氣閥斷裂故障分析

齊發(fā)致，劉國棟，李偉杰

（申佳船廠，上海 200135）

0 引 言

任何投入運行的設(shè)備，零部件的失效會導(dǎo)致設(shè)備故障。機械設(shè)備發(fā)生故障的表現(xiàn)形態(tài)很多，其中有一種突發(fā)性故障，發(fā)展速度非常之快并帶有突變性質(zhì)，其常見的表現(xiàn)形態(tài)之一為運動件斷裂。引起零部件失效的原因也是各種各樣的，但這類運動件的斷裂往往是由疲勞引起，發(fā)展過程較長，但外觀表現(xiàn)不明顯。尤其對于普通機械設(shè)備來說，疲勞裂紋難于監(jiān)測，最后通常導(dǎo)致突發(fā)性斷裂。難以通過狀態(tài)監(jiān)測進行預(yù)報，無法用一定的規(guī)律描述或反映故障的發(fā)展過程。某型柴油發(fā)電機組運行中發(fā)生的氣閥斷裂失效的故障就是一例。針對此故障案例，從各個方面對引起失效的原因進行分析討論。

1 設(shè)備故障概況

1.1 故障件尺寸

閥桿直徑φ12mm；風(fēng)門板尺寸 40mm×40mm；風(fēng)門軸直徑φ7mm；裝風(fēng)門板處直徑φ6mm，上有 M3螺孔2只。

1.2 故障描述

故障設(shè)備為直列型6缸柴油機，使用時發(fā)現(xiàn)有異常抖動。按程序進行啟動前檢查后，可啟動柴油機，在空車狀態(tài)下繼續(xù)觀察，發(fā)現(xiàn)No.6缸缸頭內(nèi)有異常響聲，即停機再檢查，發(fā)現(xiàn)No.6缸氣閥間隙偏大，進氣閥間隙技術(shù)要求0.4mm，現(xiàn)為0.6mm，排氣閥間隙技術(shù)要求0.5mm，現(xiàn)為0.7mm。調(diào)整氣閥間隙至標(biāo)準(zhǔn)值后，再次啟動柴油機，空車運行時異常響聲消除，持續(xù)運行了6min左右，瞬間突然出現(xiàn)一次較強的聲響并伴有抖動，隨即運行平穩(wěn)，共運行25min均無異?，F(xiàn)象，然后停機待冷卻后，通過曲軸箱門蓋內(nèi)檢查氣缸內(nèi)壁、連桿大端軸向靈活性，無其他異常發(fā)現(xiàn)。

用戶再次使用該柴油機，啟動后在50%負(fù)荷下連續(xù)運行，其間運行參數(shù)為：滑油壓力0.46～0.47MPa；淡水壓力0.16MPa；海水壓力0.07MPa；淡水溫度65～70℃；滑油溫度70～80℃；排煙溫度300～380℃。

外部綜合觀察及參數(shù)顯示均說明柴油機運行正常，但在連續(xù)運行至3.83h后，柴油機出現(xiàn)異常聲響，機器抖動，排氣管冒火等異常情況。且因無法正常停機，隨即通過關(guān)閉燃油總管應(yīng)急停車，盤車檢查無明顯卡滯現(xiàn)象，但柴油機已無法再次啟動。

1.3 拆檢

盤車檢查無明顯異?，F(xiàn)象，對噴油時規(guī)檢查時發(fā)現(xiàn) No.6缸進氣閥與搖臂始終處于壓緊狀態(tài)。經(jīng)全面拆卸檢查，確認(rèn)共有4個故障點分別為第4、5、6缸和增壓器，總共損壞進氣風(fēng)門組件一套、活塞3只、氣缸2只、氣缸頭2只，進排氣閥各兩只和相關(guān)附件、噴油器一套、增壓器轉(zhuǎn)子一套。其中：No.4缸缸頭風(fēng)門軸在下螺孔處斷裂，風(fēng)門軸上無明顯撞擊痕跡，風(fēng)門脫落，其中一風(fēng)門螺栓嵌于該缸活塞頂部，另一螺栓和斷下的另半截風(fēng)門軸未見，碎斷情況不明，掉下的風(fēng)門板卡在No.6缸的進氣口處；No.4缸活塞頂面存在少量的撞擊痕跡，基本上分布在活塞頂部閥坑之間的岸上（圖 1）；No.5缸缸套表面有較粗的拉痕并手感輕微（圖2）。

