cummins柴油发电机部件工艺改良和提升技术

　　摘要：在人们的印象中，柴油发电机都是傻大黑粗，技术落后，除了动力强劲之外一无是处。其实现代的柴油发电机随着现代科技的发展，也搭载了越来越多的领先技术，让柴油发电机的动力性、经济性越来越突出，而且噪音和排放控制得越来越好。当今领先的柴油发电机，是一种集冶金、材料、加工、自动控制、探头、化工为一体的高科技产品。本文以康明斯发电机KTA38系列为例，叙谈了通过机体采取合理的炉料配比、化学成分、增C剂，并控制Si/C、Mn/S，提升大马力机体铸件力学性能的工艺改善。

　　      柴油发电机的散热与热管理是非常重要的，也是发电机布置中的一个难题。现代柴油发电机一般使用强制循环水冷却装置，合理规划发电机汽缸体水道，可以让冷却液均匀地流过发电机每一个角落，让散热更均衡，避免了老式柴油发电机部分汽缸冷却不足的缺点。现代柴油发电机大多操作免保养水泵，树脂叶轮，碳化硅密封圈，叶轮毛重更轻、更耐腐蚀，防渗漏能力更强，使用年限大大增长。为了防止水箱宝腐蚀发电机，一般都使用专用冷却液，不允许用普通防冻液替代。同时选用电喷硅油风扇离合器，可以更精准地控制风扇的转速，让发电机尽快升温，并保证高负荷时的冷却强度。

　　      原发电机组的盘车选取的盘车杆手动盘车，飞轮外圆上有盘车孔，需要盘车时将盘车杆插人盘车孔，通过人力搬动盘车杆进行盘车。这样轮机人员不但劳动强度大，而且盘车不正确，需要多次搬动盘车杆才能达到盘车要求，同时不能进行盘车连锁，盘车时很容易造成人身伤亡故障。为此康明斯发电机公司设计了电动盘车系统，见图1，另外在柴油发电机飞轮上设计装配了一个盘车齿圈。需要盘车时，只需按动按钮，电动盘车系统的小齿轮与飞轮的盘车齿圈相啮合，就可以顺利带动柴油发电机按照要点进行盘车。重要的是该盘车系统可以安装一个手柄开关进行起动盘车连锁。盘车时，柴油发电机起动空气管路被自动切断，预防了盘车时人身伤亡事故的产生。

　　      康明斯柴油发电机组原来选用TPS61-F33增压器，虽然也能满足发电机组使用要点，但是存在大马拉小型发电机组的状况，该增压器裕度太大，存在浪费现状。为了在不影响柴油发电机性能的前提下节约成本，特地重新进行了增压器选择。经过配机试验，选用了霍尔塞特增压器正式作为该型发电机组的增压器（外观如图2所示），仅此1项每台可节约成本5万余元。48台柴发机组，可节约成本240万元，效益相当可观。

　　      现代柴油发电机不论是冷启动能力还是热起动能力都非常强，几乎都可以做到“点火就着”。这是因为现代柴油发电机有一套领先的启动技术。首先是有一个大容量的启动马达，保证柴油发电机有足够的起动速度；其次是有先进的启动控制逻辑，在启动阶段的喷油正时、喷油量等控制更精准；最后就是有火焰预热起动系统湖北柴油发电机，可以在气温较低时加热进入燃烧室的空气，让冷起动更容易。

　　      为了增强缸套内表面耐磨性，预防拉缸现状出现，因此在缸套内表面增加了软氮化要求，缸套内表面粗糙度由Rz 5-10改为Rz 3-7。

　　      活塞由分体式改为整体铸铁活塞，为了防止燃油喷到气缸壁上和活塞顶高温，对w型线mm，同时加大了活塞滑油冷却腔面积。为了预防柴油发电机运动流程中活塞顶与进、排气阀干涉（即顶缸），特意在活塞顶部署了4个0.5mm深的避阀坑。

　　       现代柴油发电机一般操作整体式铸造主轴，材质为球墨铸铁或者铸钢。随着现代机械加工技术的进步，曲轴的加工精度越来越高，甚至可以控制到微米级。曲轴的轴颈表面一般操作氮化技术，以增强表面硬度，提高耐磨性能，增强曲轴的抗疲劳强度。

　　      现代的柴油发电机为了让更多的空气进入燃烧室南昌康明斯发电机，一般都使用涡轮增压、进气中冷、多气门（四气门）技术，可以把柴油发电机的功率和功率提升30%以上。部分乘用车柴油发电机还采取可变进气正时、可变气门升程、可变截面涡轮增压器、双增压器等技术，高效提高充气系数。现代柴油发电机大多选择ω型燃烧室，较小的面容比，中置喷油器，进气可以形成更强劲的进气涡流，燃烧更加稳定、柔和、充分，有利于提升柴油发电机的动力性能和排放水平。

　　      老式柴油发电机漏油是非常普遍的现状，现代的柴油发电机渗油现状大大降低，主要归功于先进的密封技术以及更精密的加工技术。主轴的前、后油封，越来越多地使用 PTFE（含聚四氟乙烯高分子化学材料），密封性、抗高低温性能、耐腐蚀广东康明斯发电机、耐老化性能更强，使用寿命更长。在各密封面，由于精密的机加工技术，平面度非常高，通常操作普通的厌氧密封胶就可以实现良好的密封，不再选用密封垫构造。

