气缸盖和气缸套

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第二节  气缸盖和气缸套
一、气缸盖的功用、工况及要求
    1．功用
    1）封闭气缸套顶部，与活塞、缸套共同组成密闭的气缸工作空间。
    2）将气缸套压紧于机体正确位置上，使活塞运动正常。
    3）安装柴油机各种附件，如喷油器、进、排气阀装置、气缸起动阀、示功阀、安全阀以及气阀摇臂装置等等。
    4）布置进、排气道，冷却水道等。在小型高速机的气缸盖中还布置涡流室或预燃室等。因此气缸盖中孔腔、通道繁多，使其结构形状比较复杂。
    2．气缸盖的工况
    1）热应力
    气缸盖触火底面的工作温度随着柴油机的负荷增大和冷却条件变差而会升高。工作温度在喷油器孔与气阀座孔之间的鼻梁区最高。缸盖底的触火面与触水面之间以及缸盖中央与四周之间都存在着很大温差。据测量某柴油机在运行时排气阀座孔处温度达430℃，最大温差超过200℃。又由于各部分厚度不均、形状复杂以及螺栓紧固的束缚，使热胀冷缩受牵制严重而造成很大的热应力。热应力往往是缸盖裂纹的主要原因，以 σT表示。
    2）气体压力
    燃气向上对缸盖的总作用力的中心在气缸盖中央。缸盖螺栓从四周压紧缸盖，故使缸盖中央上拱弯曲。对缸盖底面板壁来讲，上拱变形使触火面受压、而触水面受拉。其作用效应与热应力一样。气体产生的应力以σc表示。
    3）安装应力
    缸盖螺栓施于气缸盖的预紧力约为缸盖底面气体最高爆发力的数倍，以确保紧固密封可靠。在预紧力及支承力作用下缸盖也有中央上拱弯曲的趋势，也使缸盖底壁触火侧受压应力，而冷却水侧受拉应力。预紧应力与预紧力大小成正比，为静应力，以σj表示。在安装不正确时将会出现很大数值。
    4）腐蚀
    冷却气缸盖等的冷却水通常是含有SO4--和CI-等酸根离子的电解质溶液。而缸盖冷却面由于各种原因存在电位差。这样这些部位的金属会受电化学腐蚀，在静应力下，腐蚀使材料失落处呈现麻点，安装防蚀锌块能有效地减轻电化学腐蚀。而在脉动机械应力下，麻点即成为应力集中处，成为疲劳裂纹源。在脉动应力和电化学腐蚀共同作用时，使处于晶格滑移带受腐蚀，引起金属材料的抗疲劳强度显著下降，这种现象称为腐蚀疲劳。高温燃气对气缸盖底面也有较强的化学腐蚀作用。
    3．气缸盖的要求
    有足够的强度、良好的耐热性；同时材料还应具有良好的浇铸工艺性。
    气缸盖的结构应有足够的刚性。触火面形状应符合图纸要求。有足够圆弧过度且光洁完整。受压面和各种道腔应分别符合规定的压力试验要求，各安装座孔尺寸、形状都应符合精度要求。尤其是各个阀座孔与阀锥面应保持良好的密封状态。气缸直径在400mm以下的气缸盖材料多用  HT400之类的灰铸铁；400mm以上者多用球墨铸铁，如 QT60-2等。不少大型低速柴油机采用铸钢缸盖或者采用铸铁──铸钢组合式缸盖。
二、气缸套的功用、工作条件和要求
    1．气缸套的功用
    1）与缸盖、活塞共同构成气缸工作空间。
    2）筒形活塞柴油机的气缸套承受活塞侧推力，成为活塞往复运动的导程。
    3）将活塞组件及本身的热量传给冷却水，使之工作温度适当。
