某型汽油機(jī)氣門故障分析

張浩

摘 要：根據(jù)氣門傘部斷裂狀態(tài)及其他故障現(xiàn)象，結(jié)合氣門間隙變化對(duì)氣門落座力影響的計(jì)算機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真，完成故障原因和故障過(guò)程的分析，為設(shè)計(jì)變更和下一步驗(yàn)證提供了方向。

關(guān)鍵詞：氣門間隙；落座力；挺柱；氣門反跳

中圖分類號(hào)：U462.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988（2018）17-106-02

Abstract： Based on the status of the broken valve and related parts and by the method of computer aided simulation， this article analyzes the main cause and the malfunction process of a valve breakage failure to provide a direction for design improvement and test of next phase.

Keywords： Valve clearance； Seat force； Tappet； Valve re-bouncing

CLC NO.： U462.2 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-106-02

前言

氣門及氣門座用于開啟、關(guān)閉進(jìn)氣道和排氣道，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中控制混合汽的進(jìn)入和廢氣的排出，是影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵部件之一。氣門及氣門座在高溫、高壓下工作，還需要承受汽缸內(nèi)爆發(fā)壓力的沖擊，工作環(huán)境十分惡劣。本文就某型汽油機(jī)交變負(fù)荷中氣門故障，結(jié)合故障現(xiàn)象和力學(xué)分析，理清了故障原因和過(guò)程，為故障件改進(jìn)和進(jìn)一步試驗(yàn)考核提供了方向。

1 故障現(xiàn)象

某汽油機(jī)進(jìn)行交變負(fù)荷試驗(yàn)至172h時(shí)，曲軸箱壓力由-0.16突增到6.3kpa，停機(jī)后曲軸無(wú)法盤動(dòng)。拆除排氣歧管，發(fā)現(xiàn)排氣側(cè)8號(hào)氣門斷裂。進(jìn)一步拆解發(fā)現(xiàn)：8號(hào)排氣門氣門間隙異常，4缸活塞碎裂，斷裂氣門對(duì)應(yīng)氣門挺柱與氣門接觸部分異常磨損；磨損部分導(dǎo)致氣門和氣門挺柱間間隙異常，其余氣門狀態(tài)良好，氣門間隙正常，氣門挺柱無(wú)異常磨損。

2 原因分析

閥系類零部件（包括氣門、氣門彈簧、氣門座圈、機(jī)械挺柱和凸輪等）在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中主要受慣性力影響，接觸面的壓力和發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)爆發(fā)壓力無(wú)關(guān)，只和發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)。所以，發(fā)動(dòng)機(jī)閥系組件的考核，需在發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速下進(jìn)行，這一轉(zhuǎn)速通常是發(fā)動(dòng)機(jī)的斷油轉(zhuǎn)速，試驗(yàn)方法稱之為超速試驗(yàn)。本次試驗(yàn)工況亦包含超速過(guò)程，但該工況運(yùn)行時(shí)間較短，而在額定轉(zhuǎn)速工況有較長(zhǎng)時(shí)間考核，故還需額定轉(zhuǎn)速下的閥系受力狀態(tài)分析。

2.1 氣門間隙對(duì)凸輪與氣門間作用力的影響

當(dāng)凸輪角速度一定時(shí)，氣門間隙增大，挺柱與凸輪接觸延遲，凸輪中心與接觸點(diǎn)半徑增加，接觸點(diǎn)速度增加，凸輪與挺柱間沖擊增強(qiáng)。沖擊過(guò)程中，若氣門或挺柱發(fā)生啃食，則氣門間隙會(huì)進(jìn)一步加大，啃食亦會(huì)加強(qiáng)，形成正反饋，直到發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行為止。

