探討柴油機(jī)氣門失效的原因與改進(jìn)

宛春利

[摘 要]氣門失效從失效模式主要有頸部斷的掉頭、盤部的掉塊、燒蝕、翅曲變形、錐面的磨損、桿部斷和桿端崩落及焊片脫落等。這些年來，柴油機(jī)廠通過加大排量、提高轉(zhuǎn)速、增壓和增壓中冷等手段，不斷地對柴油機(jī)強(qiáng)化。在失效分析中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)氣門失效與挺柱和（或）凸輪磨損相伴隨的現(xiàn)象。

[關(guān)鍵詞]柴油機(jī)，氣門，失效分析

中圖分類號：TK42 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）07-0375-01

一、前言

氣門是四沖程內(nèi)燃機(jī)完成工作循環(huán)實(shí)現(xiàn)換氣和密封功能的零件。在形成密閉燃燒室空間的零件中氣門的溫度最高。進(jìn)氣門工作溫度一般在200-450℃，排氣門的工作溫度一般在600-800℃，有的甚至高達(dá)850。目前，我國車用柴油機(jī)的最高爆壓，自然吸氣柴油機(jī)一般要大于8.5Mpa，增壓及增壓中冷柴油機(jī)在10-13 Mpa，有的甚至還要高。工作中氣門不僅承受著高頻沖擊、交變的拉壓及熱應(yīng)力的作用，還承受著高溫腐蝕和高速燃?xì)獾臎_刷。在此惡劣的工作環(huán)境下，個別氣門發(fā)生失效。輕者需修理，重者要更換整機(jī)。不僅嚴(yán)重地?fù)p害了用戶的利益，也給制造廠帶來經(jīng)濟(jì)和信譽(yù)上的損失。因此，引起柴油機(jī)生產(chǎn)廠的嚴(yán)重關(guān)注。

二、失效的設(shè)計(jì)原因

氣門設(shè)計(jì)一般取決于預(yù)先設(shè)定的工作環(huán)境和大量生產(chǎn)的效果成本比（價值工程）。這些年來，柴油機(jī)廠通過加大排量、提高轉(zhuǎn)速、增壓和增壓中冷等手段，不斷地對柴油機(jī)強(qiáng)化。作為較普遍采用的菌形氣門，其工作溫度隨燃燒效率、排溫和冷卻系統(tǒng)的有效性而變化，爆壓和開啟、落座速度決定著其相關(guān)應(yīng)力。柴油機(jī)的強(qiáng)化使氣門的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷大幅度提高，腐蝕影響增大，致使某些方面超出原設(shè)定范圍，出現(xiàn)了隨著柴油機(jī)的強(qiáng)化氣門的失效率相應(yīng)升高的現(xiàn)象?？梢哉f某些柴油機(jī)強(qiáng)化而未在設(shè)計(jì)上對氣門做相應(yīng)的改進(jìn)是氣門失效的一個原因。

三、氣門的設(shè)計(jì)改進(jìn)

（一）原材料的選擇

當(dāng)前，大部分車用柴油機(jī)的進(jìn)氣門的材料是馬氏體鋼的4Cr10Si2Mo，隨著溫度的提高和機(jī)械負(fù)荷的增大，氧化和塑性變形成為問題時，就要選用更高合金的馬氏體鋼，甚至奧氏體鋼。而要顯著提高抗沖擊性就要采用錐面堆焊。

