分析DF4內(nèi)燃機車柴油機氣缸套的損傷及對策

黃鵬

（廣州鐵路集團公司調(diào)度所，廣東 廣州 510010）

1 現(xiàn)狀

株洲機務段配屬的DF4內(nèi)燃機車主要擔負石長線、洛湛線貨物列車的牽引任務，以及株洲北~岳陽北、株洲北~衡陽北、衡陽北~郴州北間區(qū)段及摘掛列車的牽引任務。以往使用情況還是比較正常的。但近期先后有六臺機車在架修后的兩個定檢期內(nèi)發(fā)現(xiàn)柴油機缸套拉傷的情況，例如DF4-3421機車第三、八缸、DF4-3548機車第二、五、十缸拉傷，六臺機車共有十多個缸損傷。損傷的主要特征是缸套內(nèi)壁活塞運動上止點區(qū)域出現(xiàn)擦傷和拉傷，損傷較為集中，面積超過25cm2,中間有熔融狀。這是一種極不正常的損傷，如果發(fā)現(xiàn)不及時，輕則拉傷氣缸套和活塞；重則造成氣缸套和活塞破損，使燃氣竄入曲軸箱，嚴重時將造成差示壓力計動作或曲軸箱爆炸。因此，研究延長缸套的使用壽命的方法，對于提高機車工作的可靠性，提高機車的利用率，確保行車安全和運輸暢通，節(jié)省勞力和材料等方面都具有重要意義。

2 氣缸套的磨損

活塞組在氣缸套內(nèi)運動，由于潤滑不充分，工作溫度高，潤滑油膜不易保持，所以氣缸套的磨損比起其它摩擦副來就顯得嚴重得多，氣缸磨損的主要原因有摩擦磨損、磨料磨損、腐蝕磨損。這三種磨損一般是同時存在，而且相互影響。例如磨損后或缺油的表面容易被腐蝕，腐蝕和磨損的產(chǎn)物又是磨料的來源。造成腐蝕磨損的酸份會降低機油的性能，燃氣和凝結的水珠會沖刷油膜，這都會促進熔著磨損。而當油膜厚度減小時，小直徑的磨粒都可以造成磨損等。

為了檢查氣缸套的磨損情況，在檢修時，必須在一定部位進行內(nèi)徑測量。通常當磨損超過氣缸套內(nèi)徑的0.4~0.8%時，燃燒室就會失去密封，大量高溫高壓燃氣漏出。這不但造成柴油機功率下降，而且也破壞了氣缸的散熱，并使機油在缸套和活塞的壁面積碳，引起柴油機過熱，活塞環(huán)喪失彈性以及零件加速磨損等一系列故障，這就必須修理或更換。根據(jù)氣缸套內(nèi)徑的磨損情況，可以畫出氣缸套磨耗曲線圖，以便分析磨損原因，掌握磨損規(guī)律。圖（1）為四沖程柴油機氣缸套的基本磨損圖。

圖中（a）為氣缸套正常磨損情況。可見活塞在上止點處第一道氣環(huán)附近的地方磨損最大，在下止點第一道氣環(huán)附近次之，氣缸套中部磨損較小。因為在上止點處，活塞環(huán)對氣缸壁的壓力最大，而且氣缸套這一部分溫度高，加上活塞運動速度下降到零。這樣靠運動速度建立起來的潤滑油膜的承載能力迅速降低，或者是形不成油膜，潤滑條件差，所以磨損較大。而氣缸套中部，活塞速度最高，油膜狀態(tài)良好而豐富，氣缸壁不受嚴重磨損與腐蝕，因而磨損較小。而活塞在下止點處，活塞速度又近于零，不易形成油膜，但下部溫度和壓力都較上部低，所以磨損較上部小而又比中部大。這說明潤滑油膜對磨損的影響是非常關鍵的。

圖中其余情況都是不正常磨損情況，磨損量比較大。（b）為磨料磨損的情形，主要由于吸入空氣中塵土較多或嚴重積碳造成的;(c)為機油污染其中含有大量硬質(zhì)顆粒所造成的磨料磨損情形;（d）是在上止點發(fā)生熔著磨損情形;(e)是上止點附近受到腐蝕磨損，而腐蝕生成物又在氣缸套中部造成磨料磨損的情況;(f)也是腐蝕磨損，但主要是冷卻水溫過低，使磨損最高值移向下部。

株洲段發(fā)現(xiàn)十多個缸套有較為嚴重的損傷，以DF4－3421機車第八缸為例:該缸套與曲軸垂直的平面附近，在活塞上止點位置的區(qū)域出現(xiàn)寬度約有35mm的擦傷范圍，間中有四條深度0.2mm的劃痕（拉傷），長度在120mm左右，靠上止點拉傷深度較大些，這種損傷程度已大大超過了工藝允許限度的25cm2擦傷總面積的要求，再發(fā)展下去的話，將會造成抱缸，甚至有爆炸的危險。

