氣缸蓋裂紋原因分析與防范

船舶柴油機的氣缸蓋是其發動機的重要部件，結構形狀復雜，工作條件惡劣。它的底部是燃燒室的一部分，不僅受到高溫、高壓、燃氣的沖刷，而且周期性地承受著很大的、分布不均勻的機械力與熱應力，由此產生的裂紋也較為常見。為此，采取切實措施，防止氣缸蓋裂紋，是保障機械安全運行的重要步驟。

一、缸蓋裂紋原因分析

1.熱疲勞的影響。氣缸蓋底面產生裂紋的原因，是熱負荷過高，產生過大的殘余拉伸應力。柴油機工作時，氣缸蓋底面局部受熱，熱度可達300~400℃左右，在熱膨脹變形受到限制的情況下，會產生強烈的壓縮應力。氣缸蓋材料在溫度超過350℃時，蠕變性能下降，隨著柴油機運行時間的延長，因蠕變產生塑性變形會導致此壓縮應力逐漸下降。停車后，受熱面的溫度降低是在室溫狀態前，壓縮應力已完全消失。當溫度繼續下降至室溫時，表面即出現殘余拉伸應力。裂紋是否產生，取決于此殘余拉伸應力的大小，局部地區溫度超過允許值越多，運行時間越長，殘余拉伸應力也越大。

如果柴油機一啟動就達到極高溫度，那么氣缸蓋在經歷第一次“加熱——冷卻”循環后，馬上就會開裂;但通常是經過若干次加熱和冷卻，拉伸應力逐漸增加而最終出現裂紋，因此這是熱疲勞影響造成的裂紋。

2.機械應力的影響。氣缸蓋水腔面的裂紋往往發生在進水口入口的支撐筋根部的過渡圓角處，裂紋沿圓同方向延伸，然后沿壁厚方向由水腔表面向燃燒室面擴展。這種裂紋產生的主要原因是爆炸壓力所引起的高頻交變機械應力和熱負荷所引起的低頻交變熱應力的復合效應所產生的疲勞損壞。

3.熱沖擊的影響。對于急劇加熱和冷卻，使機械零件局部區域產生劇烈的溫度變化，該零件的材料內部就要產生沖擊溫度波的傳播狀態，同時產生動態熱應力，這種現象被稱為“熱沖擊”。據對200GZC柴油機上異常啟動試驗證明(突然啟動，突然加負荷至100%)，正常啟動時，缸蓋上鼻梁處的最大瞬間溫度變化率為3.9℃/S，而異常啟動時則為11.7℃/S，這說明異常啟動時熱沖擊問題要嚴重得多。隨著柴油機啟停的突變，將使沖擊溫度波不斷地作用于缸蓋底部，這就有可能使部件材料逐漸失去延性而脆化，最終使缸蓋底部構成脆性破壞。

二、防范措施

1.改善材質。通過改善材質來減少缸蓋裂紋的產生是一個頗為有效的措施。如當缸徑為400mm以下的氣缸蓋通常以灰鑄鐵為最普遍，而當缸徑大于400mm時，由于灰鑄鐵經不起大變形的長期考驗，因而已改用球墨鑄鐵為宜。

2.加強對缸蓋過熱部位的冷卻。在柴油機缸蓋冷卻水道內增設擋水板，加快水流速度，且對水流給予必要的引導，使其定向地沖刷排氣和噴油這些受熱嚴重的部件，使其得到很好的冷卻。

3.采取多種“薄避強背”方案。采取“薄避強背”可使機械應力和熱應力各得其所。近年來許多中速柴油機都采用了雙層底氣缸蓋的結構形式，它的設計觀點是把熱負荷和機械負荷分開來處理:采用較薄的底板可以提高冷卻效果，降低底板溫差，即用較薄的底板承受熱負荷，采用較厚的頂面板、中間隔板和周壁來提高鋼度承受機械負荷，這就是“薄壁強背”的原理。

4.利用粗糙強化換熱的原理。利用粗糙強化換熱的原理降低壁溫，在燃燒的冷卻水側處加許多凸柱，利用粗糙元對流體進行擾動和破壞粘性底層，從而降低了冷卻水與壁面間的換熱熱阻，強化了傳熱。

5.將熱應力進行釋放。熱應力過大的部位常會引起裂紋，在設計上應考慮熱應力釋放問題。例如:為減少燃燒室壁上的熱應力，在結構上使缸蓋四周不能箍得太緊，缸蓋與缸套的定位凸肩要留有充分的余地。又如缸蓋閥門的過橋處常易裂紋，可在產生裂紋的部位預先銑去一部分金屬，以減輕應力集中的程度。

6.在使用中避免粗暴用車。若對柴油機操作管理不當，同樣會使氣缸蓋產生裂紋。例如:柴油機冷車啟動或啟動后加速太快都容易產生裂紋，因為受熱件和冷卻液的溫度升高都需要一個過程，如果加速過快，燃燒時部件就會因內外壁溫差過大而產生過大的熱應力，長此下去，就會產生裂紋。因此，開車前必須充分暖機，啟動后不可加速太快，待油溫升高后，再加至全速運轉。

三、判斷和維護

1.判斷。

船舶在航行中，發現機器冷卻水有斷續現象或出水中含有油煙，可以斷定為柴油機氣缸蓋產生了裂紋。

2.維護。

輪機人員要在充分暖缸的情況下增加負荷，不要急劇調節冷卻水量，避免造成“激碎”，并且要及時清除冷卻空間中的水垢和鐵銹。

(責任編輯武之華)