1、1论船舶柴油机缸套“汽蚀”问题随着科学技术的发展，船舶设备正在向高速、高效、精密、轻型化和自动化方向发展。产品的结构日趋复杂，对其工作性能的要求越来越高，为使产品能够安全可靠地工作，其系统结构必须具有良好的静动态特性。在船舶柴油机的研究方面更是如此，由于其受到相当复杂的载荷作用会引起很多部件的损坏，其中缸套汽蚀就是修理中经常遇到的问题之一。由于柴油机的强化指标大幅度提高，轻型化、功率越来越高的发展趋势，气缸套汽蚀越来越严重，到目前为止，船用柴油机机体振动引起缸套汽蚀仍然是主机在修里中非常头疼的事。已经成为柴油机正常运转的首要问题之一，严重的影响柴油机的工作可靠性与气缸套的使用寿命。缸套汽蚀是船
2、舶柴油机失效的主要形式之一。解决缸套汽蚀问题对提高缸套的使用寿命，保证船舶柴油机经济、可靠地工作具有重要意义。1.柴油机气缸套汽蚀成因气缸套汽蚀的形成涉及到机体和冷却水道的设计合理性，以及曲轴、连杆机构的制造精度和动平衡等问题，牵涉到缸套结构、材质使用、气缸套与机体的装配精度，以及冷却水的水质、水压、水温和水的 PH 值等。而汽蚀基本成因是：机件发生汽蚀的先决条件是机件浸于液体中，并与液体有相对运动，或机件在液体中受到某种能量的传递作用，形成液体中的局部瞬时高压或高真空。在瞬时高真空区，液体气化形成气泡，或溶于水中的空气以空泡形式从液体中分离出来；在另一瞬间形成高压时，空泡、气泡被压缩，泡内气
3、体迅速液化而使泡溃灭，这时周围液体急速冲向溃灭处，形成高速微射流对金属表面产生极强的冲击。在频繁地冲击作用，使机件表面金属逐渐剥落。发生汽蚀的根本原因是气缸套的振动。这种振动不仅是由于燃烧及曲轴不平衡或扭转振动等因素所引起的，在四冲程柴油机中，主要还在于排气行程终了时，活塞改变运动方向时对缸套发生强烈撞击所引起。柴油机运转时，由于柴油机气缸套与活塞之间存在着间隙，使得活塞的摆动具有冲击性，活塞在侧推力作用下不断地冲撞着缸壁的左、右侧，使气缸套产生高频振动，缸套高频振动和缸壁的弹性变形使冷却水空间的容积交替地增大和减小，冷却水相应交替地膨胀与被压缩。膨胀时受拉伸作用形成瞬时低压， 被压缩时形成瞬
4、时高压。在瞬时低压时产生空泡，瞬时高压时空泡溃灭，就在溃灭区附近产生压力冲击波，其压力可高达数十个大气压。2高压冲击波以极短的时间冲击缸套壁面，具有强烈的侵蚀力。随着活塞的往复循环，这样的高压反复冲击缸套外壁，造成缸套外壁的金属疲劳脱落，大量的金属疲劳脱落在缸壁上形成麻点状的密集孔空群，造成柴油机气缸套汽蚀。在愈狭窄的空间里，冲击波的能量愈集中、反复性也愈大，向纵深发展就越快。2.柴油机缸套汽蚀发生的部位及特点汽蚀发生部位一般集中在： (1)柴油机左右侧方向，也就是连杆摆动平面内，特别是承受侧推力最大的一侧的偏上方，并沿圆柱方向成带状分布。(2)缸套主密封圈附近缸壁，汽蚀在密封槽上沿相互连接，
5、呈沟状凹坑。(3)冷却水进口、水流转向处和水腔狭窄处对应的缸壁上。从外观上看，在被磨损的金属表面有凹穴出现，这些凹穴很像是遭到强烈冲击产生的。有时会产生单个的凹穴，比较常见的是一种局部的蜂窝状或分散状凹坑的小孔群， 而在某些条件下则形成大量的麻点，从而使被磨损的表面变得十分粗糙，汽蚀直径一般在 lmm 以上。与电化学腐蚀不同，表面没有橙褐色的腐蚀生成物，比较清洁，往往呈现类似高温氧化的红褐色。汽蚀的情况尤为严重，电化学腐蚀的腐蚀速率为 005“- 010mmkh，汽蚀的速率可达到 1550mmkh。重时穿透缸壁， 导致燃气漏入冷却水中或水流入机油中，而不得不报废。3.影响柴油机气缸套汽蚀的因素
