船用氣缸套斷裂機理分析及預(yù)防措施

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院工業(yè)中心，湖北武漢 430050)

1 缸套在生產(chǎn)和制造過程中存在缺陷引起的斷裂

1.1 缸套在毛坯制造時存在缺陷

氣缸套是柴油機中的一個重要零件，它的工作條件十分惡劣，其內(nèi)表面承受高溫高壓，活塞高速摩擦和側(cè)推力作用。外表面直接和冷卻水接觸，缸體承受較大溫差帶來的熱應(yīng)力。因此，氣缸套毛坯材料選擇十分重要，目前大多選用硼鑄鐵、高磷鑄鐵、鉻鉬鑄鐵等合金材料，采用離心鑄造工藝制造。用這幾種材料生產(chǎn)出來的缸套在使用性能上各有利弊，硼鑄鐵中的硼化物硬質(zhì)相很高，耐磨性能好，但鑄造時容易產(chǎn)生偏析，硬質(zhì)相偏析嚴(yán)重時，是造成缸套斷裂的一個重要因素。磷鑄鐵成本較低，但耐磨性能不理想，且脆性很大。而鉻鉬鑄鐵在合金元素作用下，石墨細(xì)小，基體細(xì)化，且有硬質(zhì)相存在，表面上看這種材料各項指標(biāo)都能滿足生產(chǎn)缸套的性能要求，但在實際使用過程中它發(fā)生斷裂的頻率較其它材料要高。究其原因，這種材料鑄造完成后表層組織中有大量游離鐵素體存在，導(dǎo)致硬度值偏低，強度下降。而且由于鑄造工藝等問題致使組織中不同程度的存在E、D型過冷石墨，呈方向性分布的E型枝晶片狀巨型石墨，D型過冷石墨都是有害于材料的力學(xué)性能的，由于它們的存在會使材料脆性增加。綜上，在鑄鐵中加入適量的合金元素是可以改善材料中的金相組織，提高其化學(xué)性能和物理性能，但這僅僅是影響毛坯質(zhì)量的一方面因素，另一個方面，影響到產(chǎn)品毛坯質(zhì)量的因素還有熔煉溫度、孕育時間、冷卻速度等，以上工藝如果掌握不好，就會造成機體組織晶粒粗大，石墨粗大，或產(chǎn)生過冷石墨，硬質(zhì)相嚴(yán)重偏析，嚴(yán)重枝晶狀，降低了材料強度，造成缸套斷裂。另外由于去應(yīng)力退火不到位，缸套內(nèi)部存在較大應(yīng)力，裝機后，隨著應(yīng)力的釋放，缸套也會隨之變形，這些變形引起受力情況發(fā)生改變，導(dǎo)致缸套斷裂。由于這些內(nèi)部缺陷從外觀上是無法發(fā)現(xiàn)的，因此，在選擇缸套時，應(yīng)對缸套生產(chǎn)廠家從企業(yè)品牌、生產(chǎn)能力、工藝水平、檢測手段等多方面加以了解。盡量避免因材料、鑄造工藝等因素造成的缸體內(nèi)存在缺陷而導(dǎo)致的斷裂事故發(fā)生。

1.2 缸套在機械加工過程中產(chǎn)生的缺陷

機械加工質(zhì)量是影響缸套質(zhì)量的重要因素，由于受機加工設(shè)備、工藝裝備、操作工水平等多種因素影響，存在加工尺寸誤差、形狀誤差和位置誤差，這些誤差中有許多和缸套斷裂有著直接關(guān)系，應(yīng)引起高度重視，這些尺寸主要是：

1)氣缸套支承肩下端面和缸套外圓連接處設(shè)計有退刀槽用圓弧過渡，一般半徑為0.5 mm。該尺寸非常重要。如果圓弧半徑大于槽深，圓弧將露出槽外，且凸出支承肩下端面，安裝時，圓弧凸出部分頂在機體上支承肩孔的端面上，靠外側(cè)部分懸空，在缸蓋螺栓壓緊力的作用下，極易斷裂；如圓弧半徑過小，則會產(chǎn)生應(yīng)力集中。由于氣缸套和機體間采用的是間隙配合，缸套裝入機體后，其支承肩被氣缸蓋壓緊在機體上。柴油機工作時，活塞作用于缸套上一交變力，使其下部來回擺動，產(chǎn)生交變應(yīng)力，導(dǎo)致缸套達(dá)到疲勞極限后出現(xiàn)裂紋并逐漸擴大，直至斷裂。

2)氣缸套支承肩下端面相對于缸套中心軸線的垂直度是一個關(guān)鍵的位置尺寸，如果該尺寸超差，則缸套實際軸線傾斜理論軸線，即缸套在機體中是傾斜安裝的，這樣缸套裝入機體帶來兩個嚴(yán)重問題，一方面改變了活塞的運動軌跡，增加了活塞運動阻力，加大了活塞在運動過程中對缸套的徑向作用力，使缸套產(chǎn)生振動，是疲勞斷裂的潛在因素；另一方面由于下支撐面的阻擋，在支承肩壓緊螺栓時，可能直接將支承肩壓斷。

