内燃机车柴油机气缸套磨损故障分析及处理

靳 强

（山西潞安矿业（集团）有限责任公司铁路运营公司， 山西 长治 046031）

引言

内燃机车受到柴油机故障影响较为普遍，在柴油机运作时，受到气缸套、活塞环的磨损影响，柴油机所产生的燃气会进入到曲轴箱内部，造成差示压力急速增高。此时，柴油机则会根据机械特性，对压力动作进行反应，通常情况下，柴油机会自行停机，从而遏制增压器喷油事故。但是故障发生后，柴油机内部由于机油的涌动，可能会造成曲轴损坏等大范围事故。因此需要对柴油机气缸套磨损故障进行全面判断。

1 柴油机气缸套磨损故障分析

1.1 造成磨损的原因分析

内燃机车在开行过程中，柴油机会进行不断运作，在这一环节内部，柴油机气缸套会摩擦、腐蚀等，从而出现一定程度的磨损，最终使柴油机发生严重故障。

首先在摩擦磨损方面，目前的柴油机设计，设计师为了能够降低柴油机内部缸套之间的磨损，会在气缸套外部选用硼铸铁材料，这种材料耐磨程度较高，同时由于属于合金材料，其质量也十分符合制造要求。但是在实际的运行过程中，这种材料与其他摩擦面之间并不能做到完全匹配，最终造成摩擦不均等，耐磨性较弱的摩擦面的摩擦情况则会加剧。这种现象常表现在柴油机内部气缸套和活塞环彼此的摩擦之上[1]。例如2016年底J公司所使用的内燃机车就发生了磨损故障事件，该时间当中，机车开行里程超过15万km，此时柴油机内部活塞环发生严重磨损，差示压力过高故常频频出现。检修人员采用机车解体的检修方式，对柴油机进行检查，发现气缸套表面完好，而活塞环则出现严重磨损，摩擦损耗达原始厚度的31.6%，十分惊人。此时部分活塞环受到磨损影响，已经丧失密封能力，且出现了断裂破碎现象。如图1所示。

图1 柴油机活塞环严重磨损

除了摩擦磨损造成故障之外，在柴油机运作中，气缸套还容易受到腐蚀磨损影响。根据柴油机的运行特点，柴油机通过燃油和润滑油进行动力提供，而在二者长时间的运行之下，受到高温环境和循环环境的影响，润滑油产品会发生激烈的化学反应，同时随着气缸内部振动，完成反应的润滑油会直接与气缸套相互接触，对气缸套的机械结构造成严重腐蚀。在日常观察中可以发现，经过腐蚀的气缸套机械，其表面会出现分布十分密集的小孔洞，这种孔洞在光照下十分明显。随着使用频率的增加，小孔洞会逐渐增多，最终严重影响气缸套的正常使用，造成机械故障。

1.2 气缸套磨损故障影响分析

气缸套磨损所造成的故障主要集中在对柴油机以及内燃机车运行的安全方面。越来越多的实例表明，受种种因素的影响，柴油机气缸套出现了严重磨损，且随着磨损加剧，气缸套本身的刚度会迅速下降，最终形成大范围的裂纹，甚至出现严重的通孔。以某型号的柴油机使用为例，气缸套发生磨损后，出现了直径超过0.5 cm的通孔，此时外部运转的冷却水直接进入到气缸内部，与内部机油发生混合，使得机油的性状发生改变，最终造成了诸如化瓦爆炸等严重事故。而在一些普通的故障事件当中，气缸套的磨损所带来的威胁也较为严峻。例如在受到磨损出现气密性下降现象之后，气缸套与配合活塞之间的间隙开始不断增加，在运行过程中，除了会增大噪音之外，还会出现启动困难、油耗增加、内部温度升高等现象。而内燃机车的运行特征要求其必须具备高速度和大功率负荷等工作特点，因此柴油机面对的运行压力极高。据统计，受到磨损影响下的柴油机会发生排气带黑烟现象，使用寿命降低可达70%，严重影响经济性和安全性。

