缸套穴蝕產(chǎn)生的原因分析及預(yù)防措施

王鐵軍+桑鴻雁

摘要：對(duì)柴油機(jī)穴蝕產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，指出振動(dòng)是穴蝕的根源，提出在柴油機(jī)修理及使用中，如何從減少振動(dòng)的角度出發(fā)來減少缸套穴蝕的產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞：缸套；穴蝕；預(yù)防措施

中圖分類號(hào)：U672 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2016.10.049

柴油機(jī)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(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，主要因?yàn)楦妆跁?huì)早期磨損，有時(shí)也因?yàn)楦滋装l(fā)生了穴蝕。我們查閱了大量資料，認(rèn)為可以從修理、使用方面采取改進(jìn)措施，使缸套的使用壽命達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。下面我們對(duì)缸套穴蝕產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，以求在使用中避免穴蝕的發(fā)生。

1 缸套穴蝕的表現(xiàn)特征

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)時(shí)期（情況嚴(yán)重時(shí)，往往在高負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)幾十個(gè)小時(shí)后），在缸套外表面沿連桿擺動(dòng)方向兩側(cè)，出現(xiàn)直徑為l～5 mm，深達(dá)2 mm左右的蜂窩狀孔群，有時(shí)在缸壁尚未到磨損極限時(shí)，即被穴蝕孔所擊穿。

2 缸套穴蝕產(chǎn)生的原因

2.1 實(shí)驗(yàn)表明振動(dòng)是穴蝕的根源

有人認(rèn)為，缸套穴蝕主要原因是缸套材料引起，如材料內(nèi)存有微觀小孔、裂紋、溝槽。但研究者認(rèn)為缸套穴蝕是由發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)引起的，研究人員在柴油機(jī)工作時(shí)進(jìn)行了試驗(yàn)，把加速度傳感器固定在缸套的承壓、非承壓側(cè)，測(cè)振信號(hào)經(jīng)放大后，即可進(jìn)行顯示和分析，和氣缸壓力信號(hào)一起可以看出缸套振動(dòng)和曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系。這個(gè)關(guān)系可以測(cè)出該機(jī)工作時(shí)的缸套振動(dòng)頻率、振幅、振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度。在同一臺(tái)柴油機(jī)上，試驗(yàn)時(shí)用不同方案的活塞、活塞環(huán)、活塞銷位置、缸套支承距離、缸套厚度、缸套結(jié)構(gòu)等進(jìn)行比較，可以定量地分析不同的方案和缸套振動(dòng)的關(guān)系。這種測(cè)試方法容易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也比較直觀。測(cè)試結(jié)果表明，缸套受活塞沖擊力最大時(shí)，其位置在主承壓側(cè)上部到中間附近，也就是活塞側(cè)壓力的換向區(qū)域，這個(gè)位置正好與缸套穴蝕群對(duì)應(yīng)。因此，可以確定穴蝕是振動(dòng)引起的。這一觀點(diǎn)得到了更多人的認(rèn)同。

2.2 穴蝕機(jī)理分析

柴油機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)中，由于燃料燃燒爆發(fā)對(duì)活塞產(chǎn)生較高壓力，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)變向時(shí)的沖擊，使氣缸套受到活塞周期性交變側(cè)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(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生交變沖擊，引起高頻振動(dòng)及變形，從而使缸套外壁冷卻水附著層產(chǎn)生局部瞬時(shí)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?？张荼频膹?qiáng)度，決定于氣缸套振動(dòng)的頻率與振幅，其強(qiáng)度可達(dá)104大氣壓，溫度高達(dá)幾百度，這樣高的局部壓力和溫度會(huì)造成材料塑性變形和疲勞破壞。

從上述成因機(jī)理中，引起氣缸套的高頻振動(dòng)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(dòng)越強(qiáng)。

（2）缸套壁厚。氣缸套越薄，會(huì)引起振動(dòng)趨向。

（3）柴油機(jī)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(dòng)。

3 預(yù)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(jī)廠家說明書規(guī)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(shí)參考。因?yàn)槟壳坝脩羲褂玫母滋滓话阋M(jìn)行選擇，如硼鑄鐵缸套、釩鈦鑄鐵缸套等，其膨脹系數(shù)不等，裝配時(shí)的實(shí)際攝氏溫度也不相同，再加上老缸體變形基本穩(wěn)定以及加工精度和裝配質(zhì)量有差異等，所以不能把上述間隙作為公式導(dǎo)用。我們?cè)趯?shí)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(fā)現(xiàn)輕微穴蝕，可將缸套安裝方向調(diào)轉(zhuǎn)90°（即將被穴蝕表面轉(zhuǎn)到與連桿擺動(dòng)面的垂直方向，繼續(xù)使用）。

（2）改善冷卻水在水套中的流動(dòng)。冷卻水流應(yīng)該是暢通的，不存在“死水區(qū)”、“渦流區(qū)”和局部狹窄處。最好采用切向進(jìn)水口，因?yàn)槔鋮s水切向流動(dòng)會(huì)使空泡離開缸套表面附近的強(qiáng)烈振動(dòng)區(qū)。由于空泡破滅時(shí)已隨水流而去，沒有足夠的時(shí)間擠入氣缸套外壁的微小針孔中去，因而不致產(chǎn)生嚴(yán)重的穴蝕。如一柴油機(jī)最初使用700 h就發(fā)現(xiàn)氣缸套穴蝕穿孔，后將水夾層最窄處加寬，并將機(jī)體兩端處進(jìn)水改為每缸獨(dú)立切向進(jìn)水，穴蝕破壞情況有了顯著改善。此外，提高冷卻水溫對(duì)減輕穴蝕有一定好處。當(dāng)水溫為55 ℃時(shí)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(jī)的工況，使其工作比較柔和，以減輕缸套的振動(dòng)。

（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?yàn)殄冦t層具有較高的機(jī)械性能和良好的耐腐蝕能力，故能抵制穴蝕和電化學(xué)腐蝕。但鉻鍍層不宜太厚，否則會(huì)因振動(dòng)而碎裂并剝落。硬的光澤鉻層由于脆性大及存在有細(xì)微裂紋，是不能可靠地防護(hù)氣缸套的，因此不宜使用。此外，鍍鉻工藝較復(fù)雜、成本高，質(zhì)量不易保證，再兼之對(duì)環(huán)境有一定污染，使之在應(yīng)用上受到一定限制。

在氣缸套外表面涂敷環(huán)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(diǎn)是脆性較大，不能長(zhǎng)期地保留在表面上。

在氣缸套外表面易發(fā)生穴蝕處包裹鋅帶、電鍍鎘鈦合金層，實(shí)踐表明頗有成效。

氣缸套外表面進(jìn)行滲氮、擴(kuò)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(xì)碎的，也可提高其自身的抗穴蝕能力。