缸套穴蚀产生的原因分析及预防措施
王铁军+桑鸿雁
摘要：对柴油机穴蚀产生的原因进行了分析，指出振动是穴蚀的根源，提出在柴油机修理及使用中，如何从减少振动的角度出发来减少缸套穴蚀的产生。
关键词：缸套；穴蚀；预防措施
中图分类号：U672 文献标识码：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2016.10.049
柴油机气缸套在高温、高压、交变载荷和腐蚀情况下工作，其使用寿命很难达到标准规定，主要因为缸壁会早期磨损，有时也因为缸套发生了穴蚀。我们查阅了大量资料，认为可以从修理、使用方面采取改进措施，使缸套的使用寿命达到标准规定。下面我们对缸套穴蚀产生的原因进行分析，以求在使用中避免穴蚀的发生。
1 缸套穴蚀的表现特征
发动机运转一个时期（情况严重时，往往在高负荷下运转几十个小时后），在缸套外表面沿连杆摆动方向两侧，出现直径为l～5 mm，深达2 mm左右的蜂窝状孔群，有时在缸壁尚未到磨损极限时，即被穴蚀孔所击穿。
2 缸套穴蚀产生的原因
2.1 实验表明振动是穴蚀的根源
有人认为，缸套穴蚀主要原因是缸套材料引起，如材料内存有微观小孔、裂纹、沟槽。但研究者认为缸套穴蚀是由发动机振动引起的，研究人员在柴油机工作时进行了试验，把加速度传感器固定在缸套的承压、非承压侧，测振信号经放大后，即可进行显示和分析，和气缸压力信号一起可以看出缸套振动和曲轴转角的关系。这个关系可以测出该机工作时的缸套振动频率、振幅、振动速度和振动加速度。在同一台柴油机上，试验时用不同方案的活塞、活塞环、活塞销位置、缸套支承距离、缸套厚度、缸套结构等进行比较，可以定量地分析不同的方案和缸套振动的关系。这种测试方法容易实现，同时也比较直观。测试结果表明，缸套受活塞冲击力最大时，其位置在主承压侧上部到中间附近，也就是活塞侧压力的换向区域，这个位置正好与缸套穴蚀群对应。因此，可以确定穴蚀是振动引起的。这一观点得到了更多人的认同。
2.2 穴蚀机理分析
柴油机在运转中，由于燃料燃烧爆发对活塞产生较高压力，活塞往复运动变向时的冲击，使气缸套受到活塞周期性交变侧压力，由于气缸套与活塞间存在间隙，再加活塞的倒倾，则不可避免地随着发动机运转产生交变冲击，引起高频振动及变形，从而使缸套外壁冷却水附着层产生局部瞬时高真空和高压、高温。在高真空情况下，冷却水汽化成空泡；在高压情况下，使空泡爆破。空泡爆破的强度，决定于气缸套振动的频率与振幅，其强度可达104大气压，温度高达几百度，这样高的局部压力和温度会造成材料塑性变形和疲劳破坏。
从上述成因机理中，引起气缸套的高频振动的因素有以下3方面：
（1）气缸套与活塞的配合间隙，间隙越大，振动越强。
（2）缸套壁厚。气缸套越薄，会引起振动趋向。
（3）柴油机工作过程最高燃烧压力和压力升高比均很大，容易造成缸壁振动。
3 预防措施
（1）要尽量保证活塞与缸套的合适配合间隙。6135Q柴油机厂家说明书规定活塞裙部的上部与气缸间隙为0.27～0.34 mm，下部与气缸间隙为0.24～0.31 mm，只能供修理时参考。因为目前用户所使用的缸套一般要进行选择，如硼铸铁缸套、钒钛铸铁缸套等，其膨胀系数不等，装配时的实际摄氏温度也不相同，再加上老缸体变形基本稳定以及加工精度和装配质量有差异等，所以不能把上述间隙作为公式导用。我们在实际修理中建议把活塞裙部的上部与气缸间隙改为0.28～0.30 mm，下部与气缸间隙改为0.25～0.27 mm，能使缸套穴蚀有所减轻。一旦发现轻微穴蚀，可将缸套安装方向调转90°（即将被穴蚀表面转到与连杆摆动面的垂直方向，继续使用）。
