柴油機(jī)氣缸蓋故障模式探究

丁國(guó)柱，張宏宇，張魯君，張明宇

（武警海警學(xué)院，浙江 寧波 315000）

柴油機(jī)廣泛運(yùn)用于多種領(lǐng)域，柴油機(jī)氣缸蓋是柴油機(jī)的核心組成部件之一，氣缸蓋的故障率關(guān)乎整機(jī)及以其為基礎(chǔ)的整體生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性及在線率。故障模式是在完成規(guī)定的任務(wù)時(shí)可能出現(xiàn)的現(xiàn)象，即設(shè)備故障（失效）表現(xiàn)現(xiàn)象[1]。柴油機(jī)故障模式可以歸納為材料性能、理化狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、綜合表現(xiàn)等方面，故障模式是分析故障的入手點(diǎn)也是故障最終呈現(xiàn)的信息，是故障分析的基礎(chǔ)。對(duì)柴油機(jī)氣缸蓋故障模式（故障現(xiàn)象）研究，找出故障原因和故障機(jī)理，是預(yù)防故障發(fā)生的關(guān)鍵，對(duì)柴油機(jī)的運(yùn)行、維護(hù)、維修及采取預(yù)防措施具有重要意義。

1 柴油機(jī)氣缸蓋部件結(jié)構(gòu)構(gòu)成

柴油機(jī)氣缸蓋是柴油機(jī)的核心固定件，與氣缸套、活塞組成柴油機(jī)的燃燒室。在其內(nèi)布置各種孔道，實(shí)現(xiàn)冷卻、潤(rùn)滑、換氣、緊固等功能，滿足以氣缸蓋為主體附屬部件裝配。

氣缸蓋頂部安裝氣門組件、氣門搖臂組件，屬于附屬配件中的運(yùn)動(dòng)部件。運(yùn)動(dòng)部件通過(guò)油孔輸送潤(rùn)滑油對(duì)其進(jìn)行潤(rùn)滑，用氣缸蓋罩對(duì)運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行保護(hù)，氣缸蓋罩與氣缸蓋之間利用橡膠墊密封。氣缸蓋內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、厚薄不一、存在“鼻梁區(qū)”，孔、道中的流體是冷卻水、空氣和高溫?zé)煔?，保障了柴油機(jī)的安全連續(xù)運(yùn)行。螺栓孔用于連接氣缸蓋與機(jī)體，固定氣缸蓋上的附屬配件形成一個(gè)整體。氣缸蓋上還有各種用于密封的O 型圈和墊片。氣缸蓋部件組成及可能的故障模式如圖1。

圖1 柴油機(jī)氣缸蓋部件構(gòu)成及故障模式

2 柴油機(jī)氣缸蓋的故障模式

柴油機(jī)氣缸蓋所處工作環(huán)境惡劣，同時(shí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、孔多、壁厚薄不勻?qū)е陆粨Q熱應(yīng)力集中和機(jī)械應(yīng)力集中點(diǎn)較多。隨著柴油機(jī)強(qiáng)化指標(biāo)的進(jìn)一步提高，柴油機(jī)氣缸蓋因結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境帶來(lái)的問(wèn)題日益突出。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)文獻(xiàn)[2-3]表明柴油機(jī)氣缸蓋故障模式的主要現(xiàn)象是裂紋、變形，考慮柴油機(jī)氣缸蓋部件整體，還包括“三漏”即漏水、漏油、漏氣，噪聲振動(dòng)異響，水道（腔）氣穴、水堵等，氣門及氣閥導(dǎo)管孔磨損等，更有甚者導(dǎo)致拉缸、頂缸、“蹬腿”機(jī)損事故等模式。

