內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)氣缸套磨損故障分析及處理

靳 強(qiáng)

（山西潞安礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司鐵路運(yùn)營(yíng)公司， 山西 長(zhǎng)治 046031）

引言

內(nèi)燃機(jī)車受到柴油機(jī)故障影響較為普遍，在柴油機(jī)運(yùn)作時(shí)，受到氣缸套、活塞環(huán)的磨損影響，柴油機(jī)所產(chǎn)生的燃?xì)鈺?huì)進(jìn)入到曲軸箱內(nèi)部，造成差示壓力急速增高。此時(shí)，柴油機(jī)則會(huì)根據(jù)機(jī)械特性，對(duì)壓力動(dòng)作進(jìn)行反應(yīng)，通常情況下，柴油機(jī)會(huì)自行停機(jī)，從而遏制增壓器噴油事故。但是故障發(fā)生后，柴油機(jī)內(nèi)部由于機(jī)油的涌動(dòng)，可能會(huì)造成曲軸損壞等大范圍事故。因此需要對(duì)柴油機(jī)氣缸套磨損故障進(jìn)行全面判斷。

1 柴油機(jī)氣缸套磨損故障分析

1.1 造成磨損的原因分析

內(nèi)燃機(jī)車在開行過程中，柴油機(jī)會(huì)進(jìn)行不斷運(yùn)作，在這一環(huán)節(jié)內(nèi)部，柴油機(jī)氣缸套會(huì)摩擦、腐蝕等，從而出現(xiàn)一定程度的磨損，最終使柴油機(jī)發(fā)生嚴(yán)重故障。

首先在摩擦磨損方面，目前的柴油機(jī)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)師為了能夠降低柴油機(jī)內(nèi)部缸套之間的磨損，會(huì)在氣缸套外部選用硼鑄鐵材料，這種材料耐磨程度較高，同時(shí)由于屬于合金材料，其質(zhì)量也十分符合制造要求。但是在實(shí)際的運(yùn)行過程中，這種材料與其他摩擦面之間并不能做到完全匹配，最終造成摩擦不均等，耐磨性較弱的摩擦面的摩擦情況則會(huì)加劇。這種現(xiàn)象常表現(xiàn)在柴油機(jī)內(nèi)部氣缸套和活塞環(huán)彼此的摩擦之上[1]。例如2016年底J公司所使用的內(nèi)燃機(jī)車就發(fā)生了磨損故障事件，該時(shí)間當(dāng)中，機(jī)車開行里程超過15萬km，此時(shí)柴油機(jī)內(nèi)部活塞環(huán)發(fā)生嚴(yán)重磨損，差示壓力過高故常頻頻出現(xiàn)。檢修人員采用機(jī)車解體的檢修方式，對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)氣缸套表面完好，而活塞環(huán)則出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，摩擦損耗達(dá)原始厚度的31.6%，十分驚人。此時(shí)部分活塞環(huán)受到磨損影響，已經(jīng)喪失密封能力，且出現(xiàn)了斷裂破碎現(xiàn)象。如圖1所示。

圖1 柴油機(jī)活塞環(huán)嚴(yán)重磨損

除了摩擦磨損造成故障之外，在柴油機(jī)運(yùn)作中，氣缸套還容易受到腐蝕磨損影響。根據(jù)柴油機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，柴油機(jī)通過燃油和潤(rùn)滑油進(jìn)行動(dòng)力提供，而在二者長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行之下，受到高溫環(huán)境和循環(huán)環(huán)境的影響，潤(rùn)滑油產(chǎn)品會(huì)發(fā)生激烈的化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)隨著氣缸內(nèi)部振動(dòng)，完成反應(yīng)的潤(rùn)滑油會(huì)直接與氣缸套相互接觸，對(duì)氣缸套的機(jī)械結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重腐蝕。在日常觀察中可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過腐蝕的氣缸套機(jī)械，其表面會(huì)出現(xiàn)分布十分密集的小孔洞，這種孔洞在光照下十分明顯。隨著使用頻率的增加，小孔洞會(huì)逐漸增多，最終嚴(yán)重影響氣缸套的正常使用，造成機(jī)械故障。