（2）改善冷却水在水套中的流动。冷却水流应该是畅通的，不存在“死水区”、“涡流区”和局部狭窄处。最好采用切向进水口，因为冷却水切向流动会使空泡离开缸套表面附近的强烈振动区。由于空泡破灭时已随水流而去，没有足够的时间挤入气缸套外壁的微小针孔中去，因而不致产生严重的穴蚀。如一柴油机最初使用700 h就发现气缸套穴蚀穿孔，后将水夹层最窄处加宽，并将机体两端处进水改为每缸独立切向进水，穴蚀破坏情况有了显著改善。此外，提高冷却水温对减轻穴蚀有一定好处。当水温为55 ℃时最为不利，85 ℃左右较好。
（3）选择着火性能较好的柴油，并合理选择喷油提前角，使着火落后期较短，从而改善该机的工况，使其工作比较柔和，以减轻缸套的振动。
（4）气缸套外表面加覆盖层。在气缸套外表面镀一层厚约0.02～0.03 mm的乳白色镀铬层，可以有效地防止穴蚀。因为镀铬层具有较高的机械性能和良好的耐腐蚀能力，故能抵制穴蚀和电化学腐蚀。但铬镀层不宜太厚，否则会因振动而碎裂并剥落。硬的光泽铬层由于脆性大及存在有细微裂纹，是不能可靠地防护气缸套的，因此不宜使用。此外，镀铬工艺较复杂、成本高，质量不易保证，再兼之对环境有一定污染，使之在应用上受到一定限制。
在气缸套外表面涂敷环氧酚醛树脂，可以吸收空泡的冲击能量，也可减轻穴蚀破坏。但缺点是脆性较大，不能长期地保留在表面上。
在气缸套外表面易发生穴蚀处包裹锌带、电镀镉钛合金层，实践表明颇有成效。
气缸套外表面进行渗氮、扩渗铬—锰处理，亦能取得较好的防穴蚀效果。即使气缸套外圆表面上不作任何覆盖层，如能降低其表面粗糙度，就能使其材料得以改善，如：使其材料中的石墨呈片状或球状而非细碎的，也可提高其自身的抗穴蚀能力。
摘要：对柴油机穴蚀产生的原因进行了分析，指出振动是穴蚀的根源，提出在柴油机修理及使用中，如何从减少振动的角度出发来减少缸套穴蚀的产生。
关键词：缸套；穴蚀；预防措施
中图分类号：U672 文献标识码：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2016.10.049
柴油机气缸套在高温、高压、交变载荷和腐蚀情况下工作，其使用寿命很难达到标准规定，主要因为缸壁会早期磨损，有时也因为缸套发生了穴蚀。我们查阅了大量资料，认为可以从修理、使用方面采取改进措施，使缸套的使用寿命达到标准规定。下面我们对缸套穴蚀产生的原因进行分析，以求在使用中避免穴蚀的发生。
1 缸套穴蚀的表现特征
发动机运转一个时期（情况严重时，往往在高负荷下运转几十个小时后），在缸套外表面沿连杆摆动方向两侧，出现直径为l～5 mm，深达2 mm左右的蜂窝状孔群，有时在缸壁尚未到磨损极限时，即被穴蚀孔所击穿。
2 缸套穴蚀产生的原因
2.1 实验表明振动是穴蚀的根源
有人认为，缸套穴蚀主要原因是缸套材料引起，如材料内存有微观小孔、裂纹、沟槽。但研究者认为缸套穴蚀是由发动机振动引起的，研究人员在柴油机工作时进行了试验，把加速度传感器固定在缸套的承压、非承压侧，测振信号经放大后，即可进行显示和分析，和气缸压力信号一起可以看出缸套振动和曲轴转角的关系。这个关系可以测出该机工作时的缸套振动频率、振幅、振动速度和振动加速度。在同一台柴油机上，试验时用不同方案的活塞、活塞环、活塞销位置、缸套支承距离、缸套厚度、缸套结构等进行比较，可以定量地分析不同的方案和缸套振动的关系。这种测试方法容易实现，同时也比较直观。测试结果表明，缸套受活塞冲击力最大时，其位置在主承压侧上部到中间附近，也就是活塞侧压力的换向区域，这个位置正好与缸套穴蚀群对应。因此，可以确定穴蚀是振动引起的。这一观点得到了更多人的认同。
