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故障檢修與技術(shù)維護(hù) |
柴油發(fā)電機(jī)缸蓋裂紋故障查找步驟和修復(fù)法 |
摘要：柴油機(jī)的氣缸蓋是重要的分部件之一，其主要作用是與氣缸配合形成活塞的做工空間，同時(shí)還需要為柴油機(jī)的冷卻、潤(rùn)滑、進(jìn)排氣及噴油系統(tǒng)等提供基座的位置。在柴油機(jī)工作過(guò)程中，由于冷卻系統(tǒng)的存在，氣缸蓋本身受熱極不均勻，熱載荷較大，因此，氣缸蓋所處的是相當(dāng)惡劣的高溫高壓環(huán)境，同時(shí)氣缸蓋緊固螺栓及其它安裝螺栓都有較大的預(yù)緊力。綜上原因，柴油機(jī)氣缸蓋的主要故障就是變形和裂紋現(xiàn)象，因此，研究氣缸蓋裂紋產(chǎn)生的原因和維修方法，可避免事故的產(chǎn)生，對(duì)提高柴油機(jī)的使用效率大有裨益?？得魉构驹诒疚闹幸阅秤脩舻母咨w裂紋事故為例，逐步介紹該類型故障額查找方法和診斷結(jié)果。
一、缸蓋發(fā)生裂紋的原因和確定方法
在此以常用的某型小功率康明斯柴油機(jī)為例，外形模擬圖如圖1、圖2所示。氣缸蓋通過(guò)缸蓋螺母以一定扭矩緊固在機(jī)體上，一般為120~140Nm，進(jìn)排氣道占據(jù)了大部分空間，冷卻水道與機(jī)體水道相通。上平面傾斜5°以使氣缸內(nèi)的機(jī)油通過(guò)挺桿孔回流油底殼。上部進(jìn)、排氣閥座，保證進(jìn)、排氣門(mén)的正常工作。內(nèi)部存在一個(gè)渦流腔，其底部有渦流腔鑲塊，通過(guò)該鑲塊上一個(gè)傾斜40°左右的孔，使得渦流腔與氣缸相通。一個(gè)2mm的錐形孔正對(duì)噴油嘴，提升啟動(dòng)性能。據(jù)數(shù)據(jù)表明，氣缸蓋裂紋一般出現(xiàn)在氣門(mén)座圈周?chē)?，如裂紋寬度不超過(guò)0 5 mm，仍可繼續(xù)使用。
1、裂紋產(chǎn)生的原因
發(fā)生原因大多由于氣缸蓋處于高溫有關(guān)，具體原因如下。
（1）氣缸墊沒(méi)有很好地安裝在氣缸蓋與氣缸體之間。其間的孔位沒(méi)有很好地對(duì)準(zhǔn)，降低了冷卻水的流量，從而影響冷卻效果，使冷卻水溫度很高，導(dǎo)致機(jī)體溫度升高。
（2）使用中當(dāng)機(jī)器溫度較高的情況下，更換冷卻水，由于劇冷、劇熱，最易引起氣缸蓋裂紋的發(fā)生。因此必須注意在機(jī)溫很高時(shí)不許向發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)加入冷水。嚴(yán)禁先啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，再加入冷卻水。
（3）產(chǎn)生裂紋部位的壁厚單薄，設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足。
（4）經(jīng)常性供油時(shí)間太遲或過(guò)早，易使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生早燃和爆燃，從而導(dǎo)致氣缸蓋底面溫度升高。
（5）產(chǎn)生裂紋的部位水道過(guò)窄或拐角過(guò)小，冷卻水循環(huán)緩慢，散熱不良，在冷熱不均時(shí)，膨脹不一致引起氣缸蓋裂紋。
（6）冷卻水內(nèi)含堿性較大，水套內(nèi)易產(chǎn)生水垢而又沒(méi)有及時(shí)按規(guī)定保養(yǎng)。由于水垢等原因，更加降低了冷卻系統(tǒng)的效能，從而容易引起氣缸蓋裂紋。如氣缸蓋內(nèi)積1 mm厚的水垢，氣缸蓋底面的溫度約升高170℃。這樣就會(huì)引起局部更大的熱應(yīng)力集中，加速氣缸蓋裂紋的產(chǎn)生。