2.1 氣缸蓋常見(jiàn)的故障模式

柴油機(jī)氣缸蓋因結(jié)構(gòu)復(fù)雜應(yīng)力集中點(diǎn)較多，直接觸高溫高壓的燃?xì)獾仍驎?huì)產(chǎn)生的損害型故障。主要有因缸頭螺栓受力不均產(chǎn)生裂紋、變形、龜裂等或者缸頭螺栓的斷裂；因水道內(nèi)部結(jié)垢或者結(jié)垢受熱不均導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋或者因內(nèi)部水質(zhì)產(chǎn)生電化學(xué)等各種腐蝕或者氣穴現(xiàn)象而產(chǎn)生麻坑；氣缸蓋底部直接與高溫燃?xì)饨佑|可能產(chǎn)生點(diǎn)蝕、燒蝕；排煙道因排煙高溫?zé)煔鉀_刷會(huì)腐蝕、麻點(diǎn)等。

氣缸蓋及部件主要是采用金屬制成，在氣缸蓋及部件還包括一些密封所用的橡膠圈和墊。這些都會(huì)因使用或放置而產(chǎn)生退化型故障。如氣缸與氣缸蓋之間發(fā)生泄漏，漏油、漏水現(xiàn)象，氣缸蓋表面剝落，氣閥漏氣，氣閥頂桿異響磨損嚴(yán)重等現(xiàn)象。

損害型故障和退化型故障都是設(shè)備使用或一段時(shí)間暴露出其結(jié)構(gòu)上的故障現(xiàn)象，但是有些故障現(xiàn)象是在使用過(guò)程中呈現(xiàn)出來(lái)的。比如柴油機(jī)排氣溫度高、柴油機(jī)水溫壓力表波動(dòng)、柴油機(jī)示功表壓力波動(dòng)、柴油機(jī)突然停車、柴油機(jī)拉缸等都是在運(yùn)行中表現(xiàn)出的故障現(xiàn)象，都是屬于失調(diào)型故障類型。

柴油機(jī)氣缸蓋因使用、設(shè)計(jì)、損傷等會(huì)出現(xiàn)功能衰退或者功能喪失的現(xiàn)象。比如，柴油機(jī)燃燒室漏氣、柴油機(jī)功率不足、柴油機(jī)缸頭破裂、柴油機(jī)氣閥頂桿彎曲、氣閥彈簧斷裂、氣缸蓋被燒紅等。

2.2 氣缸蓋故障模式的層次

故障模式有些是單一部件或者局部故障導(dǎo)致，有些是關(guān)聯(lián)部件故障模式在其上的呈現(xiàn)，即故障模式之間存在邏輯關(guān)系。氣缸蓋及部件的故障模式是多種表現(xiàn)形式的，會(huì)隨著柴油機(jī)的運(yùn)行工況、時(shí)間、操作、保養(yǎng)等因素的不同而發(fā)生等變化而變化。氣缸蓋的故障模式邏輯關(guān)系具有層次的，如表1。

表1 故障模式的層次表

3 柴油機(jī)氣缸蓋故障模式分析與預(yù)防

確定柴油機(jī)氣缸蓋故障為分析對(duì)象，但是氣缸蓋的故障模式有單一零件或系統(tǒng)的，不同的故障模式對(duì)應(yīng)不同的層次，所以故障分析需要確定故障的層級(jí)，分為系統(tǒng)的還是單個(gè)零部件的。

柴油機(jī)氣缸蓋的故障也要遵守故障規(guī)律。本文所指的故障現(xiàn)象是柴油機(jī)正常使用過(guò)程中，一段時(shí)間積累后表現(xiàn)出來(lái)的，這些故障是日常運(yùn)行管理中發(fā)現(xiàn)或者大修時(shí)發(fā)現(xiàn)。如柴油機(jī)冒白煙，氣缸蓋與機(jī)體接觸處漏水和煙氣滲漏、氣缸蓋水溫波動(dòng)、冷卻水壓力表波動(dòng)、氣閥座有麻坑、氣缸蓋表面、內(nèi)部有腐蝕等，是不需要接觸特殊儀器就可以觀察到的故障現(xiàn)象。

在日常的工作中采用硬件分析和功能分析兩種方法對(duì)故障模式進(jìn)行分析[4]。雖然缸蓋其結(jié)構(gòu)相對(duì)整個(gè)柴油機(jī)是簡(jiǎn)單的，但是僅僅把缸頭部件獨(dú)立出來(lái)分析會(huì)導(dǎo)致結(jié)果的片面性，這與故障模式的層次性不相不和。利用系統(tǒng)功能圖[5]來(lái)進(jìn)行分析，可以全面的分析氣缸蓋及部件的故障模式及影響。

