smc型柴油機(jī)缸套裂紋原因分析及管理

smc型柴油機(jī)缸套裂紋原因分析及管理

man-b-w-smc長途汽車廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代船舶，增強(qiáng)程度非常高。為了提高經(jīng)濟(jì)性,而將其燃燒爆發(fā)壓力提高到140kg/cm2以上,使燃燒室部件的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷達(dá)到了相當(dāng)高的程度,接近其材料所允許的極限,因而對(duì)其結(jié)構(gòu)形式的要求日益苛刻。由于種種原因,近些年來SMC型主機(jī)缸套裂紋的事故經(jīng)常發(fā)生,不但給船公司造成很大的經(jīng)濟(jì)損失,還給輪機(jī)管理人員增添了既急又重的工作量。這個(gè)問題雖然有設(shè)計(jì)、制造及材料方面的缺陷,但在實(shí)地工作中加以科學(xué)管理,還是可以避免異常裂紋,延長缸套使用壽命的?，F(xiàn)就該型主機(jī)缸套裂紋的原因以及日常管理中的注意事項(xiàng)作一分析探討。1熱孔冷卻的特點(diǎn)為了解決缸套機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷之間的相互矛盾,亦既欲降低其機(jī)械負(fù)荷應(yīng)采用厚壁結(jié)構(gòu),欲降低其熱負(fù)荷應(yīng)采用薄壁結(jié)構(gòu)的矛盾,SMC型缸套采用了“薄壁強(qiáng)背”,“鉆孔冷卻”的結(jié)構(gòu)。所謂薄壁就是燃燒室部件的受熱壁要薄,以減少熱應(yīng)力。而強(qiáng)背則是在薄壁的背面設(shè)置強(qiáng)有力的支承,以減少機(jī)械應(yīng)力。鉆孔冷卻是指它的凸肩部位的上半部分采用鉆斜孔冷卻,而且這些水孔共同構(gòu)成了一層熱屏障,擋住了熱流向外傳遞,也就是說,冷卻水孔實(shí)際上將它們分為冷熱兩部分,熱流差不多可以被限制在缸套內(nèi)壁表面與冷卻水孔之間的狹窄區(qū)域,從而分別減少了熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。使之維持在可以接受的水平上。因此,把很薄的熱區(qū)稱為“薄壁”,而將很厚的冷區(qū)稱為“強(qiáng)背”。凸肩的下半部外側(cè)裝有冷卻水外套,它們之間形成水腔。冷卻水從機(jī)架上行引入此外套內(nèi)水腔,又經(jīng)水管進(jìn)入缸蓋。缸套的下部懸空在機(jī)架內(nèi)不用冷卻,使缸套中、下部有較高的溫度,這對(duì)氣缸套工況及消除該區(qū)腐蝕磨損有利。因而,這種結(jié)構(gòu)被普遍應(yīng)用在現(xiàn)代大型船舶的強(qiáng)載柴油機(jī)上。2預(yù)緊力作用下的應(yīng)力氣缸套是柴油機(jī)的主要固定部件之一,是燃燒室部件中的主體。下半部要開氣口,布置氣道,其上半部要安裝缸頭等。因此,氣缸套上部受到氣缸蓋安置預(yù)緊力的作用,氣缸內(nèi)壁受到燃?xì)飧邷?、高壓和腐蝕作用以及活塞的摩擦、敲擊和側(cè)推力作用。氣缸的冷卻水空間受到冷卻水的腐蝕和穴蝕。當(dāng)采用貫穿螺栓把氣缸體、機(jī)架和機(jī)座緊固到一起時(shí),氣缸體又承受著很大的壓力。主機(jī)在工作時(shí)氣缸套內(nèi)部受燃?xì)饧訜?外部被水冷卻,在缸套內(nèi)外之間造成溫差。因此,缸套內(nèi)表面因膨脹受到外表面的阻礙而產(chǎn)生壓應(yīng)力,缸套外表面因受到內(nèi)表面的拉伸作用而產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)定速穩(wěn)定工作時(shí),溫差基本是不變的。