    4）二冲程柴油机的气缸套布置有气口，由活塞启闭，实现配气。
    2．气缸套的工作条件
    气缸套内表受高温高压燃气直接作用，并始终与活塞环及活塞裙部发生高速滑动摩擦。外表与冷却水接触，在较大温差下产生严重热应力，受冷却水腐蚀。活塞对缸套的侧推力不仅加剧其内表摩擦，并使其产生弯曲。侧推力改变方向时，活塞还撞击缸套。此外还受到较大的安装预紧力。
气体压力使气缸壁产生切向拉应力和径向压应力，并且在内表面最大，这种应力都是高频脉动应力。
因缸壁内外温差产生极大的热应力，一般温度下使内表面产生压应力而冷却面存在拉应力。但在特高气温下，近内表面金属蠕变塑性变形，而冷却后即在内表面形成残余拉应力，这种随起动、停车变化引起的低频应力会使材料疲劳。
安装预紧力P对缸套支承凸肩的作用可用图2-1表示。
由于压紧力P和支承反力不在同一作用线，在危险截面上产生剪切和弯曲及拉伸，加之此处受燃气压力的机械负荷特大，再加之形状变化，应力集中严重，很易产生裂纹。
缸套内表面与活塞裙、环的摩擦磨损十分严重。这是因为：①⑤⑥相对运动速度较高，平均速度6m/s～9m/s左右。②存在摩擦正压力──活塞裙施于的侧推力和活塞环圆周张力。③摩擦面工作温度较高，加之润滑油供应不易，故润滑条件很差。④工作中还极易出现异常磨损：如随空气进入缸内的坚硬微粒，或燃烧不良形成的坚硬结碳颗粒，在摩擦面起到磨料作用会加剧磨损，即形成“磨粒磨损”；若燃气中的二氧化硫等与凝水结合，生成硫酸等，会严重腐蚀表面金属，加重摩擦表面的磨损量，即形成“腐蚀磨损”；若由于各种原因，摩擦面局部出现干摩擦，继而出现局部高温、金属熔着、撕裂的过程，即会出现拉缸形成“粘着磨损”；若再恶化发展，熔着面积扩大，造成活塞缸套相互咬死，即会出现咬缸恶性事故。   
气缸套冷却水侧受到电化学腐蚀以外，还易发生穴蚀。穴蚀的特征是缸套外表被侵蚀成蜂窝状光亮小孔群。严重时，小孔会穿透缸壁。穴蚀一般多见于缸套的横向，即侧推力作用方向，特别是侧推力大的一侧。穴蚀发生原因空泡腐蚀。空泡腐蚀：在活塞对缸套作用的侧推力方向改变时，缸套受撞击而振动，振动频率正比于转速；当振动能量足够大或冷却水流速某处变化大时，会使冷却面冷却水局部压力严重波动；当某瞬时局部水压低于当时温度汽化压力时，即将出现气泡，当压力变高时，汽泡受压而破裂；汽泡破裂产生瞬时极大爆破力可对缸壁冲击破坏，汽泡的反复形成与破裂，会使金属疲劳损伤，使金属质点逐渐被穴蚀脱落。减小缸套振动和提高缸壁材质及冷却水的消震能力都可减缓穴蚀破坏。
    3．对气缸套的要求
    气缸套应有足够的强度、刚度和耐热性能，还应具有较好的耐磨性能。工作中应有良好润滑和冷却。
    缸套一般采用含磷或含硼的耐磨合金铸铁作材料，如HT25-47、HP-CuCrMo等。缸套的内表有时还进行镀铬（松孔镀铬、贮油网点镀铬）, 氮化或磷化等处理，以提高耐磨性能。缸套内表硬度通常要求大于HB200，且与活塞环硬度有良好匹配。内表面还应有适当的粗糙度，使其具有一定贮油能力和磨合性能。内表面应有足够的圆度和圆柱度精度，安装支承面对内孔中心应有较高的位置精度。
三、气缸盖的结构

