QSX15发动机缸盖裂纹分析(实用)
船用柴油机汽缸盖裂纹原因分析及管理对策
燃烧室组 成零件—— 汽缸 盖及其上 的 阀件 、汽缸套 和
活塞组件 接触 ，燃 气 中某 些低熔点 灰分熔 化并 附着 在 零件金属 表面上 ，在高温 下发生化 学作用 使零件表 面
（ ２）冷却水 失压 导致冷 却 中断或水 中
（ ２）冷却 水 流通 不 良或形 成气 袋 ，无 法使 空气
油泵 后 ，泵 油驱 气使 活塞头 顶部积 留燃 油 ，在启 动时
一
次点燃 而产生爆震 ，使安全 阀跳开 而导致爆发 压力
过高。
（ ３）喷油 器不 良 、喷 油泵定 时不 当等造 成 的不 正 常燃烧 ，导致在燃 烧室 内发生爆 震 ，同时爆发压 力
异常 升高 ，导致柴 油机发生 震动 ，冷却水 侧的肋 骨及
水流导 向肋 等的应力 值增加 ，致使 热应力及 机械应 力
增加 。
３ 热 负荷 过 大 ．
（ ）柴 油机 囚长时 间超 负荷运转 ，导 致缸盖 过 １
第 ３卷 ４ 第 ６ 期
热 ；或 因各缸 的功率不 均 ，使 某缸 超负荷 运行 。
环 的 日常 管理 和 维 护提 出切 实 可行 的 管理 建 议 关 键 词 ：柴 油机 ；汽 缸 盖 ；裂 纹 ；船 舶
汽 缸 盖 的工 作 条 件 比较 恶 劣 ，其 底 部 直接 与高
或蒸 汽逸 出 ，则 会造成 局部过热 的状态 ，从而 产生热 应力。
温 、高压燃气 接触 ，承受较 高 的机 械负荷 、热 负荷和
腐蚀作 用 。当管 理不 当时 ，就会 使燃 烧室 的工作条 件
（ 冷 却水 温 调整 不 当或停 机 后过 早 中断冷 却 ３）
气缸体裂纹原因探析
气缸体裂纹原因探析裂纹是气缸体的一种主要损伤形式，也是发动机报废的主要原因。
因此探究气缸体裂纹产生的原因对设计和产出高品质发动机以及通过合理使用来延长其使用寿命有着重要意义。
对气缸体裂纹产生原因的分析可以设计、保修和使用几个方面来进行。
1 结构设计欠妥气缸体是发动机的基础零件，是安放气缸和安装曲柄连杆机构以及其它辅助机构的骨架。
为了保证活塞、连杆、曲轴及凸轮轴等高速运动件工作可靠、耐久，气缸体必须对这些零件提供提供位置精确的支承和导向。
因此在结构设计上，为了加固各主要承载部位的强度和刚度，通常采用加强筋，使其构成一个刚性很强地空间桁架系统。
这个系统的刚度大小在很大程度上取决于加强筋的分布位置、长短、厚薄和高矮。
如果这些方面设计欠妥，一方面会影响到系统的刚度，使各运动件因气缸体支承部位的变形而加速失效；另一方面容易引起气缸体内部较大的内应力，从而影响几何尺寸的稳定性。
这就为使用过程中产生裂纹埋下了隐患。
在设计确定气缸体壁厚时，根据材料抗力以及铸造工艺许用最小壁厚来进行，但同时还考虑到对运动件精确支承和导向、各部密封面的可靠密封以及气缸体表面辐射噪声控制等方面的因素。
如设计时对某些方面考虑不周，采用了较薄弱的壁厚，这样会使发动机工作失常（运动件失去应有的运动规率、密封件不能可靠密封等）。
工作失常的发动机气缸体各部承受的各种负荷都有增大的趋势，这又会使发动机的使用性能进一步恶化。
这样的恶性循环，气缸体上这些薄弱部位可能会产生变形、裂纹等形式的损坏。
气缸体上在加工与非加工部分、工件薄厚不同的部分过渡不够圆滑，易引起应力集中，往往也是形成裂纹的原因。
在气缸体结构设计时，应充分考虑到各处冷却均匀。