故障模式需要必要的檢測(cè)方法，檢查方法有目測(cè)、儀器儀表的數(shù)據(jù)，自動(dòng)化裝置的數(shù)據(jù)記錄表，而本文所用的檢測(cè)方法是一種定性的檢測(cè)，這種檢測(cè)可以有助于及時(shí)的采用補(bǔ)償方式和預(yù)防措施，減緩或者消除故障對(duì)設(shè)備功能的影響。

3.1 氣缸蓋產(chǎn)生裂紋的分析

柴油機(jī)氣缸蓋產(chǎn)生裂紋的主要原因是熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力、電化學(xué)腐蝕等單一或綜合作用導(dǎo)致。柴油機(jī)氣缸蓋出現(xiàn)裂紋的位置不同其產(chǎn)生的機(jī)理是不同的。柴油機(jī)氣缸蓋的底板裂紋一般認(rèn)為是高溫產(chǎn)生的蠕變，以及高溫疲勞破壞導(dǎo)致的。

柴油機(jī)氣缸蓋底面在溫差下產(chǎn)生的熱疲勞裂紋，高壓產(chǎn)生機(jī)械壓應(yīng)力引起局部的塑形變形，在冷卻時(shí)產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，長(zhǎng)久以往導(dǎo)致材料突破疲勞極限出現(xiàn)裂紋。出現(xiàn)龜裂的一定是熱疲勞裂紋。這種裂紋由表及里貫穿，會(huì)導(dǎo)致漏水、漏氣、漏油，導(dǎo)致氣缸蓋部件出現(xiàn)部分燒蝕、變形、磨損加劇、冷卻效果變差、冷卻水進(jìn)入燃油系統(tǒng)和滑油系統(tǒng)，最終導(dǎo)致柴油機(jī)頂缸、拉缸、熄火等而停車。

熱應(yīng)力主要由于氣缸蓋內(nèi)部是相對(duì)低溫的冷卻水，缸蓋底板承受高溫燃燒，存在較大的溫差，這種溫差在交變的沖程中產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，熱應(yīng)力突破其材料的極限就會(huì)出現(xiàn)裂紋。主要表現(xiàn)為持續(xù)受到高溫冷卻不良蠕變性能下降，長(zhǎng)久以往產(chǎn)生殘余應(yīng)力導(dǎo)致氣缸蓋的變形，長(zhǎng)時(shí)間局部高溫運(yùn)行及內(nèi)外溫差過(guò)大這些熱疲勞導(dǎo)致的破壞。也有極端的熱沖擊導(dǎo)致裂紋即溫度急劇升高或急劇下降或零件局部導(dǎo)致硬脆相降低了材料的機(jī)械強(qiáng)度，也會(huì)產(chǎn)生熱力裂紋。

機(jī)械應(yīng)力裂紋主要是來(lái)源機(jī)加工的殘余應(yīng)力、高頻交變的機(jī)械應(yīng)力、高壓爆壓、氣閥座落閥沖擊力等。機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生的疲勞損傷，超過(guò)疲勞極限或者沖擊力超過(guò)材料機(jī)械強(qiáng)度產(chǎn)生破壞形成裂紋。

腐蝕造成的裂紋，是氣缸蓋不同金屬之間，冷卻液體、油液與金屬之間，煙灰與金屬之間等發(fā)生化學(xué)、電化學(xué)反應(yīng)、高溫腐蝕、氣體腐蝕、穴蝕等導(dǎo)致金屬脫落機(jī)械強(qiáng)度變?nèi)酰跈C(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的交替作用下產(chǎn)生裂紋。說(shuō)明腐蝕與冷卻水的性質(zhì)與添加劑有關(guān)，也與柴油機(jī)氣缸蓋的溫度及功率有直接的關(guān)系。