（7）氣缸蓋或氣缸體在鑄造制成后，由于沒(méi)能很好地進(jìn)行時(shí)效處理，消除內(nèi)應(yīng)力，致使缸蓋和缸體內(nèi)部存在著很大的內(nèi)應(yīng)力，使氣門(mén)座之間部位產(chǎn)生裂紋。
2、氣缸蓋裂紋區(qū)的確定方法
用金屬物件輕輕敲擊，如發(fā)出的聲音不清脆而沙啞，則有裂紋。然后進(jìn)行仔細(xì)察看，找到裂紋的范圍。如還找不到可利用專門(mén)的設(shè)備進(jìn)行水壓試驗(yàn)，加壓后滲水的部位即為裂紋所在位置。如果沒(méi)有專門(mén)設(shè)備，可將75%的機(jī)油和25％的煤油混合液涂抹在待檢查的部位，然后用干棉絮將混合液擦掉，并立即涂上一層氧化鋅甲醇溶液，溶液改變顏色的地方即為裂紋所在地。
水壓試驗(yàn)方法：在給汽缸體或汽缸蓋進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，先將汽缸體上的水管接頭、水套孔用木塞和專用蓋板堵住，把其中的一個(gè)水管接頭用皮管接出。向水套內(nèi)部加滿水后，用高壓水槍或高壓氣筒（或氣泵）向汽缸體內(nèi)部加壓。若用高壓氣簡(jiǎn)或氣泵時(shí)，為了防止水氣倒流，要在管路中加裝單向閥，單向閥一般加裝在充氣軟管和汽缸體水管接頭之間。在沒(méi)有專用蓋扳或術(shù)塞的情況下對(duì)汽缸蓋進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，也可以用幾個(gè)人的手指堵塞汽缸蓋水道孔。
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圖1 柴油機(jī)缸蓋模型立面圖 |
圖2 柴油機(jī)缸蓋模型側(cè)視圖 |
二、缸蓋裂紋的修復(fù)方法和試驗(yàn)
1、修復(fù)缸蓋裂紋的措施
氣缸體、氣缸蓋裂紋與破裂的修理方法有粘結(jié)、焊接和螺釘填補(bǔ)等多種。具體采用哪種方法應(yīng)根據(jù)裂紋大小、程度和部位確定。當(dāng)遇到缸蓋上的穿透性裂紋和關(guān)鍵部位的嚴(yán)重裂紋都必須更換缸蓋，并清洗水套后裝機(jī)試機(jī)后，故障排除。
（1）粘結(jié)法
大部分裂紋可采用粘結(jié)法修復(fù)。常采用環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)，它具有粘結(jié)力強(qiáng)、收縮小、耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)工藝簡(jiǎn)單、操作方便、成本低。其主要缺點(diǎn)是不耐高溫，不耐沖擊等，而且在下一次修理時(shí)，經(jīng)熱堿水煮洗后會(huì)脫落，需重新粘接。所以，除燃燒室、氣門(mén)座等高溫區(qū)域外，其余部位均可采用這種方法。對(duì)破洞和裂紋集中部位，可采用補(bǔ)板加環(huán)氧樹(shù)脂法修理。用螺釘固定補(bǔ)板，其間涂以環(huán)氧樹(shù)脂，以確保密封。
（2）焊接
焊接可分為冷焊和熱焊兩種。熱焊時(shí)，將工件預(yù)熱到327-427℃進(jìn)行焊接。焊縫金屬冷卻緩慢，零件冷卻時(shí)各處溫差小，不易形成較大內(nèi)應(yīng)力，可防止零件產(chǎn)生白口鐵組織和裂紋。但熱焊易產(chǎn)生變形，工藝復(fù)雜。冷焊一般不預(yù)熱。目前，隨著冷焊質(zhì)量可靠性的提高，在氣缸體、氣缸蓋裂紋的修理中，得到廣泛應(yīng)用。
