4102B型柴油機(jī)氣缸套斷裂故障分析與預(yù)防措施研究

夏紹彤，魏 偉

（東風(fēng)朝陽朝柴動力有限公司，遼寧 朝陽122000）

0 前言

柴油機(jī)的主工作循環(huán)是曲軸驅(qū)動連桿、連桿帶動活塞在氣缸套內(nèi)部進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，而氣缸套是直接與活塞環(huán)接觸的，是活塞運(yùn)動摩擦副的本體[1]。氣缸套內(nèi)表面承受高溫高壓燃?xì)庵苯幼饔茫獗砻媾c柴油機(jī)缸孔直接接觸，由缸體水套內(nèi)的冷卻循環(huán)水進(jìn)行降溫，缸套的外表面和內(nèi)表面在較大溫差下產(chǎn)生嚴(yán)重?zé)釕?yīng)力，此外還受到缸蓋安裝時傳遞給缸套安裝預(yù)緊力。如果氣缸套不能較好的保證這些使用條件，就會產(chǎn)生斷裂、缸套碎等故障模式。

4102B型柴油機(jī)為直列、立式水冷、四沖程柴油機(jī)，其使用的氣缸套為薄壁干式上止口定位氣缸套，缸套材質(zhì)為硼鑄鐵。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有：

（1）受柴油機(jī)缸體結(jié)構(gòu)限制，缸套壁厚只有1.5 mm，最薄弱退刀槽處只有1．3 mm.

（2）干式氣缸套壓裝后與缸體直接接觸，結(jié)構(gòu)的剛度要求較高，工作中溫度分布不均勻，導(dǎo)熱性相對較差，容易發(fā)生局部形變。

（3）屬于成品缸套，內(nèi)表面和外表面都需要在缸套廠進(jìn)行精加工，與缸體分組壓裝。

（4）使用缸體缸孔止口進(jìn)行定位，缸套沿部承受缸套壓入力，工作中承受活塞的拉力及缸蓋螺栓的緊固預(yù)緊力。

氣缸套參考結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 氣缸套結(jié)構(gòu)圖

經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)氣缸套斷裂的位置，主要分布在氣缸套的支承肩下退刀槽處，該處斷裂后，活塞在缸套中繼續(xù)工作，缸套由于沒有受力支撐，受往復(fù)拉力和活塞敲擊而產(chǎn)生破碎。本文結(jié)合朝柴公司的4102B型柴油機(jī)氣缸套本身、缸體加工過程、缸套的安裝及與缸體的配合尺寸等對氣缸套斷裂的原因進(jìn)行分析。

1 故障原因分析

1.1 氣缸套材質(zhì)強(qiáng)度

4102B型柴油機(jī)的缸套材質(zhì)為硼鑄鐵，鑄鐵中加入硼可在金相組織中得到不同數(shù)量的含硼滲碳體或萊氏體組織的鑄鐵，增加缸套的耐磨性，提升使用壽命。缸套具體化學(xué)成分如圖表1所示。

表1 化學(xué)成分組成

缸套強(qiáng)度要求不低于270 MPa，其硬度在260～310 HB，一個缸套的硬度差小于30 HB.鑄鐵中的石墨粗大、超長，或產(chǎn)生過冷石墨、硬質(zhì)相嚴(yán)重偏析聚集，嚴(yán)重枝晶等[2]，均可造成材料的抗拉強(qiáng)度降低，需要毛坯廠家進(jìn)行爐料的批次管理，并進(jìn)行相應(yīng)的檢測。

1.2 氣缸套加工

氣缸套本身屬于鑄鐵類薄壁件，缸套本身脆性大，容易產(chǎn)生內(nèi)部的微觀裂紋和變形等缺陷，除給予更好的加工保證外，還需要注意以下與缸體容易發(fā)生干涉的部位加工。

