淺析柴油機(jī)氣缸套穴蝕和斷裂的形成及預(yù)防措施

曾惠敏

摘要：氣缸套穴蝕、斷裂是柴油機(jī)工作中常常出現(xiàn)的故障，為了減少氣缸套出現(xiàn)穴蝕和斷裂，降低柴油機(jī)故障率，減少用戶經(jīng)濟(jì)損失，文章對(duì)氣缸套穴蝕和斷裂故障的形成進(jìn)行了分析，并提出了有效預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞：氣缸套;穴蝕;斷裂;預(yù)防措施

0 ?引言

柴油機(jī)的應(yīng)用十分普遍，廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械、交通運(yùn)輸、船舶動(dòng)力、發(fā)電機(jī)組等領(lǐng)域。氣缸套作為柴油機(jī)的核心零件之一，對(duì)柴油機(jī)的動(dòng)力性能，尾氣排放有著重要的影響，決定了柴油機(jī)的可靠性和使用壽命。氣缸套常見的故障形式有磨損、拉缸、穴蝕、斷裂等，筆者主要針對(duì)氣缸套的穴蝕和斷裂故障進(jìn)行探討，分析其產(chǎn)生機(jī)理、原因并提出有效的預(yù)防措施。

1 ?穴蝕

柴油機(jī)工作過程中，濕式氣缸套外表面與冷卻液接觸的局部位置，會(huì)出現(xiàn)呈蜂窩狀密集的針狀孔洞，這種現(xiàn)象稱為“穴蝕”。穴蝕現(xiàn)象產(chǎn)生的孔洞，外表面清潔干凈，沒有腐蝕生成物覆蓋。隨著時(shí)間的推移，這些針狀孔洞逐漸擴(kuò)大、加深，最終發(fā)展成深孔或者裂紋，甚至穿透氣缸套外壁，造成柴油機(jī)故障，給用戶帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失。如圖1所示，氣缸套產(chǎn)生了穴蝕現(xiàn)象。

氣缸套穴蝕區(qū)域主要分布情況：①連桿擺動(dòng)平面的兩側(cè)，易形成帶狀的深孔群，其中在活塞主推力一側(cè)特別嚴(yán)重;②冷卻水入口處，水流轉(zhuǎn)向處以及水套狹窄處，易形成蜂窩狀孔洞;③氣缸套支承以及上、下配合密封處附近，易形成蠕蟲狀、條狀凹坑。

1.1 穴蝕產(chǎn)生機(jī)理

空泡腐蝕：發(fā)動(dòng)機(jī)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)受側(cè)推力的作用，反復(fù)地撞擊氣缸套內(nèi)表面，使氣缸套產(chǎn)生高頻振動(dòng)。由于氣缸套的高頻振動(dòng)，氣缸套不斷地產(chǎn)生向外彎曲和向內(nèi)收縮的變形，使得氣缸套外壁的冷卻水，時(shí)而產(chǎn)生壓縮，時(shí)而產(chǎn)生拉伸。當(dāng)冷卻水受拉伸時(shí)，壓力急劇降低，低到該水溫對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓時(shí)，引起冷卻水氣化產(chǎn)生大量的氣泡，附著在氣缸套外壁上。當(dāng)冷卻水受壓縮時(shí)，產(chǎn)生瞬時(shí)高壓，導(dǎo)致氣泡潰滅，氣泡潰滅時(shí)對(duì)氣缸套外壁造成局部高溫高壓的沖擊。周而復(fù)始的沖擊，造成氣缸套表面金屬疲勞而剝落，逐漸形成針孔狀孔洞。

電化學(xué)腐蝕：氣缸套一般采用鑄鐵制造，而冷卻水中含有一定的雜質(zhì)、氧氣等，在一定的條件下容易形成電化學(xué)腐蝕。另外，由于空泡腐蝕使得氣缸套表面金屬剝落形成孔洞，露出了金屬本體，破壞了氣缸套表面的氧化層，加速了電化學(xué)腐蝕。電化學(xué)腐蝕導(dǎo)致金屬表面疏松，又加速了空泡腐蝕下金屬剝落的破壞。

