分析DF4内燃机车柴油机气缸套的损伤及对策

黄鹏

（广州铁路集团公司调度所，广东 广州 510010）

1 现状

株洲机务段配属的DF4内燃机车主要担负石长线、洛湛线货物列车的牵引任务，以及株洲北~岳阳北、株洲北~衡阳北、衡阳北~郴州北间区段及摘挂列车的牵引任务。以往使用情况还是比较正常的。但近期先后有六台机车在架修后的两个定检期内发现柴油机缸套拉伤的情况，例如DF4-3421机车第三、八缸、DF4-3548机车第二、五、十缸拉伤，六台机车共有十多个缸损伤。损伤的主要特征是缸套内壁活塞运动上止点区域出现擦伤和拉伤，损伤较为集中，面积超过25cm2,中间有熔融状。这是一种极不正常的损伤，如果发现不及时，轻则拉伤气缸套和活塞；重则造成气缸套和活塞破损，使燃气窜入曲轴箱，严重时将造成差示压力计动作或曲轴箱爆炸。因此，研究延长缸套的使用寿命的方法，对于提高机车工作的可靠性，提高机车的利用率，确保行车安全和运输畅通，节省劳力和材料等方面都具有重要意义。

2 气缸套的磨损

活塞组在气缸套内运动，由于润滑不充分，工作温度高，润滑油膜不易保持，所以气缸套的磨损比起其它摩擦副来就显得严重得多，气缸磨损的主要原因有摩擦磨损、磨料磨损、腐蚀磨损。这三种磨损一般是同时存在，而且相互影响。例如磨损后或缺油的表面容易被腐蚀，腐蚀和磨损的产物又是磨料的来源。造成腐蚀磨损的酸份会降低机油的性能，燃气和凝结的水珠会冲刷油膜，这都会促进熔着磨损。而当油膜厚度减小时，小直径的磨粒都可以造成磨损等。

为了检查气缸套的磨损情况，在检修时，必须在一定部位进行内径测量。通常当磨损超过气缸套内径的0.4~0.8%时，燃烧室就会失去密封，大量高温高压燃气漏出。这不但造成柴油机功率下降，而且也破坏了气缸的散热，并使机油在缸套和活塞的壁面积碳，引起柴油机过热，活塞环丧失弹性以及零件加速磨损等一系列故障，这就必须修理或更换。根据气缸套内径的磨损情况，可以画出气缸套磨耗曲线图，以便分析磨损原因，掌握磨损规律。图（1）为四冲程柴油机气缸套的基本磨损图。

图中（a）为气缸套正常磨损情况。可见活塞在上止点处第一道气环附近的地方磨损最大，在下止点第一道气环附近次之，气缸套中部磨损较小。因为在上止点处，活塞环对气缸壁的压力最大，而且气缸套这一部分温度高，加上活塞运动速度下降到零。这样靠运动速度建立起来的润滑油膜的承载能力迅速降低，或者是形不成油膜，润滑条件差，所以磨损较大。而气缸套中部，活塞速度最高，油膜状态良好而丰富，气缸壁不受严重磨损与腐蚀，因而磨损较小。而活塞在下止点处，活塞速度又近于零，不易形成油膜，但下部温度和压力都较上部低，所以磨损较上部小而又比中部大。这说明润滑油膜对磨损的影响是非常关键的。

图中其余情况都是不正常磨损情况，磨损量比较大。（b）为磨料磨损的情形，主要由于吸入空气中尘土较多或严重积碳造成的;(c)为机油污染其中含有大量硬质颗粒所造成的磨料磨损情形;（d）是在上止点发生熔着磨损情形;(e)是上止点附近受到腐蚀磨损，而腐蚀生成物又在气缸套中部造成磨料磨损的情况;(f)也是腐蚀磨损，但主要是冷却水温过低，使磨损最高值移向下部。

