李功嶺, 劉軍強(qiáng)

(中國鐵路呼和浩特局集團(tuán)有限公司 大板機(jī)務(wù)段， 內(nèi)蒙古赤峰 025150)

DF8B型內(nèi)燃機(jī)車16V280ZJA型柴油機(jī)的機(jī)體采用球墨鑄鐵整體鑄造，具有強(qiáng)度高、變形小，對(duì)細(xì)微的表面裂紋不敏感的優(yōu)點(diǎn)。但隨著使用時(shí)間的延長，逐漸暴露出機(jī)體缸套上下定位圓內(nèi)孔、9～16缸水腔外側(cè)隔板內(nèi)壁發(fā)生穴蝕的問題(穴蝕形貌見圖1、圖2)。這是近年來發(fā)生在16V280ZJA型柴油機(jī)上的一種新的穴蝕損傷形式。1980年代初，DF4B型內(nèi)燃機(jī)車16V240ZJB型柴油機(jī)缸套就大量發(fā)生穴蝕，嚴(yán)重的因穴蝕穿孔而報(bào)廢。經(jīng)過設(shè)計(jì)、制造、維修、運(yùn)用單位的攻關(guān)改進(jìn)，1990年代初在16V240ZJC型柴油機(jī)及后續(xù)的16V240ZJD型柴油機(jī)缸套取消了原B型機(jī)缸套外壁的螺旋筋、外壁進(jìn)行車削加工，降低缸套外表面的粗糙度，并使冷卻水流動(dòng)通暢性提高后，基本杜絕了缸套穴蝕的問題。16V240系列柴油機(jī)缸套穴蝕問題得到了有效控制。而機(jī)體是柴油機(jī)所有部件的安裝基礎(chǔ)，其可靠性決定整臺(tái)柴油機(jī)的使用壽命，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高、生產(chǎn)周期長。故如何對(duì)機(jī)體穴蝕進(jìn)行修復(fù)，并有效抑制機(jī)體穴蝕發(fā)生發(fā)展，對(duì)保障全路近1 000臺(tái)DF8B型內(nèi)燃機(jī)車運(yùn)行可靠，降低運(yùn)輸生產(chǎn)成本，具有重要意義，是一項(xiàng)急需解決的問題。

圖1 機(jī)體水腔外側(cè)板穴蝕孔洞群

圖2 機(jī)體上定位圓穴蝕孔洞群

1 16V280ZJA型機(jī)體發(fā)生穴蝕的原因分析

1.1 穴蝕發(fā)生的機(jī)理

目前比較一致的看法認(rèn)為穴蝕是以空泡腐蝕為主與電化學(xué)腐蝕綜合作用的結(jié)果。在壓力狀態(tài)下冷卻水中都溶有氣體。當(dāng)機(jī)械振動(dòng)及冷卻水流道截面發(fā)生變化，局部壓力降低到一定數(shù)值時(shí)，溶于水中的氣體便以微小的氣泡群體形式分離出來；當(dāng)冷卻水壓力再升高時(shí)，氣泡受壓縮破裂，伴隨瞬間產(chǎn)生的局部高溫高壓沖擊波，在水中以超音速傳播，以極大的沖擊和擠壓力作用在其附近的金屬零件表面上，具有強(qiáng)烈的侵蝕力。這個(gè)過程的反復(fù)作用首先使金屬材料表面發(fā)生疲勞，出現(xiàn)微觀的疲勞裂紋和小孔。在長時(shí)間的頻繁沖擊作用下，微觀裂紋和小孔不斷擴(kuò)展，金屬質(zhì)點(diǎn)不斷剝落形成宏觀孔洞，這就是空泡腐蝕。初期發(fā)現(xiàn)時(shí)穴蝕為針孔狀的小孔洞群，隨著穴蝕時(shí)間的延長，穴蝕針孔狀孔洞直徑和深度逐步擴(kuò)展，逐漸發(fā)展為直徑較大的孔洞，大量的穴蝕孔洞群擴(kuò)展連成一片，形成大面積的片狀金屬剝落(見圖3、圖4)。

