柴油機氣缸蓋故障模式探究

丁國柱，張宏宇，張魯君，張明宇

（武警海警學院，浙江 寧波 315000）

柴油機廣泛運用于多種領域，柴油機氣缸蓋是柴油機的核心組成部件之一，氣缸蓋的故障率關乎整機及以其為基礎的整體生產系統的可靠性及在線率。故障模式是在完成規定的任務時可能出現的現象，即設備故障（失效）表現現象[1]。柴油機故障模式可以歸納為材料性能、理化狀態、運動狀態、綜合表現等方面，故障模式是分析故障的入手點也是故障最終呈現的信息，是故障分析的基礎。對柴油機氣缸蓋故障模式（故障現象）研究，找出故障原因和故障機理，是預防故障發生的關鍵，對柴油機的運行、維護、維修及采取預防措施具有重要意義。

1 柴油機氣缸蓋部件結構構成

柴油機氣缸蓋是柴油機的核心固定件，與氣缸套、活塞組成柴油機的燃燒室。在其內布置各種孔道，實現冷卻、潤滑、換氣、緊固等功能，滿足以氣缸蓋為主體附屬部件裝配。

氣缸蓋頂部安裝氣門組件、氣門搖臂組件，屬于附屬配件中的運動部件。運動部件通過油孔輸送潤滑油對其進行潤滑，用氣缸蓋罩對運動部件進行保護，氣缸蓋罩與氣缸蓋之間利用橡膠墊密封。氣缸蓋內部結構復雜、厚薄不一、存在“鼻梁區”，孔、道中的流體是冷卻水、空氣和高溫煙氣，保障了柴油機的安全連續運行。螺栓孔用于連接氣缸蓋與機體，固定氣缸蓋上的附屬配件形成一個整體。氣缸蓋上還有各種用于密封的O 型圈和墊片。氣缸蓋部件組成及可能的故障模式如圖1。

圖1 柴油機氣缸蓋部件構成及故障模式

2 柴油機氣缸蓋的故障模式

柴油機氣缸蓋所處工作環境惡劣，同時結構復雜、孔多、壁厚薄不勻導致交換熱應力集中和機械應力集中點較多。隨著柴油機強化指標的進一步提高，柴油機氣缸蓋因結構和工作環境帶來的問題日益突出。根據經驗和相關文獻[2-3]表明柴油機氣缸蓋故障模式的主要現象是裂紋、變形，考慮柴油機氣缸蓋部件整體，還包括“三漏”即漏水、漏油、漏氣，噪聲振動異響，水道（腔）氣穴、水堵等，氣門及氣閥導管孔磨損等，更有甚者導致拉缸、頂缸、“蹬腿”機損事故等模式。

2.1 氣缸蓋常見的故障模式

柴油機氣缸蓋因結構復雜應力集中點較多，直接觸高溫高壓的燃氣等原因會產生的損害型故障。主要有因缸頭螺栓受力不均產生裂紋、變形、龜裂等或者缸頭螺栓的斷裂；因水道內部結垢或者結垢受熱不均導致產生裂紋或者因內部水質產生電化學等各種腐蝕或者氣穴現象而產生麻坑；氣缸蓋底部直接與高溫燃氣接觸可能產生點蝕、燒蝕；排煙道因排煙高溫煙氣沖刷會腐蝕、麻點等。

氣缸蓋及部件主要是采用金屬制成，在氣缸蓋及部件還包括一些密封所用的橡膠圈和墊。這些都會因使用或放置而產生退化型故障。如氣缸與氣缸蓋之間發生泄漏，漏油、漏水現象，氣缸蓋表面剝落，氣閥漏氣，氣閥頂桿異響磨損嚴重等現象。

損害型故障和退化型故障都是設備使用或一段時間暴露出其結構上的故障現象，但是有些故障現象是在使用過程中呈現出來的。比如柴油機排氣溫度高、柴油機水溫壓力表波動、柴油機示功表壓力波動、柴油機突然停車、柴油機拉缸等都是在運行中表現出的故障現象，都是屬于失調型故障類型。