（1）氣缸套支承肩下端面退刀槽底處過渡圓弧R（圖1標(biāo)記10）加工的過小或沒有[1]，可造成應(yīng)力集中，引發(fā)缸套斷裂。分析原因氣缸套的振動在退刀槽處產(chǎn)生交變應(yīng)力，隨著內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，交變力頻率的提高和工作時間的增長，退刀槽處便產(chǎn)生疲勞，當(dāng)達(dá)到材料的疲勞強(qiáng)度極限后，便出現(xiàn)裂紋，并逐漸擴(kuò)大，直至斷裂。

（2）缸套支承肩下端面退刀槽處過渡圓弧R（圖1標(biāo)記10）過大時與缸體缸孔倒角（圖2標(biāo)記4）產(chǎn)生干涉[1]。這樣在安裝氣缸套時，圓弧凸出部分接觸到缸體的止口端面，這樣缸套支承肩靠外圓側(cè)懸空，壓裝力會造成缸套裂紋或者斷裂。

（3）氣缸套支承肩下端面外圓倒角（圖1標(biāo)記12）過小時，其在壓裝過程中接觸缸體的止口圓弧R（圖2標(biāo)記3）產(chǎn)生干涉；安裝缸蓋后，把合螺栓通過缸蓋、缸蓋墊傳遞扭力給柴油機(jī)缸套，由于其存在干涉，缸套產(chǎn)生變形，會使氣缸套退刀槽處產(chǎn)生巨大的內(nèi)應(yīng)力，而引起氣缸套從支承肩退刀槽處斷裂。

1.3 缸體加工

缸體加工涉及缸套安裝的精度有：止口的全跳動、缸孔圓柱度、止口直徑等，相關(guān)精度項如圖2所示。

圖2 缸體加工結(jié)構(gòu)圖

（1）止口相關(guān)加工精度：缸孔止口全跳動要求0.01 mm，止口深0.03 mm，但是在機(jī)械加工中，由于刀具磨損很難控制全跳動，止口深度可以保證。所以在缸孔止口加工過程中將全跳動與止口深度公差分解為內(nèi)高外低趨勢≤0.025 mm和單跳動0.01 mm，內(nèi)高外低趨勢是指靠近缸孔視為內(nèi)側(cè)，止口直徑側(cè)視為外側(cè)，其加工可以允許在止口寬度范圍內(nèi)，內(nèi)側(cè)高于外側(cè)0.025 mm.內(nèi)高外低趨勢和單跳動檢測由專用檢具完成。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于刀具磨損，造成止口趨勢內(nèi)低外高，會造成缸套壓裝時缸套支承肩靠內(nèi)圓側(cè)懸空，壓裝力會造成缸套裂紋或者斷裂。

（2）缸孔圓柱度：缸孔的圓柱度是保證和缸套貼合率的一項重要指標(biāo)，缸孔經(jīng)過精鏜工序后，由于刀具磨損等原因，容易出現(xiàn)缸孔上端大，下端小的現(xiàn)象，需要在珩磨過程中進(jìn)行局部珩磨，消除缸孔的變形，保證圓柱度。圓柱度不合格，缸套的貼合面積變小，缸套在承受活塞高速敲擊的過程中容易出現(xiàn)裂紋。

1.4 安裝配合

4102B型柴油機(jī)缸套壓裝形式為按組別進(jìn)行壓裝，缸體缸孔在珩磨工序后進(jìn)行分組，一般分為三組，組別公差為0.01 mm.根據(jù)缸孔的組別號，確認(rèn)對應(yīng)的缸套組別，使用壓力機(jī)和專用輔具進(jìn)行壓裝。分析缸套壓裝后的狀態(tài)，主要形式有三種，如圖3所示。

（1）為設(shè)計理想狀態(tài)，要求止口和缸套支承肩跳動小于0.01 mm，在生產(chǎn)實(shí)際中很難做到；（2）是不合格狀態(tài)，如果出現(xiàn)該種狀態(tài)，氣缸套斷裂的風(fēng)險非常大；（3）實(shí)際控制狀態(tài)，止口內(nèi)高外低趨勢加工就是為了控制成該狀態(tài)，該狀態(tài)可以保證缸套壓入力有受力支承點(diǎn)，不會產(chǎn)生壓裂、支承肩下退刀槽處斷裂的現(xiàn)象。壓裝除了要控制好缸套在缸體中的實(shí)際狀態(tài)，還需要考慮以下幾個方面的影響。