气缸盖的结构形式随柴油机的形式而不同。小型柴油机有用整体式或块状式结构，具有结构紧凑，可增强机体刚性的特点。中、大型柴油机则大多采用单体式气缸盖，这样，可以单独拆装和修换，系列通用化程度高，密封性能好。
图2-2是四冲程6300ZC型柴油机的气缸盖。它是用铸铁铸造的单体式气缸盖，用四根气缸盖螺栓紧固在气缸体上。图中孔1是喷油器安装孔，2、3分别是排气和进气通道，孔4是装起动阀孔，孔5接示功器、安全阀。
    为了加强对气缸盖底板的冷却，采用了双层底式结构，即在气缸盖的内部铸出水平中隔板，将冷却水腔分隔成上、下两部分。全部的冷却水从排气道下方水孔引入气缸盖的下层冷却水腔，由于下层冷却水腔的容积和水流通道面积较小，使冷却水的流速较高，加强了气缸盖底板的冷却。冷却水由排气侧以较高的流速涌向中央，对最热的两个排气伐和排气伐孔与喷油器孔周围进行冷却然后在经过两个排气伐孔之间的通道向四周，最后从中隔板上的两个出水孔（在排气道侧）流到上层冷却水腔，对上部进行冷却。
图2-3所示的气缸盖采用导流板或钻孔等措施，引导冷却水的流动，加强气缸盖底板高温区域的冷却效果。
图2-4所示为 L-MC／MCE型柴油机气缸盖，它为圆形，由锻钢制造。在气缸盖中央设有排气阀孔1，排气阀用四只双头螺栓固紧在气缸盖上。另外气缸盖上还设有气缸启动伐孔14，安全阀与示功阀孔10以及两只喷油器孔 8。在气缸盖中钻有许多径向冷却水孔2，在气缸盖底部焊有圆环11，它与气缸盖底部构成冷却水腔7。排气阀装入气缸盖孔1后，排气阀的插入气缸盖部分与孔内壁之间也构成一个冷却水腔。这两个冷却水腔通过钻出的冷却水孔2、3相沟通。冷却完气缸套的水，首先进入均匀分布在气缸盖底部的四个垂直钻孔6，再经水平钻孔（图中的虚线孔）、垂直钻孔5进入冷却腔7。由水腔7进入钻孔2冷却气缸盖底面后，再经过孔3进入阀孔与阀壳间的冷却水腔，以冷却排气阀和阀座，最后由三个垂直孔4流入排气阀壳的上部冷却腔，冷却排气通道后排至冷却水出口管。
由图可见，这种气缸盖高度较大，但冷却水孔离燃烧室却很近，充分体现了“薄壁强背”的设计思想，使热负荷和机械负荷都保持在比较低的水平上，提高了可靠性。气缸盖底面是燃烧室壁面的一部分。上述气缸盖底面为倒锥形，这种倒锥形燃烧室有利于换气和燃烧。两只喷油器对称布置，有利于油雾形状和燃烧室形状的配合，确保了油、气有良好的混合性能。气缸盖底最下部的圆柱形壁面，使缸盖和缸套的接合面下移，以便接合处不受火焰的直接冲击，对接合面起到保护作用。冷却水由接合面的外部进入气缸盖，消除了冷却水通过接合面漏入气缸内部的可能性。并且冷却完气缸套的水是过沿周向均布的四个通道进入缸盖，确保了燃烧室部位的冷却较均匀。
图2-5 示出了气缸盖螺栓的液压固紧装置。在气缸盖本体13上用四只吊环螺栓12固定着钢环9，钢环中有油道2将所有气缸螺栓4上的液压活塞8下部空间沟通。气缸盖固紧螺母由内、外两个螺母组成。内螺母5的内、外圆柱面上都有螺纹，它安装在气缸盖螺栓上并压住液压活塞8。外螺母6拧在内螺母上，它的底面呈球面形，它压在球面垫圈7上。当固紧气缸盖螺栓时，高压油由快速接头3引入，通过液压活塞和内螺母，将液力传给螺栓，从而将螺栓拉长，外螺母也跟着上移，此时可将外螺母再拧到与球面垫圈相靠。当系统中的油压泄放后，螺栓的回复力通过内螺母移到外螺母，继而通过球面垫圈传到气缸盖。由于液压油可进入每个螺栓上的液压活塞，所以16个气缸盖螺栓是同时固紧或同时放松。具体操作步骤要严格按说明书进行。图示气缸盖的快速接头3只有一个，设在柴油机操纵侧两个螺栓之间，在其它螺栓之间均设有放气旋塞1，当对该系统注油放气时打开这些放气旋塞。气缸盖螺栓沿圆周均匀分布并同时固紧，保证了气缸盖和气缸套受力均匀，提高了密封性，并使拆装容易进行。