气缸体结构相当复杂，如设计时考虑不周，发动机在使用中会出现局部过热现象，也容易出现热裂纹。
2 保修不力保修是保证车辆常处于完好技术状况的重要条件。
如在保修过程中，不能严格执行保修技术标准或违反工艺规程，也会使气缸体出现裂纹。
气缸盖裂纹原因分析与防范
气缸盖裂纹原因分析与防范作者：张旭葛秋利来源：《黑河教育》2010年第11期船舶柴油机的气缸盖是其发动机的重要部件,结构形状复杂,工作条件恶劣。
它的底部是燃烧室的一部分,不仅受到高温、高压、燃气的冲刷,而且周期性地承受着很大的、分布不均匀的机械力与热应力,由此产生的裂纹也较为常见。
为此,采取切实措施,防止气缸盖裂纹,是保障机械安全运行的重要步骤。
一、缸盖裂纹原因分析1.热疲劳的影响。
气缸盖底面产生裂纹的原因,是热负荷过高,产生过大的残余拉伸应力。
柴油机工作时,气缸盖底面局部受热,热度可达300~400℃左右,在热膨胀变形受到限制的情况下,会产生强烈的压缩应力。
气缸盖材料在温度超过350℃时,蠕变性能下降,随着柴油机运行时间的延长,因蠕变产生塑性变形会导致此压缩应力逐渐下降。
停车后,受热面的温度降低是在室温状态前,压缩应力已完全消失。
当温度继续下降至室温时,表面即出现残余拉伸应力。
裂纹是否产生,取决于此残余拉伸应力的大小,局部地区温度超过允许值越多,运行时间越长,残余拉伸应力也越大。
如果柴油机一启动就达到极高温度,那么气缸盖在经历第一次“加热——冷却”循环后,马上就会开裂;但通常是经过若干次加热和冷却,拉伸应力逐渐增加而最终出现裂纹,因此这是热疲劳影响造成的裂纹。
2.机械应力的影响。
气缸盖水腔面的裂纹往往发生在进水口入口的支撑筋根部的过渡圆角处,裂纹沿圆同方向延伸,然后沿壁厚方向由水腔表面向燃烧室面扩展。
这种裂纹产生的主要原因是爆炸压力所引起的高频交变机械应力和热负荷所引起的低频交变热应力的复合效应所产生的疲劳损坏。
3.热冲击的影响。
对于急剧加热和冷却,使机械零件局部区域产生剧烈的温度变化,该零件的材料内部就要产生冲击温度波的传播状态,同时产生动态热应力,这种现象被称为“热冲击”。
据对200GZC柴油机上异常启动试验证明(突然启动,突然加负荷至100%),正常启动时,缸盖上鼻梁处的最大瞬间温度变化率为3.9℃/S,而异常启动时则为11.7℃/S,这说明异常启动时热冲击问题要严重得多。
浅析汽轮机高压缸盖裂纹产生的原因及焊接修复工艺
浅析汽轮机高压缸盖裂纹产生的原因及焊接修复工艺摘要：通过对汽轮机高压缸盖裂纹产生的原因及焊接性能进行分析，选用奥氏体焊接材料，制定合理的焊接工艺，成功地修复了裂纹，满足了使用性能和安全生产要求。
关键词：裂纹原因；焊接材料；工艺及措施引言在攀钢发电厂1号机组大修中，发现汽轮机高压缸盖筒体原有角焊缝连接处的有3条裂纹，长度分别为168mm、174mm和245mm。
经探伤检查裂纹最深处达24mm，且沿原有角焊缝内侧深度方向延伸。
缸盖的材质为ZG20CrMoV，角焊缝两侧的圆筒体厚度δ=60mm，两筒体直径分别为400mm，600mm，由于汽轮机高压缸盖是发电设备系统中的重要部件，直接关系到电力设备的安全运行，一旦出现安全问题后果不堪设想。
因此，必须对裂纹缺陷进行修复。
1 裂纹产生原因分析1.1 焊缝外观成形质量的影响因原有角焊缝的焊趾处都有不同程度的咬边缺陷，致使在原焊趾处存在应力集中，当有拉应力的作用下就易产生裂纹，裂纹处分布在原有角焊缝与母材过渡的焊趾部位。
