濰柴發(fā)動(dòng)機(jī)缸筒（缸套）氣蝕故障的原因分析與預(yù)防措施

蔡揚(yáng)明 沙文喜 江峰

摘 ?要：論述了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)濕式缸套的外壁氣蝕的產(chǎn)生機(jī)理、影響因素及預(yù)防措施，有效抑制發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸套氣蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生，進(jìn)一步延長(zhǎng)客運(yùn)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，擴(kuò)大客運(yùn)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)中修、大修的間隔里程，降低了車輛維修保養(yǎng)成本。

關(guān)鍵詞：柴油發(fā)動(dòng)機(jī) ? 汽缸套 ? 氣蝕 ? 防范措施

一、引言

氣蝕是影響柴油發(fā)動(dòng)機(jī)濕式汽缸套壽命的重要因素之一，其特點(diǎn)是汽缸套外表面局部區(qū)域出現(xiàn)麻點(diǎn)、針孔，嚴(yán)重時(shí)成聚集的蜂窩狀的孔穴群，如圖1。濕式汽缸套氣蝕現(xiàn)象是機(jī)械、化學(xué)、電化學(xué)共同作用的結(jié)果，通過(guò)弱化機(jī)械、化學(xué)、電化學(xué)等方面的影響因素可減輕和防止?jié)袷綒飧滋籽ㄎg的產(chǎn)生。

二、氣蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，汽缸內(nèi)燃燒氣體壓力周期性的變化，活塞在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，在汽缸內(nèi)產(chǎn)生高頻而輕微的左右擺動(dòng)，與缸壁產(chǎn)生周期性撞擊，引起缸套產(chǎn)生高頻振動(dòng)及微觀變形，當(dāng)缸套向內(nèi)振動(dòng)時(shí)，其外壁與冷卻液接觸處的壓力迅速下降，溶于冷卻液的氣體分離出來(lái)形成氣泡，當(dāng)缸套向外振動(dòng)時(shí)，其外壁對(duì)接觸處冷卻液進(jìn)行擠壓，氣泡在振動(dòng)中受擠壓破裂，則產(chǎn)生沖擊波，釋放出巨大能量，產(chǎn)生高溫高壓的沖擊力，強(qiáng)度最大可達(dá) 678Mpa，如圖2。

當(dāng)這種周而復(fù)始的沖擊載荷超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，受沖擊處便產(chǎn)生塑性變形和疲勞剝落破壞。由于機(jī)械剝落破壞了金屬表面的氧化層，露出金屬本體，使得電位差增大，又加速了電化腐蝕（包括不同材料間的電化學(xué)腐蝕、應(yīng)力腐蝕和氧濃度差腐蝕等）。而電化學(xué)腐蝕的結(jié)果，又使金屬表面疏松，力學(xué)性能下降，這樣又加速了機(jī)械剝落，從而產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。氣蝕現(xiàn)象一般出現(xiàn)在連桿擺動(dòng)平面汽缸承受活塞最大側(cè)向力一方，在與汽缸套發(fā)生穴蝕表相對(duì)應(yīng)的氣缸體內(nèi)表面，一般也有相應(yīng)的輕微穴蝕現(xiàn)象。

三、氣蝕現(xiàn)象影響因素

1、機(jī)械作用

（1）濕式汽缸套材質(zhì)，設(shè)計(jì)制造的缺陷：①材質(zhì)不符合要求，化學(xué)成分，金屬相位組織機(jī)構(gòu)不均勻，抗沖擊及減振不良，抗腐蝕性差;②濕式汽缸套表面形狀、與發(fā)動(dòng)機(jī)缸體相對(duì)位置布局存在不足，易使冷卻水流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生渦流或斷流現(xiàn)象;缸套支承形式不盡合理：缸套是靠上止點(diǎn)臺(tái)肩與缸體配合支承，下止點(diǎn)用橡膠封圈密封，但下止口設(shè)有間隙 0.1mm 左右，這種支承可看成懸臂支承，當(dāng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)撞擊缸套時(shí)，下部振幅大，穴蝕嚴(yán)重。

（2）冷卻液性能指標(biāo)未達(dá)標(biāo)，沸點(diǎn)、抗腐蝕性、抗泡沫性偏低，以致氣泡易產(chǎn)生，且爆破產(chǎn)生的沖擊力大，汽缸套容易產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。

（3）活塞撞擊缸套發(fā)生高頻振動(dòng)，是引起汽缸套氣蝕的主要原因。產(chǎn)生高頻振動(dòng)的主要原因：燃油燃燒爆發(fā)對(duì)活塞產(chǎn)生側(cè)推力，且使活塞頂部承受較高的壓力，再加上活塞與汽缸套之間存在間隙，并且作用在活塞上的氣體壓力，慣性力和摩擦力的方向周期性變化，所以活塞在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中反復(fù)地由一個(gè)側(cè)面接觸，變換到與另一個(gè)側(cè)面接觸，就產(chǎn)生了活塞對(duì)于缸壁的撞擊，這種周期性的撞擊，使缸套發(fā)生振動(dòng)。活塞與缸套之間的撞擊不但在上止點(diǎn)和下止點(diǎn)附近發(fā)生，而且也發(fā)生在行程的其他位置。

2 化學(xué)作用

發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中，汽缸套溫度很高，再加上水套狹窄會(huì)使缸套過(guò)熱。缸套一般為鑄鐵材質(zhì)，在高溫下氧與鐵會(huì)發(fā)生以下反應(yīng)：