No.6缸兩只進氣閥閥桿均彎曲，其中一進氣閥閥盤在根部斷裂脫落，脫落閥盤的圓周因撞擊而殘缺不圓，盤面凹凸不平（圖3）。兩只排氣閥閥桿均彎曲，兩只閥盤均在根部斷裂脫落，其中一只閥盤本身也斷裂成數(shù)塊，閥盤因撞擊已無原形（圖3）。缸頭進氣口處有No.4缸脫落的風(fēng)門板。

圖1 No.4缸活塞頂面撞擊痕跡

圖2 No.5缸套表面拉痕

圖3 No.6缸兩進氣閥閥桿狀況

No.6缸缸頭平面在中心φ130mm圓內(nèi)存在嚴(yán)重撞擊痕跡，四只氣閥座工作斜面一周均有撞擊痕跡。有一根排氣閥桿咬死在導(dǎo)筒內(nèi)，其斷口與閥座底面平齊，導(dǎo)筒壁被壓壞斷裂掉落。另3只氣閥導(dǎo)筒全部損壞，其斷口低于缸頭本體，一只噴油器也咬死在上面（圖4）?；钊斆媸車?yán)重撞擊，已無原始形狀存在（圖5），撞擊痕跡多數(shù)與閥盤形狀相似，并有一小塊閥盤嵌于其中，頂部第一道環(huán)岸以上嚴(yán)重拉傷，拉傷深度約0.5～1mm，較均勻地分布于約80%的圓周上，在裙部受側(cè)推力面有兩處呈塊狀拉傷痕跡，面積均約20mm×30mm，拉傷深度小于0.3mm，全部活塞環(huán)未斷并在環(huán)槽中無咬死情況，整個活塞無明顯過熱現(xiàn)象；缸套上與活塞裙部拉痕對應(yīng)處有拉痕，寬度約15mm，手感較重，上下貫穿。增壓器的廢氣端有斷下的排氣閥盤，呈不規(guī)則圓形，渦輪嚴(yán)重?fù)p壞，壓氣葉輪正常（圖6）。

圖4 No.6缸缸頭平面受損狀況

圖5 No.6缸活塞頂面受撞擊

圖6 No.6渦輪損壞

2 氣閥斷裂原因分析

分析1：查閱設(shè)備運行的記錄，柴油機運行無顯著異常，運行參數(shù)滿足使用說明書規(guī)定的要求。故障瞬間前也不存在明顯的外力因素，故可以確認(rèn)設(shè)備不存在超負(fù)荷運行的情況。

分析2：所更換的進排氣閥，來自正規(guī)的采購渠道，無充分理由認(rèn)為其產(chǎn)品所用材質(zhì)存在問題。外表無顯而易見的制造缺陷，也不存在人為造成零部件受損傷的情況。

分析3：查閱原裝配記錄，無裝配不良記錄顯示，故障之前柴油機已累計運行時間長達60.5h且運行狀態(tài)良好，推斷沒有因裝配不良引起氣閥或風(fēng)門軸超應(yīng)力而斷裂的附加外力存在，因此不存在因裝配引起的零部件失效情況。

分析4：No.4缸風(fēng)門軸是否因意外之力而斷裂，按風(fēng)門軸縱斷面占進氣通道流通面積的百分比計算，擊中風(fēng)門軸概率約6%，從進氣歧管到風(fēng)門處的距離僅100mm左右，碎塊很難在極短的時間內(nèi)被加速至進氣氣流速度，況且碎塊的質(zhì)量很小，即使一次撞擊也很難達到打斷風(fēng)門軸所需的能量和力。通過5倍放大鏡仔細(xì)觀察，也未發(fā)現(xiàn)風(fēng)門軸上有明顯撞擊痕跡，可以推斷風(fēng)門軸沒有被碎塊擊中，即沒有承受到意外的附加應(yīng)力。

分析5：觀察風(fēng)門軸的斷口，屬脆性斷裂（圖7），由于氫脆發(fā)生的脆性斷裂,通常是很突然地發(fā)生，并且在低應(yīng)力情況下發(fā)生的[1]，比對其他氫脆斷裂的情況，可以推定風(fēng)門軸的斷裂是由自身缺陷所引起的，再根據(jù)該型柴油機風(fēng)門軸的失效經(jīng)歷，近兩年來工廠已發(fā)現(xiàn)3例該類型風(fēng)門軸斷裂的案例，則推斷風(fēng)門軸斷裂造成該缸故障的概率更大。