1.2 氣缸套磨損故障影響分析

氣缸套磨損所造成的故障主要集中在對(duì)柴油機(jī)以及內(nèi)燃機(jī)車運(yùn)行的安全方面。越來越多的實(shí)例表明，受種種因素的影響，柴油機(jī)氣缸套出現(xiàn)了嚴(yán)重磨損，且隨著磨損加劇，氣缸套本身的剛度會(huì)迅速下降，最終形成大范圍的裂紋，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的通孔。以某型號(hào)的柴油機(jī)使用為例，氣缸套發(fā)生磨損后，出現(xiàn)了直徑超過0.5 cm的通孔，此時(shí)外部運(yùn)轉(zhuǎn)的冷卻水直接進(jìn)入到氣缸內(nèi)部，與內(nèi)部機(jī)油發(fā)生混合，使得機(jī)油的性狀發(fā)生改變，最終造成了諸如化瓦爆炸等嚴(yán)重事故。而在一些普通的故障事件當(dāng)中，氣缸套的磨損所帶來的威脅也較為嚴(yán)峻。例如在受到磨損出現(xiàn)氣密性下降現(xiàn)象之后，氣缸套與配合活塞之間的間隙開始不斷增加，在運(yùn)行過程中，除了會(huì)增大噪音之外，還會(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)困難、油耗增加、內(nèi)部溫度升高等現(xiàn)象。而內(nèi)燃機(jī)車的運(yùn)行特征要求其必須具備高速度和大功率負(fù)荷等工作特點(diǎn)，因此柴油機(jī)面對(duì)的運(yùn)行壓力極高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，受到磨損影響下的柴油機(jī)會(huì)發(fā)生排氣帶黑煙現(xiàn)象，使用壽命降低可達(dá)70%，嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)性和安全性。

2 柴油機(jī)氣缸套磨損故障對(duì)策

2.1 故障檢驗(yàn)技術(shù)

對(duì)于柴油機(jī)來說，磨損故障需要遵循“及時(shí)發(fā)現(xiàn)，迅速處理”這一原則，通過科學(xué)合理的技術(shù)手段，對(duì)柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行全面判斷，從而了解其運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械特性，進(jìn)而敏銳發(fā)現(xiàn)故障。

目前在內(nèi)燃機(jī)車的檢測(cè)技術(shù)研究中，針對(duì)柴油機(jī)磨損情況，一般采用機(jī)油檢測(cè)和油譜分析相結(jié)合的方法，對(duì)柴油機(jī)情況進(jìn)行全面分析。本文在實(shí)際分析過程中，以光譜分析為例，開展了相應(yīng)的檢測(cè)活動(dòng)。化學(xué)原理中，由于每一種元素其本身都可以表現(xiàn)出一種獨(dú)特的譜線，因此在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)人員可以利用光譜分析儀等設(shè)備，對(duì)柴油機(jī)潤(rùn)滑油進(jìn)行觀察，從而確定其潤(rùn)滑油中的物質(zhì)種類和物質(zhì)含量。隨后，檢測(cè)人員再根據(jù)元素內(nèi)部的原子在發(fā)射、吸收過程中表現(xiàn)出的特征譜線對(duì)物質(zhì)進(jìn)行組成部分的鑒別，最終了解到物質(zhì)的變化規(guī)律，判斷磨損情況[2]。在實(shí)際的檢測(cè)工程中，檢測(cè)人員一般采用某公司生產(chǎn)的MOA型光譜儀進(jìn)行潤(rùn)滑油觀察，這種型號(hào)的光譜儀具有分析迅速、種類多樣的特點(diǎn)，對(duì)于待分析的潤(rùn)滑油能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，并能有效地對(duì)不同溫濕度環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)判斷。該光譜儀主要由高壓電弧、折射板、電容器等部件組成，檢測(cè)內(nèi)容包含Mn、Mo、Fe、Pb、Ag、Sn等數(shù)十種潤(rùn)滑油元素。通過光譜分析儀對(duì)諸多元素的關(guān)聯(lián)值進(jìn)行判斷，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)摩擦產(chǎn)生的金屬磨損量、油液添加劑的消耗量以及柴油機(jī)冷卻液的泄漏情況做到充分判斷。相較于傳統(tǒng)的解體檢測(cè)，光譜分析檢測(cè)技術(shù)更加方便和直接。其中添加劑消耗量的檢測(cè)主要對(duì)柴油機(jī)內(nèi)部的添加劑含量進(jìn)行分析，從而精確判斷柴油機(jī)內(nèi)部的防腐情況和粘度指數(shù)，在高溫、泄漏環(huán)境下效果更為明顯。本文在進(jìn)行柴油機(jī)氣缸套摩擦磨損的分析時(shí)，采用了光譜分析法，光譜儀對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象當(dāng)中超過20種元素的納米級(jí)微粒進(jìn)行了測(cè)定，并依次得到了元素含量。隨后，本文結(jié)合定量數(shù)據(jù)，對(duì)光譜數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行了一次線性函數(shù)的分析，使其作為線性回歸進(jìn)行變化趨勢(shì)的判斷。通過變化趨勢(shì)分析，能夠較為準(zhǔn)確地了解到內(nèi)燃機(jī)車運(yùn)行時(shí)間與柴油機(jī)正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行之間的函數(shù)關(guān)系。