　　      以康明斯柴发机组的动力KTA38系列为例，K38机体是康明斯大马力发电机（600～1400KVA）的关键件，为V型12个缸构成（如图3所示）；外形尺寸1563×866×701mm，机体净重1360kg，壁厚变化大（最薄处8mm，最厚部位100mm），生产难度大。按cummins技术标准，该型号发电机容量大于800 KW时机体力学性能必须满足，试棒抗拉强度≥310MPa（铸件本体按图纸指定的部位取样≥241MPa）、本体硬度≥HB187。缸体加工后做气密性检测，不允许有渗漏。对于这样一个重量大冷却速度慢，又要点周身致密的油道、水腔众多的机体，要增强其机械性能，如果采用大概的减少碳当量或提高合金是行不通的，康明斯发电机公司从采用合理的炉料配比、化学成分、改良增碳工艺，并控制Si/C、Mn/S等办法着手，较好地达到了提高K38机体力学性能的目的。

　　      灰铸铁的抗拉强度随着碳当量的提高而减轻。为保证机体的铸造性能和凝固时的自补缩能力，康明斯发电机公司选用3.95%≤CE≤4.05%进行工艺试验，试验证明机体铸件单铸试棒的抗拉强度接近310MPa，但不稳定，如图4所示。

　　       为了提高提升缸体的本体硬度和热疲劳性能，通过加入Cu、Mo和Cr合金，进行合金化，确定合金元素的最佳匹配，如表1。

　　      试验证明Cu对缸体本体硬度的贡献比Cr大。因为机体有热稳定性要求，Mo能提高铸件的热疲劳性能，即使价格比Cr昂贵，加入Mo还是十分必要的。Mn、Cu与Mo对增强性能有贡献，但R-Sq值与R-Sq（adj）值不高，合金化不是排除增强力学性能问题的唯一对策，还要靠其它工艺方案保证。

　　      因此，cumminsK38缸体铸件的化学成分为o（C）3.2~3.35%，CE控制在3.95~4.05%，o（Cu）0.65～0.70%和o（Mo）0.25～0.35%。

　　      生产实践证明，相同的化学成分，因为熔炼工艺不一样、配料不同，铁液的冶金质量完全不同。生铁由于存在具有遗传性的粗大的过共晶石墨，在熔化流程中难以完全消除，使凝固程序中发生的石墨化膨胀功用削弱，铸件的致密性减轻，铁液收缩倾向增大，同时粗大的石墨还加大对基体的割裂用途，减小材料的性能。增加炉料中废钢比例，铸件的抗拉强度明显上升。因此，康明斯发电机公司在生产中工艺规定废钢加入量必须大于30%、生铁加入量小于20%，其余为回炉料。

　　       废钢比例的增加，铁液的o（C）量必须靠增碳技术来保证。以前康明斯发电机公司选择碳化硅或优质无烟煤球作为增碳剂，增碳效果不明显，操作者抱怨较多，工艺规定的炉料配比难以严格执行。选用经过高温石墨化解决的增碳剂后，与第一批炉料一起加在炉底，增碳效果大为改进。经过高温石墨化处理的增碳剂，碳原子从无序排列过渡到片状石墨的有序排列，片状石墨能成为石墨形核的最好核心，促进石墨化，减小了铁液收缩。康明斯发电机公司选取经偏高温石墨化排除的增碳剂后，缸体致密性改善，机械性能提高，渗漏比例明显下降。

　　      增强Si/C比，铁液o（C）量相对偏低，对基体的割裂功用减弱。o（Si）量相对偏高，固溶强化增强，有利于铸铁强度的提升。高Si/C比的铁液有利于处置铸件边角处的白口。在CE相同条件下，高Si/C比的铸件，残留应力低，缸体铸件在机械加工时也不易变形。

　　      康明斯K38机体本体硬度检测点有8个，每处的HB硬度差值无法超过30。因此，标准要点机体薄壁处硬度不要过高，壁厚处硬度也不要偏低。康明斯发电机公司将原始Si选择在1.85-1.90%之间，Si/C比控制在0.6～0.7之间，清除了缸体各检查点硬度均匀性问题。

　　      Mn、S和P都是阻止石墨化的元素。只有少量溶入渗碳体的Mn可提升Fe、C原子间的结合力，促进形成珠光体，同时Mn与S可形成石墨非自发形核的核心MnS，减弱S阻碍石墨化用途，间接地有利于石墨化。S可以改良铁液的孕育效果，提高铸件的加工断屑性能。但石墨非自发形核的核心MnS必须维持在一个特定的范围，MnS增加过多，石墨会变粗，多余的MnS形成密集的夹渣，割裂基体减少铸铁的强度，危害铸件的致密性，增加缩漏倾向。

　　      由于锰和硫在铸铁中有相互制约的功能，故而在选取Mn含量与硫含量时必需考虑Mn/S值。生产实践证明，康明斯K38机体Mn/S选取6-8较为合适，缸体单铸试棒机械性能、本体硬度均达到cummins技术标准要求，机体渗漏率低于3%。 

　　（1）为保证cumminsK38发电机机体铸铁具有良好铸造性能与力学性能，CE控制在3.95-4.05之间，加入Cu与Mo进行合金化。

　　（2）控制炉料配比中生铁加入量不应高于20%，废钢不应低于30%。选取经偏高温石墨化的增碳剂增碳，增碳效果明显，铁液收缩性小，缸体致密性增加。

　　（3）在增强力学性能的同时，控制Si/C比在0.6-0.7之间，Mn/S比在6-8之间，铸件缩松和缩漏缺陷减少。

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