4Fe+3O2→2Fe2O3，3Fe+2O2→Fe3O4

此化學(xué)反應(yīng)形成化合物四氧化三鐵，溫度越高，汽缸套外表面氧化層（即腐蝕層）中的四氧化三鐵越多，使缸套穴蝕加速，呈蜂窩狀形式出現(xiàn)。

3 電化學(xué)作用

由于使用的冷卻液含有酸堿鹽等物質(zhì)，會(huì)產(chǎn)生離子，缸套外壁和周圍的水之間會(huì)發(fā)生電化學(xué)作用，其反應(yīng)式如下：

陽(yáng)極：Fe→Fe2++2e-;

水溶液：H2O→H++（OH）-;

陰極：2H++2e-→H2↑

隨著電化學(xué)作用的不斷進(jìn)行，陽(yáng)極的鐵被不斷腐蝕，陰極不斷放出氧氣，水溶液 H+濃度下降，[OH]-增高而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并在富氧條件下而產(chǎn)生 Fe（OH）3， 即鐵銹：

2（OH）-+Fe2+→Fe（OH）2

4Fe（OH）2+O2+2H2O→4Fe（OH）3

從而加速汽缸套的氣蝕。

四、氣蝕現(xiàn)象的預(yù)防措施

對(duì)于中高速柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，汽缸套的氣蝕破壞速度很快，破壞性也大。因此，氣蝕破壞直接影響了柴油機(jī)工作的可靠性和使用壽命。有資料統(tǒng)計(jì)表明，氣蝕破壞可使汽缸套的使用壽命降低 0.5～5年。所以要提高柴油機(jī)工作的可靠性和延長(zhǎng)其使用壽命，就要對(duì)柴油機(jī)汽缸套的氣蝕進(jìn)行預(yù)防與修理。

（1）盡量減小汽缸套的振動(dòng)，高頻振動(dòng)是氣蝕產(chǎn)生的根源。在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)修理中，一是應(yīng)盡量減少活塞與汽缸套的配合間隙;二是要保證汽缸套的支承剛度。汽缸套的上、下腰帶處與機(jī)體上、下支承孔的配合間隙不宜過(guò)大，更小的間隙有利于限制汽缸套振動(dòng)的振幅，從而減少氣蝕破壞;三是要盡量保證修理和裝配質(zhì)量，以減少柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。引起柴油機(jī)較大振動(dòng)的主要因素有：曲軸的直線度、曲軸的動(dòng)平衡、各缸活塞連桿組件的質(zhì)量差、供油量和供油時(shí)間，及與所帶機(jī)械的對(duì)中性不好和固定不牢等，在進(jìn)行維修檢測(cè)時(shí)，應(yīng)校正相關(guān)的數(shù)值。

（2）使用高質(zhì)量的冷卻液（高沸點(diǎn)、抗泡性優(yōu)、酸堿度穩(wěn)定），使冷卻液的酸堿度能夠長(zhǎng)時(shí)間處于平衡，同時(shí)注意控制車輛運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)水溫。冷卻液溫度不宜過(guò)低，較高的水溫容易形成蒸汽，對(duì)空泡的潰滅有阻尼作用，從而減輕氣蝕。此外，減少冷卻液中的含氧量、清除雜質(zhì)、提高潔凈度均有利于減輕氣蝕。

（3）換裝汽缸套時(shí)，應(yīng)該選擇發(fā)動(dòng)機(jī)廠家配套的汽缸套，如圖3，保證汽缸套材質(zhì)過(guò)關(guān)，缸套體的金屬相位組織均勻，力學(xué)性能以及整體強(qiáng)度能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況下運(yùn)行;且制造精度、裝配精度能夠得到保證。

（4）改善腐蝕環(huán)境和冷卻液中的介質(zhì)，即在冷卻液中加入添加劑，可起到防腐蝕、防氣蝕、防垢和防凍等作用。如美國(guó)的 D.C.A 冷卻液添加劑和日本的 T.C.L 防凍液，能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)缸套表面形成保護(hù)膜，并隨著液體的流動(dòng)不斷沖刷生成于汽缸套外表面的氣泡，從而大大降低產(chǎn)生氣蝕的機(jī)率。目前國(guó)產(chǎn)的 HG-KB冷卻液添加劑在防氣蝕和防腐蝕等性能方面均優(yōu)于美國(guó)、日本和國(guó)內(nèi)的同類產(chǎn)品。HG-KB 多功能添加劑加入冷卻液后，緩蝕率可達(dá) 80%以上。

五、結(jié)語(yǔ)

加強(qiáng)對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的正確使用和維護(hù)，弱化機(jī)械、化學(xué)、電化學(xué)等方面的影響因素就可以減少或避免發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸套的氣蝕。而且為了盡可能地減少汽缸套的高頻振動(dòng)，從而確保發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各運(yùn)動(dòng)副的裝配精度、間隙值、極限磨損值進(jìn)行準(zhǔn)確的控制。通過(guò)分析氣蝕現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理以及影響因素，提出相應(yīng)的預(yù)防措施，能夠有效抑制汽缸套外表面的氣蝕現(xiàn)象，進(jìn)一步提高客運(yùn)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性以及延長(zhǎng)客運(yùn)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，希望能為客運(yùn)企業(yè)車輛的檢測(cè)維修提供參考。

參考文獻(xiàn)

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