氣缸套穴蝕的形成是一個(gè)很復(fù)雜的過程，不僅有空泡腐蝕、電化學(xué)腐蝕，還有化學(xué)腐蝕、沖刷腐蝕等，它們相互影響，相互促進(jìn)，加速了氣缸套的穴蝕破壞。

1.2 預(yù)防措施

1.2.1 減輕氣缸套的振動(dòng)

①盡量減小氣缸套與活塞的配合間隙，有利于降低柴油機(jī)運(yùn)行中活塞對(duì)氣缸套內(nèi)壁的沖擊能量，從而達(dá)到減輕氣缸套振動(dòng)的目的。

②合理增加氣缸套壁厚，以提高氣缸套自振頻率，提高氣缸套自身剛度。

③適當(dāng)減小氣缸套與缸體上、下支承之間的跨距，減小氣缸套上、下腰帶與缸體的配合間隙，以提高氣缸套的支承剛度。

1.2.2 改善冷卻系統(tǒng)

①合理設(shè)計(jì)冷卻水腔結(jié)構(gòu)，保證水腔寬度≥10mm，避免出現(xiàn)局部狹窄區(qū)、滯流區(qū)和渦流區(qū)。

②向冷卻水中加入添加劑，如：無機(jī)緩蝕劑、乳化防銹油等，可以在氣缸套外表面形成保護(hù)膜，不僅能夠有效預(yù)防電化學(xué)腐蝕，還可以減緩、減輕穴蝕破壞。

③采用閉式冷卻系統(tǒng)，實(shí)踐證明控制冷卻水的溫度在80-90℃范圍內(nèi)，壓力在100-120KPa范圍內(nèi)，穴蝕不易發(fā)生。

1.2.3 改善氣缸套材質(zhì)

改變柴油機(jī)氣缸套傳統(tǒng)的鑄鐵材料，采用石墨形態(tài)好、金相組織均勻致密的合金鑄鐵材質(zhì)。合金鑄鐵材質(zhì)可以提高氣缸套的耐熱性、耐磨性和耐腐蝕性，能夠提高氣缸套的抗穴蝕能力，提高氣缸套的使用性能。

1.2.4 增加氣缸套外表面保護(hù)

對(duì)氣缸套外表面進(jìn)行保護(hù)處理，如采用鍍鉻、氮化、磷化、涂敷環(huán)氧酚醛樹脂、涂油漆等方式，在氣缸套外表面形成強(qiáng)化層或者保護(hù)層，有效提高氣缸套抗腐蝕、抗穴蝕能力，延長(zhǎng)氣缸套使用壽命。

2 ?斷裂

氣缸套作為柴油機(jī)的核心零件之一，其工作環(huán)境十分惡劣。氣缸套內(nèi)表面不僅要承受燃燒高溫高壓的作用，還要承受活塞的側(cè)推力、滑動(dòng)摩擦力的作用，而外表面往往與冷卻水接觸，當(dāng)溫差較大時(shí)，氣缸套內(nèi)、外表面容易產(chǎn)生嚴(yán)重的熱應(yīng)力。另外，氣缸套還需要承受安裝缸蓋時(shí)傳遞給氣缸套的安裝預(yù)緊力。當(dāng)氣缸套因?yàn)榉N種原因，不能滿足這些使用條件時(shí)，容易在支承肩下方退刀槽處產(chǎn)生疲勞破壞，造成氣缸套支承肩斷裂，導(dǎo)致柴油機(jī)發(fā)生故障。如圖2所示，氣缸套出現(xiàn)了支承肩斷裂故障。

2.1 斷裂產(chǎn)生的原因

2.1.1 毛坯鑄造時(shí)產(chǎn)生缺陷

在鑄鐵中加入適量的合金元素，可以提高氣缸套材質(zhì)的使用性能。如果材料化學(xué)元素成分控制不當(dāng)，易導(dǎo)致毛坯材質(zhì)機(jī)械性能不符合發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要求，氣缸套使用中很可能產(chǎn)生斷裂。另外，如果鑄造工藝控制不好，易造成石墨粗大、超長(zhǎng)，或產(chǎn)生過冷石墨，硬質(zhì)相嚴(yán)重偏析等，均會(huì)降低材料的抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致氣缸套出現(xiàn)斷裂。

