內燃機車柴油機氣缸套磨損故障分析及處理

靳 強

（山西潞安礦業（集團）有限責任公司鐵路運營公司， 山西 長治 046031）

引言

內燃機車受到柴油機故障影響較為普遍，在柴油機運作時，受到氣缸套、活塞環的磨損影響，柴油機所產生的燃氣會進入到曲軸箱內部，造成差示壓力急速增高。此時，柴油機則會根據機械特性，對壓力動作進行反應，通常情況下，柴油機會自行停機，從而遏制增壓器噴油事故。但是故障發生后，柴油機內部由于機油的涌動，可能會造成曲軸損壞等大范圍事故。因此需要對柴油機氣缸套磨損故障進行全面判斷。

1 柴油機氣缸套磨損故障分析

1.1 造成磨損的原因分析

內燃機車在開行過程中，柴油機會進行不斷運作，在這一環節內部，柴油機氣缸套會摩擦、腐蝕等，從而出現一定程度的磨損，最終使柴油機發生嚴重故障。

首先在摩擦磨損方面，目前的柴油機設計，設計師為了能夠降低柴油機內部缸套之間的磨損，會在氣缸套外部選用硼鑄鐵材料，這種材料耐磨程度較高，同時由于屬于合金材料，其質量也十分符合制造要求。但是在實際的運行過程中，這種材料與其他摩擦面之間并不能做到完全匹配，最終造成摩擦不均等，耐磨性較弱的摩擦面的摩擦情況則會加劇。這種現象常表現在柴油機內部氣缸套和活塞環彼此的摩擦之上[1]。例如2016年底J公司所使用的內燃機車就發生了磨損故障事件，該時間當中，機車開行里程超過15萬km，此時柴油機內部活塞環發生嚴重磨損，差示壓力過高故常頻頻出現。檢修人員采用機車解體的檢修方式，對柴油機進行檢查，發現氣缸套表面完好，而活塞環則出現嚴重磨損，摩擦損耗達原始厚度的31.6%，十分驚人。此時部分活塞環受到磨損影響，已經喪失密封能力，且出現了斷裂破碎現象。如圖1所示。

圖1 柴油機活塞環嚴重磨損

除了摩擦磨損造成故障之外，在柴油機運作中，氣缸套還容易受到腐蝕磨損影響。根據柴油機的運行特點，柴油機通過燃油和潤滑油進行動力提供，而在二者長時間的運行之下，受到高溫環境和循環環境的影響，潤滑油產品會發生激烈的化學反應，同時隨著氣缸內部振動，完成反應的潤滑油會直接與氣缸套相互接觸，對氣缸套的機械結構造成嚴重腐蝕。在日常觀察中可以發現，經過腐蝕的氣缸套機械，其表面會出現分布十分密集的小孔洞，這種孔洞在光照下十分明顯。隨著使用頻率的增加，小孔洞會逐漸增多，最終嚴重影響氣缸套的正常使用，造成機械故障。

1.2 氣缸套磨損故障影響分析

氣缸套磨損所造成的故障主要集中在對柴油機以及內燃機車運行的安全方面。越來越多的實例表明，受種種因素的影響，柴油機氣缸套出現了嚴重磨損，且隨著磨損加劇，氣缸套本身的剛度會迅速下降，最終形成大范圍的裂紋，甚至出現嚴重的通孔。以某型號的柴油機使用為例，氣缸套發生磨損后，出現了直徑超過0.5 cm的通孔，此時外部運轉的冷卻水直接進入到氣缸內部，與內部機油發生混合，使得機油的性狀發生改變，最終造成了諸如化瓦爆炸等嚴重事故。而在一些普通的故障事件當中，氣缸套的磨損所帶來的威脅也較為嚴峻。例如在受到磨損出現氣密性下降現象之后，氣缸套與配合活塞之間的間隙開始不斷增加，在運行過程中，除了會增大噪音之外，還會出現啟動困難、油耗增加、內部溫度升高等現象。而內燃機車的運行特征要求其必須具備高速度和大功率負荷等工作特點，因此柴油機面對的運行壓力極高。據統計，受到磨損影響下的柴油機會發生排氣帶黑煙現象，使用壽命降低可達70%，嚴重影響經濟性和安全性。

