柴油发电机气缸套失圆度、椭圆度和圆锥度的测量

【摘要】柴油发电机汽缸套早期损伤是一种易损的故障，气缸会早期磨耗的结果将致使柴油发电机供电不足，很难着车，窜机油严重和机油消耗量增大，甚至会造成自动熄火而使柴油发电机不能正常工作。本文较为全面而装置的解述了康明斯柴油发电机组气缸套表面不正常磨损的类型、原理，并关于性地提出各类磨损的防治策略，为柴油发电机汽缸套表面异常磨损研究领域提供参考。

      汽缸套是发电机的关键零部件之一，其产品性能直接影响发电机的动力性、经济性、可靠性、环保性和安全性。汽缸套与汽缸盖、活塞、活塞环构成燃烧室，通过进气、压缩、燃烧、膨胀、排气等程序，将热能转化为机械能，供应动力**。汽缸套是发电机中工作环境较恶劣的零配件之一。

      汽缸套长久受活塞环高速往复运动，承受大爆发压力和高温燃气功能，机械负荷和热负荷严重，润滑要素恶劣，要求产品具备高耐磨、高减磨、自润滑、耐腐蚀和良好的散热、抗变形等性能。其具体的失效形式是损伤，形成磨损的详细原由包括汽缸套本身结构因由导致的磨耗、未正确使用造成的磨耗以及维修不正常所造成的磨损（如图1所示）。高效减少磨耗、延缓失效对提高内燃机性能有着极其重要的意义。

      气缸套使用一段时间，就会发生不均匀磨耗。其特性是沿长度方向发生失圆度，沿圆周方向产生椭圆度和圆锥度。磨损较大、较不均匀的部位，通常是在活塞处于上止点位置时，第一道气环相对应的缸壁处，往下使逐渐减轻，康明斯柴油发电机气缸套在活塞运动区域之外磨损很小，特别是在磨耗较大断面以上部位，几乎没有损伤。故而在此处形成明显的台肩。

      由于发电机组散热器用复合箔在工作状态下要承受600 ℃发热，因此需要具有良好的抗下垂性能.参照日本低温焊接**的抗下垂性试验方法测试复合箔的抗下垂性。

      利用发电机专用软件模块进行了汽缸套-活塞碰撞动力学仿真，获得了汽缸套与活塞接触区域内，气缸套内部表面的每个节点的碰撞力，而且对每个不同的活塞型线进行了碰撞动力学仿真.对于无损伤、保持原始型线的活塞，气缸套的中上部接触区域中某一节点的碰撞力的动态响应如图2所示。通过上述气缸套-活塞碰撞动力学仿真总述，可以获得汽缸套内部表面各节点的碰撞力结果。

      汽缸套沿长度方向发生失圆度，与其作业要素密切相关，可从润滑、冷却、温度、压力、活塞动力转速、磨料和腐蚀性物质等方面来简述其原由。

      气缸套上部润滑条件较差。因为康明斯柴油发电机气缸套多采用激溅式润滑，康明斯柴油发电机气缸套上部润滑油较少，而且康明斯柴油发电机汽缸套上部温度较高，润滑油的粘度较低，油膜强度较弱。而康明斯柴油发电机气缸套上部又与发烫气体接触时间较长，易烧损气缸壁上的油膜，形成半天摩擦或边界摩擦，这些因素都使康明斯柴油发电机气缸套上部损伤比下部大，从而产生失圆度。

      康明斯柴油发电机汽缸套上部承受的压力较大。这个压力除了活塞本身的弹力以外，主要是燃烧流程出现的高压气体窜入活塞环背隙而用途于气缸壁的压力。由于这个压力随活塞下行而减小，因而造成康明斯柴油发电机汽缸套上部磨耗较大。

      来自空气中的灰尘，以及不完全燃烧时发生的积炭等磨料，进入气缸壁与活塞、活塞环的配合表面之间，随着活塞在汽缸中的往复运动，会造成磨料损伤。这些磨料在康明斯柴油发电机汽缸套上部时，其棱角较锋利，向下会沿途磨钝，因而康明斯柴油发电机汽缸套上部损伤较大。

      气缸套上部腐蚀较强烈，这也是康明斯柴油发电机气缸套上部磨耗大于下部的重要原由。

（1）康明斯柴油发电机气缸套内的燃料燃烧后，会产生水蒸气和某些酸性物质。例如燃料中含有的硫化物在燃烧中与水蒸气化合生成硫酸，二氧化碳与水蒸气化合形成碳酸，在过热燃烧时，大气中的氮与氧化合成氧化氮，而氧化氮又与水蒸气化合生成硝酸等等，这些酸性物质会使汽缸壁发生化学腐蚀。