3造成堆棧裂縫的主要原因機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷是引起缸套裂紋的主要原因。3.1機(jī)械應(yīng)力的特性機(jī)械負(fù)荷是指柴油機(jī)部件承受最高燃燒壓力、慣性力、振動(dòng)沖擊等的強(qiáng)烈程度。對(duì)缸套來說所承受的機(jī)械負(fù)荷主要是來自氣體壓力和安置預(yù)緊力。由氣體壓力引起的負(fù)荷又稱為機(jī)械應(yīng)力。由于氣缸內(nèi)的氣體力是周期變化的,其最大值為最高爆發(fā)壓力PZ,其變化頻率與單位時(shí)間內(nèi)的循環(huán)次數(shù)(轉(zhuǎn)數(shù))有關(guān)。因此又稱為高頻應(yīng)力或稱脈動(dòng)應(yīng)力疲勞應(yīng)力。由安裝預(yù)緊力引起的負(fù)荷稱為安裝應(yīng)力,它主要存在于上部凸肩部位。在其危險(xiǎn)斷面上承受拉應(yīng)力、剪應(yīng)力以及彎曲應(yīng)力。這些應(yīng)力的數(shù)值大小均與螺栓預(yù)緊力成正比,與其凸肩的高度成反比。為了保證柴油機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)中的任何情況下氣缸蓋不與氣缸套脫開,應(yīng)保證固定螺栓的預(yù)緊力。由此可知,氣缸套的安裝應(yīng)力亦與最高爆發(fā)壓力成正比。3.2低頻應(yīng)力的來源熱負(fù)荷是指柴油機(jī)的燃燒室部件承受溫度、熱流量及熱應(yīng)力的強(qiáng)烈程度。它包括熱應(yīng)力和熱疲勞。由溫差作用形成的應(yīng)力稱熱應(yīng)力。因此,缸壁的熱應(yīng)力與溫差成正比。熱疲勞是指在交變熱應(yīng)力作用下出現(xiàn)的破壞現(xiàn)象,熱疲勞對(duì)燃燒室部件破壞的主要表現(xiàn)是裂紋。它與柴油機(jī)的累計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)并無多大關(guān)系,主要取決于機(jī)器的啟動(dòng)——運(yùn)行——停車的循環(huán)次數(shù),故亦稱低頻應(yīng)力。熱負(fù)荷過高對(duì)燃燒室部件所造成的危害是多方面的,主要有:使材料的機(jī)械性能的降低;承載能力下降;使受熱部件膨脹、變形、局部產(chǎn)生“蠕變”,繼而產(chǎn)生較大的塑性變形,改變了原來的正常間隙;使?jié)櫥砻娴幕脱杆僮冑|(zhì)、結(jié)焦、蒸發(fā)乃至燒掉;使有些部件受熱面燒蝕;使受熱部件承受的熱應(yīng)力過大,產(chǎn)生疲勞破壞等。當(dāng)停車?yán)鋮s后,由于非塑性變形的水冷面要復(fù)原,而塑性變形的觸火面不能復(fù)原,致使壁面產(chǎn)生了殘余應(yīng)力。它使觸火面一側(cè)受到拉伸,冷卻面一側(cè)受到壓縮。由于啟動(dòng)——停車的多次重復(fù),這種現(xiàn)象就多次出現(xiàn),使壁面受到低頻率的脈動(dòng)應(yīng)力作用。由于在高溫下材料強(qiáng)度降低,而低頻應(yīng)力在柴油機(jī)啟動(dòng)一—全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)——停車過程中數(shù)值變化很大,這樣就使一些燃燒室零件在短期內(nèi)出現(xiàn)了裂紋。4缸套上凸肩段缸套的裂紋,以觸火面占多數(shù),特別是應(yīng)力集中和金屬堆積的地方,如:工作條件最惡劣的缸套上部凸肩區(qū),是發(fā)生裂紋最多的部位。除此以外,在過度圓角處、水套加強(qiáng)筋以及氣口附近亦是發(fā)生裂紋的多見地。除觸火面外,冷卻側(cè)的某些應(yīng)力集中處,有時(shí)也產(chǎn)生裂紋,如:外圓柱面和缸套凸肩交界處等。