圖3 氣缸套壓入后狀態(tài)

（1）凸出高：凸出高是柴油機(jī)缸體、缸蓋、缸蓋墊之間配合的重要參數(shù)，其是指缸套壓入缸體后，缸套上端面和缸體上面有一個高度差，即凸出高，凸出高單個缸套有要求在0.07～0.12 mm，整機(jī)四個缸套的突出高度差不大于0.05 mm，如果凸出高每個缸套偏差較大，就會造成缸蓋螺栓扭緊時，凸出高數(shù)值大的缸套受力大，壓裂風(fēng)險增大，也會造成每個缸套與缸蓋墊的密封程度不一致，造成三漏故障。

（2）缸孔與缸套配合間隙：如果外徑大的缸套壓入缸體時，缸套要承受更大的壓力，這種壓力會集中在缸套的最薄弱部位，產(chǎn)生形變，形變在振動過程中，容易產(chǎn)生裂紋或斷裂等故障；外徑小的缸套壓入缸體缸孔中，其配合間隙過松（兩者間隙大于0．01 mm以上），這樣在柴油機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，活塞連桿組作往復(fù)運(yùn)動，活塞的橫向擺動會引起氣缸套的橫向振動，增大了氣缸套的振動頻率和振幅。

（3）缸套孔與活塞配合間隙[3]：對于缸套孔選擇活塞裝配時，也需要按照缸套上的分組標(biāo)記進(jìn)行選擇合適的活塞組別，以保證缸套孔和活塞的配合間隙。

（4）壓入力的影響，成品缸套和半成品缸套的壓入力是不一樣的，以4102B型柴油機(jī)為例，壓裝成品缸套其壓入力小于200 N，如果使用半成品缸套由于過盈量增大其壓入力就會增大，該壓入力需要進(jìn)行工藝試驗(yàn)，否則，壓力過大，容易造成缸套變形過大，而在薄弱環(huán)節(jié)退刀槽處斷裂。

2 預(yù)防措施

根據(jù)我公司生產(chǎn)過程中缸套的斷裂案例分析總結(jié)，缸套需要從爐料選配、制造加工兩工序進(jìn)行控制，缸體需要按照加工順序從止口加工、缸孔分組、壓缸套及凸出高檢測三個工序進(jìn)行重點(diǎn)控制，柴油機(jī)裝配從活塞分組裝配工序進(jìn)行重點(diǎn)控制，具體預(yù)防措施如表2所示，該表明確了缸套、缸體加工、柴油機(jī)裝配相關(guān)工序的控制要點(diǎn)及預(yù)防措施，通過這些措施可以更好地預(yù)防缸套斷裂發(fā)生，保證其制造過程穩(wěn)定。

表2 預(yù)防措施

以上預(yù)防措施從2015年9月份開始逐步實(shí)施，根據(jù)公司售后故障統(tǒng)計，缸套斷裂故障率從實(shí)施前的1‰下降到了現(xiàn)在的0.2‰，取得了很好的效果，缸套斷裂故障得到了有效的控制。后續(xù)還將根據(jù)市場中出現(xiàn)的缸套斷裂類型，進(jìn)行重點(diǎn)分析，明確控制要點(diǎn)，以保證缸套斷裂故障徹底消除。

3 結(jié)論

氣缸套斷裂是柴油機(jī)在使用過程中的重要故障之一，其產(chǎn)生的因素很多，從氣缸套的制造到缸套壓裝，從缸體止口加工到缸體成品凸出高檢測，從缸套孔分組到活塞裝配，整個涉及缸套操作的全過程，都需要明確工序加工重點(diǎn)，按照作業(yè)指導(dǎo)文件進(jìn)行檢查控制，才能更好地起到預(yù)防的作用，保證柴油機(jī)的氣缸套在使用過程中不會產(chǎn)生斷裂。