技術(shù)維修與康明斯知識

由于安裝、使用不當造成柴油機氣門斷裂原因分析

 

摘要：柴油機氣門工作的可靠性、耐久性直接影響柴油機的壽命。氣密性的破壞將會影響柴油機的工作，氣門斷裂造成的損失遠遠超過氣門本身的價值，后果十分嚴重。造成氣門斷裂的原因很多，如端面淬火超深；材料裂紋；材質(zhì)不當；鎖片槽過渡圓弧過??；氣門焊接強度不夠等?？得魉构驹诒疚闹?/span>針對涉及因安裝、使用不當?shù)?/span>非質(zhì)量原因所造成的氣門斷裂，將從撞擊、應(yīng)力集中、氣門間隙過大，過高的溫度四個方面，對氣門斷裂的原因及預(yù)防作了簡要的論述。

 

一、氣門配合參數(shù)要求

 

      柴油發(fā)電機在工作過程中，氣門與氣門座發(fā)生頻繁而劇烈的沖擊，造成機械磨損與擠壓塑性變形，氣門頭工作圓錐面形成凹陷環(huán)帶，有時還會出現(xiàn)疲勞剝落凹坑。此外，排氣門與氣門座還受到高溫燃燒氣體的沖刷和腐蝕，產(chǎn)生燒蝕麻點；進氣門與氣門座還受到夾雜在空氣中塵土的磨料磨損，因而磨損較排氣門與氣門座嚴重。所以氣門部件的質(zhì)量高要求是必須的，康明斯作為柴油發(fā)電機行業(yè)“帶頭大哥”在這方面更是嚴格要求，以減低柴油機因此產(chǎn)生的故障率。

1、 氣門與氣門座配合要求

      氣門與氣門座配合良好與否是決定配氣機構(gòu)正常工作的重要環(huán)節(jié)，它直接影響到氣缸的密封性，對柴油發(fā)電機的動力性和經(jīng)濟性關(guān)系極大。對氣門與氣門座的配合要求是：

（1）氣門與氣門座的工作錐面角度應(yīng)一致，如圖1所示。

（2）氣門與氣門座的密封帶位置在中部靠里。過于靠外會使氣門的強度降低，過于靠里，會造成與氣門座接觸不良。

（3）氣門與氣門座的密封帶寬度應(yīng)符合原設(shè)計規(guī)定，一般為1.2 ~2.5mm。排氣門大于進氣門的寬度，氣門頂?shù)倪吘壓穸染坏眯∮?.5mm，如圖2所示；密封帶寬度過小，將使氣門磨損加劇，形成凹陷；密封帶寬度過大，影響密封性并易引起氣門燒蝕。

（4）氣門工作錐面與桿部的同軸度和氣門座與氣門導(dǎo)管的同軸度應(yīng)不大于0.05mm。

（5）氣門桿與導(dǎo)管的配合間隙應(yīng)符合柴油機原廠規(guī)定，一般為0.05~0.12mm間隙，使氣門桿能在導(dǎo)管中自由運動。

 

圖1  柴油機氣門錐角示意圖

圖2  測量氣門頂部邊緣的厚度

 

2、氣門與其他部件的配合要求

      康明斯B、C系列柴油發(fā)電機每個氣缸裝有2個氣門（氣門組組成如圖3所示，氣門結(jié)構(gòu)如圖4所示）。為提高進排氣量，康明斯N系列、K系列柴油發(fā)電機的每個氣缸裝有4個氣門（2個進氣門，2個排氣門）。氣門有兩種制作方法，一是用全金屬制作，進氣門為普通合金鋼，排氣門為耐熱合金鋼；另一種是在氣門密封錐面上堆焊特種合金。為了提高排氣門在高溫下的耐熱性和耐腐蝕性，提高排氣門的使用壽命，在排氣門密封錐面上堆焊耐熱合金。

