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气缸套高频振动是柴油发电机产生穴蚀的根本原因
导读：发生穴蚀破坏的除了柴油发电机气缸套零件外，还有轴瓦、喷油泵注塞、螺旋桨桨叶及离心泵叶轮等。机件穴蚀破坏问题日益引起人们的关注，尤其是缸套穴蚀已是柴油发电机的重要问题，引起国内外的重视与研究。气缸套穴蚀是柴油发电机普遍存在的严重问题。随着柴油发电机的功率增加、强载度提高和高速、轻型化，气缸套穴蚀破坏就成为妨碍柴油发电机正常运转的首要问题，严重地影响柴油发电机的工作可靠性和气缸套的使用寿命。
一般说来，高速、轻型大功率柴油发电机，不论是开式冷却还是闭式冷却，气缸套都有不同程度的穴蚀。有的柴油发电机投入运转不久(仅几十小时)就会在气缸套外圆表面上出现穴蚀小孔，甚至柴油发电机运转不足千小时缸套就因穴蚀穿孔而报废，此时缸套内表面尚未磨损。二冲程十字头式低速柴油发电机气缸套基本不发生穴蚀破坏。
1．穴蚀部位：缸套穴蚀发生在湿式气缸套外圆表面上，一般集中在柴油发电机的左右侧方向，特别是承受侧推力 一侧的偏上方；冷却水进口、水流转向处和水腔狭窄处对应的缸壁上；缸套下部密封圈附近缸壁。缸套冷却水腔除缸套穴蚀外，不应忽视气缸套和气缸体材料的差异和材料内部的各种电化学不均匀性导致的宏观和微观电化学腐蚀。这两种腐蚀同时存在或交替进行均会加重缸套的腐蚀。此外，冷却水(海水或淡水)的水质、含气量、流速等均对穴蚀有影响。
2.气缸套穴蚀机理
1）一般穴蚀机理：迄今为止，关于穴蚀机理的论述很多，其中较为普遍接受的一种理论认为：机件发生穴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瞬时高真空。在瞬时高真空区，液体汽化形成气泡，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，泡内气体迅速液化而使气泡溃灭，这时周围液体急速冲向溃灭处，产生极强的冲击波作用在金属表面。频繁地冲击，使机件表面金属逐渐剥落。与此同时，金属表面还产生微观电化学腐蚀，两种腐蚀交替进行共同作用致使机件穴蚀破坏。
2) 柴油发电机气缸套外圆表面与气缸体(或机体)构成冷却水空间，在狭小的环形通道中流动着淡水或海水。柴油发电机运转时，由于缸套和活塞之间的间隙，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，被压缩时形成瞬时高压。此外，冷却水进口和流动时产生涡漩使冷却水通道内压力变化，也会形成瞬时高压或低压。在瞬时低压时产生气泡，瞬时高压时气泡溃灭，缸套外圆表面频繁受到冲击和微观电化学腐蚀作用而破坏。
3．影响缸套穴蚀的因素：生产中并非所有的筒状活塞式柴油发电机气缸套都发生穴蚀破坏，即使是发生穴蚀破坏其程度也各不相同。缸套穴蚀与柴油发电机的机型、结构、爆发压力、冷却水腔和冷却介质、柴油发电机的工艺参数等有关。
1）缸套振动。柴油发电机运转中气缸套高频振动是产生穴蚀的根本原因，缸套振动强度与以下各点有关：（1）活塞与气缸套之间的配合间隙：活塞在气缸中运动时，活塞对气缸壁的冲击能量的大小取决于活塞质量和活塞在气缸中横摆时的速度。活塞质量固定不变，但速度随着活塞与缸套之间的配合间隙的增加而增大。所以，活塞对缸壁的冲击能量取决于活塞与缸套配合间隙的大小。配合间隙大，活塞横摆加速度大，冲击前壁能量大，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，受活塞冲击时缸套变形小，振动小，可有效地防止穴蚀。缸套刚度除与其材料有关外，还与缸套壁厚和纵向支承跨距的大小有关，缸壁厚度增加，支承跨距缩短，缸套刚度增大。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。如果柴油发电机缸套与缸体铸成一体，缸套刚度增大，可有效地防止穴蚀。（3）冷却水腔结构 冷却水腔通道太窄，水流速度增高，容易产生空泡。柴油发电机设计时要求冷却水腔内水流速度应小于2m/s，水腔宽度t为14%D (D为气缸套内径)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，有利于降低缸套穴蚀。柴油发电机把冷却水腔窄处由1.5mm增至7mm，大大降低缸套穴蚀。