柴油機氣缸蓋因使用、設計、損傷等會出現功能衰退或者功能喪失的現象。比如，柴油機燃燒室漏氣、柴油機功率不足、柴油機缸頭破裂、柴油機氣閥頂桿彎曲、氣閥彈簧斷裂、氣缸蓋被燒紅等。

2.2 氣缸蓋故障模式的層次

故障模式有些是單一部件或者局部故障導致，有些是關聯部件故障模式在其上的呈現，即故障模式之間存在邏輯關系。氣缸蓋及部件的故障模式是多種表現形式的，會隨著柴油機的運行工況、時間、操作、保養等因素的不同而發生等變化而變化。氣缸蓋的故障模式邏輯關系具有層次的，如表1。

表1 故障模式的層次表

3 柴油機氣缸蓋故障模式分析與預防

確定柴油機氣缸蓋故障為分析對象，但是氣缸蓋的故障模式有單一零件或系統的，不同的故障模式對應不同的層次，所以故障分析需要確定故障的層級，分為系統的還是單個零部件的。

柴油機氣缸蓋的故障也要遵守故障規律。本文所指的故障現象是柴油機正常使用過程中，一段時間積累后表現出來的，這些故障是日常運行管理中發現或者大修時發現。如柴油機冒白煙，氣缸蓋與機體接觸處漏水和煙氣滲漏、氣缸蓋水溫波動、冷卻水壓力表波動、氣閥座有麻坑、氣缸蓋表面、內部有腐蝕等，是不需要接觸特殊儀器就可以觀察到的故障現象。

在日常的工作中采用硬件分析和功能分析兩種方法對故障模式進行分析[4]。雖然缸蓋其結構相對整個柴油機是簡單的，但是僅僅把缸頭部件獨立出來分析會導致結果的片面性，這與故障模式的層次性不相不和。利用系統功能圖[5]來進行分析，可以全面的分析氣缸蓋及部件的故障模式及影響。

故障模式需要必要的檢測方法，檢查方法有目測、儀器儀表的數據，自動化裝置的數據記錄表，而本文所用的檢測方法是一種定性的檢測，這種檢測可以有助于及時的采用補償方式和預防措施，減緩或者消除故障對設備功能的影響。

3.1 氣缸蓋產生裂紋的分析

柴油機氣缸蓋產生裂紋的主要原因是熱應力、機械應力、電化學腐蝕等單一或綜合作用導致。柴油機氣缸蓋出現裂紋的位置不同其產生的機理是不同的。柴油機氣缸蓋的底板裂紋一般認為是高溫產生的蠕變，以及高溫疲勞破壞導致的。

柴油機氣缸蓋底面在溫差下產生的熱疲勞裂紋，高壓產生機械壓應力引起局部的塑形變形，在冷卻時產生殘余拉應力，長久以往導致材料突破疲勞極限出現裂紋。出現龜裂的一定是熱疲勞裂紋。這種裂紋由表及里貫穿，會導致漏水、漏氣、漏油，導致氣缸蓋部件出現部分燒蝕、變形、磨損加劇、冷卻效果變差、冷卻水進入燃油系統和滑油系統，最終導致柴油機頂缸、拉缸、熄火等而停車。

熱應力主要由于氣缸蓋內部是相對低溫的冷卻水，缸蓋底板承受高溫燃燒，存在較大的溫差，這種溫差在交變的沖程中產生較大的熱應力，熱應力突破其材料的極限就會出現裂紋。主要表現為持續受到高溫冷卻不良蠕變性能下降，長久以往產生殘余應力導致氣缸蓋的變形，長時間局部高溫運行及內外溫差過大這些熱疲勞導致的破壞。也有極端的熱沖擊導致裂紋即溫度急劇升高或急劇下降或零件局部導致硬脆相降低了材料的機械強度，也會產生熱力裂紋。

