柴油机气缸盖故障模式探究

丁国柱，张宏宇，张鲁君，张明宇

（武警海警学院，浙江 宁波 315000）

柴油机广泛运用于多种领域，柴油机气缸盖是柴油机的核心组成部件之一，气缸盖的故障率关乎整机及以其为基础的整体生产系统的可靠性及在线率。故障模式是在完成规定的任务时可能出现的现象，即设备故障（失效）表现现象[1]。柴油机故障模式可以归纳为材料性能、理化状态、运动状态、综合表现等方面，故障模式是分析故障的入手点也是故障最终呈现的信息，是故障分析的基础。对柴油机气缸盖故障模式（故障现象）研究，找出故障原因和故障机理，是预防故障发生的关键，对柴油机的运行、维护、维修及采取预防措施具有重要意义。

1 柴油机气缸盖部件结构构成

柴油机气缸盖是柴油机的核心固定件，与气缸套、活塞组成柴油机的燃烧室。在其内布置各种孔道，实现冷却、润滑、换气、紧固等功能，满足以气缸盖为主体附属部件装配。

气缸盖顶部安装气门组件、气门摇臂组件，属于附属配件中的运动部件。运动部件通过油孔输送润滑油对其进行润滑，用气缸盖罩对运动部件进行保护，气缸盖罩与气缸盖之间利用橡胶垫密封。气缸盖内部结构复杂、厚薄不一、存在“鼻梁区”，孔、道中的流体是冷却水、空气和高温烟气，保障了柴油机的安全连续运行。螺栓孔用于连接气缸盖与机体，固定气缸盖上的附属配件形成一个整体。气缸盖上还有各种用于密封的O 型圈和垫片。气缸盖部件组成及可能的故障模式如图1。

图1 柴油机气缸盖部件构成及故障模式

2 柴油机气缸盖的故障模式

柴油机气缸盖所处工作环境恶劣，同时结构复杂、孔多、壁厚薄不匀导致交换热应力集中和机械应力集中点较多。随着柴油机强化指标的进一步提高，柴油机气缸盖因结构和工作环境带来的问题日益突出。根据经验和相关文献[2-3]表明柴油机气缸盖故障模式的主要现象是裂纹、变形，考虑柴油机气缸盖部件整体，还包括“三漏”即漏水、漏油、漏气，噪声振动异响，水道（腔）气穴、水堵等，气门及气阀导管孔磨损等，更有甚者导致拉缸、顶缸、“蹬腿”机损事故等模式。

2.1 气缸盖常见的故障模式

柴油机气缸盖因结构复杂应力集中点较多，直接触高温高压的燃气等原因会产生的损害型故障。主要有因缸头螺栓受力不均产生裂纹、变形、龟裂等或者缸头螺栓的断裂；因水道内部结垢或者结垢受热不均导致产生裂纹或者因内部水质产生电化学等各种腐蚀或者气穴现象而产生麻坑；气缸盖底部直接与高温燃气接触可能产生点蚀、烧蚀；排烟道因排烟高温烟气冲刷会腐蚀、麻点等。

气缸盖及部件主要是采用金属制成，在气缸盖及部件还包括一些密封所用的橡胶圈和垫。这些都会因使用或放置而产生退化型故障。如气缸与气缸盖之间发生泄漏，漏油、漏水现象，气缸盖表面剥落，气阀漏气，气阀顶杆异响磨损严重等现象。

损害型故障和退化型故障都是设备使用或一段时间暴露出其结构上的故障现象，但是有些故障现象是在使用过程中呈现出来的。比如柴油机排气温度高、柴油机水温压力表波动、柴油机示功表压力波动、柴油机突然停车、柴油机拉缸等都是在运行中表现出的故障现象，都是属于失调型故障类型。

柴油机气缸盖因使用、设计、损伤等会出现功能衰退或者功能丧失的现象。比如，柴油机燃烧室漏气、柴油机功率不足、柴油机缸头破裂、柴油机气阀顶杆弯曲、气阀弹簧断裂、气缸盖被烧红等。

2.2 气缸盖故障模式的层次

故障模式有些是单一部件或者局部故障导致，有些是关联部件故障模式在其上的呈现，即故障模式之间存在逻辑关系。气缸盖及部件的故障模式是多种表现形式的，会随着柴油机的运行工况、时间、操作、保养等因素的不同而发生等变化而变化。气缸盖的故障模式逻辑关系具有层次的，如表1。

表1 故障模式的层次表

3 柴油机气缸盖故障模式分析与预防

确定柴油机气缸盖故障为分析对象，但是气缸盖的故障模式有单一零件或系统的，不同的故障模式对应不同的层次，所以故障分析需要确定故障的层级，分为系统的还是单个零部件的。

柴油机气缸盖的故障也要遵守故障规律。本文所指的故障现象是柴油机正常使用过程中，一段时间积累后表现出来的，这些故障是日常运行管理中发现或者大修时发现。如柴油机冒白烟，气缸盖与机体接触处漏水和烟气渗漏、气缸盖水温波动、冷却水压力表波动、气阀座有麻坑、气缸盖表面、内部有腐蚀等，是不需要接触特殊仪器就可以观察到的故障现象。

在日常的工作中采用硬件分析和功能分析两种方法对故障模式进行分析[4]。虽然缸盖其结构相对整个柴油机是简单的，但是仅仅把缸头部件独立出来分析会导致结果的片面性，这与故障模式的层次性不相不和。利用系统功能图[5]来进行分析，可以全面的分析气缸盖及部件的故障模式及影响。