（3）堵漏劑堵漏
堵漏劑是修補(bǔ)氣缸漏水的一種新材料。它是由水玻璃、無(wú)機(jī)聚沉劑、有機(jī)絮凝劑、無(wú)機(jī)填充劑和粘結(jié)劑組成的膠狀液體，適用于鑄鐵、鋁缸體所出現(xiàn)的裂紋、砂眼等缺陷的堵漏。
（4）打磨法
裂紋微小時(shí)采用銼刀、油石和風(fēng)砂輪等工具打磨裂紋處予以消除，經(jīng)無(wú)損探傷或水壓試驗(yàn)檢驗(yàn)合格后繼續(xù)使用。否則，繼續(xù)打磨、檢驗(yàn)。若裂紋較深達(dá)壁厚的3%以上時(shí)，停止打磨改用其他方法修理或報(bào)廢換新。
（5）金屬扣合法
氣缸蓋底面和其他部位的裂紋采用金屬扣合法修理，不僅零件的強(qiáng)度要求，還可滿足密封性要求。
（6）鑲套修理
對(duì)于孔壁上的裂紋，如氣缸蓋上的進(jìn)、排氣閥孔壁和噴油器孔壁的裂紋采用鑲套修理。此法效果好，可使零件繼續(xù)使用2年以上的時(shí)間。襯套的材料一般為不銹鋼或青銅、襯套端部與閥孔底部間墊以紫鋼墊片以增強(qiáng)密封性。
（7）覆板修理
氣缸蓋外表面裂紋可采用覆板修理。修理時(shí)，先在裂紋兩端鉆止裂孔，涂膠粘劑(如環(huán)氧樹(shù)脂)后將鋼板覆蓋其上，用螺釘將鋼板固緊在氣缸蓋上。
2、焊后加工及試驗(yàn)
在臥式萬(wàn)能銑床上以缸蓋上平面定位，先后用粗齒和細(xì)齒主銑刀加工，將焊縫銑平，然后進(jìn)行研磨。
磨料為鋼玉和碳化硅，粗研為60～100#，精研為150～240#，研磨劑可用潤(rùn)滑油、煤油、汽油；研具用鑄鐵、夾布膠木、紫銅、青銅等。研磨余量為0.02～0.03mm。研磨不但能提高焊縫表面質(zhì)量，提高光潔度，還能夠提高缸蓋平面度，增加與缸體連接的密合性，防止漏水、漏汽。經(jīng)過(guò)修復(fù)后，對(duì)缸蓋進(jìn)行檢驗(yàn)、測(cè)量，裝配后以0.4～0.45MPa壓力進(jìn)行5min水壓試驗(yàn)無(wú)泄漏，試車(chē)發(fā)動(dòng)容易，排氣聲響正常，功率充足，正常投入生產(chǎn)。
三、缸蓋裂紋故障案例
1、故障現(xiàn)象
一臺(tái)NTA855型康明斯柴油機(jī)售于深圳某工廠，工作過(guò)程中出現(xiàn)冷卻液溫度過(guò)高的故障。停機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)散熱器中冷卻液不足。加足冷卻液后，故障消除但運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間，故障再次出現(xiàn)。停機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)散熱器中冷卻液又少了很多。
2、故障查找分析
（1）發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部泄漏檢查
先旋下放油螺塞，因冷卻液密度比潤(rùn)滑油大，若有冷卻液泄漏，冷卻液便會(huì)先流出來(lái)或流出冷卻液與機(jī)油的乳狀混合物；也可抽出機(jī)油標(biāo)尺，查看油標(biāo)尺有無(wú)水珠。然后檢查機(jī)油冷卻交換器的水道與油道之間有無(wú)泄漏，可將交換器放在水中，用手動(dòng)壓力器進(jìn)行壓力檢測(cè)。最后進(jìn)行柴油發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)內(nèi)部泄漏試驗(yàn)，在散熱器上接上壓力檢測(cè)器，起動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)，如果壓力迅速上升，表明氣缸損壞或氣缸體破裂產(chǎn)生泄漏；如果壓力不上升，用壓力檢測(cè)器加壓，若壓力指針不斷擺動(dòng)，表明柴油發(fā)電機(jī)在燃燒時(shí)或壓縮時(shí)，冷卻系統(tǒng)發(fā)生了泄漏。此時(shí)若拆下壓力檢測(cè)器，高速運(yùn)轉(zhuǎn)柴油發(fā)電機(jī)，會(huì)發(fā)現(xiàn)冷卻液冒出氣泡，此時(shí)，應(yīng)更換氣缸或氣缸體（全新的康明斯缸蓋模型如圖3所示）。
