球狀而非細(xì)碎的，也可提高其自身的抗氣蝕能力。

9、利用最新環(huán)保技術(shù)

      結(jié)構(gòu)如圖6所示?？寡ㄎg的環(huán)保型氣缸套通過(guò)水道壁增強(qiáng)設(shè)計(jì)及氣缸套支撐肩下端面增加銅墊兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加了氣缸套整體剛度，減小了氣缸套工作時(shí)振動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)來(lái)抗穴蝕，能夠使燃油燃燒充分，減少積碳及減少由于積碳引起的磨粒磨損，延長(zhǎng)了內(nèi)燃機(jī)的使用壽命。而且上述兩種設(shè)計(jì)都是在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)。

圖5  氣缸套表面硬化處理

圖6  抗穴蝕的環(huán)保型氣缸套

 

總結(jié)：

      因柴油發(fā)電機(jī)液壓元件精度高、相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件間配合問(wèn)隙小，產(chǎn)生氣蝕后會(huì)導(dǎo)致配合表面變黑甚至出現(xiàn)小坑使閩芯卡住，壓力失調(diào)。缸套氣蝕較重時(shí)，受損區(qū)會(huì)出現(xiàn)較深的形狀不規(guī)則的凹點(diǎn)，就好像缸套表面被強(qiáng)酸腐蝕過(guò)一樣；氣蝕現(xiàn)象最嚴(yán)重時(shí)，四點(diǎn)會(huì)穿透缸套壁，使機(jī)體內(nèi)的冷卻液體進(jìn)入氣缸，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生嚴(yán)重事故。氣蝕與其他型式的腐蝕聯(lián)合作用時(shí)，損壞速度將成倍乃至幾十倍地增長(zhǎng)。通過(guò)對(duì)高強(qiáng)化柴油發(fā)電機(jī)出現(xiàn)的氣蝕顯現(xiàn)，氣蝕類型，氣蝕原因等進(jìn)行的系統(tǒng)分析中可以看到，防止燃油噴射系統(tǒng)的氣蝕可通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改變，材料，熱處理，制造精度和使用單位的檢修和維護(hù)保養(yǎng)等五個(gè)方面綜合治理來(lái)提高柴油機(jī)性能，經(jīng)濟(jì)性，可靠性和耐久性。

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