船用柴油机气缸套穴蚀的成因及其预防措施.doc

重庆交通大学应用技术学院2013届航运工程系毕业生论文论文题目：船用柴油机气缸套穴蚀的成因及其预防措施 班级： 轮机7班 姓名： 王永铁 指导教师： 谭显坤 日期： 2013.5.20 重庆交通大学应用技术学院航运工程系船用柴油机气缸套穴蚀的成因及其预防措施 班级 轮机7班 姓名 王永铁 摘要：文章介绍了船用柴油机气缸套穴蚀的现象，分析了穴蚀的成因机理，提出了提高气缸套抗穴蚀能力的一些具体措施，并对船用柴油机气缸套的设计、制造与维修提出一些建议，以延长气缸套的使用寿命关键词：船用柴油机；气缸套；穴蚀成因；预防措施Abstract：The paper explains the cavitation erosion of marine diesel engine and analyze the causes of this condition， gives some measures which Can raise the antierosion capability of the cylinder, and also pus forward some suggestion on how to design, manufacture and repair the cylinder with aim to extend the service life of cylinder jacketKey words：Marine diesel；Cylinder jacket；cavitation erosion；Precautionary measures前言船用柴油机的穴蚀是指柴油机运转过程中，湿式气缸套外圆表面冷却壁上产生的不同于一般腐蚀和机械磨损的局部聚集小孔群腐蚀。气缸套穴蚀是船用中、高速柴油机普遍存在的严重问题。随着柴油机的功率增加、强载度的提高和高速、轻型化，气缸套穴蚀破坏就成为妨碍柴油机正常运转的首要问题，严重地影响柴油机的工作可靠性和气缸套的使用寿命。一般说来，船用中速和高速筒状活塞式柴油机，特别是高速、轻型大功率柴油机，气缸套存在不同程度的穴蚀。例如12V180、6150等高速柴油机，6300、6250等中速柴油机。有的柴油机投入运转不久在气缸外圆表面就出现穴蚀小孔，甚至柴油机运转不足千小时就因缸套穴蚀穿孔而报废，而此时缸套内园表面尚未磨损。为此，必须弄清缸套穴蚀的成因，采取有效措施来预防气缸套的穴蚀，从而延长气缸套的使用寿命。1. 气缸套结构形式及作用1.1气缸套结构形式气缸内表面由于受高温高压燃气的作用并与高速运动的活塞接触而极易磨损。为提高气缸的耐磨性和延长气缸的使用寿命而又有不同的气缸结构形式和表面处理方法。气缸结构形式有三种：无气缸套式、干式、湿式的。无气缸套式机体即不镶嵌任何气缸的机体，在机体上直接加工出气缸，优点是可以缩短气缸中心距，使机体尺寸和质量减小。但成本较高。干式的不与冷却液接触，壁厚为2-3mm，外表面和套座孔内表面均须精加工，以保证必要的位型精度和便于拆装。优点是机体刚度大，气缸中心距小，质量轻，加工工艺简单。缺点是传热较差，温度分布不均匀，容易发生局部形变。湿式外壁与冷却液直接接触，壁厚5-8mm，利用上下定位环带实现径向定位，轴向定位靠套上部凸缘与机体顶部相应的支承面配合实现。湿式的优点是机体上没有密封水套，容易铸造，传热好，温度分布比较均匀，修理方便，不必将发动机从汽车上拆下就可更换。