2）冷却水温度与压力：冷却水温度过高将加速腐蚀的进程，但也不宜长期水温过低。实验表明，钢铁和铝等金属材料在淡水温度为50～60oC时穴蚀严重，随着水温的升高，穴蚀破坏减轻。从发挥柴油发电机的效能和降低腐蚀、穴蚀出发，冷却水腔淡水温度在80～90oC为好。冷却水压力高可以抑制空泡的形成，减少穴蚀的发生。但冷却水压力提高将使其温度升高而加速穴蚀。
4．防止缸套穴蚀的措施
除从材料和结构上的改进来防止和降低缸套穴蚀外，对柴油发电机气缸套穴蚀，还可采用以下措施：
（1）缸套外圆表面覆盖保护层或强化层。采用镀铬、渗氮、喷陶瓷、涂环氧树脂或涂尼龙等工艺使金属表面与冷却水隔开，或使缸套外圆表面强化，可有效地防止电化学腐蚀与穴蚀。
（2）在冷却水腔内安装锌块实施阴极保护防止电化学腐蚀；例如柴油发电机气缸套外表面安装锌带并坚持定期更换取得防止穴蚀的良好效果。
（3）在冷却水中加入缓蚀剂；例如乳化油缓蚀剂或被膜缓蚀剂，使在缸套外表面上形成一层较薄的连续保护膜，不仅可以防止电化学腐蚀，而且可以减弱空泡破裂时的冲击波对缸套外表面的冲击作用，从而减轻穴蚀。
结论：在实践中防止或减轻穴蚀的方法很多，选用时依具体机型、结构和产生穴蚀的原因而定，以取得良好预防效果。
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从4个方面来分析并比较发电机的风冷和水冷系统
柴油发电机过冷或者过热（即发电机冷却能力过强或者过弱）都会对其动力性，经济性，工作可靠性带来不利的影响。因此设计良好的冷却系统，能够保证发电机始终处于适宜的温度下工作，以获得较高的发电机经济性能，动力性能，工作可靠性指标等。冷却系统的功用就是使发电机在各种工况下都保持在适当的温度范围内，冷却系统既要防止发电机过热，又要防止冬季发电机过冷，在冷态下的发电机启动之后，冷却系统还要保证发电机迅速升温，尽快达到正常的工作温度。
冷却系统，顾名思义，其主要作用就是对柴油发电机进行冷却，保证柴油发电机在一定的温度范围内可靠的工作，根据冷却介质的不同，分为风冷系统和水冷系统两种。下面康明斯发电机公司结合风冷系统和水冷系统的系统构造、振动噪声、冷却效果、低温性能、使用寿命，进行分析比较。
1.系统构造：水冷柴油发电机的气缸套分为干式气缸套（不直接与水接触）和湿式气缸套（直接与水接触），活塞在缸套内往复运动时，将热量传给缸套，缸套又将热量传递给冷却液来实施冷却，需要有水泵、水管、节温器等专用零部件，构造复杂；风冷柴油发电机则省去许多部件和环节，结构相对简单，但风冷系统对材料的耐热，耐磨，膨胀系数要求更高，制造起来技术工艺要求也比水冷要高。
2.振动噪声：水冷系统由于在缸套外侧配备水套，噪音经过水后变小，从而大大降低了发电机内部噪音，相对来说水冷柴油发电机的噪声更小、震动较小，拥有更高的压缩比，爆发力更强，功率更高，风冷系统需要风扇高速运转来进行抽风与排风，风燥比较大，震动较为明显。
3.冷却效果：水冷系统的缸体和缸盖刚度好，冷却强度高，发电机内部和外部冷却均匀，冷却水路设计自由度大，工作可靠，循环性好，降温迅速，不容易过热，不受环境影响；风冷系统的冷却介质为空气，空气的比热容大约为水的比热容的1/4左右，空气的传热系数大概为水的传热系数的1/20—1/30左右，空气的降温效果不如水明显，尤其在夏季使用中，水冷系统的优势更为明显。
4.低温性能：风冷系统启动方便、运行经济，启动后气缸的温度上升较快，在短时间内即可进入大负荷工作状态，没有冻裂和过热沸腾的危险，其低温性能优良；水冷系统启动后，温升比较缓慢，而且冷却液更换不及时容易冻坏发电机，需要定期检查冷却液的质量，低温环境下风冷系统的优势更大。使用寿命风冷系统中于气缸壁温度高，升温速度快，酸性腐蚀和磨损在很大程度上降低了，柴油发电机在露点以下的工作时间也大大缩短了，因而风冷系统机件腐蚀、锈蚀程度小，而且缸体、缸盖、散热器、冷却部件上也不会像水冷系统一样存有水垢；水冷系统时间久了，冷却管道容易受到腐蚀和损坏，相关部件容易老化、开裂，水箱容易产生水垢反而影响冷却效果，风冷系统使用寿命更长。
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