气缸盖和气缸套之间必须设法保证可靠的密封。气缸盖和气缸套之间的密封是一种高温、高压的密封，是技术上较难密封的位置之一。由于结构上的原因，气缸盖和气缸体在气缸盖螺栓之间的刚度并非均匀一致，同时，柴油机工作时各机件的不同部位的热膨胀也并不相同，使密封面发生不均匀变形。缸内周期变化的气体压力，也将引起密封机件发生动态运动，导致密封面间的密封压力不均。尤其是随着柴油机强化程度的提高，密封将更加困难。一般是采用合适的密封垫片，足够而均匀的接触压力来保证密封的。
    在采用单体式气缸盖的结构中，通常是在气缸套顶面上车制出不同形状的环槽，并在气缸盖底面制出凸缘，在两者之间安装环形密封垫片，以足够的接触压力来保证可靠的密封效果，如图2-6中a）～d）所示。
图e)是小型柴油机采用整体式气缸盖时，各缸采用一块密封垫片的情况，为保证其密封面间具有足够而均匀的接触压力，气缸套凸缘在气缸体上的凸出量必须具有较高的尺寸精度。图a）、c）的密封垫片暴露在高温气体之中，将受到燃气的冲刷加热和腐蚀。图a）～c）的气缸套凸缘要受到较大的弯曲力矩和剪切应力，而图d）所示结构可以使气缸套凸缘免受弯曲和剪切作用。
    密封垫片的材料应耐热、耐腐蚀和抗压，并且还应有足够高的塑性与弹性，如图2-7所示。在小型柴油机中广泛采用复合材料的密封垫片。图a）是由两层铜（或钢）皮包敷橡胶─—石棉板；图b）是合成橡胶-石棉内嵌钢质爪形骨架密封垫片；图c）是密封孔口用钢丝环或卷边加强，使密封孔口具有较高的比压，保证密封可靠。在采用单体式气缸盖的结构中，多采用紫铜或镀铜低碳钢环形密封垫片，如图 d）～f）所示。

四、气缸套的结构
柴油机的气缸套有湿式、干式和带冷却水套等三种形式，如图2-8所示。     
图a）湿式气缸套的外表面直接与冷却水接触。冷却效果良好，制造也方便；但其壁厚较大，而且必须有可靠的冷却水密封措施，是应用最广泛的一种形式。
    图b）干式气缸套的外表面不与冷却水接触，气缸体内布置有冷却水腔。因此，气缸套可以做得很薄，有利于节约合金材料。但加工要求较高，气缸体内孔和气缸套外表面均需要精密加工，以保证气缸与气缸体紧密贴合和良好的散热。因此，只适用于大批量生产的小型柴油机。
图c)带冷却水套式气缸套，可以直接在气缸套上铸出冷却水腔，亦可在气缸套外部镶套形成。应用这种形式的气缸套可以避免气缸体受到冷却水的腐蚀，并使冷却水腔得到合理的布置。常用于焊接式气缸体的柴油机中，以防焊缝遭受冷却水腐蚀。
二冲程柴油机的湿式气缸套，由于其中部设有气口，因此，为了保证气口部分的强度以及使气口具有一定的厚度，以便对气流进行引导，气口部分的壁厚一般都加厚，如图2-9所示。
