缸套穴蝕產生的原因分析及預防措施

王鐵軍+桑鴻雁

摘要：對柴油機穴蝕產生的原因進行了分析，指出振動是穴蝕的根源，提出在柴油機修理及使用中，如何從減少振動的角度出發來減少缸套穴蝕的產生。

關鍵詞：缸套；穴蝕；預防措施

中圖分類號：U672 文獻標識碼：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2016.10.049

柴油機氣缸套在高溫、高壓、交變載荷和腐蝕情況下工作，其使用壽命很難達到標準規定，主要因為缸壁會早期磨損，有時也因為缸套發生了穴蝕。我們查閱了大量資料，認為可以從修理、使用方面采取改進措施，使缸套的使用壽命達到標準規定。下面我們對缸套穴蝕產生的原因進行分析，以求在使用中避免穴蝕的發生。

1 缸套穴蝕的表現特征

發動機運轉一個時期（情況嚴重時，往往在高負荷下運轉幾十個小時后），在缸套外表面沿連桿擺動方向兩側，出現直徑為l～5 mm，深達2 mm左右的蜂窩狀孔群，有時在缸壁尚未到磨損極限時，即被穴蝕孔所擊穿。

2 缸套穴蝕產生的原因

2.1 實驗表明振動是穴蝕的根源

有人認為，缸套穴蝕主要原因是缸套材料引起，如材料內存有微觀小孔、裂紋、溝槽。但研究者認為缸套穴蝕是由發動機振動引起的，研究人員在柴油機工作時進行了試驗，把加速度傳感器固定在缸套的承壓、非承壓側，測振信號經放大后，即可進行顯示和分析，和氣缸壓力信號一起可以看出缸套振動和曲軸轉角的關系。這個關系可以測出該機工作時的缸套振動頻率、振幅、振動速度和振動加速度。在同一臺柴油機上，試驗時用不同方案的活塞、活塞環、活塞銷位置、缸套支承距離、缸套厚度、缸套結構等進行比較，可以定量地分析不同的方案和缸套振動的關系。這種測試方法容易實現，同時也比較直觀。測試結果表明，缸套受活塞沖擊力最大時，其位置在主承壓側上部到中間附近，也就是活塞側壓力的換向區域，這個位置正好與缸套穴蝕群對應。因此，可以確定穴蝕是振動引起的。這一觀點得到了更多人的認同。

2.2 穴蝕機理分析

柴油機在運轉中，由于燃料燃燒爆發對活塞產生較高壓力，活塞往復運動變向時的沖擊，使氣缸套受到活塞周期性交變側壓力，由于氣缸套與活塞間存在間隙，再加活塞的倒傾，則不可避免地隨著發動機運轉產生交變沖擊，引起高頻振動及變形，從而使缸套外壁冷卻水附著層產生局部瞬時高真空和高壓、高溫。在高真空情況下，冷卻水汽化成空泡；在高壓情況下，使空泡爆破。空泡爆破的強度，決定于氣缸套振動的頻率與振幅，其強度可達104大氣壓，溫度高達幾百度，這樣高的局部壓力和溫度會造成材料塑性變形和疲勞破壞。

從上述成因機理中，引起氣缸套的高頻振動的因素有以下3方面：

（1）氣缸套與活塞的配合間隙，間隙越大，振動越強。

（2）缸套壁厚。氣缸套越薄，會引起振動趨向。

（3）柴油機工作過程最高燃燒壓力和壓力升高比均很大，容易造成缸壁振動。

3 預防措施

（1）要盡量保證活塞與缸套的合適配合間隙。6135Q柴油機廠家說明書規定活塞裙部的上部與氣缸間隙為0.27～0.34 mm，下部與氣缸間隙為0.24～0.31 mm，只能供修理時參考。因為目前用戶所使用的缸套一般要進行選擇，如硼鑄鐵缸套、釩鈦鑄鐵缸套等，其膨脹系數不等，裝配時的實際攝氏溫度也不相同，再加上老缸體變形基本穩定以及加工精度和裝配質量有差異等，所以不能把上述間隙作為公式導用。我們在實際修理中建議把活塞裙部的上部與氣缸間隙改為0.28～0.30 mm，下部與氣缸間隙改為0.25～0.27 mm，能使缸套穴蝕有所減輕。一旦發現輕微穴蝕，可將缸套安裝方向調轉90°（即將被穴蝕表面轉到與連桿擺動面的垂直方向，繼續使用）。

（2）改善冷卻水在水套中的流動。冷卻水流應該是暢通的，不存在“死水區”、“渦流區”和局部狹窄處。最好采用切向進水口，因為冷卻水切向流動會使空泡離開缸套表面附近的強烈振動區。由于空泡破滅時已隨水流而去，沒有足夠的時間擠入氣缸套外壁的微小針孔中去，因而不致產生嚴重的穴蝕。如一柴油機最初使用700 h就發現氣缸套穴蝕穿孔，后將水夾層最窄處加寬，并將機體兩端處進水改為每缸獨立切向進水，穴蝕破壞情況有了顯著改善。此外，提高冷卻水溫對減輕穴蝕有一定好處。當水溫為55 ℃時最為不利，85 ℃左右較好。

（3）選擇著火性能較好的柴油，并合理選擇噴油提前角，使著火落后期較短，從而改善該機的工況，使其工作比較柔和，以減輕缸套的振動。

（4）氣缸套外表面加覆蓋層。在氣缸套外表面鍍一層厚約0.02～0.03 mm的乳白色鍍鉻層，可以有效地防止穴蝕。因為鍍鉻層具有較高的機械性能和良好的耐腐蝕能力，故能抵制穴蝕和電化學腐蝕。但鉻鍍層不宜太厚，否則會因振動而碎裂并剝落。硬的光澤鉻層由于脆性大及存在有細微裂紋，是不能可靠地防護氣缸套的，因此不宜使用。此外，鍍鉻工藝較復雜、成本高，質量不易保證，再兼之對環境有一定污染，使之在應用上受到一定限制。

在氣缸套外表面涂敷環氧酚醛樹脂，可以吸收空泡的沖擊能量，也可減輕穴蝕破壞。但缺點是脆性較大，不能長期地保留在表面上。

在氣缸套外表面易發生穴蝕處包裹鋅帶、電鍍鎘鈦合金層，實踐表明頗有成效。

氣缸套外表面進行滲氮、擴滲鉻—錳處理，亦能取得較好的防穴蝕效果。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碎的，也可提高其自身的抗穴蝕能力。