5減少所受的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷從以上的分析中可以看出,缸套裂紋的主要原因是其所承受的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷不合理所造成的,因此,在主機(jī)日常運(yùn)行中應(yīng)從減少其機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷入手,加強(qiáng)運(yùn)行管理,避免缸套裂紋的發(fā)生。5.1螺帽的收縮力當(dāng)代新型柴油機(jī)的氣缸蓋螺栓均采用液壓拉伸器固緊。在安裝時(shí),為了避免缸頭螺栓預(yù)緊力不均,應(yīng)清潔螺帽與缸頭接觸面以及螺帽和螺桿的陰陽螺紋,按規(guī)定液壓力,最好一個(gè)人用同一專用工具逐一用力收緊。任何導(dǎo)致力的大小和力臂長短的差異,均會(huì)造成螺帽收緊力矩不均勻。因此,有時(shí)為了爭(zhēng)取時(shí)間,數(shù)人用不同的收緊工具和方法收緊螺帽或個(gè)別螺帽用錘子從切線方向打緊的方法都是不可取的。5.2主機(jī)熱負(fù)荷隨試驗(yàn)工況的變化情況下會(huì)發(fā)生熱負(fù)荷轉(zhuǎn)化雖然主機(jī)航行是在定速狀態(tài),但由于主機(jī)安裝的是全制式調(diào)速器,它具有能自動(dòng)調(diào)節(jié)油量以保持任一設(shè)定轉(zhuǎn)速不變的工作特性,因此,在大風(fēng)浪天、頂風(fēng)頂流、淺水區(qū)以及狹窄航道等外界負(fù)荷變化大的情況下,導(dǎo)致主機(jī)熱負(fù)荷也將隨之增大,有時(shí)甚至超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。此時(shí),要求我們輪機(jī)管理人員更要加強(qiáng)責(zé)任心,不分晝夜地及時(shí)對(duì)主機(jī)油門進(jìn)行調(diào)整,杜絕超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn),限制主機(jī)熱負(fù)荷使之在一定范圍之內(nèi),這對(duì)機(jī)器經(jīng)濟(jì)、安全、可靠地運(yùn)轉(zhuǎn)是十分重要的。5.3煙氣溫度的均勻度通常我們用柴油機(jī)的排氣溫度來判斷熱負(fù)荷的高低。的確它對(duì)于評(píng)定柴油機(jī)來說是簡單和實(shí)用的。因?yàn)樵谡Ｇ闆r下,當(dāng)柴油機(jī)循環(huán)噴油量增加時(shí),燃燒室部件的溫度和排氣溫度都增加。但要注意的是,僅靠排煙溫度的均勻度還不能說明各缸的負(fù)荷就是均勻的,除排溫表自身的誤差外,在檢修活塞、噴射泵和油頭等設(shè)備后以及隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的不斷延長,它們磨損的程度和各自的工況都發(fā)生了變化的情況下,就很容易引起各缸負(fù)荷的不均勻,導(dǎo)致單缸熱負(fù)荷過高。所以,要經(jīng)常及時(shí)地測(cè)取燃燒壓力、壓縮壓力等各熱力參數(shù)來分析判斷各缸負(fù)荷是否均勻,以便及時(shí)給予調(diào)整。排煙溫度應(yīng)嚴(yán)格控制在規(guī)定的最高允許值以下。在日常工作中,不但要注意參數(shù)絕對(duì)數(shù)值的大小,還要注意參數(shù)本身的變化和各缸間的同名參數(shù)間的差異。參數(shù)的驟變或各缸數(shù)值相差變大往往是故障的先兆。5.4注油量的調(diào)整氣缸潤滑很重要,運(yùn)行中除要保證氣缸油總供油量和油的品質(zhì)合乎要求外,還要注意每個(gè)注油點(diǎn)上的供油情況,要求所有缸及所有點(diǎn)供油量應(yīng)相同,亦即各缸注油器觀察玻璃管內(nèi)的指示圓珠均應(yīng)在一條水平線上。