發(fā)動機氣缸蓋裂紋產(chǎn)生的原因分析

吉林省大安市大賚鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)機械技術(shù)推廣站 劉丹

氣缸蓋是柴油機的重要組成部分，其作用是密封氣缸，并同活塞頂、氣缸套內(nèi)壁共同組成燃燒室。氣缸蓋工作條件惡劣，受力情況復(fù)雜。它不僅受到燃燒室燃氣燃燒所發(fā)出的爆發(fā)力的強烈作用，也受到因冷卻水溫度變化而產(chǎn)生的應(yīng)力影響，是一個較易損壞的零件。氣缸蓋裂紋是其損壞的主要形式。

1 氣缸蓋裂紋產(chǎn)生的原因

1.1 非人為因素

氣缸蓋裂紋產(chǎn)生的根本原因是熱應(yīng)力和機械應(yīng)力。缸蓋底面高溫區(qū)的溫度可達400～480℃，在熱膨脹變形受到限制時，產(chǎn)生高的壓應(yīng)力。鑄鐵材料溫度超過350℃，抗蠕變性能下降，因蠕變發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致壓應(yīng)力逐漸下降。停車后，受熱面溫度未降到室溫，壓應(yīng)力就完全消失；降到室溫，表面就出現(xiàn)了拉應(yīng)力。柴油機的啟動、運行、停車，經(jīng)過若干次加熱和冷卻，拉應(yīng)力逐漸增加，最終出現(xiàn)裂紋，這就是低頻熱應(yīng)力引起的疲勞破壞。

柴油機的爆發(fā)壓力作用在氣缸蓋底面，使底面產(chǎn)生了彎曲變形，觸火面受壓，水腔面受拉。柴油機每一個工作過程循環(huán)一次，這種應(yīng)力就循環(huán)作用一次，因此，應(yīng)力變化的頻率高。這種高頻的機械應(yīng)力不斷地作用，使水腔面上、圓角根部存在應(yīng)力集中或是原始鑄造缺陷，極可能產(chǎn)生裂紋，并逐漸擴展。

此外，水腔面局部區(qū)域的冷卻水往往處于沸騰狀態(tài)，產(chǎn)生的S042-和Cl-等酸離子，會使電位不同的晶粒間產(chǎn)生電化學腐蝕。同時因水中溶解有一定數(shù)量的氧，會使金屬氧化，水溫越高腐蝕越強烈。高頻交變應(yīng)力和腐蝕同時作用，將引起金屬材料的疲勞強度顯著下降，造成疲勞腐蝕破壞。水蒸氣與金屬作用產(chǎn)生的金屬氧化物遇氫，當氫滲透到裂紋尖端周圍時，會使金屬材料脆化，造成應(yīng)力腐蝕。

1.2 人為因素

除了上述非人為因素：熱應(yīng)力、機械應(yīng)力、疲勞腐蝕及應(yīng)力腐蝕之外，因設(shè)計的結(jié)構(gòu)不合理、安裝不當、鑄造缺陷、材料缺陷、操作管理不當?shù)热藶橐蛩匾矔鸶咨w產(chǎn)生裂紋。

1.2.1 設(shè)計、結(jié)構(gòu)上的原因

氣缸蓋底面氣門孔周圍之所以經(jīng)常產(chǎn)生裂紋，是由于該處的結(jié)構(gòu)使金屬有較大的表面積，在受熱時膨脹速度和冷卻時收縮速度都較大。例如：柴油機在停車時，氣缸蓋溫度分布變化劇烈，熱量由冷卻水和進、排氣道迅速散發(fā)，所以底面中央部分，尤其是氣門孔處收縮快，產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，鑄鐵的抗拉強度低，故此處極易產(chǎn)生裂紋；噴油孔加工呈尖角，造成應(yīng)力集中，更助長了裂紋的生成。當將孔口尖角改成圓角過渡后，減小應(yīng)力集中，對消除裂紋起到一定的作用。