機械應力裂紋主要是來源機加工的殘余應力、高頻交變的機械應力、高壓爆壓、氣閥座落閥沖擊力等。機械應力產生的疲勞損傷，超過疲勞極限或者沖擊力超過材料機械強度產生破壞形成裂紋。

腐蝕造成的裂紋，是氣缸蓋不同金屬之間，冷卻液體、油液與金屬之間，煙灰與金屬之間等發生化學、電化學反應、高溫腐蝕、氣體腐蝕、穴蝕等導致金屬脫落機械強度變弱，在機械應力和熱應力的交替作用下產生裂紋。說明腐蝕與冷卻水的性質與添加劑有關，也與柴油機氣缸蓋的溫度及功率有直接的關系。

穴蝕一般認為是電化學腐蝕和機體振動共同作用的結果，需要加強機體減振研究和防止機體共振。熱應力、機械應力、腐蝕裂紋等產生都是內因導致，這些裂紋常發生在壁厚很薄處。還有因其它的導致裂紋的，即外力導致，如撞擊、缸蓋螺栓擰緊力矩不均、缸蓋下底板不平或有異物等導致裂紋。

3.2 氣缸蓋故障模式的預防判斷和預防

氣缸蓋是否有裂紋一般可以通過觀察冷卻水水壓的穩定性，膨脹水箱水位的變化、水位報警器報警以及水中是否存在油、假沸騰即煙氣等判斷，啟動前觀察曲軸箱有無水分，沖車過程示功閥有無噴水或者水珠，及氣缸蓋外表面有無水滴及水痕。通常采用滲透法和水壓法進行檢測確認。

在實踐過程中，柴油機氣缸蓋的故障大多數是因輪機員的操作不當和未按要求維護保養導致。操作不當常見的有，暖機不夠加負荷或加速、頻繁起停、暴力操車、停車立即停滑油和冷卻水或者立即放干冷卻水，冷天忘放冷卻水，高溫報警立即添加冷卻水等。維護保養不良常見的有，沒有按時按規定添加和更換冷卻水和滑油而導致缺少或品質不好，冷卻系統和滑油系統維護保養不良導致附件故障或管路故障導致中斷冷卻和潤滑，未按要求調整氣閥間隙、螺栓上緊或者拆修等。

在船舶上一旦發現氣缸蓋有貫穿性裂紋，必須采用停車檢查，嚴禁帶病用車防止進一步產生破壞如頂缸、拉缸等故障。一般采用換新或封缸運行等方法來恢復柴油機功能和維持船舶運行。

工作中，加強氣缸蓋的驗收工作，嚴禁使用材料不合格的氣缸蓋，加強備用氣缸蓋的保存。運行中要按時按質的對氣缸蓋及相關系統進行維護保養，確保氣缸蓋的冷卻效果，防止氣缸蓋過熱或局部過熱，非緊急情況禁止粗暴用車，未經暖車加速或加負荷，禁止頻繁起動，定期檢查冷卻水水質和更換冷卻水減輕結垢和腐蝕，定期清洗、清理氣缸蓋水道等。采用必要的預防手段和合理的操作規定來規避因人為因素導致的柴油機氣缸蓋故障，確保柴油機氣缸蓋的可靠性。

4 結語

氣缸蓋是柴油機的重要核心組成部分。氣缸蓋結構復雜，長期處于惡劣環境下工作，交變的熱應力和機械應力都會造成氣缸蓋產生裂紋，不當的人為操作和不良的維護保養會加劇裂紋的產生的可能。研究氣缸蓋產生的故障模式，為氣缸蓋故障排除、維護保養及預防提供依據和基礎，能夠在一定程度上提高保障柴油機氣缸蓋的可靠性，確保柴油機安全穩定運轉。分析柴油機氣缸蓋故障模式，對柴油機維護、維修、故障預防具有一定的指導意義。