1.2 温度应力的影响在机组的启动和停止过程中会引起较大的温度变化。
由于缸盖厚度较大，当机组启动时，内壁温度很快就上升到工作温度，与外壁形成一个明显的温度梯度，内壁金属膨胀受阻，受到压应力的作用，在高温下材料的强度有所降低，这种压应力可导致内壁金属产生压缩塑性变形。
当机组缸盖停运冷却恢复到原有状态时，这种压缩变形部分就被保留下来产生一个残余的拉应力。
尽管这种塑性变形是很微小的，但在长期交变应力作用下，会对在高温高压条件下工作的金属部件造成损伤的累积，最终导致破坏。
特别是当焊缝存在缺陷时，容易在缺陷应力集中点处提早形成裂纹。
1.3 结构应力的影响由于缸盖位于汽轮机组的中段，体积和厚度都较大，结构应力相对较大，在焊接缸盖角焊缝时，焊缝冷却过程中的收缩受到一定的拘束，焊后焊缝将产生较大的拘束应力。
在机组工作载荷的作用下，容易在应力集中点产生裂纹，造成裂纹延伸扩展。
汽缸体和汽缸盖裂纹的检查
汽缸体和汽缸盖裂纹的检查
汽缸体和汽缸盖裂纹的检查方法通常采用的是水压试验。
在给汽缸体或汽缸盖进行水压试验时，先将汽缸体上的水管接头、水套孔用木塞和专用盖板堵住，把其中的一个水管接头用皮管接出。
向水套内部加满水后，用高压水枪或高压气筒（或气泵）向汽缸体内部加压。
若用高压气简或气泵时，为了防止水气倒流，要在管路中
加装单向阀，单向阀一
般加装在充气软管和
汽缸体水管接头之间。
在没有专用盖扳或术
塞的情况下对汽缸盖
进行水压试验时，也可
以用几个人的手指堵
塞汽缸盖水道孔，如图
4-2所示。
在进行水压试验时的
压力不能过低，一般要求在
2～4kg/cm2的压力下保持
5min。
若有裂纹，就会在裂
纹位置出现水珠。
在柴油机
运行过程中，若汽缸体或汽
缸盖出现裂纹时，维修人员
也可从下列故障现象中进
行判断：
(l)柴油机起动后排气管
冒白烟，在这种情况下，可
用手触摸各汽缸排气管的
温差变化，若感觉某一缸温度较低时，则一般可认为该缸有故障。
触摸排气管的位置如图4-3所示。
(2)柴油机工作粗暴且运转速度不稳定。
(3)从水散热器加水口
处，可以看到冷却水面波
动较大且水面上气泡较
多，如图44所示。
若裂
纹出现在汽缸盖的进、排气门处及喷油嘴附近或汽缸套上部时，冷却水还会从加水口处向外部喷水。
(4)抽出机油标尺，如图4-5所示，会发现机油的油面上升了并且发现标尺上有很多气泡。
结合上述的故障现象，再运用单缸断油法就可确定有裂纹的汽
缸，从而缩短排除故障的时间。
气缸盖裂纹产生的原因分析及其解决措施
４ 气缸盖 的生产
３３１２Ｔ气 缸 盖 为 每 缸 一 件 ，铸 件 约 重 ８Ｏ ｋｇ， 结 构 由气 腔 、 上 下 水 腔 、 进 排 气 道 、 护 套 孔 、 导 管 孔 及 螺 栓 孔 等 组 成 。铸 件 壁 厚 差 别 大 、热 节 部 位 较 多 ，容 易 出现 缩 松 、 渗 漏 ，铸 造 难 度 大 。要 求 铸 件 不 得 有 夹 砂 、夹 渣 、 气 孔 、缩 孔 等 缺 陷 ， 完 工 后 水 腔 和 气 道 进 行 压 力 ≥０．４ Ｍ Ｐａ的气 密 试 验 ，保 压 ５ ｍｉｎ不得 渗 漏 。