6、(1)活塞与缸套的配合间隙：活塞对缸壁的冲击能量取决于活塞与缸套的配合间隙。配合间隙大，活塞横摆加速度大，冲击缸壁能量大，则缸套振动增强。(2)缸套刚度：缸套刚度直接影响缸套的振动。刚度大，受活塞冲击时变形小，振动小，可有效的防止汽蚀。缸套刚度除与其材料有关外，还与缸套壁厚和纵向支撑跨距有关。缸壁厚度增加，支撑跨距缩短，缸套刚度增大。则缸套不易发生汽蚀， 但缸壁过厚也带来笨重、散热不良而导致热负荷过大、材料的机械性能下降等缺点。缩短缸套支撑跨距虽有利于减小缸套振动，降低汽蚀，但支撑跨距受缸套冷却水空间设计要求的限制，故应综合考虑。气缸套与气缸体(机体)之间的配合间隙对缸套的刚度亦有影响，如果柴
7、油机汽缸套与缸体铸成一体，则缸套刚度增大， 可有效地防止汽蚀型柴油机虽然缸壁很薄缸套与缸体配合处采用过盈配合，使缸套刚度大增，有效地防止汽蚀发生。柴油机的配合间隙较大，为 006-015rnm，导致缸套上部凸缘支撑面发生汽蚀。(3)冷却水腔结构：冷却水腔通道太窄，3水流速度增高，容易产生空泡。柴油机设计时要求冷却水腔内水流速度应小于2ms ，水腔宽度 T=14 D 或不小于 10mm。各处均匀一致，水流畅通，不形成死水区和涡流区，有利降低汽蚀。(4)冷却水温度与压力：冷却水温度过高将使腐蚀加速，但也不宜长期水温过低。实验证明，钢铁和铝等金属材料在淡水温度 50“-60“C 时穴蚀严重， 随着水
8、温的升高，穴蚀破坏减轻，从发挥柴油机的效能和降低腐蚀和穴蚀出发，冷却水腔淡水温度在80 90为好。冷却水压力高可以控制空泡的形成，减少穴蚀的发生。但冷却水压力提高将使温度升高而加速穴蚀。(5)使用工况的影响：柴油机转速、负荷变化时，侧推力、工作温度、气体压力等因素会发生变化并影响缸壁的振动。4.提高缸套抗汽蚀能力的方法为了减轻或消除汽蚀破坏，减小缸套变形、降低活塞对缸套的撞击、使气泡一旦出现但不致于停留在缸套壁面，以及提高缸套本身的抗汽蚀能力等等措施都是有利的。(1)缸套的振动是由爆发压力和活塞对缸套的冲击引起的，为减轻爆发压力的冲击， 也为了降低噪声，应尽可能降低压力升高率。活塞对缸套撞击的
9、能量与活塞间隙有关， 缩小活塞间隙将会减小活塞对缸套的撞击力，对防止汽蚀是有效的。因此可适当提高活塞和缸套的加工精度，或采用座式组合活塞，可减小活塞间隙。实验表明，当活塞间隙减小到原来的 80时，排气行程中的缸套变形将减小到原来的1718。这证实了减小活塞间隙是防止汽蚀的有效方法。(2)气缸套振动的振幅与缸套壁厚和材料的弹性模量有关。因此可适当增加缸套的壁厚(6=(O 065“-007)D)，同时采用弹性模量较大的材料也是适宜的。(3)在缸套较长的情况下，增加辅助支撑以减小其振幅。(4)冷却水套的结构影响气泡的形成，因此，冷却水套不宜太窄，其截面也不应由急剧的变化。(5)提高缸套外壁的抗蚀能力，这除了与材料选择、表面质量和热处理工艺有关外， 常采用在外表面镀铬、镀镉、镀锌以及涂复热塑性或热固性塑料、喷涂陶瓷等等。其中以外表面镀平实性铬(色铬)已为实践证明蚀防止汽蚀的有效方法。镀铬层厚度必须控制在 025mm 左右，同时不得有 小孔出现。4