株洲段发现十多个缸套有较为严重的损伤，以DF4－3421机车第八缸为例:该缸套与曲轴垂直的平面附近，在活塞上止点位置的区域出现宽度约有35mm的擦伤范围，间中有四条深度0.2mm的划痕（拉伤），长度在120mm左右，靠上止点拉伤深度较大些，这种损伤程度已大大超过了工艺允许限度的25cm2擦伤总面积的要求，再发展下去的话，将会造成抱缸，甚至有爆炸的危险。

造成这样的损伤的原因是什么呢？一般来说，造成缸套非正常磨损的原因主要有：润滑不良，进入空气脏污、冷却不良，不正常燃烧以及缸套本身缺陷等。为查找真正原因，（1）首先，对该机车取油水样化验，结果其机械杂质含量、粘度、水分等几项指标均正常；（2）缸套的初期磨合工作严格按工艺要求进行；（3）乘务员的操纵方法正确；（4）检修对缸套的安装与调整遵守有关工艺规定。

接着，我们试图从缸套本身的缺陷来查找原因。经对换下的缸套的金相组织分析，发现缸套内表面硬度达不到设计中的要求，表面处理磷化、珩磨的质量也不过关。由于缸套表面处理质量不过关，造成磨擦表面润滑不良，缸套的磨损速度较快，加上该缸套的耐磨性能不过关，加剧其磨损速度，使缸套的寿命大大降低了。针对该批缸套存在的质量问题，我们利用定检时机彻底对六台机车的缸套质量作了重点检查，更换了质量达不到标准的缸套，并督促承修单位严把缸套进料的质量关，保证修车质量。

3 提高气缸套耐磨性的措施

经上述介绍，可知影响气缸套磨损的因素是多方面的，十分复杂，除了气缸套本身的问题外，还涉及到活塞组的设计，空气、滑油的滤清，燃烧过程，制造工艺及使用条件等。一般可采用如下措施：

在柴油机投入运转前，必须对缸套进行充分的磨合，气缸套未经磨合或在磨合初期，缸套内表面比较粗糙，油膜不易形成，常处在临界磨擦或干磨擦状态，往往会造成缸套和活塞表面的损伤，因此，必须在磨合阶段使磨擦表面达到良好的贴合，形成油膜，改善润滑条件，避免拉缸。缸套的磨损量随运转时间的变化关系如图（2）所示。

图（2）中，Oa段表示新机磨合阶段，ab段表示正常磨损阶段，b点开始进入急剧磨损阶段。

柴油机在启机时机油和水的温度须在20°C以上，加载时油水温度应达到40°C以上，以减少气缸内酸性物质的形成和腐蚀磨损，提高机械效率，改善气缸内发火燃烧条件，减小受热机件的温度梯度等。火车司机在操纵机车时，柴油机转速及负荷波动应尽量减少，档位稳定时间应相对长一些。柴油机正常运转时应注意控制缸壁的温度，也就是控制冷却水的温度在78°~85°C为宜，尽可能避免低温运转。中检时要加强对燃油粗滤器、精滤器的清洗，及时更换棉芯。

在安装前，认真检验缸套的质量，重点检查其同心度，表面硬度、表面粗糙度是否符合有关规定。改进相关部件，比如选择适当的活塞环材料及其压力分布，选择适当的活塞环与气缸套的硬度配合。最主要的是在制造过程中，采用先进的工艺，提高缸套的本身的质量。选择适当的材料，改进缸套材料是提高气缸套耐磨性的一个重要措施如改进石墨的形状和分布，改进金相基本组织，添加合金元素等。

缸套内表面采用表面处理工艺，气缸套内表面处理是其强化的重要措施，经常采用的方法有：多孔性镀铬、磷化、表面淬硬、软氮化，现在已经引进了激光表面处理工艺。激光热处理的优点是：（a）能量传递方便。可以对被处理件各表面有选择地进行局部强化;(b)热影响区线，零件强化处理后的变形小，表面又比较光洁 ，可不经加工或稍许研磨后，即可使用;(c)可自冷淬火，不用淬火介质，避免环境污染。

提高工作表面精度，一般要求缸套的椭圆度和锥度不能超过0.025~0.035mm,否则缸套与活塞环的配合面接触不良，活塞环的密封性能降低引起燃气泄漏，污染机油，加剧磨损。