若航行中個(gè)別圓珠較低,說明該點(diǎn)供油量少,容易引起低速斷油,致缸套內(nèi)壁沿注油孔方向磨出一道垂直磨痕。注油器上各注油量的微調(diào)旋鈕,因備車等原因,被手壓注油后常發(fā)生變化,甚至有個(gè)別旋鈕?？ㄋ涝诶锩?引起單點(diǎn)斷油。所以,當(dāng)主機(jī)啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)后,都要立即給予關(guān)注,發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)調(diào)整至正常注油狀態(tài)。主機(jī)在長期低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),如過運(yùn)河,氣缸油量必須適當(dāng)增加,正常航行后立即恢復(fù)原位。平日應(yīng)定期通過日用油柜測(cè)定日耗量,油量少了顯然是不允許的,多了既是一種浪費(fèi),也是有害的,所以,注油量的及時(shí)適當(dāng)調(diào)整,是延長缸套使用壽命、控制磨損率在0.1mm/每千小時(shí)以內(nèi)、按要求控制消耗的重要措施。通過掃氣口檢查缸套工況時(shí)可發(fā)現(xiàn),缸套內(nèi)壁表面的左側(cè)比右側(cè)干凈光亮,甚至在缸套右側(cè)內(nèi)壁上掛有微黃色的燃燒產(chǎn)物,究其原因是:當(dāng)掃氣道內(nèi)部較臟時(shí),被掃氣空氣吹入氣缸內(nèi)的燃燒垃圾所致,因此,及時(shí)清潔掃氣道和氣口及保持排泄管的暢通是減少缸套磨料磨損的有效措施。注意缸套的正確磨合也很重要。新出廠的主機(jī),應(yīng)該嚴(yán)格按照說明書規(guī)定程序進(jìn)行磨合,新?lián)Q了缸套與活塞環(huán)時(shí),其基本磨合原則是:在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)逐漸增加負(fù)荷并需定時(shí)檢查,達(dá)到相互貼合的效果。后者磨合時(shí)至少增大50%的氣缸供油量,幾十小時(shí)后逐漸恢復(fù)正常,只有這樣才是減少熔著磨損的有效措施。常規(guī)吊缸時(shí),活塞令最好不要全換,象SMC型主機(jī)活塞共4道令,換2道比較合適,因?yàn)?這對(duì)減少缸套的磨損會(huì)有一定的好處。如果缸套換新了,所有的令就必須全部換新,決不能使用部分舊令,因?yàn)榕f令的表面,不但已經(jīng)相當(dāng)?shù)挠不?而且還存在橢圓度。所以,它既不能與缸套內(nèi)壁相互完全貼合,又不能適應(yīng)新缸套的跑合磨損。5.5缸套冷卻控制因修理等原因,主機(jī)處在冷車狀態(tài),此時(shí)可采用分段提升冷卻水溫度的方法進(jìn)行暖缸,操作時(shí)嚴(yán)格控制暖缸速率在冷卻水泵排量的10%以內(nèi)。如時(shí)間允許,要盡量延長暖缸時(shí)間,最終使暖缸溫度升到接近正常使用值。在時(shí)間不允許的情況下,最低也要暖至50℃以上時(shí)才能啟動(dòng)主機(jī)。因?yàn)?只有高于50℃以上水溫時(shí)才能阻抑缸套表面的腐蝕,才是減輕缸套腐蝕磨損和熱應(yīng)力的有利措施。即便是吊缸也不宜將水溫降到最低,采用上放水口,亦即保留缸套水腔有幾十度水溫的水,防止缸套溫度突變,吊缸結(jié)束后,先開放氣考克,再稍開進(jìn)水閥,控制補(bǔ)水速度,使水慢慢補(bǔ)充并趕出空氣,便于減少空泡穴蝕。在需要停止暖缸的情況下,也要控制溫降速度或讓其緩慢地自然冷卻降溫為佳,不宜采用將水放光,風(fēng)機(jī)直吹等急促降溫措施降溫。如無特殊情況,應(yīng)盡量保持主機(jī)長期處在溫度穩(wěn)定的暖缸狀態(tài)。