采 用 原 树 脂 砂 工 艺 ， 白硬 砂 制 芯 。２０ ｔ／ｈ冷 风 冲 天炉 与 １Ｏ ｔ工频 电炉 双 连 熔 炼 ，炉 外 脱 硫 ， 以获 得 高 温 、 高碳 、 低 硫 、低 氧 化 铁 液 ； 采 用 包 底 冲 入 法 加 入 稀 土 合 金 蠕 化 剂 ， 出铁 槽 随 流 加 入 孕 育 剂 进 行 孕 育 处 理 【 。通 过 合 理 选 用 炉 料 配 比 ， 得 到 满 足 蠕 墨 铸 铁 生 产 的 原 铁 液 ，考 虑 到 蠕 铁 补 缩 性 要 强 于 合 金 铸 铁 ， 采 用 缩 小 的压 边 冒 口， 浇 注 系 统 由底 注 改 为 雨淋 式 。
柴油机气缸盖的维修
柴油机气缸盖的维修气缸盖是柴油机中结构最复杂的铸件，它与活塞和气缸套构成燃烧室。
对于中小功率的柴油机来讲，多缸机的缸盖是将所有气缸的缸盖都铸在一起成为一个统一的多缸机缸盖，这样结构紧凑，体积小。
使用中气缸盖的损伤主要包括裂纹、磨损和变形。
一、气缸盖裂纹气缸盖裂纹一般出现在气门座圈周围。
如裂纹宽度不超过0 5 mm，仍可继续使用。
1. 裂纹产生的原因发生原因大多由于气缸盖处于高温有关，具体原因如下。
（1）气缸垫没有很好地安装在气缸盖与气缸体之间。
其间的孔位没有很好地对准，降低了冷却水的流量，从而影响冷却效果，使冷却水温度很高，导致机体温度升高。
（2）使用中当机器温度较高的情况下，更换冷却水，由于剧冷、剧热，最易引起气缸盖裂纹的发生。
因此必须注意在机温很高时不许向发动机内加入冷水。
严禁先启动发动机，再加入冷却水。
（3）产生裂纹部位的壁厚单薄，设计强度不足。
（4）经常性供油时间太迟或过早，易使发动机产生早燃和爆燃，从而导致气缸盖底面温度升高。
（5）产生裂纹的部位水道过窄或拐角过小，冷却水循环缓慢，散热不良，在冷热不均时，膨胀不一致引起气缸盖裂纹。
（6）冷却水内含碱性较大，水套内易产生水垢而又没有及时按规定保养。
由于水垢等原因，更加降低了冷却系统的效能，从而容易引起气缸盖裂纹。
如气缸盖内积1 mm厚的水垢，气缸盖底面的温度约升高170 ℃。
这样就会引起局部更大的热应力集中，加速气缸盖裂纹的产生。
（7）气缸盖或气缸体在铸造制成后，由于没能很好地进行时效处理，消除内应力，致使缸盖和缸体内部存在着很大的内应力，使气门座之间部位产生裂纹。
2．气缸盖裂纹的检查方法用金属物件轻轻敲击，如发出的声音不清脆而沙哑，则有裂纹。
然后进行仔细察看，找到裂纹的范围。
如还找不到可利用专门的设备进行水压试验，加压后渗水的部位即为裂纹所在位置。
如果没有专门设备，可将75%的机油和25％的煤油混合液涂抹在待检查的部位，然后用干棉絮将混合液擦掉，并立即涂上一层氧化锌甲醇溶液，溶液改变颜色的地方即为裂纹所在地。
康明斯QSX15发动机大修详细方案
康明斯QSX15发动机大修详细方案QSX15发动机自营大修方案为了保证大修项目的施工安全、质量和进度，需要组织一支专业的大修团队。
该团队包括总负责、施工负责、技术负责、验收负责和维修人员。
其中，总负责负责协调各项工作，施工负责负责大修施工组织和技术指导，技术负责负责维修质量和技术把关，验收负责负责试机验收工作，维修人员负责设备的分解、清洗、检查、测量、装配和试机。
为确保大修工作的顺利进行，需要准备一系列工器具，如翻转支架、扭力扳手、内径百分表、外径千分尺、游标卡尺、活塞卡环钳、套筒等。
在进行大修工作之前，需要了解发动机的基本结构。
大修施工流程包括以下几个步骤：首先，需要对发动机进行外部除垢、清洗以及附件拆卸；然后，拆卸发动机顶置机构；接着，拆卸油底壳、缸体加强板和吸油管；最后，拆卸前齿轮箱室和凸轮轴。