（2）拆下氣門(mén)室罩蓋檢查
發(fā)現(xiàn)缸蓋上面有少量白色泡沫，而機(jī)油無(wú)明顯增加，說(shuō)明有少量冷卻液泄漏到潤(rùn)滑油中，以上現(xiàn)象說(shuō)明冷卻液是蒸發(fā)掉了，即可能是氣缸蓋或者缸套等部件有裂紋，導(dǎo)致在進(jìn)氣沖程中，氣缸內(nèi)形成負(fù)壓，冷卻液由裂紋進(jìn)入氣缸，而壓縮和做功沖程中，部分冷卻液在高溫的作用下汽化。在排氣沖程中，大量汽化了的冷卻液排入大氣，致使冷卻液消耗過(guò)量，而殘留的少量冷卻液沿氣缸壁流入油底殼，導(dǎo)致潤(rùn)滑油中有少量冷卻液而產(chǎn)生肉色泡沫。
（3）對(duì)缸蓋和缸套進(jìn)行檢查
拆下氣缸蓋后，發(fā)現(xiàn)第1缸積炭嚴(yán)重，活塞頂部有水，說(shuō)明渡缸有冷卻液泄漏現(xiàn)象，但是檢查缸套時(shí)卻沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋。對(duì)缸蓋進(jìn)行水壓試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有水從第1缸排氣門(mén)處流出。拆廠排氣門(mén)時(shí)，發(fā)現(xiàn)缸蓋上的氣門(mén)座附近有一條清晰可見(jiàn)的裂紋，如圖4所示。因此，試驗(yàn)表明冷卻液就是從這里泄漏的。檢查缸蓋時(shí)，發(fā)現(xiàn)水套內(nèi)壁有厚厚的一層水垢。分析認(rèn)為，由于排氣門(mén)座附近溫度高、散熱條利差、結(jié)構(gòu)單薄，而水垢的隔熱作用使散熱條件進(jìn)一步惡化，因而在應(yīng)力集中的作用下產(chǎn)生了裂紋。
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圖3 柴油機(jī)全新缸蓋模型斜視圖 |
圖4 柴油機(jī)氣缸蓋裂紋現(xiàn)象示例圖 |
總結(jié)：
柴油機(jī)氣缸蓋的作用是密封氣缸，并同活塞共同組成燃燒室。氣缸蓋工作條件惡劣，受力情況復(fù)雜。它不僅受到燃燒室燃?xì)馊紵l(fā)出的爆發(fā)力的強(qiáng)烈作用，也受到因冷卻水造成的局部冷熱不勻影響，是一個(gè)較易損壞的零件。造成氣缸體和氣缸蓋裂紋的原因既有結(jié)構(gòu)不合理、材料和制造工藝的問(wèn)題，也有使用、維護(hù)不當(dāng)?shù)膯?wèn)題。氣缸蓋破裂對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和可靠性都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此在使用和維護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)注意保持正常的工作溫度、定期檢查冷卻系統(tǒng)、正確安裝和緊固零部件，并使用合適的冷卻液，以預(yù)防氣缸蓋破裂的發(fā)生。
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