康明斯柴油发电机部件工艺改良和提高技术

摘要：在人们的印象中，柴油发电机都是傻大黑粗，技术落后，除了动力强劲之外一无是处。其实现代的柴油发电机随着现代科技的发展，也搭载了越来越多的领先技术，让柴油发电机的动力性、经济性越来越突出，而且噪音和排放控制得越来越好。当今先进的柴油发电机，是一种集冶金、材料、加工、自动控制、传感器柴油发电机组价格一览表、化工为一体的高科技产品。本文以康明斯发电机KTA38系列为例，综述了通过机体选取合理的炉料配比、化学成分、增C剂，并控制Si/C、Mn/S，提升大马力缸体铸件力学性能的工艺改进。

      柴油发电机的散热与热管理是非常重要的，也是发电机布置中的一个难题。现代柴油发电机一般使用强制循环水冷却系统，合理规划发电机气缸体水道，可以让水箱宝均匀地流过发电机每一个角落，让散热更均衡，防止了老式柴油发电机部分气缸冷却不足的弊端。现代柴油发电机大多操作免保养水泵，树脂叶轮，碳化硅密封圈，叶轮净重更轻、更耐腐蚀，防渗漏能力更强，使用寿命大大延迟。为了防止水箱宝腐蚀发电机，通常都使用专用防锈水，不允许用普通冷却水替代。同时采用电喷硅油风扇离合器，可以更精准地控制风扇的转速，让发电机尽快升温，并保证高负荷时的冷却强度。

      原发电机组的盘车采用的盘车杆手动盘车，飞轮外圆上有盘车孔，需要盘车时将盘车杆插人盘车孔，通过人力搬动盘车杆进行盘车。这样轮机人员不但劳动强度大，而且盘车不正确，需要多次搬动盘车杆才能达到盘车要求，同时无法进行盘车连锁，盘车时很容易造成人身伤亡事故。为此康明斯发电机公司设计了电动盘车系统，见图1，另外在柴油发电机飞轮上布置装配了一个盘车齿圈。需要盘车时，只需按动按钮，电动盘车装置的小齿轮与飞轮的盘车齿圈相啮合，就可以顺利带动柴油发电机按照要求进行盘车。重要的是该盘车系统可以安装一个手柄开关进行起动盘车连锁。盘车时，柴油发电机启动空气管路被自动切断，避免了盘车时人身伤亡故障的发生。

      康明斯柴发机组原来采用TPS61-F33增压器，虽然也能满足发电机组使用规范，但是存在大马拉小型发电机组的现象，该增压器裕度太大，存在浪费现象。为了在不危害柴油发电机性能的前提下节约成本，特地重新进行了增压器选择。经过配机试验，选用了霍尔塞特增压器正式作为该型发电机组的增压器（外观如图2所示），仅此1项每台可节约成本5万余元。48台柴油发电机组，可节约成本240万元，效益相当可观。

      现代柴油发电机不论是冷起动能力还是热启动能力都非常强，几乎都可以做到“点火就着”。这是因为现代柴油发电机有一套先进的启动技术。首先是有一个大容量的起动马达，保证柴油发电机有足够的启动转速；其次是有先进的起动控制逻辑，在起动阶段的喷油正时、喷油量等控制更精准；最后就是有火焰预热启动装置，可以在气温偏低时加热进入燃烧室的空气，让冷起动更容易。

      为了提高缸套内表面耐磨性，避免拉缸现象产生，因此在缸套内表面增加了软氮化要求，缸套内表面粗糙度由Rz 5-10改为Rz 3-7。

      活塞由分体式改为整体铸铁活塞，为了预防燃油喷到汽缸壁上和活塞顶太热，对w型线mm，同时加大了活塞滑油冷却腔面积。为了预防柴油发电机运动程序中活塞顶与进、排烟阀干涉（即顶缸），特意在活塞顶部署了4个0.5mm深的避阀坑。

       现代柴油发电机通常使用整体式铸造曲轴，材质为球墨铸铁或者铸钢。随着现代机械加工技术的进步，主轴的加工精度越来越高，甚至可以控制到微米级。曲轴的轴颈表面一般操作氮化技术，以提高表面硬度，提升耐磨性能，增强主轴的抗疲劳强度。

      现代的柴油发电机为了让更多的空气进入燃烧室，通常都使用涡轮增压、进气中冷、多气门（四气门）技术，可以把柴油发电机的容量和功率增强30%以上。部分乘用车柴油发电机还采用可变进气正时、可变气门升程、可变截面涡轮增压器、双增压器等技术，有效增强充气系数。现代柴油发电机大多采用ω型燃烧室，较小的面容比，中置喷油嘴，进气可以形成更强劲的进气涡流，燃烧更加稳定、柔和、充分，有利于提高柴油发电机的动力性能和排放水平。

      老式柴油发电机渗油是非常普遍的状况，现代的柴油发电机渗油情形大大降低，主要归功于先进的密封技术以及更精密的加工技术。曲轴的前、后油封，越来越多地操作 PTFE（含聚四氟乙烯高分子化学材料），密封性、抗高低温性能、耐腐蚀、耐老化性能更强，使用年限更长。在各密封面，因为精密的机加工技术，平面度非常高，通常使用普通的厌氧密封胶就可以实现良好的密封，不再采用密封垫构成。