排氣門材料一般用奧氏體鋼或超耐熱鋼。奧氏體鋼氣門一般可承受700-760℃，瞬態(tài)可達(dá)815-850℃的高溫。長期以來我國車用柴油機(jī)排氣門基本上都是用的21—4N。從熱性能講，21—4N可以滿足當(dāng)前柴油機(jī)強(qiáng)化程度的要求。但21—4N是為汽油機(jī)設(shè)計(jì)耐鉛腐蝕的一種材料，而21—12N和23—8N是為柴油機(jī)設(shè)計(jì)的材料，能耐V2O5和硫酸鹽腐蝕。23—8N和21—12N相比，雖然屈服強(qiáng)度稍低，但延伸率、抗拉彎強(qiáng)度和抗氧化耐硫腐蝕性提高?？紤]我國柴油含硫量高，在失效分析中往往提到腐蝕問題，建議排氣門材料最好選用23—8N。超耐熱合金鋼的工作溫度可達(dá)870-900℃，其疲勞強(qiáng)度和耐腐蝕性要超過奧氏體鋼。奧氏體鋼價格較高，超耐熱合金鋼價格更高。為降低成本，也便于氣門桿端部的淬火，考慮國內(nèi)各氣門生產(chǎn)廠的摩擦焊工藝已過關(guān)，建議氣門桿部采用40Cr、4Cr9Si2或4Cr10Si2Mo等材料與氣門頭部對焊。但焊接的氣門桿在氣門最大升程時也不得露出氣門導(dǎo)管，避免燃?xì)飧g侵害。

（二）氣門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

進(jìn)、排氣門頭部尺寸及其比例、桿部直徑和總長度是根據(jù)柴油機(jī)總體設(shè)計(jì)而確定的。一般進(jìn)、排氣門頭部直徑比例為1：0.7—0.9，增壓機(jī)可接近于1：1，桿部直徑與進(jìn)氣門頭部直徑比為1：5.5—6.0，相關(guān)件氣門導(dǎo)管的長度約為桿直徑的7倍左右。柴油機(jī)強(qiáng)化后在可能和必要的情況下應(yīng)做合理調(diào)整，但一般很難做較大改動。起碼不做諸如將桿徑減小的削弱強(qiáng)度的更改設(shè)計(jì)，以免帶來新的隱患。

1、氣門頭部

氣門頭部的設(shè)計(jì)十分重要。頸部形狀對氣流影響最大，桿與頸部過渡處對氣流也有影響。頭部設(shè)計(jì)既要使之較好實(shí)現(xiàn)換氣功能，又要兼顧可靠性和耐久性好的設(shè)計(jì)，為有效地改善氣體流動，在進(jìn)氣門錐面與頸部角之間設(shè)計(jì)出副座角（或稱后角）。不合理的設(shè)計(jì)，在第二熱節(jié)點(diǎn)處可能會因屈服強(qiáng)度而產(chǎn)生縮頸或斷裂；錐面強(qiáng)度不足，在過高的負(fù)荷下可能會因磨損而產(chǎn)生斷裂，因變形漏氣而燒損。為使氣門能承受更高的爆壓而增加盤厚使氣門總質(zhì)量增大，將帶來落座沖擊力和熱容量增大，產(chǎn)生對磨損不利等問題；為減少沖擊力引發(fā)的失效而減輕氣門質(zhì)量，又可能帶來強(qiáng)度等問題。這些往往是互相矛盾的。改進(jìn)的實(shí)施應(yīng)根據(jù)失效分析抓住主要矛盾。桿和頸部的過渡區(qū)往往是機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力均高的部位，不僅要求各處應(yīng)力分布均勻，而且要求材料有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和延伸率；而排氣門此處受排氣沖擊，對腐蝕和疲勞非常敏感，一般設(shè)計(jì)成錐形。

2、氣門錐面角度

我國車用柴油機(jī)的原始設(shè)計(jì)基本上都是自然吸氣式，為兼顧密封和磨損，一般均采用90°錐面角。增壓及柴油機(jī)改成燃燒CNG、LPG氣體燃料發(fā)動機(jī)后，錐角一般要改成120°，甚至140—150°。如果進(jìn)氣門磨損嚴(yán)重，這種錐角的改動是最簡單又經(jīng)濟(jì)的辦法。但要注意改動后對氣門清除配合錐面上的積碳的能力的影響，要采取措施予以彌補(bǔ)。

