某發(fā)電柴油機(jī)挺柱底面龜裂失效分析

李康寧，王剛，陳廣茂，于健

1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 濰坊 261061；2.濰柴動力股份有限公司, 山東 濰坊 261061

0 引言

挺柱(或挺桿)[1]安裝在氣缸蓋或氣缸體中的導(dǎo)向孔內(nèi)，隨著凸輪軸的旋轉(zhuǎn)做往復(fù)運(yùn)動，其作用是將凸輪的推力傳給與其相鄰的零件(推桿、搖臂或者氣門)。挺柱分為機(jī)械式、液力式兩大類。機(jī)械式挺柱根據(jù)其底面或與凸輪接觸部位的不同，分為平面挺柱、球面挺柱和滾子挺柱等。平面挺柱的中心線與凸輪中心線有一定的偏心距，球面挺柱的凸輪型面略帶錐度，兩者均使挺柱工作中被凸輪軸頂起時具有微小的轉(zhuǎn)動，使底面和導(dǎo)向面均勻磨損。滾子挺柱的摩擦和磨損較小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。實(shí)際設(shè)計(jì)時，往往根據(jù)布置空間大小、凸輪-挺柱接觸應(yīng)力等選擇合適的挺柱[2-3]。

1 故障描述

某輕型發(fā)電用柴油機(jī)運(yùn)行2000 h后進(jìn)行維修保養(yǎng)，拆解后發(fā)現(xiàn)2～4缸的進(jìn)氣和排氣挺柱底面均出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象。挺柱材料為20Cr，設(shè)計(jì)要求表面滲碳淬火處理，滲碳層深度0.8～1.5 mm，表面HRC硬度為56～63；與其搭配使用的凸輪材料為45號鋼，凸輪桃尖處為感應(yīng)淬火處理。本文中對挺柱進(jìn)行材料成分分析、金相分析、力學(xué)性能分析，并與同批次新挺柱進(jìn)行對比分析，以綜合分析判斷挺柱龜裂失效原因，尋求故障解決辦法。

2 故障原因分析

2.1 宏觀檢查

采用VHX-1000體視顯微鏡宏觀觀察故障挺柱底面，宏觀形貌觀察結(jié)果見圖1。由圖1可知，各挺柱底面與凸輪接觸痕跡清晰可見，挺柱底面直徑為28 mm，凸輪寬度為13 mm，從接觸痕跡判斷挺柱運(yùn)行過程無異常。

在高倍視場下觀察挺柱底面，其形貌特征如圖2所示。

由圖2可知，故障挺柱底面存在2種特征：1)挺柱底面存在麻點(diǎn)，麻點(diǎn)邊緣齊整； 2)挺柱底面存在龜裂，裂紋疑似沿晶開裂，其中2～3缸進(jìn)氣及排氣挺柱龜裂嚴(yán)重，龜裂區(qū)域直徑約18 mm，4缸進(jìn)氣及排氣挺柱龜裂不明顯。

2.2 掃描電鏡分析

圖3為麻點(diǎn)及龜裂在ZEISS EVO 掃描電鏡(SEM)下的形貌。

從圖3可以看到鱗片狀花樣及裂紋擴(kuò)展痕跡，是疲勞磨損的典型特征。此時的最大剪切應(yīng)力發(fā)生在表面，故裂紋萌生于表面，在摩擦力的作用下主裂紋與表面成銳角并向材料內(nèi)部擴(kuò)展。隨著裂紋的不斷擴(kuò)展，將與次表面的裂紋匯合，當(dāng)主裂紋的斷裂面與次表面裂紋斷裂面見有水平高度差異時，在主裂紋前沿和次裂紋前沿的交界處發(fā)生斷裂，從而形成“鱗片狀”特征[4-5]。

2.3 挺柱底面接觸應(yīng)力分析

利用有限元計(jì)算軟件對該機(jī)型進(jìn)氣及排氣凸輪-挺柱接觸應(yīng)力進(jìn)行仿真計(jì)算[6-8]，結(jié)果見圖4。由圖4可知，凸輪與挺柱接觸良好，進(jìn)氣凸輪-挺柱最大接觸應(yīng)力為863 MPa，排氣凸輪-挺柱最大接觸應(yīng)力為792 MPa，均低于該挺柱的設(shè)計(jì)許用接觸應(yīng)力950 MPa。

圖5 挺柱滲碳層深度

2.4 硬度分析

使用Wolpert Wilson 數(shù)顯洛氏硬度計(jì)對挺柱底面進(jìn)行硬度檢測，底面平均HRC硬度為58.8，符合設(shè)計(jì)要求(HRC硬度為56～63)。使用Wolpert Wilson 數(shù)顯顯微維氏硬度計(jì)采用硬度梯度法[9]對滲碳層深度進(jìn)行檢測，滲碳層深度如圖5所示。由圖5可知，滲碳層深度約0.9 mm，符合設(shè)計(jì)技術(shù)要求(0.8～1.5 mm)。