      氣門頂面有平頂、凸頂和凹頂?shù)刃螤睿得魉共裼桶l(fā)電機采用平頂氣門。氣門頭部的密封錐面與氣門座嚴密結(jié)合，配對研磨，以實現(xiàn)氣門的密封，使用中不能互換。氣門錐面與氣門頂面之間的夾角稱為氣門錐角，進、排氣門的氣門錐角一班均為45°，少數(shù)進氣門錐角為30°，較小的錐角可獲得較大的流通面積，較小氣門落座時的相對滑移。因氣門錐角較小，其氣門頭部的邊緣較薄，剛度較差，容易變形，致使氣門與氣門座圈之間的密封性變差。

      氣缸蓋上與氣門錐面相貼合的部位稱為氣門座。鋁氣缸蓋和大多數(shù)鑄鐵氣缸蓋均鑲嵌由合金鑄鐵、粉末冶金或奧氏體鋼制的氣門座圈。也有一些鑄鐵氣缸蓋不鑲氣門座圈，直接在氣缸蓋上加工出氣門座，康明斯B系列柴油發(fā)電機即使如此。氣門座圈以一定的過盈壓入氣缸蓋上的座孔中，氣門座或氣門座圈的錐角與氣門錐角相適應(yīng)，形成密封環(huán)帶B。氣門錐角也可比氣門座或氣門座圈錐角小0.5°~1°，其作用是使兩者不以錐面的全寬接觸，這樣可以增加密封錐面的接觸壓力，加速磨合，并能切斷和擠出兩者之間的任何積垢或積炭，保持錐面良好的密封性。

 

圖3  柴油機氣門組構(gòu)成示意圖

圖4  柴油機氣門結(jié)構(gòu)示意圖.

 

二、氣門發(fā)生斷裂現(xiàn)象分析

 

1、撞擊造成的氣門斷裂（不含因配氣相位不對造成的氣門撞活塞）

      氣門運動行程的上止點在柴油機工作的全過程中是不變的，它的下止點在不同的工況中略有改變。

      柴油機運轉(zhuǎn)時，由于氣門彈簧的作用，氣門搖臂軸與搖臂軸孔之間的間隙存在于軸的上方，搖臂旋轉(zhuǎn)中心相對搖臂軸的偏心量就等于搖臂軸與軸孔間的間隙，高速運轉(zhuǎn)時，由于氣門搖臂、推桿、挺柱慣性力的作用，氣門達到下止點瞬間，搖臂旋轉(zhuǎn)中心與搖臂軸的偏心量，轉(zhuǎn)到1軸的下方，且搖臂旋轉(zhuǎn)中心的總跳動量是搖臂孔與軸的間隙的2倍。那么氣門下止點的下移量約為4.4～5.6倍的搖臂軸間隙。鑒于我國現(xiàn)有中小型柴油機的搖臂間隙多在0.06～0.10 mm之間，統(tǒng)計認為高速運轉(zhuǎn)時氣門的下移量約為0.05mm左右。

      盡管柴油機設(shè)計時考慮到氣門下移量的存在，氣門彈簧壓板下端面在氣門行程下止點位置時與氣門導(dǎo)管上端面間的空隙大于氣門下移量。但是由于各種原因造成的氣門導(dǎo)管裝置過高，氣門大端面在缸蓋表平面上的下陷量不夠，都可能造成冷車搖動或怠速運轉(zhuǎn)時，彈簧壓蓋不撞氣門導(dǎo)管而高速運轉(zhuǎn)時發(fā)生撞擊，致使氣門鎖片上部受沖擊載荷，從而使氣門沿鎖片上緣斷開。檢查斷面可見，斷面中心粗糙，外沿光滑，呈明顯的疲勞破壞斷口，彈簧壓蓋下端面和氣門導(dǎo)管的上端面有明顯的撞痕。從實際經(jīng)驗來看，斷裂發(fā)生在行車200～400h之間。

2、應(yīng)力集中造成的氣門斷裂

      氣門在正常工作狀態(tài)下不受橫向力的作用，只承受軸向力的作用。鎖片槽以下截面受拉應(yīng)力，鎖片槽以上的截面受壓應(yīng)力。鎖片槽部分是拉應(yīng)力與壓應(yīng)力的過渡區(qū)，其截面上的應(yīng)力因夾持摩擦力的改變而均勻過渡，拉應(yīng)力與壓應(yīng)力無明顯的分界。