圖3 機(jī)體水腔外側(cè)板嚴(yán)重穴蝕造成

圖4 下定位圓環(huán)狀穴蝕帶嚴(yán)重大面積片狀金屬剝落

1.2 機(jī)體氣缸套水腔隔板穴蝕原因分析

由于活塞與缸套及缸套與機(jī)體間存在間隙，活塞運(yùn)動(dòng)中作用在缸套內(nèi)壁的側(cè)壓力，引起缸套高頻振動(dòng)，使缸套周圍的冷卻水在活塞連桿組擺動(dòng)平面內(nèi)周期性處于壓縮與拉伸狀態(tài)。當(dāng)活塞撞擊缸套的能量足夠大，致使缸套振動(dòng)加速度達(dá)到某一臨界值時(shí)，冷卻水便隨著活塞側(cè)壓力的變化，交變發(fā)生氣泡及氣泡破裂現(xiàn)象，形成空泡腐蝕效應(yīng)。16V280ZJA型柴油機(jī)缸套材質(zhì)為硼合金鑄鐵，缸套外表面車削加工。從材質(zhì)的硬度和表面粗糙度方面看，耐穴蝕能力高于表面未進(jìn)行加工的球墨鑄鐵的氣缸體水腔內(nèi)壁，所以穴蝕發(fā)生在缸套周圍機(jī)體水腔隔板。面向16V280ZJA型柴油機(jī)輸出端，曲軸為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。由柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析可知，活塞對(duì)缸套側(cè)壓力最大值發(fā)生在爆發(fā)沖程，且作用在缸套左側(cè)壁(見圖5)，因此極易造成1～8缸冷卻水腔內(nèi)側(cè)隔板和9～16缸冷卻水腔外側(cè)隔板附近的冷卻水受壓縮發(fā)生氣泡破裂。而16V280ZJA型柴油機(jī)結(jié)構(gòu)決定了機(jī)體內(nèi)冷卻水循環(huán)方向是冷卻水從機(jī)體中央V型夾角處的主水道向兩側(cè)缸套水腔循環(huán)流動(dòng)(見圖6)，靠近V型夾角主水道的缸套冷卻水腔內(nèi)側(cè)為冷卻水循環(huán)高壓區(qū)，冷卻水中的氣體在此處發(fā)生分離形成氣泡的幾率遠(yuǎn)小于距離主水道較遠(yuǎn)、水流壓力相對(duì)較低的缸套冷卻水腔外側(cè)，缸套冷卻水腔內(nèi)側(cè)隔板附近的空泡效應(yīng)受到抑制。所以16V280ZJA型柴油機(jī)機(jī)體穴蝕多發(fā)生在9～16缸水腔外側(cè)隔板內(nèi)壁，且分布在活塞連桿組擺動(dòng)平面上。

圖5 四沖程柴油機(jī)各工作過程活塞對(duì)缸套側(cè)壓力與曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律

1-9～16缸水腔外側(cè)隔板；2-9～16缸缸套；3-9～16缸冷卻水腔；4-9～16缸水腔內(nèi)側(cè)隔板；5-機(jī)體V型夾角冷卻水道；6-1～8缸水腔內(nèi)側(cè)隔板；7-1～8缸冷卻水腔；8-1～8缸缸套；9-1～8缸水腔外側(cè)隔板。圖6 16V280ZJA型柴油機(jī)橫向剖面示意圖