2.2 氣門間隙對(duì)氣門落座力的影響

氣門間隙增大，氣門與凸輪接觸延遲，脫離接觸提前。脫離接觸時(shí)，氣門速度亦會(huì)增加，落座力增強(qiáng)。借助于計(jì)算機(jī)仿真分析，額定轉(zhuǎn)速下正常狀態(tài)氣門間隙，氣門落座力位390N；故障狀態(tài)氣門間隙，落座力為5200N。故障狀態(tài)下，氣門傘部和桿連接處受到?jīng)_擊力遠(yuǎn)超正常值，易發(fā)生斷裂。超速狀態(tài)下，正常氣門間隙落座力475N，故障狀態(tài)氣門間隙落座力1300N。本次試驗(yàn)超速過(guò)程中，氣門間隙異常狀態(tài)下，氣門與凸輪脫離后再次接觸時(shí)，二者相對(duì)速度較小，碰撞沖擊力較??；由于初次碰撞消耗了氣門組件的能量，隨后氣門落座時(shí)，氣門速度較小，沖擊與額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)下氣門落座相比，沖擊力較小。

2.3 氣門間隙對(duì)氣門反跳的影響

在氣門開啟過(guò)程中，氣門受凸輪壓力和彈簧作用力，氣門的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要由凸輪決定。當(dāng)氣門完全開啟，凸輪垂直方向分速度為0時(shí)，氣門在慣性作用下仍然有向下的速度。凸輪角速度不變，隨凸輪轉(zhuǎn)角變化產(chǎn)生垂直分速度，此時(shí)氣門在彈簧力的作用下產(chǎn)生于彈簧力方向相同的加速度，氣門運(yùn)動(dòng)主要受彈簧張力影響。氣門與凸輪分離后，兩者的運(yùn)動(dòng)分開進(jìn)行，但氣門端部可能會(huì)重新回到凸輪面上，如果沖擊速度過(guò)大，氣門會(huì)重新彈跳脫離，出現(xiàn)氣門反復(fù)跳動(dòng)的現(xiàn)象。另氣門與氣門座圈接觸時(shí)，氣門組件（包括氣門、挺柱和彈簧）能量一方面由傘部和座圈碰撞消耗，另一方面通過(guò)鎖夾由彈簧吸收，若沖擊較大，亦容易發(fā)生氣門反跳。根據(jù)計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果，本次試驗(yàn)中故障狀態(tài)氣門間隙在額定轉(zhuǎn)速和超速轉(zhuǎn)速皆出現(xiàn)氣門反跳，但氣門反跳升程最大不超過(guò)0.5mm，一定程度上會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能，但不足以導(dǎo)致活塞撞氣門。因此，本次故障中氣門斷裂并非氣門與活塞撞擊導(dǎo)致，而是氣門與氣門座圈沖擊力過(guò)強(qiáng)導(dǎo)致氣門傘部與桿部連接部分?jǐn)嗔眩撀浜蟮臍忾T與活塞撞擊導(dǎo)致活塞損壞。

2.4 故障過(guò)程總結(jié)

氣門挺柱強(qiáng)度不足→挺柱啃食→氣門和挺柱間沖擊增強(qiáng)→挺柱進(jìn)一步啃食→氣門出現(xiàn)反跳和落座力增大現(xiàn)象→落座力異常導(dǎo)致氣門頭部與桿部焊接部分?jǐn)嗔选鷼忾T頭部撞擊活塞。

3 結(jié)語(yǔ)

3.1 氣門挺柱強(qiáng)度不足導(dǎo)致此次故障，需加強(qiáng)挺柱強(qiáng)度后再次試驗(yàn)；

3.2 氣門間隙對(duì)氣門、挺柱的受力有著重要的影響。若此間隙過(guò)大，則會(huì)造成氣門落座速度過(guò)大，產(chǎn)生落座沖擊噪聲，加劇氣門及座圈磨損，甚至造成發(fā)動(dòng)機(jī)損壞。因此，合理的氣門間隙要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行確認(rèn)，并且在發(fā)動(dòng)機(jī)使用過(guò)程中要定期維護(hù)調(diào)整，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作。

參考文獻(xiàn)

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