      以康明斯柴发机组的动力KTA38系列为例，K38机体是康明斯大马力发电机（600～1400KW）的关键件，为V型12个缸构造（如图3所示）；外形尺寸1563×866×701mm，缸体重量1360kg，壁厚变化大（较薄处8mm，较厚部位100mm），生产难度大。按康明斯技术标准，该型号发电机功率大于800 千瓦时缸体力学性能必须满足，试棒抗拉强度≥310MPa（铸件本体按图纸*的部位取样≥241MPa）、本体硬度≥HB187。机体加工后做气密性查看，不允许有渗漏。对于这样一个毛重大冷却转速慢，又要求周身致密的油道、水腔众多的机体，要增强其机械性能，如果采用简单的减少碳当量或增强合金是行不通的，康明斯发电机公司从选用合理的炉料配比、化学成分、改善增碳工艺，并控制Si/C、Mn/S等策略着手，较好地达到了增强K38机体力学性能的目的。

      灰铸铁的抗拉强度随着碳当量的提高而减轻康明斯室外柴油发电机。为保证机体的铸造性能和凝固时的自补缩能力，康明斯发电机公司选型3.95%≤CE≤4.05%进行工艺试验，试验证明缸体铸件单铸试棒的抗拉强度接近310MPa，但不稳定，如图4所示。

       为了增强提升机体的本体硬度和热疲劳性能，通过加入Cu、Mo和Cr合金，进行合金化，确定合金元素的较佳匹配，如表1。

      试验证明Cu对机体本体硬度的贡献比Cr大。由于缸体有热稳定性要求，Mo能增强铸件的热疲劳性能，即使价格比Cr昂贵，加入Mo还是十分必要的。Mn、Cu与Mo对提高性能有贡献，但R-Sq值与R-Sq（adj）值不高，合金化不是处置提高力学性能问题的唯一策略，还要靠其它工艺途径保证。

      因此，康明斯K38机体铸件的化学成分为o（C）3.2~3.35%，CE控制在3.95~4.05%，o（Cu）0.65～0.70%和o（Mo）0.25～0.35%。

      生产实践证明，相同的化学成分，由于熔炼工艺不一样、配料不一样，铁液的冶金品质完全不一样。生铁因为存在具有遗传性的粗大的过共晶石墨，在熔化流程中难以完全处置，使凝固程序中发生的石墨化膨胀用途削弱，铸件的致密性减小，铁液收缩倾向增大，同时粗大的石墨还加大对基体的割裂作用，减小材料的性能。增加炉料中废钢比例，铸件的抗拉强度明显上升。因此，康明斯发电机公司在生产中工艺规定废钢加入量必须大于30%、生铁加入量小于20%，其余为回炉料。

       废钢比例的增加，铁液的o（C）量必须靠增碳技术来保证。以前康明斯发电机公司采用碳化硅或优质无烟煤球作为增碳剂，增碳效果不明显，操作者抱怨较多，工艺规定的炉料配比难以严格执行。选型经过高温石墨化排查的增碳剂后，与第一批炉料一起加在炉底，增碳效果大为改善。经偏高温石墨化清除的增碳剂，碳原子从无序排列过渡到片状石墨的有序排列，片状石墨能成为石墨形核的较好核心，促进石墨化，减小了铁液收缩。康明斯发电机公司采用经较高温石墨化清除的增碳剂后，缸体致密性改进，机械性能提高，渗漏比例明显下降。

      提高Si/C比，铁液o（C）量相对较低，对基体的割裂作用减弱。o（Si）量相对较高，固溶强化提升，有利于铸铁强度的提升。高Si/C比的铁液有利于排查铸件边角处的白口。在CE相同因素下，高Si/C比的铸件，残留应力低，机体铸件在机械加工时也不易变形。

      康明斯K38机体本体硬度测定点有8个，每处的HB硬度差值不能超过30。因此，标准要求缸体薄壁处硬度不要太高，壁厚处硬度也不要太低。康明斯发电机公司将原始Si选定在1.85-1.90%之间，Si/C比控制在0.6～0.7之间，消除了机体各检测点硬度均匀性问题。

      Mn、S和P都是阻止石墨化的元素。只有少量溶入渗碳体的Mn可提升Fe、C原子间的结合力，促进形成珠光体，同时Mn与S可形成石墨非自发形核的核心MnS，减弱S阻碍石墨化功用，间接地有利于石墨化。S可以改善铁液的孕育效果，提升铸件的加工断屑性能。但石墨非自发形核的核心MnS必须维持在一个特定的范围，MnS增加过多，石墨会变粗，多余的MnS形成密集的夹渣，割裂基体减小铸铁的强度，影响铸件的致密性，增加缩漏倾向康明斯柴油发电机厂家。

      因为锰和硫在铸铁中有相互制约的功用，故而在选择Mn含量与硫含量时必需考虑Mn/S值。生产实践证明，康明斯K38缸体Mn/S选用6-8较为合适，机体单铸试棒机械性能、本体硬度均达到康明斯技术标准要求，机体渗漏率低于3%。 

（1）为保证康明斯K38发电机缸体铸铁具有良好铸造性能与力学性能，CE控制在3.95-4.05之间，加入Cu与Mo进行合金化。

（2）控制炉料配比中生铁加入量不应高于20%，废钢不应低于30%。选型经较高温石墨化的增碳剂增碳，增碳效果明显，铁液收缩性小，缸体致密性增加。

（3）在提高力学性能的同时，控制Si/C比在0.6-0.7之间，Mn/S比在6-8之间，铸件缩松和缩漏弊端减小。