穴蝕一般認(rèn)為是電化學(xué)腐蝕和機(jī)體振動(dòng)共同作用的結(jié)果，需要加強(qiáng)機(jī)體減振研究和防止機(jī)體共振。熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力、腐蝕裂紋等產(chǎn)生都是內(nèi)因?qū)е?，這些裂紋常發(fā)生在壁厚很薄處。還有因其它的導(dǎo)致裂紋的，即外力導(dǎo)致，如撞擊、缸蓋螺栓擰緊力矩不均、缸蓋下底板不平或有異物等導(dǎo)致裂紋。

3.2 氣缸蓋故障模式的預(yù)防判斷和預(yù)防

氣缸蓋是否有裂紋一般可以通過(guò)觀察冷卻水水壓的穩(wěn)定性，膨脹水箱水位的變化、水位報(bào)警器報(bào)警以及水中是否存在油、假沸騰即煙氣等判斷，啟動(dòng)前觀察曲軸箱有無(wú)水分，沖車過(guò)程示功閥有無(wú)噴水或者水珠，及氣缸蓋外表面有無(wú)水滴及水痕。通常采用滲透法和水壓法進(jìn)行檢測(cè)確認(rèn)。

在實(shí)踐過(guò)程中，柴油機(jī)氣缸蓋的故障大多數(shù)是因輪機(jī)員的操作不當(dāng)和未按要求維護(hù)保養(yǎng)導(dǎo)致。操作不當(dāng)常見(jiàn)的有，暖機(jī)不夠加負(fù)荷或加速、頻繁起停、暴力操車、停車立即?；秃屠鋮s水或者立即放干冷卻水，冷天忘放冷卻水，高溫報(bào)警立即添加冷卻水等。維護(hù)保養(yǎng)不良常見(jiàn)的有，沒(méi)有按時(shí)按規(guī)定添加和更換冷卻水和滑油而導(dǎo)致缺少或品質(zhì)不好，冷卻系統(tǒng)和滑油系統(tǒng)維護(hù)保養(yǎng)不良導(dǎo)致附件故障或管路故障導(dǎo)致中斷冷卻和潤(rùn)滑，未按要求調(diào)整氣閥間隙、螺栓上緊或者拆修等。

在船舶上一旦發(fā)現(xiàn)氣缸蓋有貫穿性裂紋，必須采用停車檢查，嚴(yán)禁帶病用車防止進(jìn)一步產(chǎn)生破壞如頂缸、拉缸等故障。一般采用換新或封缸運(yùn)行等方法來(lái)恢復(fù)柴油機(jī)功能和維持船舶運(yùn)行。

工作中，加強(qiáng)氣缸蓋的驗(yàn)收工作，嚴(yán)禁使用材料不合格的氣缸蓋，加強(qiáng)備用氣缸蓋的保存。運(yùn)行中要按時(shí)按質(zhì)的對(duì)氣缸蓋及相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，確保氣缸蓋的冷卻效果，防止氣缸蓋過(guò)熱或局部過(guò)熱，非緊急情況禁止粗暴用車，未經(jīng)暖車加速或加負(fù)荷，禁止頻繁起動(dòng)，定期檢查冷卻水水質(zhì)和更換冷卻水減輕結(jié)垢和腐蝕，定期清洗、清理氣缸蓋水道等。采用必要的預(yù)防手段和合理的操作規(guī)定來(lái)規(guī)避因人為因素導(dǎo)致的柴油機(jī)氣缸蓋故障，確保柴油機(jī)氣缸蓋的可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

氣缸蓋是柴油機(jī)的重要核心組成部分。氣缸蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，長(zhǎng)期處于惡劣環(huán)境下工作，交變的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力都會(huì)造成氣缸蓋產(chǎn)生裂紋，不當(dāng)?shù)娜藶椴僮骱筒涣嫉木S護(hù)保養(yǎng)會(huì)加劇裂紋的產(chǎn)生的可能。研究氣缸蓋產(chǎn)生的故障模式，為氣缸蓋故障排除、維護(hù)保養(yǎng)及預(yù)防提供依據(jù)和基礎(chǔ)，能夠在一定程度上提高保障柴油機(jī)氣缸蓋的可靠性，確保柴油機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。分析柴油機(jī)氣缸蓋故障模式，對(duì)柴油機(jī)維護(hù)、維修、故障預(yù)防具有一定的指導(dǎo)意義。