2 柴油機氣缸套磨損故障對策

2.1 故障檢驗技術

對于柴油機來說，磨損故障需要遵循“及時發現，迅速處理”這一原則，通過科學合理的技術手段，對柴油機運轉情況進行全面判斷，從而了解其運轉機械特性，進而敏銳發現故障。

目前在內燃機車的檢測技術研究中，針對柴油機磨損情況，一般采用機油檢測和油譜分析相結合的方法，對柴油機情況進行全面分析。本文在實際分析過程中，以光譜分析為例，開展了相應的檢測活動。化學原理中，由于每一種元素其本身都可以表現出一種獨特的譜線，因此在進行檢測時，檢測人員可以利用光譜分析儀等設備，對柴油機潤滑油進行觀察，從而確定其潤滑油中的物質種類和物質含量。隨后，檢測人員再根據元素內部的原子在發射、吸收過程中表現出的特征譜線對物質進行組成部分的鑒別，最終了解到物質的變化規律，判斷磨損情況[2]。在實際的檢測工程中，檢測人員一般采用某公司生產的MOA型光譜儀進行潤滑油觀察，這種型號的光譜儀具有分析迅速、種類多樣的特點，對于待分析的潤滑油能夠實現現場監測，并能有效地對不同溫濕度環境進行動態判斷。該光譜儀主要由高壓電弧、折射板、電容器等部件組成，檢測內容包含Mn、Mo、Fe、Pb、Ag、Sn等數十種潤滑油元素。通過光譜分析儀對諸多元素的關聯值進行判斷，能夠實現對摩擦產生的金屬磨損量、油液添加劑的消耗量以及柴油機冷卻液的泄漏情況做到充分判斷。相較于傳統的解體檢測，光譜分析檢測技術更加方便和直接。其中添加劑消耗量的檢測主要對柴油機內部的添加劑含量進行分析，從而精確判斷柴油機內部的防腐情況和粘度指數，在高溫、泄漏環境下效果更為明顯。本文在進行柴油機氣缸套摩擦磨損的分析時，采用了光譜分析法，光譜儀對實驗對象當中超過20種元素的納米級微粒進行了測定，并依次得到了元素含量。隨后，本文結合定量數據，對光譜數據統計量進行了一次線性函數的分析，使其作為線性回歸進行變化趨勢的判斷。通過變化趨勢分析，能夠較為準確地了解到內燃機車運行時間與柴油機正常穩態運行之間的函數關系。

2.2 柴油機氣缸套磨損處理

對于已經磨損嚴重的柴油機氣缸套，應當由專業人員及時更換。為了能夠在今后的工作和應用當中深刻地避免因摩擦等因素所造成的磨損，在更換時，工作人員需要對摩擦單元的設備特性進行全面衡量，選用合適機組運行的氣缸套和活塞環設備。通過上文的論述可以看出，氣缸套的摩擦磨損故障并不僅是其自身強度的問題，因此在選購摩擦副時，工作人員需要考慮到多個層面的耐磨性，避免出現單邊磨損現象[3]。在開展柴油機檢修工作時，柴油機如果選用普通的軟氮化氣缸套，則與之相對的活塞環就應當選用鍍鉻型的產品，而如果工作人員需要改用更具耐磨抗性的奧貝球墨型鑄鐵氣缸套，其表面剛度、耐磨性相較于普通氣缸套高出數倍，因此應當選用與之具有同樣耐磨性的加鈮鍍鉻活塞環，通過二者間的相互配合，保證使用壽命提升。

2.3 柴油機氣缸套故障預防

在柴油機日常運行過程中，相關監控檢修人員應當采用技術手段，提高氣缸套的運行能力，實現對磨損故障的有效預防。本文認為，在內燃機車開行任務中，可以采用加厚缸套壁的方式，降低振動影響，提高缸套強度。在研究中，研究人員發現，氣缸套壁厚度越高，其結構強度越高，同時振動強度的影響最低。數據顯示，壁厚每增加8%，磨損現象的出現頻率下降可超過10%。試驗柴油機選用的某型號氣缸套直徑為17 cm，原始壁厚約為1.1 cm。根據數據要求，增加壁厚需達到0.2 cm左右，可以達到預期效果。通過增加厚度試驗，對加厚前后的磨損故障發恒數據進行對比，發現加厚之后的氣缸套在面對大規模沖擊時，形變已經不再明顯，由于磨損所造成的返修率也有原始數據9.3%下降至5.8%，效果明顯。除此之外，在實驗研究中研究者發現，通過利用不等厚的加厚方式，能夠使氣缸套內部的上支撐和下支撐之間的跨距縮短，從而實現支撐凸緣厚度的增加。研究人員通過鉆孔冷卻技術，使氣缸套內部的振動影響迅速下降，提升氣缸套的使用壽命。

3 結語

現階段，內燃機車柴油機所面臨的磨損故障較為嚴重，其中摩擦磨損和腐蝕磨損最為常見。為了提升內燃機車開行安全性，提高使用壽命。工作人員需要通過專門的檢測對氣缸套磨損情況準確判斷，面對氣缸套磨損故障問題，則需要采用積極的處理方法和預防手段對其進行全面防控。