2 柴油机气缸套磨损故障对策

2.1 故障检验技术

对于柴油机来说，磨损故障需要遵循“及时发现，迅速处理”这一原则，通过科学合理的技术手段，对柴油机运转情况进行全面判断，从而了解其运转机械特性，进而敏锐发现故障。

目前在内燃机车的检测技术研究中，针对柴油机磨损情况，一般采用机油检测和油谱分析相结合的方法，对柴油机情况进行全面分析。本文在实际分析过程中，以光谱分析为例，开展了相应的检测活动。化学原理中，由于每一种元素其本身都可以表现出一种独特的谱线，因此在进行检测时，检测人员可以利用光谱分析仪等设备，对柴油机润滑油进行观察，从而确定其润滑油中的物质种类和物质含量。随后，检测人员再根据元素内部的原子在发射、吸收过程中表现出的特征谱线对物质进行组成部分的鉴别，最终了解到物质的变化规律，判断磨损情况[2]。在实际的检测工程中，检测人员一般采用某公司生产的MOA型光谱仪进行润滑油观察，这种型号的光谱仪具有分析迅速、种类多样的特点，对于待分析的润滑油能够实现现场监测，并能有效地对不同温湿度环境进行动态判断。该光谱仪主要由高压电弧、折射板、电容器等部件组成，检测内容包含Mn、Mo、Fe、Pb、Ag、Sn等数十种润滑油元素。通过光谱分析仪对诸多元素的关联值进行判断，能够实现对摩擦产生的金属磨损量、油液添加剂的消耗量以及柴油机冷却液的泄漏情况做到充分判断。相较于传统的解体检测，光谱分析检测技术更加方便和直接。其中添加剂消耗量的检测主要对柴油机内部的添加剂含量进行分析，从而精确判断柴油机内部的防腐情况和粘度指数，在高温、泄漏环境下效果更为明显。本文在进行柴油机气缸套摩擦磨损的分析时，采用了光谱分析法，光谱仪对实验对象当中超过20种元素的纳米级微粒进行了测定，并依次得到了元素含量。随后，本文结合定量数据，对光谱数据统计量进行了一次线性函数的分析，使其作为线性回归进行变化趋势的判断。通过变化趋势分析，能够较为准确地了解到内燃机车运行时间与柴油机正常稳态运行之间的函数关系。

2.2 柴油机气缸套磨损处理

对于已经磨损严重的柴油机气缸套，应当由专业人员及时更换。为了能够在今后的工作和应用当中深刻地避免因摩擦等因素所造成的磨损，在更换时，工作人员需要对摩擦单元的设备特性进行全面衡量，选用合适机组运行的气缸套和活塞环设备。通过上文的论述可以看出，气缸套的摩擦磨损故障并不仅是其自身强度的问题，因此在选购摩擦副时，工作人员需要考虑到多个层面的耐磨性，避免出现单边磨损现象[3]。在开展柴油机检修工作时，柴油机如果选用普通的软氮化气缸套，则与之相对的活塞环就应当选用镀铬型的产品，而如果工作人员需要改用更具耐磨抗性的奥贝球墨型铸铁气缸套，其表面刚度、耐磨性相较于普通气缸套高出数倍，因此应当选用与之具有同样耐磨性的加铌镀铬活塞环，通过二者间的相互配合，保证使用寿命提升。

2.3 柴油机气缸套故障预防

在柴油机日常运行过程中，相关监控检修人员应当采用技术手段，提高气缸套的运行能力，实现对磨损故障的有效预防。本文认为，在内燃机车开行任务中，可以采用加厚缸套壁的方式，降低振动影响，提高缸套强度。在研究中，研究人员发现，气缸套壁厚度越高，其结构强度越高，同时振动强度的影响最低。数据显示，壁厚每增加8%，磨损现象的出现频率下降可超过10%。试验柴油机选用的某型号气缸套直径为17 cm，原始壁厚约为1.1 cm。根据数据要求，增加壁厚需达到0.2 cm左右，可以达到预期效果。通过增加厚度试验，对加厚前后的磨损故障发恒数据进行对比，发现加厚之后的气缸套在面对大规模冲击时，形变已经不再明显，由于磨损所造成的返修率也有原始数据9.3%下降至5.8%，效果明显。除此之外，在实验研究中研究者发现，通过利用不等厚的加厚方式，能够使气缸套内部的上支撑和下支撑之间的跨距缩短，从而实现支撑凸缘厚度的增加。研究人员通过钻孔冷却技术，使气缸套内部的振动影响迅速下降，提升气缸套的使用寿命。

3 结语

现阶段，内燃机车柴油机所面临的磨损故障较为严重，其中摩擦磨损和腐蚀磨损最为常见。为了提升内燃机车开行安全性，提高使用寿命。工作人员需要通过专门的检测对气缸套磨损情况准确判断，面对气缸套磨损故障问题，则需要采用积极的处理方法和预防手段对其进行全面防控。