3)缸套支承肩高度也是一個重要尺寸，在安裝缸套時一般情況要求支承肩高出機體平面0.05～0.15 mm，如果加工時產(chǎn)生的誤差超過此極限值，當(dāng)壓緊氣缸蓋螺栓時，可能會出現(xiàn)支承肩斷裂。

在安裝缸套前，要嚴(yán)格檢查上述的幾個尺寸，同時還應(yīng)注意檢查圓弧，密封環(huán)槽等處的粗糙度，及圓弧和其它面的連接情況，粗糙度低，圓弧和其它面連接不好，都可能產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致斷裂。所以如果發(fā)現(xiàn)缸套存在上述問題，一定要經(jīng)處理后再裝機。

2 在缸套安裝過程中操作不規(guī)范引起的斷裂

1)在安裝前將缸套及機體沉孔上的毛刺、鐵銹、污物清洗干凈。不要在缸套支承肩下表面，或者在機體沉孔上表面涂油漆或者膠，因為清洗不到位或者表面涂刷其它物質(zhì)都會引起氣缸套凸臺上平面的位置過高，當(dāng)氣缸蓋壓在凸臺上，擰緊氣缸蓋螺栓時，會導(dǎo)致缸套支承肩斷裂。

2)在安裝前應(yīng)仔細(xì)檢查和測量各部分尺寸，特別是配合部位的尺寸，氣缸套壓入機體后還應(yīng)仔細(xì)檢查其形狀公差和位置公差，檢查氣缸墊厚度，確保安裝后尺寸，否則任何一處尺寸和公差超過安裝規(guī)范要求，都可能引起缸套斷裂。

3)在缸套安裝前應(yīng)認(rèn)真檢查缸套封水圈和封水圈與機體的氣缸孔的配合間隙。封水圈應(yīng)該具備良好的彈性，粗細(xì)要均勻，表面無損傷。為了保證其密封性能，一般要求密封圈裝入缸套密封槽后其凸出槽邊弧面0.3～0.5 mm,間隙過大，難以密封，配合過緊,裝配時容易被剪切，嚴(yán)重時導(dǎo)致缸套變形造成缸套破裂。

4) 在正常情況下由于密封圈的作用，退刀槽處應(yīng)該是干燥無水的，但是如果此處配合過松，冷卻水會滲入退刀槽處，而此處接近燃燒室，缸套內(nèi)外壁溫差很大，會產(chǎn)生較大應(yīng)力，導(dǎo)致缸套斷裂。

3 在柴油機工作和保養(yǎng)過程中沒有嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)范引起的斷裂

柴油機在工作過程中操作不當(dāng)，或者在保養(yǎng)過程中維護(hù)不到位，都會造成缸套斷裂，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1)柴油機在工作一段時間后，要注意復(fù)查氣缸蓋的螺栓擰緊力及每一個螺栓之間力的平衡，避免由于螺栓松動，使氣缸套振動頻率和振幅增加，導(dǎo)致缸套斷裂，同時也要防止因每一個螺栓之間力的不平衡導(dǎo)致的斷裂事故發(fā)生。

2)柴油機不要長時間超負(fù)荷工作，加速不要太快，油門不要加太大，否則進(jìn)氣量不能滿足使用要求，產(chǎn)生“冷爆”現(xiàn)象，顯著惡化缸套受力狀況，導(dǎo)致薄弱部位產(chǎn)生裂紋。

3)柴油機在工作過程中，由于潤滑系統(tǒng)故障、潤滑油粘度等諸多因素導(dǎo)致缸套內(nèi)壁油膜不能形成，活塞環(huán)和缸套內(nèi)壁形成干摩擦，活塞環(huán)和活塞裙部直接膠著，在活塞的作用下，將缸套拉斷。因此，我們在日常保養(yǎng)時要注意潤滑系統(tǒng)的維護(hù)，同時還應(yīng)注意不同季節(jié)使用不同粘度的潤滑油。

4)柴油機在高溫狀態(tài)下驟加冷卻水，或者是由于內(nèi)部故障導(dǎo)致經(jīng)常開鍋等現(xiàn)象，都會使缸套產(chǎn)生變形，而幾乎所有使缸套變形的因素都是造成缸套斷裂最根本的原因，在這個問題上，應(yīng)該引起我們高度重視。

4 結(jié) 語

綜上所述，要保證氣缸套在正常狀態(tài)下平穩(wěn)工作，應(yīng)該從缸套選購，安裝及柴油機的操作和維護(hù)保養(yǎng)入手，嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)范和程序，只有這樣，才能避免和減少缸套斷裂事故的發(fā)生。