缺点是机体刚度差，容易漏水。1.2气缸套的作用气缸套是一个圆筒形零件，置于机体的气缸体孔中，上由气缸盖压紧固定。活塞在其内孔作往复运动，其外有冷却水冷却。1与缸盖、活塞共同构成气缸工作空间。2筒形活塞柴油机的气缸套承受活塞侧推力，成为活塞往复运动的导程。3将活塞组件及本身的热量传给冷却水，使之工作温度适当。4二冲程柴油机的气缸套布置有气口，由活塞启闭，实现配气。2.气缸套穴蚀的成因分析及产生过程 2.1 气缸套穴蚀的成因分析 船用柴油机为提高冷却效果，大多采用湿式气缸套，闭式循环淡水冷却，这种冷却的特点是循环流动的冷却水直接与高温的湿式气缸套外表面接触而带走热量。船用柴油机气缸套穴蚀的形成是一个复杂的物理、化学过程。造成气缸套穴蚀的因素有很多，目前普遍认为是由气缸套在活塞往复运动冲击下产生的高频振动和冷却水携带的电解质所致，这两种因素同时存在或交替进行均会引起缸套的穴蚀。其中气缸套高频振动导致的空泡溃灭是产生穴蚀的根源，而由电解质引起的电化学腐蚀则起到了促进作用。 从微观压力波机理分析来看，液体（冷却水）因所接触的金属固体（气缸套）振动而产生一种压力波。由于金属有一定的弹性，当气缸套受到活塞的侧压力时，气缸套就向外产生弹性变形，从而挤压缸外冷却水，使水压局部升高，当活塞的侧压力发生交变时，气缸套恢复弹性变形，并会向相反方向产生一定的弹性变形，缸外冷却水压力局部迅速变小，冷却水受到拉伸，水的连续性遭到破坏。当缸套变形幅度大于某一临界值时，水膜很难附于缸套外壁，而被弹出表面，产生真空气泡。同时当冷却水温较高时，水膜也会容易受热汽化产生气泡。再有就是水的内聚力小于附着力，当气缸套振动时，紧贴气缸套外壁的水层离开，但仍有薄水膜附着在气缸套外壁上，在水膜与水层之间形成真空。在拉伸过程中，气泡周围的压力低于某一数值时，气泡将会膨胀，发生破裂。同时，当活塞的交变正压力再次到来时，冷却水又被挤压，此时刚刚产生的真空气泡在较大的压力下破灭，产生极大的压力脉冲和高温，其压力在冷却系环境压力边缘上下波动，在某一确定时刻，其相互关系为：气缸套受到周围冷却水的压力冷却系环境压力总和压力波压力。2.2 缸套穴蚀产生过程 柴油机运转时，活塞在曲柄连杆的牵制下在气缸套内作往复运动，又由于柴油机气缸套与活塞之间存在着间隙，使得活塞的摆动具有冲击性，这种冲击性引起气缸套产生强烈的振动(其振动频率正比于柴油机的转速)。活塞在侧推力作用下不断地冲撞着缸壁的左、右侧，使气缸套产生高频振动。缸套高频振动和缸壁的弹性变形使冷却水空间的容积交替地增大和减小，冷却水相应交替地膨胀与被压缩。膨胀时受拉伸作用形成瞬时低压，被压缩时形成瞬时高压。此外，冷却水进口和流动时产生涡漩使冷却水通道内压力变化，也会形成瞬时高压或低压，在瞬时低压时产生空泡，瞬时高压时空泡溃灭，使缸套外圆表面频繁受到冲击。随着活塞的往复循环，这样的高压反复冲击缸套外壁，造成缸套外壁的金属疲劳脱落，大量的金属疲劳脱落在缸壁上形成麻点状的密集孔穴群，造成柴油机穴蚀。此外，缸套振动能量的转化、液体间摩擦和空泡破裂时产生大量的热、缸套表面局部产生高温使金属达熔化状态以及高压作用下都易造成金属破坏，剥落后形成针孔。 船用柴油机循环冷却淡水是未经处理的呈弱酸、弱碱或盐溶质的弱电解质溶液，这些与金属缸套外壁接触的弱电解质溶液跟缸壁上的金属和杂质(或碳)一起形成了无数的微小原电池。