3、氣門桿及相關(guān)件

氣門桿部的失效主要有桿斷、端部焊片脫落、端面裂紋蹦落、掉塊等。桿斷主要發(fā)生在氣道側(cè)距導(dǎo)管端面2mm—5mm處和鎖夾槽處。前者是彎曲應(yīng)力所致，可同時觀察到氣門桿的偏磨痕跡，有的還可看到導(dǎo)管口處的破損。而鎖夾槽處則可觀察到微振磨損或尖角應(yīng)力引起疲勞斷裂的形貌。有的機(jī)型此處失效率很高。

氣門桿及相關(guān)件的設(shè)計(jì)，不僅要搞好單件設(shè)計(jì)，還要保證鎖夾槽、鎖夾及彈簧座的協(xié)調(diào)一致、受力合理。早期設(shè)計(jì)的氣門桿上往往帶有積碳槽，不僅減弱了強(qiáng)度，還可能在過渡處產(chǎn)生尖角應(yīng)力。在氣門密封解決的今天，應(yīng)研究其是否還有保留的必要，有的機(jī)型已取消。還有的機(jī)型氣門導(dǎo)管端距氣門頭部的尺寸偏大，氣門桿又細(xì)，對承受彎曲應(yīng)力十分不利。鎖夾槽和鎖夾的設(shè)計(jì)很講究。單圓弧式可適用于任何氣門，采用14°15′和10°包容角為保證氣門、鎖夾和彈簧座組合在一起提供了足夠的夾緊力，鎖夾槽和鎖夾凸凹緣之間在設(shè)計(jì)上要留有徑向間隙。雙道圓弧槽一般用于大于等于9mm桿徑，包容角14°15′。此結(jié)構(gòu)圓弧處缺口敏感較低，且兩槽能產(chǎn)生附加剪切力。多道圓弧槽式是靠桿與鎖夾的凹凸緣之間的接觸來支撐氣門，因此不僅要求凹凸緣的形狀有盡量大的接觸面積，而且要求接觸面有足夠的硬度以保證耐磨。以往因擔(dān)心鎖夾槽處淬透而發(fā)生脆斷，有的設(shè)計(jì)硬度要求偏低，鎖夾槽淬火機(jī)床的應(yīng)用免除了設(shè)計(jì)人員的這一擔(dān)憂。多道鎖夾槽式使氣門處于旋轉(zhuǎn)自由狀態(tài)，利于氣門旋轉(zhuǎn)。

4、配氣驅(qū)動機(jī)構(gòu)

配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)、驅(qū)動機(jī)械的幾何位置和動力性能都可能使氣門的應(yīng)力增大，成為失效的原因。同時，驅(qū)動機(jī)構(gòu)零件的失效還可能造成氣門產(chǎn)生關(guān)聯(lián)失效。在失效分析中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)氣門失效與挺柱和（或）凸輪磨損相伴隨的現(xiàn)象。一些機(jī)型在失效分析中提出氣門彈簧力過大問題，有的甚至提出挺柱接觸應(yīng)力超出許可范圍，這些必將對挺柱和凸輪軸的磨損產(chǎn)生影響，進(jìn)而波及到氣門。

氣門旋轉(zhuǎn)可消除氣門和座配合錐面上的積碳，這對錐角加大后尤為重要。同時，氣門旋轉(zhuǎn)還會使氣門磨損和受熱均勻，改善座的傳熱，也有利于桿的均勻磨損。

實(shí)踐表明，根據(jù)失效分析，通過對諸如凸輪型線、凸輪錐角與挺柱球面的合理匹配、凸輪軸剛度、挺柱的技術(shù)要求、彈簧力的調(diào)整、搖臂相對氣門位置的要求、搖臂R和氣門桿端粗糙度提高等改進(jìn)，使氣門的失效率下降或某種失效模式得到解決。

參考文獻(xiàn)

[1] 萬辛，林大淵.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì).天津：天津大學(xué)出版社，1998.