分析6：經(jīng)驗給出，No.4缸風(fēng)門軸上掉下的碎塊如果通過排氣閥進入排氣總管后，幾乎沒有機會再次通過排氣閥進入其他氣缸。其次風(fēng)門軸上掉下的碎塊質(zhì)量很小，要在其被嵌入活塞體之前，撞壞氣閥的可能性似乎不大，否則可認(rèn)為氣閥自身存在缺陷。同時根據(jù)該型柴油機所發(fā)生過的同類失效經(jīng)歷，確實存在著落下的異物被嵌入活塞頂部，柴油機仍然繼續(xù)正常運行的情況。所以推斷 No.6缸內(nèi)的碎塊是本缸所產(chǎn)生的。

分析7：該柴油機修復(fù)交付后已運行60.5h，說明時規(guī)調(diào)整正常，運行中如遇氣閥調(diào)節(jié)螺栓松脫，氣門間隙變大，但不會頂缸。故進排氣時規(guī)未調(diào)整好而引起氣閥斷裂的可能性不存在。

分析8：通過觀察損壞的排氣閥上的斷面，屬脆性斷裂斷面（圖8、9），認(rèn)為No.6缸某一排氣閥因自身存在某種缺陷，致使材料在氣缸內(nèi)燃燒的高溫化學(xué)氣體介質(zhì)中的加速腐蝕疲勞[2]，最終導(dǎo)致斷裂。斷裂落下的碎塊進入氣缸后，如果柴油機不被阻停而能繼續(xù)轉(zhuǎn)動的話，只有在下列幾個情況下才可能：1) 進入氣缸的碎塊尺度小于活塞在上死點時的氣缸余隙；2) 機構(gòu)有足夠的力將碎塊壓入比他軟的活塞頂部，從而保證活塞能越過上死點；3) 機構(gòu)有足夠的力將碎塊擊碎，使碎塊尺度小于活塞在上死點時的氣缸余隙；4)機構(gòu)有足夠的力使機構(gòu)變形撐大氣缸余隙，從而保證活塞能越過上死點。

圖7 風(fēng)門軸斷口

圖8 排氣閥脆性斷裂斷面

圖9 排氣閥脆性斷裂斷面

本案例中由于活塞頂部的硬度較碎塊硬度低許多，且碎塊的尺度相對較小，因而表現(xiàn)為第2）種情況，將碎塊壓入活塞頂部，拆檢后活塞頂面的實際狀況可以證實這種情況的存在。

當(dāng)No.6缸內(nèi)斷裂掉下的碎塊是整個閥盤或部分閥盤時，因尺度稍大或落下時其大尺度方向處于垂直，從而產(chǎn)生一個伴有聲響的較強抖動，最終導(dǎo)致活塞、缸頭及氣閥的嚴(yán)重?fù)p毀。同時其他碎塊通過排氣道進入排氣總管，導(dǎo)致增壓器的噴嘴或渦輪葉片打壞。此時進排氣閥均已毀壞，造成進排氣時規(guī)混亂，進排氣道互通。因進排氣總管內(nèi)氣體壓力始終是波動的，在活塞上行時其壓縮氣體的壓力仍可能高于進氣總管壓力，將其中較小的碎塊吹入進氣總管，從而通過進氣總管進入其他氣缸內(nèi)。

3 結(jié) 語

通過對本案例的分析可知，進排氣閥及風(fēng)門軸的斷裂疑似為低應(yīng)力疲勞斷裂，兩者是互相獨立的事件。如果能進一步對本案例中的失效件進行高倍的斷口分析[3]或電鏡觀察，則可以得到更為準(zhǔn)確的結(jié)論。從而將失效原因反饋給零部件制造廠，以便改善制造工藝，對各方面都將是有益的。

[1] 周志光. 鋼件脆性斷裂失效分析[A]. 陶正耀. 失效分析論文集[C]. 中國機械工程學(xué)會材料學(xué)會，1984. 348-352.

[2] 曾振鵬. 柴油機零件失效分析實例[A]. 陶正耀. 失效分析論文集[C]. 中國機械工程學(xué)會材料學(xué)會，1984. 469-478.

[3] 陳廣異. 電子顯微斷口分析法在機械產(chǎn)品失效方面的應(yīng)用[A]. 陶正耀. 失效分析論文集[C]. 中國機械工程學(xué)會材料學(xué)會，1984. 29-39.