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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，以取得良好效果。
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一起回望柴油发电机组的发展史
现代柴油机是在德国机械工程师狄塞尔发明的柴油机的基础上发展起来的，1892年，德国机械工程师狄塞尔取得了柴油发电机压缩点火的 。他的做法是以提高发动机的压缩比来提高热效率，利用压缩气体的高温来点燃进入汽缸的燃料，这样做的好处是不但省去了点火装置和汽化器，而且可以使用比柴油价格更低的柴油做燃料。
狄塞尔经过了5年的实验，在1897年制成了 台具有实用价值的压縮点火柴油发电机，即压燃式柴油机。与以前的柴油发电机相比，它延长了汽缸内气体的压缩过程，大大提高了压缩终了时气体的压力和温度，实现了不用点火系统而使柴油自动点火燃烧的功能。狄塞尔发明的柴油发动机能将35％的燃料潜能转变成动力而当时有效的柴油发动机也只能将28％的燃料潜能转变成动力，这是柴油发电机技术第二次革命性的突破。但是，当时狄塞尔发明的柴油发动机存在着很多的缺点，比如重量重、噪声大、冒黑烟，排出的大量废气会对环境影响很大，而且喷油泵还不完善，从而严重限制和影响了柴油机的衄。可以说，狄塞尔先生生前只看到发动机的成功的开端，却没有看到柴油机技术的飞跃发展，没有看到柴油机的广泛应用。
据资料记载，柴油机技术在1914年以前发展比缓慢，在 次世界期间，由于战争的需要柴油发动机开始大量生产，用于军事目的。柴油发动机柴油发电的发展史真正得到广泛应用是在1950年左右。早期的柴油机都是四冲程的，1899年德国工程师雨果．古尔德纳制造出了二冲程柴油发动机，他把当时采用相同缸径的四冲程柴油机的功率提高了60％~80％。二冲程柴油机的结构简单，造价低廉，但其燃油和润滑油的消耗量较高、冷却比较困难、耐用性较差，而且很难制造出功率较大的发动机，所以至今实际使用的功率比较大的柴油机都是四冲程的。
世界上 台发电机是1831年由英国的物理学家迈克尔·法拉第发明的。当时法拉第在试验中发现，当磁铁在线圈中移动时，线圈会产生电流，即今天我们大家所熟知的电磁感应现象。法拉第发现了电磁感应现象之后不久，便利用电磁感应原理发明了世界上 台发电机，即法拉第圆盘发电机。这台发电机的构造与现代的发电机不同，在磁场中转动的不是线圈，而是一个用紫铜做的圆盘。圆心处固定一个摇柄，圆盘的边缘和圆心处各与一个黄铜电刷紧贴，用导线把电刷与电流表连接起来；紫铜圆盘放置在马蹄形磁铁的磁场中。当法拉第转动摇柄使紫铜圆盘旋转起来的时候，电流表的指针偏向一边，这说明电路中产生了持续的电流。这就是法拉第试制出的世界上 台发电机。当年法拉第曾在英国皇家学会上表演他的发电机。当时，有一位贵夫人问法拉第：“这玩艺儿有什么用呢？”法拉第非常有礼貌地回答道：“夫人，新生的婴儿又有什么用处呢？”这一绝妙的回答受到大家的交口称赞。
当拉第发明的圆盘发电机虽然非常简单，它产生的电流甚至不能让一只小灯泡发光，但是，这是世界上 台发电机，是它首先向人类揭开了机械能转化为电能的序幕。后来，人们在此基础上将马蹄形 磁铁改为能产生强大磁场的电磁铁，用多股导线绕制的线框代替紫铜圆盘，对电刷也进行了改进，终于制成了功率的可供实用的发电机。目前，即使功率为IGW、10GW的特大型发电机，也是根据法拉第圆盘发电机的基本原理一电磁感应原理制成的。
1866年，德国的电工学家、实业家恩斯脱．韦尔纳·冯·西门子在法拉第圆盘发电机的基础上研制出自激励式发电机，1870年，比利时的Z·T·克拉姆又研制出了自激励式直流发电机。在经过不断改进之后，电机技术已经走向成熟，1877年真正实用的发电机开始进入商业化生产阶段。
100多年过去了，正是这简陋、不成熟、像初生婴儿一样的圆盘发电机人类带入了电气时代，为人类利用电能做出了重大贡献。
21世纪是科学技术飞跃发展的时代，特别是电脑技术等高科技成果在柴发电机组上的应用，使柴油发电机组有了更广阔的发展前景。以柴油机为动力用的柴油发电机组己经是通信等企业必不可少的重要设备。