2.5 化學(xué)成分分析

采用直讀光譜儀對故障挺柱進(jìn)行成分分析，挺柱材料中除鐵外的主要成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。挺柱材料為20Cr，其成分應(yīng)符合文獻(xiàn)[10]的規(guī)定。由表1可知，挺柱的成分符合國標(biāo)要求。

表1 挺柱主要成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)%

2.6 金相分析

沿挺柱底面法線方向剖開取樣，進(jìn)行金相分析，并在ZEISS-observer.A1m顯微鏡下觀察金相組織，故障挺柱拋光態(tài)、表層組織、芯部組織金相分析結(jié)果見圖6。由圖6可知，挺柱底面存在大量微裂紋(圖中黃色箭頭所示)，裂紋深度小于0.2 mm，裂紋兩側(cè)未發(fā)現(xiàn)脫碳、氧化等現(xiàn)象，說明裂紋產(chǎn)生在滲碳工藝后。20Cr材料經(jīng)滲碳淬火工藝加工后，表層組織為針狀馬氏體和塊狀碳化物，基體組織為板條馬氏體及鐵素體，為正常的滲碳淬火組織。

a)拋光態(tài) b)表層組織 c)芯部組織 圖6 故障挺柱金相組織

對同批次新挺柱底面進(jìn)行金相分析，發(fā)現(xiàn)挺柱底面邊緣及中心均存在原始裂紋，如圖7所示。

a)底面邊緣裂紋 b)底面中心裂紋 圖7 同批次新挺柱金相組織

2.7 挺柱生產(chǎn)工藝分析

因同批次新挺柱盤底面存在原始裂紋，所以對挺柱生產(chǎn)及加工工藝進(jìn)行排查，以確定裂紋產(chǎn)生原因。挺柱生產(chǎn)加工流程如圖8所示。初步判斷裂紋可能產(chǎn)生于滲碳淬火或磨大頭端面2道工序。

圖8 挺柱生產(chǎn)及加工流程

相關(guān)研究證明滲碳件出現(xiàn)裂紋的原因主要有2方面：1)滲碳過程中零件過熱或過燒，或者淬火介質(zhì)溫度過低，導(dǎo)致零部件冷卻速度過快，內(nèi)應(yīng)力過大進(jìn)而開裂[11];2)滲碳淬火零件由于磨削工藝不當(dāng)，如磨削量過大、冷卻不充分或砂輪選用不當(dāng)?shù)犬a(chǎn)生燒傷甚至裂紋,磨削裂紋一般較淺，其擴(kuò)展方向大致與磨削方向垂直，分散或規(guī)則地排列，嚴(yán)重時呈網(wǎng)狀或輻射狀[12]。

經(jīng)進(jìn)一步排查分析，判斷挺柱產(chǎn)生原始裂紋的原因?yàn)槟ハ鬟M(jìn)刀量過大，導(dǎo)致挺柱底面及內(nèi)部溫度過高，冷卻時產(chǎn)生熱應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋。運(yùn)行過程中，挺柱在與凸輪軸不斷接觸碰撞，原始裂紋逐漸擴(kuò)展，最終形成麻點(diǎn)及龜裂。

3 生產(chǎn)工藝優(yōu)化

對挺柱生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化，合理預(yù)留磨削量，并減小磨削速度，對磨削區(qū)進(jìn)行充分冷卻。挺柱底面優(yōu)化前后的主要加工參數(shù)對比如表2所示。

對按新工藝加工生產(chǎn)的新批次挺柱底部進(jìn)行檢測，未見原始裂紋。將新批次挺柱搭載在同機(jī)型整機(jī)上進(jìn)行800 h耐久試驗(yàn)后拆檢，挺柱盤面只存在輕微圓環(huán)狀磨損痕跡，表面無剝落，見圖9，故障解決。

4 結(jié)論

1)挺柱底面原始裂紋產(chǎn)生的主要原因是挺柱底面磨削進(jìn)給量過大，導(dǎo)致挺柱底面及內(nèi)部溫度過高，在冷卻時產(chǎn)生熱應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生原始裂紋。此外，挺柱底面與凸輪軸接觸運(yùn)行過程中原始裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，最終形成麻點(diǎn)及龜裂。

2)通過對挺柱工藝進(jìn)行優(yōu)化，合理預(yù)留磨削量，并減小磨削速度，對磨削區(qū)進(jìn)行充分冷卻，新批次挺柱底面未產(chǎn)生裂紋。