正確地設(shè)計冷卻水道有利于減少在氣缸蓋上產(chǎn)生裂紋。為了保證氣缸蓋燃燒室面的溫度不超過350℃，水腔面的溫度不宜超過120～160℃，否則，冷卻水就可能沸騰，使傳熱效率大大下降，從而使冷卻面溫度上升。如此惡性循環(huán)，最后促使受熱面溫度高到不可收拾的地步。因此，必須增加氣缸蓋局部高溫區(qū)的冷卻水量，如：噴油器、進氣門壁、排氣門壁應(yīng)得到充分地冷卻。例如：135型柴油機缸蓋原設(shè)計中布置有一個平行底面的定向噴管，以強制冷卻高溫區(qū)，當柴油機強載程度提高以后，此種結(jié)構(gòu)又不適應(yīng)了，將水道改為垂直于底面的定向水流后，冷卻效果更佳。

1.2.2 材料、工藝上的原因

鑄鐵表面的任何缺陷都會使疲勞強度下降。疲勞源與鑄造產(chǎn)生的微小裂紋、氧化物、夾雜物以及熱處理產(chǎn)生的脫碳有關(guān)?？梢詫ο赂咨w水腔面進行噴丸強化處理，產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，降低表面粗糙度，減少和消除表面鑄造缺陷，從而提高其疲勞強度。在鑄鐵中添加少量的鉻、鉬、鎳等合金元素可以提高鑄鐵的強度，并使其在一定溫度及應(yīng)力下的蠕變緩和。

1.2.3 裝配質(zhì)量的影響

氣缸蓋螺栓擰緊程度如果不均勻，或使用中發(fā)現(xiàn)氣缸蓋平面漏氣，而采用擰緊該處螺母來解決，則會造成氣缸蓋結(jié)構(gòu)受力不均勻或預(yù)緊過度等問題，容易產(chǎn)生裂紋。

由于噴油器安裝不正，往往會引起氣缸蓋底面局部過度變形，這就大大增加了噴油器孔處所受的拉應(yīng)力，使之容易產(chǎn)生裂紋。

1.2.4 操作管理上的原因

柴油機冷車啟動或啟動后加速太快，致使氣缸蓋底面與水腔面溫差過大，熱應(yīng)力增大引起裂紋。故應(yīng)該在暖機后再啟動，啟動后待油、水溫度升高后方可加速。頻繁啟動、停車和長期超負荷運轉(zhuǎn)，均會使機械應(yīng)力和熱應(yīng)力增加，引起裂紋；冷卻水量不足或中斷，都會導(dǎo)致機件過熱，停車時過早中斷循環(huán)冷卻水，長期運轉(zhuǎn)后，產(chǎn)生的水垢或鐵銹未清除，影響傳熱效果，使局部過熱等都會引起裂紋。

2 裂紋的檢查

氣缸蓋裂紋的檢查有兩種情況：一是裝機后發(fā)生穿透性裂紋的判斷；二是新造或修理之前（即未裝機）缸蓋裂紋的檢查。

2.1 裝機缸蓋發(fā)生穿透性裂紋的判斷

柴油機在運轉(zhuǎn)中，可根據(jù)冷卻水壓力波動和膨脹水柜中水的波動或氣泡來判斷缸蓋是否發(fā)生了穿透性的裂紋。當缸蓋有穿透性裂紋時，燃燒室中的高壓燃氣會沿著裂縫進入冷卻水腔，使冷卻水系統(tǒng)的壓力波動，當系統(tǒng)放氣后上述現(xiàn)象仍然出現(xiàn)，說明缸蓋確有裂紋產(chǎn)生。若冷卻水溫升高，冷卻水的消耗量增加，亦可證明缸蓋或缸套有裂紋存在。

膨脹水柜的通氣管有氣泡，冷卻水中有油漬，打開各缸示功閥有無水汽或水珠，排氣是否冒白煙或燃燒不良則可確診該缸產(chǎn)生了裂紋。

2.2 待修缸蓋裂紋檢查

待修缸蓋上的裂紋可用放大鏡觀察，或進行著色探傷、磁粉探傷。常常要做水壓試驗。