故障模式需要必要的检测方法，检查方法有目测、仪器仪表的数据，自动化装置的数据记录表，而本文所用的检测方法是一种定性的检测，这种检测可以有助于及时的采用补偿方式和预防措施，减缓或者消除故障对设备功能的影响。

3.1 气缸盖产生裂纹的分析

柴油机气缸盖产生裂纹的主要原因是热应力、机械应力、电化学腐蚀等单一或综合作用导致。柴油机气缸盖出现裂纹的位置不同其产生的机理是不同的。柴油机气缸盖的底板裂纹一般认为是高温产生的蠕变，以及高温疲劳破坏导致的。

柴油机气缸盖底面在温差下产生的热疲劳裂纹，高压产生机械压应力引起局部的塑形变形，在冷却时产生残余拉应力，长久以往导致材料突破疲劳极限出现裂纹。出现龟裂的一定是热疲劳裂纹。这种裂纹由表及里贯穿，会导致漏水、漏气、漏油，导致气缸盖部件出现部分烧蚀、变形、磨损加剧、冷却效果变差、冷却水进入燃油系统和滑油系统，最终导致柴油机顶缸、拉缸、熄火等而停车。

热应力主要由于气缸盖内部是相对低温的冷却水，缸盖底板承受高温燃烧，存在较大的温差，这种温差在交变的冲程中产生较大的热应力，热应力突破其材料的极限就会出现裂纹。主要表现为持续受到高温冷却不良蠕变性能下降，长久以往产生残余应力导致气缸盖的变形，长时间局部高温运行及内外温差过大这些热疲劳导致的破坏。也有极端的热冲击导致裂纹即温度急剧升高或急剧下降或零件局部导致硬脆相降低了材料的机械强度，也会产生热力裂纹。

机械应力裂纹主要是来源机加工的残余应力、高频交变的机械应力、高压爆压、气阀座落阀冲击力等。机械应力产生的疲劳损伤，超过疲劳极限或者冲击力超过材料机械强度产生破坏形成裂纹。

腐蚀造成的裂纹，是气缸盖不同金属之间，冷却液体、油液与金属之间，烟灰与金属之间等发生化学、电化学反应、高温腐蚀、气体腐蚀、穴蚀等导致金属脱落机械强度变弱，在机械应力和热应力的交替作用下产生裂纹。说明腐蚀与冷却水的性质与添加剂有关，也与柴油机气缸盖的温度及功率有直接的关系。

穴蚀一般认为是电化学腐蚀和机体振动共同作用的结果，需要加强机体减振研究和防止机体共振。热应力、机械应力、腐蚀裂纹等产生都是内因导致，这些裂纹常发生在壁厚很薄处。还有因其它的导致裂纹的，即外力导致，如撞击、缸盖螺栓拧紧力矩不均、缸盖下底板不平或有异物等导致裂纹。

3.2 气缸盖故障模式的预防判断和预防

气缸盖是否有裂纹一般可以通过观察冷却水水压的稳定性，膨胀水箱水位的变化、水位报警器报警以及水中是否存在油、假沸腾即烟气等判断，启动前观察曲轴箱有无水分，冲车过程示功阀有无喷水或者水珠，及气缸盖外表面有无水滴及水痕。通常采用渗透法和水压法进行检测确认。

在实践过程中，柴油机气缸盖的故障大多数是因轮机员的操作不当和未按要求维护保养导致。操作不当常见的有，暖机不够加负荷或加速、频繁起停、暴力操车、停车立即停滑油和冷却水或者立即放干冷却水，冷天忘放冷却水，高温报警立即添加冷却水等。维护保养不良常见的有，没有按时按规定添加和更换冷却水和滑油而导致缺少或品质不好，冷却系统和滑油系统维护保养不良导致附件故障或管路故障导致中断冷却和润滑，未按要求调整气阀间隙、螺栓上紧或者拆修等。

在船舶上一旦发现气缸盖有贯穿性裂纹，必须采用停车检查，严禁带病用车防止进一步产生破坏如顶缸、拉缸等故障。一般采用换新或封缸运行等方法来恢复柴油机功能和维持船舶运行。

工作中，加强气缸盖的验收工作，严禁使用材料不合格的气缸盖，加强备用气缸盖的保存。运行中要按时按质的对气缸盖及相关系统进行维护保养，确保气缸盖的冷却效果，防止气缸盖过热或局部过热，非紧急情况禁止粗暴用车，未经暖车加速或加负荷，禁止频繁起动，定期检查冷却水水质和更换冷却水减轻结垢和腐蚀，定期清洗、清理气缸盖水道等。采用必要的预防手段和合理的操作规定来规避因人为因素导致的柴油机气缸盖故障，确保柴油机气缸盖的可靠性。

4 结语

气缸盖是柴油机的重要核心组成部分。气缸盖结构复杂，长期处于恶劣环境下工作，交变的热应力和机械应力都会造成气缸盖产生裂纹，不当的人为操作和不良的维护保养会加剧裂纹的产生的可能。研究气缸盖产生的故障模式，为气缸盖故障排除、维护保养及预防提供依据和基础，能够在一定程度上提高保障柴油机气缸盖的可靠性，确保柴油机安全稳定运转。分析柴油机气缸盖故障模式，对柴油机维护、维修、故障预防具有一定的指导意义。