（2）当气缸壁温度低于露点温度时，燃烧废气中的水蒸气在汽缸壁上凝结为水滴，会发生比化学腐蚀严重得多的电化学腐蚀。腐蚀物被运动的活塞环刮去后，又出现新的腐蚀，这样不断重复，越靠近康明斯柴油发电机汽缸套上部化学腐蚀和电化学腐蚀就越严重。实践证时，当防锈水温度低于85℃时，气缸壁腐蚀较严重，而在此温度以上时，燃烧后生成的水蒸气和酸类物质可随废气排出，影响性要小得多。

      康明斯柴油发电机汽缸套沿圆周方向损伤不均匀，出现椭圆度和圆锥度则与下列要素有关：

      在正常因素下，汽缸套的较大椭圆通常也是出现在康明斯柴油发电机汽缸套上部润滑条件较差的较大磨损位置。

      活塞环压力沿径向的分布是不均匀的，其开口处的单位压力常达平均压力的好几倍，这也是康明斯柴油发电机气缸套沿径向发生偏磨的缘由。

      在正常条件下，活塞往复运动的侧压力会使康明斯柴油发电机气缸套在连杆运动平面出现较大的磨耗，而侧压力较大的一边，损伤也较大。因而促使康明斯柴油发电机气缸套沿径向出现椭圆度和圆锥度。注意，由于侧压力的较大位置并不在康明斯柴油发电机汽缸套上部，故而对较大椭圆度和圆锥度的形成不起主要功能。

      另外使用维保不当，工作环境恶劣，润滑油无法及时添加或使用不洁净的润滑油，柴油发电机汽缸套或活塞环变形，连杆扭曲等等，都会使康明斯柴油发电机汽缸套发生早期磨耗。

      用量缸表测定汽缸的椭圆度和圆锥度，是在垂直于气缸内壁工作表面的三个截面上进行测定的，如图3所示。 第一个截面在活塞上止点时的第一道活塞环所处的位置，在这个位置，气缸内磨损量较大；第二个截面在汽缸套内壁的中间位置；第三个截面在活塞下止点时能后一道活塞环位置处，在这个位置，气缸内壁的损伤量较小。在三个截面上分别泱出每一个截面的左、右和前、后方向的直径，就可计算出气缸的圆锥度和椭圆度。同一个截面内检测出的互相垂直的两直径的差值为椭圆度。分别在气缸套内壁的三截面上的相同方向上，检测出的较大直径和较小直径的差值为圆锥度。量缸表在汽内壁损伤的较大位置外测定的直径与标准尺寸的差值为该缸的较大损伤量。在通常情形下，对汽缸套的椭圆度要求是：汽缸套的内径小于100mm时，椭圆应小于0.2mm;气缸套的内径大于100mm时，椭圆度应小于0.30mm。气缸套的大限度椭圆度为3D/1000mm（D为缸套内径）。对气缸套的圆锥度要求是：气缸套度大于250mm时，圆锥度应小于0.025~0.5mm。在正常情况下，允许气缸套的圆度为0.05mm，较大极限圆锥度不允许超过5D/1000mm。

      压力表是另一种常见的气缸压力测定工具，如图4所示。与压力传感器不一样，压力表通常是机械式的机构，它操作弹簧原理或其他机械系统来测量气体或液体的压力。在汽缸压力测量中，压力表一般需要通过连接管与气缸内的气体相连。当气体压力功用在压力表上时，压力表的指针会随之移动，指示出气缸内的压力数值。

      柴油发电机的汽缸压力测试是检修柴油发电机内部构成和性能情形的重要对策。一般来说，汽缸压力测试能够反映出柴油发电机的压缩比、燃烧室密封性、活塞环的磨耗程度、喷油装置的工作状态等方面的问题。通过对柴油发电机的汽缸压力测试，可以及时发现柴油发电机的损坏和问题，并采取相应的检修策略，从而确保柴油发电机的正常运行和可靠性。

      在进行气缸压力测试之前，要先察看柴油发电机的供电是否正常，以及检查试验仪器的连接线路是否良好。同时，要将柴油发电机的冷却液排放干净，确保柴油发电机处于干燥状态。

      将汽缸压力测试仪器连接到柴油发电机的高压油管上，然后将高压油管拧紧，确保油管的密封。

      接下来，启动柴油发电机，并将其运转到一定的速度下，然后按下汽缸压力测试仪器上的测试按钮，即可进行汽缸压力测试。在测试流程中，要根据测试仪器上的指示器，记录下各个气缸的压力值。

      测试完成后，按照气缸压力测试仪器上的使用策略进行数据排除。将测得的压力值作图，简述各个气缸测试结果的区别性，并根据测试结果判定柴油发电机的内部结构和性能情况。

      汽缸套在润滑不良、发烫、高压、交变载荷和腐蚀物质的用途会出现早磨、穴蚀、裂痕等易见失效形式。检修维保和操作错误是造成早期过大磨耗的具体缘由，只有了解，掌握了气缸套的正常损伤和早期非正常磨耗的规律、缘由和预防对策，才能提升其综合性能。采用螨墨铸铁气缸套，对气缸套进行表面改性处理以及领先珩磨工艺等这些途径都可以减少汽缸套的磨耗，增长汽缸套的使用时限。