氣缸套穴蝕產生的原因與預防措施

張志斌

摘 要：穴蝕對氣缸套的破壞力很大，有的柴油機運行不到1000 h，缸套就因穴蝕穿透缸壁而報廢，穴蝕嚴重地影響到氣缸套的工作可靠性和使用壽命，造成巨大的經濟損失。對氣缸套穴蝕產生的原因進行了探析，并提出了預防措施。

關鍵詞：氣缸套；穴蝕；預防措施

中圖分類號：TK423 文獻標識碼：A doi：10.14031/j.cnki.njwx.2016.07.061

穴蝕是一種局部腐蝕。缸套穴蝕發(fā)生的部位都聚集在氣缸套外表面連桿擺動平面以內，且在下述三個區(qū)域內最易產生：在連桿擺動平面的兩側，缸套中上部及下部且在活塞主推力面一側穴蝕較為嚴重；在進水口處及水流轉彎處；在支承及上下腰帶處，有很多孔徑為1～5 mm、深達2～3 mm的孔群，成片狀分布?？锥幢砻媲鍧崳瑳]有腐蝕生成物的沉積。隨著柴油機運轉時間的延長，這些孔洞逐漸擴大、變深，甚至穿透氣缸套。由于柴油機的平均有效壓力及轉速不斷提高，氣缸套及機體越來越多地出現穴蝕破壞，而穴蝕一旦發(fā)生，其發(fā)展會很快，有的柴油機運行不到1000 h，缸套就因穴蝕穿透缸壁而報廢。而此時缸套內圓工作表面尚未達到磨損極限，所以穴蝕嚴重地影響到氣缸套的工作可靠性和使用壽命。

1 氣缸套穴蝕產生的原因

迄今為止，關于氣缸套穴蝕的本質原因還不十分清楚，但多數研究者認為，氣缸套振動是發(fā)生穴蝕現象的主要原因。柴油機運轉時，活塞經上、下止點時，其位置從氣缸套的一側改變到另一側，由于活塞擺動撞擊氣缸壁，會引起氣缸套振動和變形。氣缸套外壁冷卻水附層因振動而受到拉伸，由于水的內聚力小于附著力，使緊貼缸壁的那部分水層振離缸壁，僅剩一薄層水膜貼附缸壁，缸壁上的水膜與水層之間產生了瞬時的高真空，局部高真空區(qū)冷卻水蒸發(fā)成氣泡，有的氣泡受振動擠入或發(fā)生在氣缸套外壁最小的針孔中。當氣泡在周圍高壓下收縮以致破滅消失時，產生強大的壓力沖擊波，其壓力可達數千個大氣壓，它在氣泡消失的瞬間沖擊氣缸套外壁，使之承受極高的沖擊、擠壓應力，使鑄鐵材料中的石墨首先剝落。這個過程反復進行，促使材料疲勞破壞，從氣缸套外壁上一粒一粒地剝落下來，形成針孔。越是在狹窄的空洞里，沖擊波的能量也越大，故穴蝕向縱深發(fā)展很快。

鑄鐵為多相組織，在電化學作用下，基體金屬腐蝕很快，但其腐蝕產物沉積在石墨網絡中，并牢固地附著在金屬表面，形成一層保護膜，實際上阻礙了腐蝕進一步發(fā)展。因此，在一般情況下有一定的耐腐蝕能力。但在穴蝕的情況下，石墨的剝落破壞了腐蝕產物保護層，使基體金屬的電化學腐蝕一直進行下去，從而加速了外表面的腐蝕進程。

此外，氣缸壁受拉應力，變形及應力大的部位成為陽極，易受腐蝕。氣缸套處于含氧的冷卻液中會形成氧電極，氧電極的電位與液體中含氧的濃度成正比，在氣缸套外表面的穴窩處以及氣缸套與機體配合處等“死水區(qū)”，往往含氧量少而形成濃差電池，引起金屬腐蝕。

在二沖程柴油機中，由于氣道關系，冷卻水流動不通暢，特別是在流速快的情況下，處在渦流區(qū)的氣缸套壁受到強烈沖擊，引起侵蝕。四沖程柴油機氣缸套冷卻水進口處也常會出現穴蝕。

2 預防措施

為防止氣缸套產生穴蝕，必須采取措施避免發(fā)生氣泡，或者使氣泡不致集中在一起；或使氣泡破滅時不接觸缸套外壁。為此，可從以下幾方面著手：

2.1 減小氣缸套的振動

氣泡的產生與缸套的振動是分不開的，因此減小缸套的振動是消除穴蝕現象最有效的辦法。

（1）盡可能減小活塞與氣缸套的間隙。間隙小則活塞側擺時對缸套的沖擊能量也小。具體地可以采用提高活塞加工精度；采用膨脹系數與氣缸套材料大致相同的材料來制造活塞，對活塞進行有效的冷卻，改進活塞外形等措施。例如某柴油機活塞頭部和氣缸套的間隙由1.5 mm減少為1.2 mm，裙部間隙由0.5 mm減少至0.4 mm，活塞外形由兩段錐形改為三段錐形后，氣缸套穴蝕顯著好轉。但應特別注意，間隙的減小會加大拉缸的風險。

（2）提高氣缸套的剛度。增加氣缸套的壁厚，縮短氣缸套支承間的跨距，增加輔助支承等均可以提高其剛度，使穴蝕大為降低。研究表明，氣缸套壁厚小于氣缸內徑的8%時，就會出現穴蝕破壞，而壁厚大于內徑的9%時，穴蝕破壞比較少見。12V180型柴油機將壁厚由8 mm增加到9.5 mm，并在其外表面上鍍鉻，即消除了穴蝕?，F代中速柴油機的氣缸套多采用厚支承凸緣鉆孔冷卻的結構形式，穴蝕現象較少發(fā)生。

2.2 提高缸套的加工精度和裝配質量

如安裝缸套，應將防水圈套在氣缸套外壁上的凹槽之內，用螺絲刀插到防水圈與缸套之間劃幾圈，以避免防水圈扭曲，并使周圍張力均勻。這樣既能加強防水圈的密封作用，又能防止壓入缸套時防水圈將氣缸套擠壓變形。否則，缸套在缸體內安裝不正，產生變形，將使活塞產生附加載荷，即活塞對缸套沖擊增加，使缸套振動加劇，穴蝕亦加劇。

2.3 選擇適當的氣缸套和機體間的配合尺寸

氣缸套定位環(huán)帶和機體的配合面間因為有間隙存在，所以往往是穴蝕較為嚴重的地方。某些柴油機在這些配合面處采用了較小的過盈配合，取得了良好的效果。也有的在配合處接近水腔的端面裝置橡膠密封圈以防止水進入配合面縫隙。

2.4 在冷卻水中加入添加劑

閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)中，在冷卻水內加入添加劑，如抗蝕劑、乳化油等，使其在氣缸套外圓表面形成一層極薄的膜。而水中亦形成液滴，被圍在氣泡中或圍在氣泡外，從而使液體沖擊能量減少，穴蝕的產生及擴展速度降低。