      對于兩個錐度配合夾持的氣門（氣門鎖片與氣門，鎖片與彈簧壓蓋），由于制造公差的原因，要保證兩個錐度的全面接觸有一定困難。有可能出現(xiàn)鎖片與氣門配合呈下偏差，鎖片與彈簧壓蓋的配合呈上偏差（或相反的內(nèi)錐是上偏差，外錐是下偏差）。由于彈簧彈力的作用，況且錐片是相對兩片，勢必造成錐面貼合不良。一旦出現(xiàn)彈簧壓蓋孔錐度小，鎖片外錐度大，就會造成尖角夾持，從而受到剪應(yīng)力，并在此處造成應(yīng)力集中，發(fā)生沿此處斷開的事故。從實踐經(jīng)驗看，這種情況斷裂多發(fā)生在500 h以后。

3、氣門間隙過大造成的氣門斷裂

      氣門運動行程的速度和加速度是由凸輪的外形決定的，為了保證最大的氣門通過能力和最佳的機構(gòu)動力性能，凸輪的外形多為幾段圓弧組成（六圓弧、四圓弧）。氣門運動加速度最大時，氣門桿尾端至大端氣門座都會受到強烈的沖擊。實踐證明，當氣門的沖擊速度超過0.5～0.8m/s時，氣門及座均會很快地損壞。

      為避免氣門開啟和落座時加速度過大，凸輪外形設(shè)計時都安排有緩沖段，使氣門開啟與落座時的加速度能得到控制，減少強烈的沖擊。柴油機凸輪緩沖段從開始使用到作用終結(jié)，相當于凸輪軸轉(zhuǎn)角為15°～30°，升程為0.15～0.20 mm。也就是說氣門間隙如果比實際要求的大0.15～0.20 mm，緩沖段將因為空行程而失去作用，氣門將受到強烈的沖擊而有可能發(fā)生斷裂。斷裂發(fā)生前柴油機工作時，可以聽到嚴重的敲擊聲，卸下空氣濾清器，敲擊聲更為明顯。這種形式的斷裂多在氣門錐面母線指向氣門桿的部位，即氣門第二熱點處，且排氣門斷裂多于進氣門，這是溫度同時起作用的原因。

4、溫度過高造成的氣門斷裂

      排氣門由于受到高速燃氣的作用，強烈受熱而散熱條件又很差，工作溫度很高（500～800℃），并且隨轉(zhuǎn)速升高而升高，設(shè)計所用材料能經(jīng)受正常工作溫度，但因技術(shù)上的故障或安裝上的原因引起工作溫度過高，就會燒壞氣門或引起斷裂。

（1）供油時間過遲。使排氣溫度明顯升高而導(dǎo)致排氣門被燒斷。多發(fā)生在大中型柴油機上，小型柴油機會因功率下降而迅速被發(fā)現(xiàn)，并及時排除，大中型柴油機則易忽視。

（2）活塞與缸套的配合間隙偏小，造成邊界摩擦（半干摩擦），缸內(nèi)溫度升高造成氣門斷裂。

（3）柴油機制造時為降低生產(chǎn)成本，降低精度（能保證必要的配合要求）采用比較大的公差帶生產(chǎn)，分組選配。缸套活塞的生產(chǎn)一般在公差帶內(nèi)分成V組（I，Ⅱ，Ⅲ，IV，V）。即同標準的活塞，缸套有五種不同的尺寸。由于供應(yīng)和管理上的差錯，會發(fā)生I組缸套與V組活塞相配使用的情況。這樣一來，會因配合間隙偏小而發(fā)生半干摩擦，機械損失增大，從而使缸內(nèi)溫度增高而燒斷氣門。這種情況的柴油機工作表現(xiàn)為冷車啟動容易，熱車啟動比較困難，停車時慣性不足。

（4）因為排氣溫度過高而斷裂的氣門都是排氣門，多在第一熱點處開裂，最后斷裂半邊或一小邊，排氣門呈亮黃色。

 

三、疲勞試驗流程

 