1.3 機(jī)體缸套上下定位圓穴蝕原因分析

16V280ZJA型柴油機(jī)缸套與機(jī)體定位圓為間隙配合，設(shè)計(jì)間隙為0.062～0.176 mm。上部采用缸套法蘭凸肩底面0°37′斜面與機(jī)體座面剛性接觸密封，下部采用3道橡膠圈密封，缸套與機(jī)體定位圓的配合間隙與機(jī)體冷卻水腔相通。缸套與機(jī)體定位圓配合間隙處的流通截面遠(yuǎn)小于缸套周圍冷卻水腔的截面，冷卻水進(jìn)入配合間隙處，流道突然變窄，冷卻水壓力減小，溶于水中的氣體在此處更容易以氣泡群體的形式分離出來，由柴油機(jī)活塞運(yùn)用規(guī)律可知，活塞在上下止點(diǎn)處(與缸套上下定位圓處接近)改變運(yùn)用方向，加速度最大，因此對(duì)上下定位圓處的沖擊也大，氣泡群體受振動(dòng)沖擊破裂，導(dǎo)致在缸套上下定位圓處發(fā)生穴蝕。又因缸套和機(jī)體下定位圓的第1道密封膠圈與冷卻水直接接觸，缸套受沖擊振動(dòng)變形時(shí)，第1道膠圈產(chǎn)生交變的壓縮變形，少量的冷卻水及氣泡進(jìn)入第1道與機(jī)體定位圓間，由于發(fā)生在此處的空泡腐蝕和膠圈與機(jī)體定位圓因缸套的高頻微動(dòng)而相互研磨的綜合作用，將穴蝕引發(fā)的微小針孔狀孔洞群連成一片，即形成缸套下定位圓內(nèi)孔的環(huán)狀穴蝕。

2 機(jī)體穴蝕部位的修復(fù)

隨著機(jī)體穴蝕的進(jìn)一步發(fā)展，冷卻水腔嚴(yán)重穴蝕將造成機(jī)體隔板穿孔，強(qiáng)度降低而裂損。機(jī)體定位圓嚴(yán)重穴蝕后導(dǎo)致氣缸套定位條件發(fā)生惡化和冷卻水漏泄。所以對(duì)發(fā)生穴蝕部位必須及時(shí)進(jìn)行修復(fù)。根據(jù)穴蝕程度的輕重，結(jié)合16V280ZJA型柴油機(jī)機(jī)體機(jī)構(gòu)和材質(zhì)的特性，以及機(jī)務(wù)段生產(chǎn)現(xiàn)場的實(shí)際條件，采取不同的修復(fù)方法。

2.1 鑄鐵修補(bǔ)劑填充法

16V280ZJA型柴油機(jī)機(jī)體采用球墨鑄鐵整體鑄造，整體強(qiáng)度較高，各部位有足夠的壁厚，且具有對(duì)細(xì)微的表面缺陷及裂紋不敏感的特點(diǎn)。因此穴蝕孔洞直徑小、深度淺的初期穴蝕對(duì)機(jī)體各部強(qiáng)度不構(gòu)成影響。修補(bǔ)的主要目的是對(duì)淺表穴蝕孔洞進(jìn)行覆蓋，隔絕穴蝕孔洞與冷卻水的直接接觸，阻止穴蝕進(jìn)一步擴(kuò)展，同時(shí)恢復(fù)機(jī)體與缸套配合尺寸和密封。所以對(duì)發(fā)生輕微穴蝕的機(jī)體，可采取工作量小、修復(fù)時(shí)間短、操作方便的鑄鐵修補(bǔ)劑填充法進(jìn)行修補(bǔ)。隨著高分子材料和納米材料技術(shù)的發(fā)展，高分子聚合物和納米聚合物的出現(xiàn)使傳統(tǒng)的金屬表面缺陷修補(bǔ)方法發(fā)生了顯著改變。以高分子材料和復(fù)合材料技術(shù)為基礎(chǔ)的高分子復(fù)合型修補(bǔ)劑，是以高分子復(fù)合聚合物與金屬粉末組成的雙組分復(fù)合材料，可廣泛用于金屬部件磨損、沖刷、腐蝕、鑄造氣孔和砂眼、淺表裂紋等缺陷的修復(fù)。目前市場上的鑄鐵修補(bǔ)劑種類繁多，經(jīng)過多次實(shí)踐和對(duì)比，選擇具有適于球墨鑄鐵件表面修補(bǔ)、干燥固化快、固化后與母體結(jié)合強(qiáng)度較高、防水耐腐蝕、耐受溫度符合16V280ZJA型柴油機(jī)工作水溫的TS111鑄鐵修補(bǔ)劑，技術(shù)參數(shù)如表1所列。

表1 TS111鑄鐵修補(bǔ)劑技術(shù)參數(shù)