造成這樣的損傷的原因是什么呢？一般來說，造成缸套非正常磨損的原因主要有：潤滑不良，進入空氣臟污、冷卻不良，不正常燃燒以及缸套本身缺陷等。為查找真正原因，（1）首先，對該機車取油水樣化驗，結果其機械雜質(zhì)含量、粘度、水分等幾項指標均正常；（2）缸套的初期磨合工作嚴格按工藝要求進行；（3）乘務員的操縱方法正確；（4）檢修對缸套的安裝與調(diào)整遵守有關工藝規(guī)定。

接著，我們試圖從缸套本身的缺陷來查找原因。經(jīng)對換下的缸套的金相組織分析，發(fā)現(xiàn)缸套內(nèi)表面硬度達不到設計中的要求，表面處理磷化、珩磨的質(zhì)量也不過關。由于缸套表面處理質(zhì)量不過關，造成磨擦表面潤滑不良，缸套的磨損速度較快，加上該缸套的耐磨性能不過關，加劇其磨損速度，使缸套的壽命大大降低了。針對該批缸套存在的質(zhì)量問題，我們利用定檢時機徹底對六臺機車的缸套質(zhì)量作了重點檢查，更換了質(zhì)量達不到標準的缸套，并督促承修單位嚴把缸套進料的質(zhì)量關，保證修車質(zhì)量。

3 提高氣缸套耐磨性的措施

經(jīng)上述介紹，可知影響氣缸套磨損的因素是多方面的，十分復雜，除了氣缸套本身的問題外，還涉及到活塞組的設計，空氣、滑油的濾清，燃燒過程，制造工藝及使用條件等。一般可采用如下措施：

在柴油機投入運轉前，必須對缸套進行充分的磨合，氣缸套未經(jīng)磨合或在磨合初期，缸套內(nèi)表面比較粗糙，油膜不易形成，常處在臨界磨擦或干磨擦狀態(tài)，往往會造成缸套和活塞表面的損傷，因此，必須在磨合階段使磨擦表面達到良好的貼合，形成油膜，改善潤滑條件，避免拉缸。缸套的磨損量隨運轉時間的變化關系如圖（2）所示。

圖（2）中，Oa段表示新機磨合階段，ab段表示正常磨損階段，b點開始進入急劇磨損階段。

柴油機在啟機時機油和水的溫度須在20°C以上，加載時油水溫度應達到40°C以上，以減少氣缸內(nèi)酸性物質(zhì)的形成和腐蝕磨損，提高機械效率，改善氣缸內(nèi)發(fā)火燃燒條件，減小受熱機件的溫度梯度等。火車司機在操縱機車時，柴油機轉速及負荷波動應盡量減少，檔位穩(wěn)定時間應相對長一些。柴油機正常運轉時應注意控制缸壁的溫度，也就是控制冷卻水的溫度在78°~85°C為宜，盡可能避免低溫運轉。中檢時要加強對燃油粗濾器、精濾器的清洗，及時更換棉芯。

在安裝前，認真檢驗缸套的質(zhì)量，重點檢查其同心度，表面硬度、表面粗糙度是否符合有關規(guī)定。改進相關部件，比如選擇適當?shù)幕钊h(huán)材料及其壓力分布，選擇適當?shù)幕钊h(huán)與氣缸套的硬度配合。最主要的是在制造過程中，采用先進的工藝，提高缸套的本身的質(zhì)量。選擇適當?shù)牟牧希倪M缸套材料是提高氣缸套耐磨性的一個重要措施如改進石墨的形狀和分布，改進金相基本組織，添加合金元素等。

缸套內(nèi)表面采用表面處理工藝，氣缸套內(nèi)表面處理是其強化的重要措施，經(jīng)常采用的方法有：多孔性鍍鉻、磷化、表面淬硬、軟氮化，現(xiàn)在已經(jīng)引進了激光表面處理工藝。激光熱處理的優(yōu)點是：（a）能量傳遞方便。可以對被處理件各表面有選擇地進行局部強化;(b)熱影響區(qū)線，零件強化處理后的變形小，表面又比較光潔 ，可不經(jīng)加工或稍許研磨后，即可使用;(c)可自冷淬火，不用淬火介質(zhì)，避免環(huán)境污染。

提高工作表面精度，一般要求缸套的橢圓度和錐度不能超過0.025~0.035mm,否則缸套與活塞環(huán)的配合面接觸不良，活塞環(huán)的密封性能降低引起燃氣泄漏，污染機油，加劇磨損。