在具体的施工过程中，需要注意一些细节问题，比如拆除发动机线束和ECM时需要包扎插座，拆除涡轮增压器和歧管时需要注意顺序，拆卸气门摇臂时需要标记以便后期安装，拆卸发动机前端盖时需要注意细节等。
2、拆下减震惰轮齿总成（图10、11），旋松内部的六角螺栓（图13），直到螺栓尾部顶到惰轮辐，使10和11两个齿轮完全重叠。
3、松开图3中的螺栓，拆下所有传动齿轮，并按规定位置整齐摆放。
4、松开凸轮轴端面压板螺栓，小心地拔出两根凸轮轴。
5、拆下前齿轮箱的固定螺栓，使用起重工具将整体起吊，慢慢拆除壳体，注意不能使用蛮力，以免铸铝件变形或开裂。
6、按照右图中，先拆解飞轮盘，然后用专用工具将曲轴后油封拉出，拆下飞轮壳固定螺栓，使用起重工具将飞轮壳起吊，使用铜棒敲击，直到飞轮壳与缸体脱离。
7、将发动机翻转180度，使用盘车工具将缸盖拆下，拆除所有冷却喷嘴。
8、配合第6步，依次拆下6个缸的连杆螺栓，并将活塞从缸套内拔出，注意标号以防混装。
9、依次摆放好活塞连杆总成，拆除活塞销卡簧，对活塞槽口和活塞销孔进行测量。
10、在大瓦盖上标记，按照左图中的次序，先拆除大瓦盖螺栓，使用起重工具将曲轴两端悬挂起来，慢慢将曲轴吊出。
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美国进口QSX15发动机外观图
美国进口QSX15康明斯发动机缸盖裂纹分析报告
一、散热媒介与发动机清洁保养：
1、使用优质防冻液，沸点在108℃为最佳，粘度适中流动性好，消泡性能好，防锈、防钙镁沉淀优良的亚硅酸盐类防冻液（防止铁锈碎屑积聚在窄隙散热空间内，容易造成局部散热不良，如图图解1）
2、适当温度下补充冷却液：冷机状态补充防冻液最为理想，热胀冷缩原理能使发动机充满最大容量冷却液，如果不具备以上条件，补充冷却液时也必须确保发动机温度降至60℃以下，有条件的话最好补充65℃左右冷却液，这一要求是为了避免因温度骤降使缸盖内部（燃烧室更难以散热，温度更高）热应力加大，另外也能有效的防止因热温差产生气阻现象，尤其QSX15发动机缸盖结构比较复杂特殊，所以对均匀性散热要求及散热环境要求极高，值得注意的是：即便以上都做到了，加注或补充防冻液时也要特别注意放气，千万不可形成气阻（如图2所示）
上图为三友QSX15发动机缸盖燃烧面水道切面结构实图，可以看出与普通缸盖的明显不同，其结构极其复杂，承受恶劣环境能力先天不足。
3、清洗发动机外表时必须确保发动机彻底冷却，原则是当发动机内部与外部温度基本
一致时再进行清洗。
如果能用热水清洗更好。
◆注：为了研究燃油因素及电器正时装置对缸盖裂纹的影响，以下先对缸盖裂纹进行
基础性分析：
二、缸盖裂纹的基础性分析：（如下图所示）首先可以肯定各缸裂纹的严重程度，及裂
1、各缸分布位置及散热条件：与发生时间顺序及各缸布局位置决定的散热特性有
关，即：1、6缸散热最好（比其它缸分别多一个散热界面）；2、5缸次于1、6缸（这一散热性能决定性因素应该是由于排气管的均匀分布形式）；3、4缸裂纹最为
严重，裂纹时间点也最早发生，
从以上两组图片缸盖裂纹位置及严重程度，从排列位置顺序看，缸盖裂纹与散热有着紧密且直接的关系。
◆所以我们下一步必须要研究温度对缸盖裂纹的本质影响过程，将重点分析热物理效应。
2、缸盖裂纹的热物理效应：