2.1.2 機(jī)械加工時(shí)產(chǎn)生缺陷

①氣缸套支承肩下端面與氣缸套外圓連接處設(shè)計(jì)有退刀槽，退刀槽與支承肩下端面為圓弧過渡。若加工過渡圓弧R半徑過大，會(huì)與缸體缸孔倒角干涉。氣缸套安裝時(shí)，圓弧凸出部分接觸到支承肩孔的端面，使得氣缸套支承肩靠外側(cè)部分懸空。在安裝壓緊力的作用下，易造成氣缸套裂紋或斷裂。

若加工過渡圓弧R半徑過小，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中?；钊\(yùn)行中使氣缸套產(chǎn)生振動(dòng)，在退刀槽處產(chǎn)生交變應(yīng)力，使退刀槽處產(chǎn)生疲勞，當(dāng)超出材料的極限疲勞強(qiáng)度時(shí)，便出現(xiàn)裂紋并逐漸擴(kuò)大，直至形成斷裂。

②氣缸套支承肩下端面相對(duì)于氣缸套中心軸線的垂直度超差，使得氣缸套在缸體中傾斜安裝，增加了活塞運(yùn)動(dòng)的阻力，加大了活塞對(duì)氣缸套的作用力，導(dǎo)致氣缸套振動(dòng)，易產(chǎn)生疲勞斷裂。另外，在支承肩壓緊螺栓時(shí)，由于下支撐面的阻擋，可能會(huì)導(dǎo)致將支承肩直接壓斷。

2.1.3 安裝原因引起斷裂

①安裝之前，沒有將氣缸套和缸體支承肩孔清理到位，存在毛刺、鐵銹等污物，或者在支承肩下端面、缸體支承肩孔底部表面涂刷膠或者油漆，使得氣缸套凸臺(tái)上端面超出缸體上面位置高度超差。當(dāng)壓緊缸蓋螺栓時(shí)，支承肩受力過大，可能會(huì)引起支承肩斷裂。

②使用氣缸墊品質(zhì)不合格，或者錯(cuò)配錯(cuò)裝了不匹配的氣缸套或氣缸墊。缸蓋螺栓擰緊順序、次數(shù)及擰緊力矩不當(dāng)，導(dǎo)致缸蓋壓緊力不符合裝配要求。壓裝氣缸套時(shí)未使用專用工具、進(jìn)行不合理敲擊等。這些不當(dāng)?shù)陌惭b操作，均易導(dǎo)致支承肩斷裂。

2.2 預(yù)防措施

①嚴(yán)格控制氣缸套毛坯的鑄造工藝，確保其化學(xué)成分、金相組織符合標(biāo)準(zhǔn)，保證氣缸套材質(zhì)的機(jī)械性能符合設(shè)計(jì)要求。

②加強(qiáng)氣缸套機(jī)械加工的過程控制，確保其機(jī)加工質(zhì)量，保證氣缸套各部分的尺寸和公差、形位公差符合圖紙要求，否則會(huì)引起氣缸套安裝誤差，最終有可能導(dǎo)致氣缸套在使用中斷裂。

③安裝過程要規(guī)范嚴(yán)格，保證氣缸套和缸體的清潔，不得強(qiáng)行壓裝。注意活塞和氣缸套的配合間隙不能太小，以防引起潤(rùn)滑不良，形成干摩擦，情況嚴(yán)重時(shí)將氣缸套拉斷。

④柴油機(jī)使用中避免長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷工作，避免加速太快、油門加太大，防止氣缸套受力狀況惡化，產(chǎn)生裂紋現(xiàn)象。避免在高溫狀態(tài)下驟加冷卻水，防止氣缸套產(chǎn)生變形，而引發(fā)斷裂。

3 ?結(jié)束語

綜上所述，穴蝕、斷裂是氣缸套使用過程中常見的兩種失效模式，造成穴蝕和斷裂的因素是復(fù)雜而且多樣的，穴蝕、斷裂的產(chǎn)生因素貫穿于氣缸套產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用和保養(yǎng)的整個(gè)過程。我們很難做到絕對(duì)地避免穴蝕和斷裂，但通過我們采取有效預(yù)防措施，可以減緩減輕穴蝕，減少斷裂，延長(zhǎng)氣缸套的使用壽命，減少柴油機(jī)運(yùn)行故障。

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