具體操作方法為：對(duì)穴蝕部位，用鋼絲刷和丙酮進(jìn)行徹底清洗，消除穴蝕孔洞內(nèi)的氧化層、銹斑及雜質(zhì)，將鑄鐵修補(bǔ)劑的A組分與B組分，按4:1的比例均勻混合，填充在穴蝕孔洞中并壓實(shí)，待鑄鐵修補(bǔ)劑徹底固化后，進(jìn)行打磨修整，消除填充部位的突起，并使與氣缸套配合部位的尺寸符合工藝要求。

2.2 電焊修補(bǔ)法

(1)電焊修補(bǔ)方法的確定

對(duì)穴蝕孔洞直徑大于10 mm且深度大于5 mm的穴蝕，及因嚴(yán)重穴蝕引發(fā)的大面積金屬成片剝落，將導(dǎo)致機(jī)體水腔隔板和定位圓強(qiáng)度降低。目前市場上所有的鑄鐵修補(bǔ)劑固化后的機(jī)械性能都無法保證大面積、大深度填充修補(bǔ)后的機(jī)體強(qiáng)度，因此采取電焊修補(bǔ)方法。鑒于柴油機(jī)機(jī)體的外形尺寸較大及復(fù)雜形狀，結(jié)合機(jī)車檢修現(xiàn)場的實(shí)際條件，采取電弧焊冷焊的方式。

(2)焊條的選擇

機(jī)體作為柴油機(jī)所有零部件的安裝基礎(chǔ)和骨架，承受負(fù)荷大且受力情況復(fù)雜，對(duì)強(qiáng)度、剛度要求高。為保證焊修后能達(dá)到機(jī)體要求的強(qiáng)度，應(yīng)根據(jù)機(jī)體材料的化學(xué)成分和機(jī)械性能選擇焊條。16V280ZJA型柴油機(jī)機(jī)體為QT500-7球墨鑄鐵整體鑄造，QT500-7球墨鑄鐵的化學(xué)成分如表2所列。

表2 QT500-7球墨鑄鐵的化學(xué)成分 %

QT500-7球墨鑄鐵的主要金相組織為鐵素體加珠光體的混合組織，基本組織為鐵素體，其數(shù)量在70%以上，石墨形態(tài)以球狀、團(tuán)狀為主，球化率≥75%，石墨大小優(yōu)于5級(jí)，允許不連續(xù)分布的滲碳體不超過1%，磷共晶不超過1%。其機(jī)械性能為：抗拉強(qiáng)度σb≥500 MPa，屈服強(qiáng)度σ0.2≥320，延伸率δ≥7%，布氏硬度170～230。目前常用的電弧冷焊的鑄鐵焊條有Z208、Z308、Z408、Z508等幾種，性能參數(shù)及主要用途如表3所列。

綜合考慮16V280ZJA型柴油機(jī)機(jī)體穴蝕部位的受力狀態(tài)，補(bǔ)焊后機(jī)體的強(qiáng)度、焊材與機(jī)體母材的結(jié)合強(qiáng)度和防止冷卻水腔內(nèi)的電化腐蝕反應(yīng)等因素，對(duì)鑄鐵焊條進(jìn)行選擇。Z408焊條為強(qiáng)還原性強(qiáng)石墨化的鑄鐵焊條，具有強(qiáng)度高、塑性好線膨脹系數(shù)低的特點(diǎn)。在嚴(yán)格保證焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)的條件下，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度可達(dá)到σb=390～540 MPa，伸長率可達(dá)10%以上，鎳鐵合金的線性膨脹系數(shù)與鑄鐵接近，有利于降低焊縫的應(yīng)力和裂紋傾向，性能可以滿足16V280ZJA型柴油機(jī)機(jī)體補(bǔ)焊的要求。且國內(nèi)機(jī)車大修工廠已經(jīng)有使用Z408焊條冷焊修補(bǔ)較大破損的球墨鑄鐵機(jī)體的成功實(shí)例，所以選擇Z408焊條對(duì)16V280ZJA型柴油機(jī)機(jī)體穴蝕進(jìn)行焊補(bǔ)。