进一步观察我们发现缸盖裂纹位置在缸盖的受热表面，几乎所有的裂纹发生在4个气门座之间“鼻梁”处，即在气门座与喷油器孔之间，这一部位全天候承受着燃烧爆发力及高温、高压燃烧混合气体的作用，当其表面温度达到350℃以上时缸盖表面抗蠕变性明显下降（常规理论），蠕变现象开始出现，这种蠕变（蠕变：固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。
）同时开始产生残余应力，由于这种应力的持续与增加将客观呈现蠕变的机理过程或者说是效应：（即沿晶蠕变断裂）、机制（扩散滑移）、形态（缓慢变形），值得注意的是，由
于其蠕变的环境相当复杂，机理也可能出现穿晶及延缩性断裂，以上在硅铝金铸铁中更为常见。
（◆注：QSX15应为硅铝金铸铁），◆◆◆非常值得注意的一个问题是：最有效的防止蠕变的途径就是对零件进行冷却或隔热。
所以我们研究的结果是缸盖的散热是重中之重，我们必须把缸盖的整体降温与均匀散热作为重点实施项目。
三、爆震对缸盖裂纹的巨大影响：
1、爆震的产生：对于发动机而言，爆震主要来自燃油质量及供油点火时间，燃油质量问题似乎是我们国家目前无法抗拒的，然而燃油的抗爆性能（十六烷值）直接影响着燃烧室相关部件的寿命，燃油的抗爆性能差将导致爆燃，爆燃即爆震，将直接对缸盖、活塞、缸筒、气门，其中对缸盖、活塞的影响最大，常见的后果是导致缸盖裂纹，活塞烧顶；供油点火时间在实践中是最常见的，供油点火时间过早将导致严重爆燃，爆燃是一种非正常的急速燃烧，接近于爆炸的燃烧速度，这将导致燃烧室内部产生异常高温、超高速震动波，为缸盖的蠕变提供了非常有利的条件。
2、燃油执行器及正时执行器与发动机产生爆震的关系：
这两个执行器分别控制燃油喷射量及燃油最佳喷射时刻，它们自发动机启动即开始持续不断的工作，当达到一定工作时间后由于其内部疲劳磨损，执行精确度将逐渐变差，燃油执行器磨损将导致喷油量过大或过小，导致喷油器雾化性能变差或提前供油，也就是说使发动机燃烧不充分或点火时间过早，点火时间过早是产生爆震的重要原因，爆震产生的异常高温又给蠕变创造了重要条件，蠕变是缸盖裂纹的根本原因【经与同行探讨其寿命在5000-10000小时左右，非官方提供数据，但官方支持并建议5000hr后更换以上部件】，对此我公司与全国很多QSX15使用单位、维修部门及经验丰富的康明斯服务商进行过技术交流（如：美国汉德公司，上海康明斯，海口国营铁矿，包头北重，三一重工），多数技术人员认为有效的做法是5000hr更换以上两种执行器，检查调整气门间隙，检查各缸供油挺杆间隙；8000hr更换喷油器总成。
需要说明的是
以上两个执行器性能变差以后没有直接故障码，（与电脑控制幅度有关）唯一的办法必须凭借驾驶司机的丰富经验，必须对发动机的烟色，发动机的爆震异响准确辨别。
否则，一旦出现执行器性能变差或失效，将给缸盖裂纹创造重要的有利条件。
3、喷油器与缸盖裂纹的关系：
喷油器是发动机喷油的最终执行元件，直接插入恶劣环境的燃烧室，喷油器性能变差的重要标志是雾化不良、滴沿等现象，这样就会造成异常高浓度混合气集聚在喷油器周围，这个位置恰恰就是我们前文说的“鼻梁”处，从缸盖解剖图中我们可以看出，此处又是制造结构最为薄弱的，那么由于集聚在其周围的异常高浓度混合气体燃烧产生局部异常高温，“鼻梁”处的蠕变将最为严重，目前同行业对喷油器老化更换有着统一共识。
通常做法是8000hr更换全部喷油器。
北京邦德瑞博机械有限公司
作成者：刘东安
我北京邦德瑞博机械有限公司工程师正根据需要正在标定功率。