发动机气缸盖裂纹产生的原因分析

吉林省大安市大赉乡农业机械技术推广站 刘丹

气缸盖是柴油机的重要组成部分，其作用是密封气缸，并同活塞顶、气缸套内壁共同组成燃烧室。气缸盖工作条件恶劣，受力情况复杂。它不仅受到燃烧室燃气燃烧所发出的爆发力的强烈作用，也受到因冷却水温度变化而产生的应力影响，是一个较易损坏的零件。气缸盖裂纹是其损坏的主要形式。

1 气缸盖裂纹产生的原因

1.1 非人为因素

气缸盖裂纹产生的根本原因是热应力和机械应力。缸盖底面高温区的温度可达400～480℃，在热膨胀变形受到限制时，产生高的压应力。铸铁材料温度超过350℃，抗蠕变性能下降，因蠕变发生塑性变形，导致压应力逐渐下降。停车后，受热面温度未降到室温，压应力就完全消失；降到室温，表面就出现了拉应力。柴油机的启动、运行、停车，经过若干次加热和冷却，拉应力逐渐增加，最终出现裂纹，这就是低频热应力引起的疲劳破坏。

柴油机的爆发压力作用在气缸盖底面，使底面产生了弯曲变形，触火面受压，水腔面受拉。柴油机每一个工作过程循环一次，这种应力就循环作用一次，因此，应力变化的频率高。这种高频的机械应力不断地作用，使水腔面上、圆角根部存在应力集中或是原始铸造缺陷，极可能产生裂纹，并逐渐扩展。

此外，水腔面局部区域的冷却水往往处于沸腾状态，产生的S042-和Cl-等酸离子，会使电位不同的晶粒间产生电化学腐蚀。同时因水中溶解有一定数量的氧，会使金属氧化，水温越高腐蚀越强烈。高频交变应力和腐蚀同时作用，将引起金属材料的疲劳强度显著下降，造成疲劳腐蚀破坏。水蒸气与金属作用产生的金属氧化物遇氢，当氢渗透到裂纹尖端周围时，会使金属材料脆化，造成应力腐蚀。

1.2 人为因素

除了上述非人为因素：热应力、机械应力、疲劳腐蚀及应力腐蚀之外，因设计的结构不合理、安装不当、铸造缺陷、材料缺陷、操作管理不当等人为因素也会引起缸盖产生裂纹。

1.2.1 设计、结构上的原因

气缸盖底面气门孔周围之所以经常产生裂纹，是由于该处的结构使金属有较大的表面积，在受热时膨胀速度和冷却时收缩速度都较大。例如：柴油机在停车时，气缸盖温度分布变化剧烈，热量由冷却水和进、排气道迅速散发，所以底面中央部分，尤其是气门孔处收缩快，产生拉伸应力，铸铁的抗拉强度低，故此处极易产生裂纹；喷油孔加工呈尖角，造成应力集中，更助长了裂纹的生成。当将孔口尖角改成圆角过渡后，减小应力集中，对消除裂纹起到一定的作用。

正确地设计冷却水道有利于减少在气缸盖上产生裂纹。为了保证气缸盖燃烧室面的温度不超过350℃，水腔面的温度不宜超过120～160℃，否则，冷却水就可能沸腾，使传热效率大大下降，从而使冷却面温度上升。如此恶性循环，最后促使受热面温度高到不可收拾的地步。因此，必须增加气缸盖局部高温区的冷却水量，如：喷油器、进气门壁、排气门壁应得到充分地冷却。例如：135型柴油机缸盖原设计中布置有一个平行底面的定向喷管，以强制冷却高温区，当柴油机强载程度提高以后，此种结构又不适应了，将水道改为垂直于底面的定向水流后，冷却效果更佳。

1.2.2 材料、工艺上的原因

铸铁表面的任何缺陷都会使疲劳强度下降。疲劳源与铸造产生的微小裂纹、氧化物、夹杂物以及热处理产生的脱碳有关。可以对下缸盖水腔面进行喷丸强化处理，产生残余压应力，降低表面粗糙度，减少和消除表面铸造缺陷，从而提高其疲劳强度。在铸铁中添加少量的铬、钼、镍等合金元素可以提高铸铁的强度，并使其在一定温度及应力下的蠕变缓和。

1.2.3 装配质量的影响

气缸盖螺栓拧紧程度如果不均匀，或使用中发现气缸盖平面漏气，而采用拧紧该处螺母来解决，则会造成气缸盖结构受力不均匀或预紧过度等问题，容易产生裂纹。

由于喷油器安装不正，往往会引起气缸盖底面局部过度变形，这就大大增加了喷油器孔处所受的拉应力，使之容易产生裂纹。

1.2.4 操作管理上的原因

柴油机冷车启动或启动后加速太快，致使气缸盖底面与水腔面温差过大，热应力增大引起裂纹。故应该在暖机后再启动，启动后待油、水温度升高后方可加速。频繁启动、停车和长期超负荷运转，均会使机械应力和热应力增加，引起裂纹；冷却水量不足或中断，都会导致机件过热，停车时过早中断循环冷却水，长期运转后，产生的水垢或铁锈未清除，影响传热效果，使局部过热等都会引起裂纹。

2 裂纹的检查

气缸盖裂纹的检查有两种情况：一是装机后发生穿透性裂纹的判断；二是新造或修理之前（即未装机）缸盖裂纹的检查。

2.1 装机缸盖发生穿透性裂纹的判断

柴油机在运转中，可根据冷却水压力波动和膨胀水柜中水的波动或气泡来判断缸盖是否发生了穿透性的裂纹。当缸盖有穿透性裂纹时，燃烧室中的高压燃气会沿着裂缝进入冷却水腔，使冷却水系统的压力波动，当系统放气后上述现象仍然出现，说明缸盖确有裂纹产生。若冷却水温升高，冷却水的消耗量增加，亦可证明缸盖或缸套有裂纹存在。

膨胀水柜的通气管有气泡，冷却水中有油渍，打开各缸示功阀有无水汽或水珠，排气是否冒白烟或燃烧不良则可确诊该缸产生了裂纹。

2.2 待修缸盖裂纹检查

待修缸盖上的裂纹可用放大镜观察，或进行着色探伤、磁粉探伤。常常要做水压试验。