表3 常見的可用于冷焊的鑄鐵焊條及主要用途

(3)施焊前的準(zhǔn)備工作

首先對(duì)Z408焊條進(jìn)行200 ℃的烘干，并放入保溫箱保溫1 h。焊修前使用尖鏨、氣動(dòng)風(fēng)磨機(jī)對(duì)穴蝕部位及周圍進(jìn)行剖磨檢查，徹底去除穴蝕缺陷處的蜂窩狀針孔群和疏松，剖磨面積盡量擴(kuò)展，深度以見到鑄鐵金屬本色為止。然后用鋼絲刷和丙酮進(jìn)行徹底清洗，消除氧化層及附著的雜質(zhì)。

(4)施焊作業(yè)

將機(jī)體固定于柴油機(jī)翻轉(zhuǎn)架上，將所要焊修的部位轉(zhuǎn)至水平位置，用氣割炬將所焊部位及周圍加熱到80 ℃ 左右。采用直流電焊機(jī)ZX500，直流反接，焊接電流為90～110 A。對(duì)較大面積的穴蝕剝落，采用分段間歇焊，每焊完一道焊縫，立即清除熔渣，并用手錘敲擊焊縫，使焊縫金屬緊密，減少焊接應(yīng)力，防止產(chǎn)生裂紋，兩道焊縫應(yīng)疊加約1/2的寬度。對(duì)較深的穴蝕坑采用分層焊，焊層間溫度控制在80 ℃左右。全部施焊完成后對(duì)焊修部位進(jìn)行打磨修整，使之符合與缸套配合尺寸要求，并進(jìn)行磁粉探傷和滲透探傷，確認(rèn)補(bǔ)焊部位無裂紋存在。

3 修復(fù)效果既對(duì)16V280ZJA型柴油機(jī)機(jī)體制造、維修和運(yùn)用的建議

大板機(jī)務(wù)段2010年開展DF8B型內(nèi)燃機(jī)車中修，對(duì)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)的16V280ZJA型柴油機(jī)發(fā)生穴蝕的機(jī)體都進(jìn)行委外大修。從2014年開始嘗試對(duì)發(fā)生穴蝕的16V280ZJA型柴油機(jī)機(jī)體進(jìn)行段內(nèi)修復(fù)，截止到2017年共計(jì)修復(fù)穴蝕機(jī)體26臺(tái)，到目前為止未發(fā)生修復(fù)質(zhì)量問題，其中11臺(tái)機(jī)體經(jīng)過30萬km運(yùn)行再次進(jìn)行中修，從這11臺(tái)機(jī)體中修解體檢查情況看，經(jīng)過修復(fù)的穴蝕部位未發(fā)生新的穴蝕及焊縫裂紋、熔敷表面脫落現(xiàn)象。既保證了中修柴油機(jī)良好備品的供給，又節(jié)省了高額的機(jī)體委外大修費(fèi)用支出，取得了預(yù)期效果，經(jīng)濟(jì)效益可觀。但僅僅在中修時(shí)對(duì)機(jī)體穴蝕進(jìn)行修復(fù)，只是在發(fā)生穴蝕后的被動(dòng)補(bǔ)救手段，往往是修補(bǔ)后，在修補(bǔ)部位的臨近區(qū)域又會(huì)發(fā)生新的穴蝕，不能徹底抑制機(jī)體穴蝕的發(fā)生。為此，在保持16V280ZJA型柴油機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)不變的條件下提出以下措施和建議：

(1)降低機(jī)體冷卻水腔內(nèi)壁的粗糙度。多年內(nèi)燃機(jī)車使用維修實(shí)踐證明，降低零部件與冷卻水接觸部位的粗糙度，對(duì)預(yù)防及延緩穴蝕的發(fā)生有重要作用。16V280ZJA型柴油機(jī)缸套外表面采取了車削加工的方式，實(shí)際使用中未發(fā)現(xiàn)缸套發(fā)生穴蝕現(xiàn)象，但穴蝕發(fā)生在機(jī)體水腔內(nèi)壁的鑄造非加工表面。建議機(jī)車新造及大修時(shí)對(duì)機(jī)體水腔內(nèi)壁表面進(jìn)行適當(dāng)打磨，降低水腔內(nèi)壁粗糙度。