2.2 穴蚀机理分析
柴油机在运转中，由于燃料燃烧爆发对活塞产生较高压力，活塞往复运动变向时的冲击，使气缸套受到活塞周期性交变侧压力，由于气缸套与活塞间存在间隙，再加活塞的倒倾，则不可避免地随着发动机运转产生交变冲击，引起高频振动及变形，从而使缸套外壁冷却水附着层产生局部瞬时高真空和高压、高温。在高真空情况下，冷却水汽化成空泡；在高压情况下，使空泡爆破。空泡爆破的强度，决定于气缸套振动的频率与振幅，其强度可达104大气压，温度高达几百度，这样高的局部压力和温度会造成材料塑性变形和疲劳破坏。
从上述成因机理中，引起气缸套的高频振动的因素有以下3方面：
（1）气缸套与活塞的配合间隙，间隙越大，振动越强。
（2）缸套壁厚。气缸套越薄，会引起振动趋向。
（3）柴油机工作过程最高燃烧压力和压力升高比均很大，容易造成缸壁振动。
3 预防措施
（1）要尽量保证活塞与缸套的合适配合间隙。6135Q柴油机厂家说明书规定活塞裙部的上部与气缸间隙为0.27～0.34 mm，下部与气缸间隙为0.24～0.31 mm，只能供修理时参考。因为目前用户所使用的缸套一般要进行选择，如硼铸铁缸套、钒钛铸铁缸套等，其膨胀系数不等，装配时的实际摄氏温度也不相同，再加上老缸体变形基本稳定以及加工精度和装配质量有差异等，所以不能把上述间隙作为公式导用。我们在实际修理中建议把活塞裙部的上部与气缸间隙改为0.28～0.30 mm，下部与气缸间隙改为0.25～0.27 mm，能使缸套穴蚀有所减轻。一旦发现轻微穴蚀，可将缸套安装方向调转90°（即将被穴蚀表面转到与连杆摆动面的垂直方向，继续使用）。
（2）改善冷却水在水套中的流动。冷却水流应该是畅通的，不存在“死水区”、“涡流区”和局部狭窄处。最好采用切向进水口，因为冷却水切向流动会使空泡离开缸套表面附近的强烈振动区。由于空泡破灭时已随水流而去，没有足够的时间挤入气缸套外壁的微小针孔中去，因而不致产生严重的穴蚀。如一柴油机最初使用700 h就发现气缸套穴蚀穿孔，后将水夹层最窄处加宽，并将机体两端处进水改为每缸独立切向进水，穴蚀破坏情况有了显著改善。此外，提高冷却水温对减轻穴蚀有一定好处。当水温为55 ℃时最为不利，85 ℃左右较好。
（3）选择着火性能较好的柴油，并合理选择喷油提前角，使着火落后期较短，从而改善该机的工况，使其工作比较柔和，以减轻缸套的振动。
（4）气缸套外表面加覆盖层。在气缸套外表面镀一层厚约0.02～0.03 mm的乳白色镀铬层，可以有效地防止穴蚀。因为镀铬层具有较高的机械性能和良好的耐腐蚀能力，故能抵制穴蚀和电化学腐蚀。但铬镀层不宜太厚，否则会因振动而碎裂并剥落。硬的光泽铬层由于脆性大及存在有细微裂纹，是不能可靠地防护气缸套的，因此不宜使用。此外，镀铬工艺较复杂、成本高，质量不易保证，再兼之对环境有一定污染，使之在应用上受到一定限制。
在气缸套外表面涂敷环氧酚醛树脂，可以吸收空泡的冲击能量，也可减轻穴蚀破坏。但缺点是脆性较大，不能长期地保留在表面上。
在气缸套外表面易发生穴蚀处包裹锌带、电镀镉钛合金层，实践表明颇有成效。
气缸套外表面进行渗氮、扩渗铬—锰处理，亦能取得较好的防穴蚀效果。即使气缸套外圆表面上不作任何覆盖层，如能降低其表面粗糙度，就能使其材料得以改善，如：使其材料中的石墨呈片状或球状而非细碎的，也可提高其自身的抗穴蚀能力。