2.2 柴油機(jī)氣缸套磨損處理

對(duì)于已經(jīng)磨損嚴(yán)重的柴油機(jī)氣缸套，應(yīng)當(dāng)由專業(yè)人員及時(shí)更換。為了能夠在今后的工作和應(yīng)用當(dāng)中深刻地避免因摩擦等因素所造成的磨損，在更換時(shí)，工作人員需要對(duì)摩擦單元的設(shè)備特性進(jìn)行全面衡量，選用合適機(jī)組運(yùn)行的氣缸套和活塞環(huán)設(shè)備。通過上文的論述可以看出，氣缸套的摩擦磨損故障并不僅是其自身強(qiáng)度的問題，因此在選購(gòu)摩擦副時(shí)，工作人員需要考慮到多個(gè)層面的耐磨性，避免出現(xiàn)單邊磨損現(xiàn)象[3]。在開展柴油機(jī)檢修工作時(shí)，柴油機(jī)如果選用普通的軟氮化氣缸套，則與之相對(duì)的活塞環(huán)就應(yīng)當(dāng)選用鍍鉻型的產(chǎn)品，而如果工作人員需要改用更具耐磨抗性的奧貝球墨型鑄鐵氣缸套，其表面剛度、耐磨性相較于普通氣缸套高出數(shù)倍，因此應(yīng)當(dāng)選用與之具有同樣耐磨性的加鈮鍍鉻活塞環(huán)，通過二者間的相互配合，保證使用壽命提升。

2.3 柴油機(jī)氣缸套故障預(yù)防

在柴油機(jī)日常運(yùn)行過程中，相關(guān)監(jiān)控檢修人員應(yīng)當(dāng)采用技術(shù)手段，提高氣缸套的運(yùn)行能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)磨損故障的有效預(yù)防。本文認(rèn)為，在內(nèi)燃機(jī)車開行任務(wù)中，可以采用加厚缸套壁的方式，降低振動(dòng)影響，提高缸套強(qiáng)度。在研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，氣缸套壁厚度越高，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越高，同時(shí)振動(dòng)強(qiáng)度的影響最低。數(shù)據(jù)顯示，壁厚每增加8%，磨損現(xiàn)象的出現(xiàn)頻率下降可超過10%。試驗(yàn)柴油機(jī)選用的某型號(hào)氣缸套直徑為17 cm，原始壁厚約為1.1 cm。根據(jù)數(shù)據(jù)要求，增加壁厚需達(dá)到0.2 cm左右，可以達(dá)到預(yù)期效果。通過增加厚度試驗(yàn)，對(duì)加厚前后的磨損故障發(fā)恒數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)加厚之后的氣缸套在面對(duì)大規(guī)模沖擊時(shí)，形變已經(jīng)不再明顯，由于磨損所造成的返修率也有原始數(shù)據(jù)9.3%下降至5.8%，效果明顯。除此之外，在實(shí)驗(yàn)研究中研究者發(fā)現(xiàn)，通過利用不等厚的加厚方式，能夠使氣缸套內(nèi)部的上支撐和下支撐之間的跨距縮短，從而實(shí)現(xiàn)支撐凸緣厚度的增加。研究人員通過鉆孔冷卻技術(shù)，使氣缸套內(nèi)部的振動(dòng)影響迅速下降，提升氣缸套的使用壽命。

3 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)階段，內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)所面臨的磨損故障較為嚴(yán)重，其中摩擦磨損和腐蝕磨損最為常見。為了提升內(nèi)燃機(jī)車開行安全性，提高使用壽命。工作人員需要通過專門的檢測(cè)對(duì)氣缸套磨損情況準(zhǔn)確判斷，面對(duì)氣缸套磨損故障問題，則需要采用積極的處理方法和預(yù)防手段對(duì)其進(jìn)行全面防控。