氣門座圈密封錐面尺寸對座圈磨損的影響

(上海柴油機股份有限公司，上海 200438)

0 引言

氣門座圈磨損一直是各主機廠在發(fā)動機開發(fā)過程中重點研究對象，但人們往往更加關(guān)注氣門座圈與氣門的材料選擇上，進行了多種座圈材料和氣門材料的匹配磨損試驗來分析其材料特性[1]，而忽視了氣門座圈本身的尺寸設(shè)計和加工誤差對氣門座圈的磨損機理。一直以來，氣門座圈密封錐面加工雖然是作為缸蓋加工的關(guān)鍵工序，但受檢具和檢測能力的限制，對個別尺寸往往僅靠加工設(shè)備的精度和刀具的穩(wěn)定性來保證加工精度，而未實施采用專用檢具進行在線實時監(jiān)測方法，這對大批量生產(chǎn)的質(zhì)量控制力度是不夠的，這也是座圈磨損問題在開發(fā)階段解決后，在大批量生產(chǎn)后仍舊會反復(fù)出現(xiàn)的原因。本文就氣門座圈密封錐面尺寸的設(shè)計和加工質(zhì)量對氣門磨損影響進行分析，為氣門座圈設(shè)計、氣門座圈磨損分析、氣門座圈密封面加工質(zhì)量控制提供依據(jù)和指導。

1 氣門座圈幾何尺寸與氣門裝配結(jié)構(gòu)

一般發(fā)動機氣門座圈的幾何尺寸如圖1所示。氣門座圈加工錐面一般由3個錐面組成，分別是氣流進口引導錐面、氣流密封錐面和氣流內(nèi)倒角錐面[2]，如圖1所示。

與氣門座圈3個錐面有關(guān)的尺寸見圖2。其中，a為氣流內(nèi)倒角錐面角度，b為氣門座圈與氣門接觸的密封面角度，c為氣流進口引導錐面角度，a1為氣門密封錐面量規(guī)直徑，a2為密封錐面交線直徑，a3為密封錐面寬度，a4為密封錐面跳動。目前，為了保證氣門座圈密封錐面跳動符合設(shè)計要求，通常做法是將氣門座圈壓入缸蓋后，用復(fù)合刀具將其密封錐面的最終尺寸與氣門導管孔的最終尺寸同步加工而成。

氣門座圈與氣門的裝配結(jié)構(gòu)如圖3所示。氣門密封錐面角度與氣門座圈的密封錐面角度設(shè)計上不完全一樣。一般而言，氣門密封錐面角度比氣門座圈密封錐面錐角大0.5°～1°，這樣氣門與氣門座圈就是線接觸。對于初始配合，線接觸的密封性要比面接觸的密封性好，而且角度差的存在也可以加速氣門與氣門座圈的磨合，并有效清除兩者之間的積垢或積碳[3]。

2 氣門座圈錐面尺寸對座圈磨損影響分析

2.1 氣門座圈密封錐面跳動

氣門座圈密封錐面跳動是指氣門座圈密封錐面相對導管孔中心線的位置精度，跳動的精度直接影響氣門與座圈的密封性能。汽油機氣門座圈的跳動一般控制在0.03 mm以內(nèi)，柴油機控制在0.05 mm以內(nèi)。由氣門座圈跳動誤差而產(chǎn)生的氣門與座圈的密封間隙可簡化為2個不同心的圓錐環(huán)密封模型，如圖4所示。

由流體力學及密封學可知[4]，通過有錐度的偏心環(huán)縫隙的氣體質(zhì)量流量可以由如下公式計算。

(1)

式中：qm為通過有錐度的偏心環(huán)縫隙的氣體質(zhì)量流量，kg/s；D為圓錐孔(軸)配合的基本尺寸，m；μ為介質(zhì)黏度，Pa·s；h為密封面高度，m；hα為密封面有效高度(hα=h/cosα)，m；α為半錐角，(°)；Δp為密封面壓力差，Pa；b為密封面縫隙平均寬度(b=R-r)，R和r分別為2個圓錐環(huán)半徑，m；ε為偏心比，ε=e/b；e為偏心距，m。

由式(1)可見，通過氣門密封間隙的氣體質(zhì)量流量qm和密封面縫隙寬度b的三次方成正比。這表明，氣門和氣門座圈的密封面間隙對氣門的密封性有很大的影響，而氣門和氣門座圈密封面的間隙主要由氣門座圈密封錐面跳動誤差導致，因此該跳動過大會直接導致氣門密封不嚴而漏氣。氣門漏氣后會使氣門座圈和氣門頭部受到高溫高壓的氣流沖刷，導致兩者的機械強度下降，進而造成磨損、變形，使漏氣更嚴重，更加劇磨損，造成惡性循環(huán)。氣門座圈密封錐面跳動作為影響氣門密封性的重要因素，一直以來備受關(guān)注。通過引進高精度的加工設(shè)備、刀具，優(yōu)化加工工藝，加上采用各種成熟有效的檢具，目前能非常有效控制氣門座圈密封錐面跳動的加工質(zhì)量。

2.2 氣門座圈密封錐面寬度

密封錐面寬度直接影響著氣門與氣門座圈這對摩擦副初期接觸的面積。氣門座圈的主要磨損機理可以確定為密封錐面的粘著磨損，其磨損體積的計算公式[5]為：

(2)