缸壁上的金属颗粒为正极，杂质(或碳)为负极的原电池发生电化学反应，导致柴油机缸套电化学腐蚀。另外，在气缸套与缸体的接触处，由于水流缓慢，冷却水的温度较高，氧的溶解度较小，冷却水中含氧浓度不同形成的氧浓差现象加速了柴油机缸套的电化学腐蚀。3.预防气缸套穴蚀的措施 缸套穴蚀与柴油机的机型、结构、爆发压力、冷却水腔、冷却介质、柴油机的工艺参数等有关。针对船用柴油机穴蚀的成因，可以找出减轻穴蚀产生的方法，并采取有效的措施，预防或延缓气缸套的穴蚀现象。3.1 降低气缸套的振动 降低气缸套的振动可有效地预防气缸套的穴蚀。降低气缸套振动的具体措施如下： a尽量减小活塞与气缸套之间的间隙值。活塞撞击缸壁的能量是由活塞横摆时接触缸壁瞬间的横向速度与其质量所决定的，减小活塞与气缸套之间的间隙可以大大降低撞击时的速度，降低撞击能量。b尽量采用长活塞，以减小活塞横摆时的倾角，减轻活塞横摆时的倾倒，从而减小活塞的倾倒力矩，增加活塞与缸壁的接触面积，显著降低气缸套的振动强度。c增加缸套的壁厚和缩短缸套支承间的跨距，以提高缸套的刚度。柴油机设计时缸套壁厚与缸径D之比有一定选取范围：高速柴油机 D=35-68中速柴油机 D=8-10 d.适当减小缸体与缸套之间的配合间隙，以减小缸套的振幅和振动频率。3.2 提高气缸套抵抗穴蚀的能力气缸套抵抗穴蚀的能力与气缸套材料、加工表面质量和表面涂层情况等有关：a尽量采用金相组织致密、均匀且石墨形态好，含Cr，Mo，Mn等元素的多元合金铸铁或锻钢作气缸套的材料。这些材料具有较高的机械性能、热稳定性和抗化学腐蚀能力，能有效提高气缸套抵抗穴蚀的能力。 b尽量降低缸套外壁的表面粗糙度，以减少缸壁表面凹痕处聚集的水蒸气核心数量，减缓穴蚀产生的进程。 c缸套外圆表面覆盖保护层或强化层。采用镀铬、渗氮、喷陶瓷、涂环氧树脂或涂尼龙等工艺使金属表面与冷却水隔开，或使缸套外圆表面强化，可有效地防止电化学腐蚀与穴蚀。例如12V180柴油机缸套外表面镀铬，8300柴油机机体冷却水腔表面涂环氧树脂，防腐蚀和防穴蚀效果较好圆。3.3 改进冷却系统 改进柴油机冷却系统使其有利于减缓气缸套的穴蚀。 a合理设计柴油机冷却水腔，防止水流速度和冷却水压力发生突然的变化。柴油机设计时要求冷却水腔内水流速度应小于2ms，水腔宽度t=14D或不小于10mm，各处均匀一致，水流畅通不形成死水区和涡流区，有利于降低穴蚀。如4115型柴油机把冷却水腔最窄处由15mm增至7mm，大大降低缸套穴蚀。 b在冷却水腔内安装锌块实施阴极保护防止电化学腐蚀。例如6300、8300型柴油机气缸套外表面安装锌块并坚持定期更换取得防止穴蚀的良好效果。 c使用经过处理的软水可减轻缸套的电化学腐蚀。实验证明，软水的穴蚀速度比硬水要慢几十倍。 d在冷却水中加入缓蚀剂。例如乳化油缓蚀剂，使在缸套外表面上形成一层较薄的连续保护膜，不仅可以防止电化学腐蚀，而且可以减弱空泡破裂时的冲击波对缸套表面的冲击作用，从而减轻穴蚀。 e尽量使冷却水保持合适的温度和必要的压力。试验表明，当发动机的工作温度为80-90、水压为98-12OKPa时，不易产生空泡，缸套也不易产生穴蚀。另外，在保证动力性和经济性的前提下，适当减小供油提前角，可减轻柴油机工作的粗暴程度，避免活塞侧向撞击力过大，从而保证柴油机平稳运转。同时减小冷却水的流动速度和水压的反复变化，减少气泡的产生，也能减缓柴油机穴蚀的产