      在柴油發(fā)動機中，機械零件往往承受著循環(huán)載荷。當按某一方式加載于零件的循環(huán)載荷達到一定次數(shù)時，零件就會產(chǎn)生疲勞斷裂；當該載荷低于某一數(shù)值時零件達到期望的循環(huán)次數(shù)（多數(shù)情況下為107次）而不斷裂，高于這一數(shù)值則達不到期望的循環(huán)次數(shù)產(chǎn)生斷裂時，該載荷稱為該零件的持久極限。

1、選擇疲勞試驗機機型

      柴油機氣門疲勞試驗裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。

（1）試驗機負荷參數(shù)可按以下兩種方法之一考慮：

① 試驗機產(chǎn)生的最大載荷至少應(yīng)大于氣門的拉斷力。

② 試驗機可產(chǎn)生的最大載荷是氣門持久極限的3倍以上。

（2）試驗機產(chǎn)生的負荷頻率：

      與氣門的固有頻率相同或相近（見后面的實例說明），因在試驗過程中氣門與外加負荷產(chǎn)生共振，這樣試驗出的持久極限是該種氣門持久極限最小值。

（3）應(yīng)力循環(huán)形式選擇：

      應(yīng)盡量接近實際工況，選擇正弦波或三角形波。

2、疲勞試驗的主要流程

（1）氣門疲勞強度（持久極限）的測定流程：

      取同規(guī)格、同材質(zhì)的一組氣門，根據(jù)已有的資料，對疲勞極限做一粗．略估計，應(yīng)力增量△σ一般為預(yù)計疲勞極限的3%-5%。第一根試樣的試驗應(yīng)力水平略高于預(yù)計持久極限，如果達到疲勞極限循環(huán)數(shù)（如107次）不斷時，則下一根試樣應(yīng)力升高△σ進行，反之，則降低△σ進行，這樣直到完成全部試驗。數(shù)據(jù)處理時，在每一對出現(xiàn)相反結(jié)果以前的數(shù)據(jù)均舍去，把所有鄰近出現(xiàn)的相反結(jié)果的數(shù)據(jù)點均配成對子，最后對于不能直接配對的相反結(jié)果的數(shù)據(jù)點也湊成一對，求得這些對子的持久極限平均值。

（2）建立氣門疲勞曲線（S-N曲線）的流程：

      根據(jù)已有的資料，對疲勞極限做一粗略估計，把同規(guī)格、同材質(zhì)的一組氣門，用不同的載荷進行疲勞試驗，直至氣門失效或循環(huán)次數(shù)達到107次，將載荷值和循環(huán)次數(shù)記錄下來，并把循環(huán)次數(shù)都轉(zhuǎn)化成以10為底的對數(shù)，然后將載荷值（Y坐標值）和對數(shù)循環(huán)次數(shù)（x坐標值）用excel或?qū)Ｓ密浖搭A(yù)定的方式擬合生成S-N曲線，如圖6所示。對氣門疲勞試驗來說，至少要有12個數(shù)據(jù)點才能建立起一條有效的S-N曲線，并且實用的數(shù)據(jù)點范圍為：沒有任何數(shù)據(jù)點低于二百萬次循環(huán)，至少2個數(shù)據(jù)點通過一千萬次循環(huán)。通常試驗數(shù)據(jù)是分散的，故應(yīng)該采用統(tǒng)計方法或最小基本曲線法處理數(shù)據(jù)。

      目前沒有普遍公認的疲勞強度（持久極限）的評定方法和S-N曲線的生成方法，這并不是最重要的，最重要的是試驗結(jié)果的準確性，只要將準確的試驗結(jié)果采用客戶制定的標準的數(shù)據(jù)處理方法進行處理就可與客戶標準進行比較并得出合格與否的結(jié)論。

 

圖5  柴油機氣門疲勞試驗裝置

圖6  柴油機氣門疲勞試驗曲線圖

 

總結(jié)：

      總之，由于安裝和使用原因造成的氣門斷裂，不但影響到柴油機的正常工作，而且也影響到它的使用壽命、動力性和經(jīng)濟性。做到及時檢查維護，杜絕此類原因隱患，對于減少柴油機的事故率是十分必要的。

 

 

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