钻孔冷却式气缸套（图2-9）是目前强载度较高的柴油机较为普遍采用的。这种气缸套上部壁厚很厚，使其具有很高的刚度和强度，因而即使在很高的气体压力作用下，其机械应力和变形均较小；沿圆周均匀斜钻的许多冷却水孔，由于很靠近受热的内表面，使冷却效果很好，既降低了气缸套内表面温度，又减小气缸套上部的温差，使其所受热应力也较小。但这种气缸套的钻孔工艺比较麻烦。
湿式气缸套上部与气缸体之间的水密，是靠气缸套凸缘与气缸体支承凸缘肩的精确加工或在上述两接合面之间加紫铜垫围来保证。湿式气缸套的下部配合部分，既要保证水密，又要能让气缸套受热后自由伸长，因此，普遍采用2～3道“O”型密封圈或扁圆形截面的耐油耐热橡胶或丁字橡胶圈进行密封。
一般筒状活塞式柴油机的气缸套是利用飞溅到气缸壁上的润滑油来润滑。燃用含硫量高 的劣质燃油的柴油机以及十字头式柴油机的气缸套，是采用专门的注油泵，通过止回阀向气缸套内表面注油进行润滑。此时，气缸套上开有注油孔，安装有注油嘴接头，并在注油孔的两侧开有人字形的布油槽。二冲程柴油机的注油孔常开设在气口的上方，即直流扫气的常设在相应于活塞处于上止点前70°～105°曲轴转角，弯流扫气的常设在相应于活塞处于上止点前45°～55°曲轴转角时头两道气环之间的位置。在此位置按气缸尺寸的大小，沿圆周均布2～10个注油孔。
图2-10所示为Sulzer RTA型柴油机的气缸套与气缸体的组装图。气缸体为每缸一个的单体式，用铸铁制造。气缸体下部有隔板将气缸和曲轴箱隔开。底板上的孔A中装活塞杆填料函。气缸体在左右方向上设有通道B和C。通道C平时由盖板盖住，在检修时打开，供轮机人员检修。通道B和扫气箱相连，在活塞打开扫气口S时进行气缸换气。
    气缸套和气缸体之间设有导水环4，冷却水由W处进入气缸体，经导水环下部的冷却水分配孔L进入冷却水腔KW，再由下向上进入气缸套凸肩上的钻孔TB，最后汇集于冷却水导套9并由此进入气缸盖。为了防止冷却水的漏泄，设有O型密封圈3，3a和6。3和3a用于密封KW空间的冷却水，正常情况下LR空间因此不会有水。密封圈6用来阻止冷却水沿缸套和缸体的间隙漏入活塞下部空间，同时也阻止扫气进入冷却水空间。为了监视这些密封圈工作状态，设有检查孔道KB 和KB1。若KB1处漏水，说明O型密封圈3或3a损坏应及时换新。若KB处漏水，说明密封圈6的上面一道密封圈失效。若KB处漏出气，则说明密封圈6的下面一道密封圈失效。
图2-11示出MC型柴油机气缸套。它的凸肩部位的上半部用钻孔冷却，凸肩的下半部外侧装有钢套6，它们之间形成冷却水腔5，见b）图。冷却水由外部引至由气缸体和气缸套中间部位形成的冷却腔，经气缸体8的钻孔和水管7进入冷却腔5和气缸套上的钻孔内。冷却气缸套凸肩部位后经水管4进入气缸盖，整个凸肩部位结构均匀，受热合理，特别是缸口部位变形小，有利于密封和提高强度。气缸套的支承环带上均布着安装注油接头的钻孔，见a）图。这些孔不穿过冷却水腔，避免了冷却水由此进入气缸套内部。
由图可见，这种气缸套的凸肩很高，坐落在气缸体上。可大大降低气缸体的高度，简化气缸体结构，减轻了重量，便于加工制造，对超长行程柴油机十分有利。另外气缸套的下部不用水冷却，使气缸套中、下部有较高的温度，对气缸套工况及消除该区域腐蚀磨损有利。
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