式中：V為磨損體積，m3；K為粘著磨損常數(shù)，F(xiàn)為粘著表面的載荷，Pa；d為摩擦滑移距離，m；H為摩擦面硬度。

由文獻[3]得出：

s=kF0.6ν0.5cosα

(3)

式中：s為氣門座圈滑移量，m；k為材料磨損系數(shù)，F(xiàn)為接觸面處的載荷，即公式(2)中的粘著表面的載荷，Pa；ν為氣門落座速度，m/s；α為氣門座圈半錐角，(°)。

由(3)式推出

ds=kF0.6ν0.5cosαdt

(4)

由(2)式可以推出磨損體積：

(5)

由幾何結(jié)構(gòu)可知：

dV=Adh

(6)

式中：A為密封面面積，m2；h為磨損深度，m。

結(jié)合式(3)、(4)、(5)和(6)，可推出：

(7)

兩邊積分可以推出磨損深度的表達式：

(8)

式中：λ為摩擦磨損系數(shù)，λ=kK為定值。

由幾何結(jié)構(gòu)可知密封錐面的面積為：

A=πDb

(9)

式中：D為氣門座圈的量規(guī)直徑，m；b為氣門座圈密封錐面寬度，m。

將式(9)代入式(8)得出：

(10)

由式(10)可知，磨損深度與密封錐面寬度成反比關(guān)系，即密封錐面寬度越小磨損深度越大，摩擦深度通常也直接表現(xiàn)為氣門座圈磨損后氣門下沉量的變化。

但密封錐面寬度也并不是越大越好，寬度變大后，會加大密封錐面積碳的可能性，過多的積碳被氣門拍打后粘結(jié)在密封錐面上，久而久之則會形成不同程度的腐蝕麻點，降低氣門與座圈錐面的密封性，從而加大密封面的磨損。因此，密封錐面寬度必須控制在一個合理的范圍內(nèi)。

目前，對座圈密封錐面寬度加工質(zhì)量的控制重視度并不夠，加上受現(xiàn)有的密封錐面寬度檢具精度和檢測效率的限制，企業(yè)對密封錐面寬度加工質(zhì)量的控制力度往往不夠，這也是座圈磨損問題突然偶發(fā)的原因。

2.3 氣門座圈密封錐面角度

氣門座圈密封錐面角度是指氣門座圈與氣門密封面的角度。從式(10)中可以看出，磨損深度與座圈密封錐面半錐角的余弦成正比，角度越大，磨損深度越小。由此在解決氣門座圈磨損問題上，往往也可以通過增大錐面的角度來改善氣門座圈磨損情況，但錐面角度的改變則會影響氣道的滾流比、流量系數(shù)及氣門密封面的密封力度。因此，錐面角度的更改需要權(quán)衡多方面的影響。

2.4 氣門座圈錐面交線直徑

氣門座圈密封錐面交線直徑是指座圈密封錐面與氣流進口引導錐面交接處的直徑，如圖2中的a2尺寸，交線直徑的位置決定氣門與氣門座圈初始接觸的位置。

氣門座圈與氣門密封接觸面位置如圖5所示。圖5(a)為理論初始接觸位置，此時氣門座圈密封錐面應(yīng)處于氣門密封錐面的中間位置。當交線直徑變大時，上余量偏大，如圖5(b)所示，此時氣門座圈磨損余量小，隨著磨損加劇，氣門密封錐面的下棱角會直接磨損到氣門座圈的密封錐面上，使氣門座圈密封錐面形成溝壑狀的磨損。當交線直徑變小時，下余量偏大，如圖5(c)所示，此時氣門頭部暴露在燃燒室的面積大大增加，在爆發(fā)壓力和高溫燃氣的沖擊下，氣門機械強度下降，發(fā)生變形漏氣，同樣也會增加氣門和氣門座圈磨損的風險。因此交線直徑位置作為初始的接觸位置，對氣門與氣門座圈的磨損進程具有非常重要的影響。

目前，交線直徑在座圈加工尺寸控制中的關(guān)注度不夠，加上需要借助專用檢具測量，企業(yè)一般對交線直徑尺寸不做控制，僅依靠設(shè)備和刀具的穩(wěn)定性來保證。這也是為什么在其他關(guān)鍵尺寸都合格的情況下，仍然會出現(xiàn)座圈異常磨損的情況。

3 結(jié)論

通過分析，得到氣門座圈密封錐面跳動、密封錐面角度、密封錐面寬度以及錐面交線直徑4個密封錐面尺寸對氣門座圈密封面磨損有不同程度的影響，為氣門座圈錐面尺寸設(shè)計和氣門座圈失效分析提供了一定的依據(jù)。同時，也為氣門座圈錐面尺寸加工質(zhì)量控制提供了指導。目前多數(shù)企業(yè)對座圈錐面尺寸的加工質(zhì)量控制還不夠完善，特別是密封錐面角度、密封錐面寬度和錐面交線直徑尺寸，受檢具和檢測能力的限制，其尺寸不能實現(xiàn)在線監(jiān)測，加工質(zhì)量沒有得到真正的有效控制。因此，對密封錐面尺寸加強質(zhì)量控制是十分必要的。更多地運用專用檢具或者綜合檢具進行在線尺寸監(jiān)控，是加強關(guān)鍵尺寸質(zhì)量控制的重要措施，有助于解決座圈磨損這個頑疾問題。