因水溫突變、太高或太低,對(duì)燃燒室部件都是不利的。切忌缸套冷卻水溫度低于20度以下時(shí)起動(dòng)主機(jī)。因冷車起動(dòng)后水溫變化過大,會(huì)使缸套的觸火面與冷卻面之間溫差過大,產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力,再加氣體力作用到冷卻面的機(jī)械應(yīng)力都是拉應(yīng)力,二力相互迭加,數(shù)值較大,就更容易產(chǎn)生裂紋。5.6保持水溫穩(wěn)定主機(jī)由海速降為港速,進(jìn)入機(jī)動(dòng)變速用車狀態(tài),此時(shí),冷卻水溫度也以較快的速度隨之降低,當(dāng)水溫降至正常使用值以下5℃左右時(shí),就要逐漸打開暖缸閥,并且根據(jù)主機(jī)轉(zhuǎn)速或冷卻水溫度的高低及時(shí)控制閥的開度大小,同時(shí)配合控制主海水泵的起停,力爭(zhēng)保持水溫穩(wěn)定在正常使用值。在水溫控制過程中,應(yīng)使上下變化的幅度越小越好,變化占用的時(shí)間越長越好。直至停車轉(zhuǎn)為正式暖缸保持溫度穩(wěn)定在正常值上?？傊?無論定速、變速航行還是停泊,及時(shí)正確對(duì)冷卻水溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制,使冷卻水溫度保持穩(wěn)定在正常值,是減少缸套裂紋的有效途徑。5.7掃氣溫度對(duì)缸套工作的影響以及其他保護(hù)由SMC型缸套的結(jié)構(gòu)知道,其下部不用冷卻。因此,缸套中、下部有較高的溫度,這對(duì)缸套工況及消除該區(qū)腐蝕磨損很有利。又由柴油機(jī)工作過程可知,在壓縮過程初期,氣缸壁溫度高于空氣溫度,而在后期,空氣溫度又高于缸壁溫度,因此缸套工作在這溫差多變過程中。若掃氣溫度太低,勢(shì)必給缸套上下部分以及缸套內(nèi)外造成較大的溫差,導(dǎo)致其本身熱應(yīng)力增加。所以,掃氣溫度應(yīng)控制在40度以上為佳。尤其在機(jī)動(dòng)變速航行以及海水溫度較低的情況下,更應(yīng)該及時(shí)給予調(diào)整。輪機(jī)人員均知,主機(jī)要完全燃燒1kg燃油,就需要14kg還多的理論空氣量,所以,為了給主機(jī)供應(yīng)足夠的新鮮空氣使之良好燃燒,機(jī)艙安裝了足夠的強(qiáng)制供風(fēng)系統(tǒng),一般在主機(jī)透平處開設(shè)一至兩個(gè)直吹風(fēng)口,供透平壓氣機(jī)吸風(fēng)專用。當(dāng)外界大氣溫度較低,尤其主機(jī)處在停泊暖缸或機(jī)動(dòng)低速用車時(shí),應(yīng)關(guān)閉或控制直吹主機(jī)的供風(fēng)機(jī)或供風(fēng)口。由此,既縮小了機(jī)體與環(huán)境之間的溫差,又有利于暖缸溫度的提升。5.8自動(dòng)慢轉(zhuǎn)的主拉動(dòng)閥主機(jī)停車30分鐘后的所有情況下,在起動(dòng)以前,必須始終執(zhí)行慢轉(zhuǎn)。帶自動(dòng)慢轉(zhuǎn)的主起動(dòng)閥,由時(shí)間繼電器控制其自動(dòng)慢轉(zhuǎn),非自動(dòng)慢轉(zhuǎn)的主起動(dòng)閥,由人工轉(zhuǎn)換慢轉(zhuǎn)開關(guān)來實(shí)現(xiàn)慢轉(zhuǎn)。慢轉(zhuǎn)時(shí)打開示功考克,吹出燃燒室內(nèi)的殘油水等,防止爆燃或敲擊帶來的危害。5.9臨時(shí)停車時(shí),停車時(shí)總有異常情況,在停車時(shí)即停車時(shí),為了隨時(shí)掌握燃燒室部件的工況是否正常,一定要抓住停航的有利時(shí)機(jī),通過掃氣口對(duì)氣缸磨損、活塞環(huán)工作、氣缸潤滑、活塞冷卻