(2)降低柴油機(jī)缸套的振動(dòng)。機(jī)車大、中修時(shí)嚴(yán)格選配柴油機(jī)活塞與缸套、缸套與機(jī)體定位圓的間隙，配合間隙應(yīng)控制在大修限度之內(nèi)，以接近設(shè)計(jì)間隙的下限為宜；并在機(jī)車日常運(yùn)用中嚴(yán)格控制柴油機(jī)啟動(dòng)和加載的溫度，啟動(dòng)溫度不低于20 ℃，加載溫度不低于40 ℃的規(guī)定，防止因柴油機(jī)缸套振動(dòng)沖擊大，造成柴油機(jī)機(jī)體穴蝕。

(3)對(duì)機(jī)體內(nèi)腔涂漆。機(jī)車大、中修時(shí)機(jī)體按16V280ZJA型柴油機(jī)制造的涂裝標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)機(jī)體內(nèi)非加工表面刷漆。漆層不僅可以防止與冷卻水直接接觸的水腔表面發(fā)生腐蝕，同時(shí)能防止冷卻水內(nèi)氣泡破裂產(chǎn)生空泡效應(yīng)作用在水腔金屬表面，對(duì)穴蝕能起到一定的減緩作用。

(4)防止冷卻水溫度過高產(chǎn)生汽化。對(duì)發(fā)生水溫高的機(jī)車及時(shí)扣車整修，嚴(yán)禁存在高水溫現(xiàn)象的機(jī)車長期運(yùn)行，防止冷卻水溫過高導(dǎo)致冷卻水汽化而加劇產(chǎn)生氣泡，引起機(jī)體穴蝕。

(5)優(yōu)化提高冷卻水及冷卻水添加劑的性能。機(jī)務(wù)系統(tǒng)及鐵路科研部門應(yīng)加強(qiáng)對(duì)內(nèi)燃機(jī)車?yán)鋮s水配方的研究改進(jìn)，在現(xiàn)有冷卻水的基礎(chǔ)上優(yōu)化冷卻水添加劑，降低冷卻水張力，減緩冷卻水中氣泡破裂時(shí)產(chǎn)生的沖擊壓力，同時(shí)提高冷卻水的清潔度和散熱性，抑制機(jī)體水腔的穴蝕。

4 結(jié)束語

(1)通過對(duì)16V280ZJA型柴油機(jī)機(jī)體穴蝕的修復(fù)試驗(yàn)和試驗(yàn)效果驗(yàn)證，證明在機(jī)務(wù)段現(xiàn)有的生產(chǎn)條件下，嚴(yán)格把控修補(bǔ)、焊接工藝的落實(shí)，對(duì)球墨鑄鐵機(jī)體的穴蝕修復(fù)是可行的，能夠保證穴蝕機(jī)體的修復(fù)質(zhì)量，滿足16V280ZJA型柴油機(jī)一個(gè)中修期的運(yùn)用要求。

(2)機(jī)務(wù)段作為機(jī)車的使用維修單位，在不改變柴油機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的情況下，在檢修、保養(yǎng)、運(yùn)用各作業(yè)環(huán)節(jié)，注意采用防止穴蝕的措施，并嚴(yán)格執(zhí)行作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，16V280ZJA型柴油機(jī)機(jī)體穴蝕問題能夠得到一定程度的控制。

(3)隨著鐵路運(yùn)輸對(duì)牽引力要求的不斷提高，柴油機(jī)性能將不斷強(qiáng)化，運(yùn)用時(shí)間將不斷延長，柴油機(jī)穴蝕問題將會(huì)日益凸顯，逐漸成為影響柴油機(jī)可靠性和使用壽命的重要因素。對(duì)穴蝕問題的防治應(yīng)得到機(jī)車設(shè)計(jì)、制造部門的高度重視，在設(shè)計(jì)制造階段考慮采用技術(shù)手段，從源頭上防止柴油機(jī)穴蝕的發(fā)生。