某柴油機(jī)氣門斷裂分析

吳士軍 劉玲 史文獻(xiàn) 湯必強(qiáng) 夏偉

摘要： 本文針對(duì)某柴油機(jī)在市場(chǎng)出現(xiàn)的氣門斷裂故障進(jìn)行研究，從氣門材料、氣門鎖夾結(jié)構(gòu)、裝配過(guò)程等方面，確定故障原因?yàn)檠b配過(guò)程控制差及氣門鎖夾結(jié)構(gòu)問(wèn)題。

Abstract： This paper studies the valve rupture failure of a diesel engine on the market. From the aspects of valve material， valve lock clamp structure， assembly process， etc.， determine the cause of the failure as poor assembly process control and valve lock clamp structure problems.

關(guān)鍵詞： 氣門斷裂;分體式;裝配過(guò)程;失效分析

Key words： valve rupture;separate form;assembly process;failure analysis

中圖分類號(hào)：TK423.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）20-0155-02

0? 引言

氣門與凸輪軸、挺柱、推桿、搖臂、氣門鎖夾、氣門彈簧等零部件形成配氣機(jī)構(gòu)（見(jiàn)圖1），控制著發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排出和充入新鮮空氣或可燃混合氣的換氣過(guò)程。氣門作為配氣機(jī)構(gòu)的主要零部件，長(zhǎng)時(shí)間在高溫、高應(yīng)力及腐蝕環(huán)境下工作[1]，它的可靠性的好壞直接影響柴油機(jī)的使用壽命。氣門斷裂作為氣門失效模式的主要形式之一，它的出現(xiàn)往往會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)報(bào)廢，造成的損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)氣門本身的價(jià)值[2]。

本文針對(duì)某柴油機(jī)在市場(chǎng)出現(xiàn)的氣門斷裂故障進(jìn)行研究，從氣門材料、鎖夾結(jié)構(gòu)、裝配過(guò)程等方面，確定故障原因和優(yōu)化改進(jìn)措施。

1? 故障描述

某輕型柴油機(jī)在市場(chǎng)上出現(xiàn)多起運(yùn)行過(guò)程中異響、停機(jī)后無(wú)法起動(dòng)等現(xiàn)象，拆檢后發(fā)現(xiàn)進(jìn)、排氣門桿部斷裂、彎曲變形，氣門鎖夾凸起異常磨損，活塞、氣缸蓋、機(jī)體等零部件伴隨出現(xiàn)不同程度損傷，氣門斷裂情況如圖2所示。

2? 失效原因分析

2.1 氣門材料分析

氣門斷裂位置主要出現(xiàn)在氣門桿部，斷口形式主要為單向彎曲疲勞斷裂。使用掃描電子顯微鏡[3]（SEM）對(duì)氣門桿部斷口進(jìn)行微觀形貌觀察。如圖3所示，氣門斷口位置紋線清晰，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，局部區(qū)域表面覆蓋污染物。

對(duì)進(jìn)、排氣門盤部及桿部硬度進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)、排氣門盤部及桿部硬度均滿足設(shè)計(jì)要求，見(jiàn)表1。

對(duì)進(jìn)、排氣門進(jìn)行抗拉強(qiáng)度檢測(cè)，進(jìn)、排氣門抗拉強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，見(jiàn)表2。

2.2 氣門鎖夾結(jié)構(gòu)分析

氣門鎖夾的作用是在氣門彈簧力的作用下，把氣門彈簧上座、氣門鎖夾和氣門緊緊固定[4]。該型柴油機(jī)氣門鎖夾為整體式結(jié)構(gòu)，鎖夾與氣門工作形式見(jiàn)圖4，對(duì)其氣門與氣門鎖夾的設(shè)計(jì)關(guān)鍵配合尺寸及形式進(jìn)行分析。

①氣門與氣門鎖夾桿部配合間隙為0.040～0.091mm，肋部配合間隙為0.100～0.400mm，配合間隙屬于間隙配合，在工作中，此結(jié)構(gòu)主要依靠肋部摩擦力帶動(dòng)氣門運(yùn)行，肋部受力大，磨損速度快，易造成鎖夾失效、氣門脫落;

②該整體式氣門鎖夾硬度設(shè)計(jì)值為（27～32）HRC，進(jìn)、排氣門硬度設(shè)計(jì)值（33～40）HRC。氣門與氣門鎖夾配副工作時(shí)存在鎖夾硬度偏低問(wèn)題，氣門鎖夾易發(fā)生磨損，當(dāng)氣門鎖夾磨損嚴(yán)重后會(huì)造成氣門脫落，從而引起氣門與活塞碰撞、氣門斷裂等故障。

2.3 裝配過(guò)程控制分析

裝配過(guò)程控制的好壞是影響柴油機(jī)可靠性水平的重要因素之一。為排查該型柴油機(jī)氣門斷裂是否與裝配過(guò)程控制有關(guān)，對(duì)其裝配現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行過(guò)程跟蹤及分析。

2.3.1 裝配過(guò)程跟蹤

裝配過(guò)程情況具體如下：

①搖臂總成調(diào)整螺釘裝配前處于松弛自由狀態(tài)，調(diào)整螺釘擰出長(zhǎng)短不一，搖臂總成裝配時(shí)不會(huì)主動(dòng)調(diào)整至最短狀態(tài);

②按照工藝規(guī)定，活塞裝配完成后，2缸、3缸活塞處于下止點(diǎn)位置，1缸、4缸活塞處于上止點(diǎn)位置，直至裝搖臂總成前不會(huì)再次進(jìn)行盤車;

③由一缸進(jìn)氣門至四缸排氣門方向?qū)忾T進(jìn)行編號(hào)，分別為1#、2#、……、8#，搖臂總成裝配時(shí)，首先調(diào)整4#、5#、7#、8#氣門間隙，盤車一圈，調(diào)整1#、2#、3#、6#氣門

間隙。

2.3.2 氣門搖臂裝配時(shí)彎曲的可能性分析

表3為設(shè)計(jì)尺寸校核結(jié)果。裝配前調(diào)整螺釘未調(diào)整時(shí)，若調(diào)整螺釘比正常狀態(tài)下多出1牙～2牙（該螺釘規(guī)格為M8*1，每牙螺距為1mm），按照正常壓縮余隙下計(jì)算，一缸、四缸在調(diào)整過(guò)程中即可發(fā)生氣門碰頂現(xiàn)象，造成氣門受傷或彎曲，氣門鎖夾因氣門彎曲導(dǎo)致局部應(yīng)力突增而加速磨損。同時(shí)由于進(jìn)氣門早開(kāi)、排氣門晚關(guān)，一缸氣門碰頂現(xiàn)象概率更高。

3? 改進(jìn)與驗(yàn)證

為徹底解決氣門斷裂故障，提出以下優(yōu)化措施：

①搖臂總成裝配前，保證調(diào)整螺釘調(diào)整到最短位置;

②調(diào)整搖臂總成的裝配工藝，先安裝中間搖臂座螺栓后安裝兩端，減少裝配應(yīng)力;

③氣門鎖夾由整體式結(jié)構(gòu)改為分體擠壓結(jié)構(gòu)，提升平順性，增加桿部摩擦力，減小肋部受力，減小磨損;

④提升氣門鎖夾硬度，降低氣門鎖夾與氣門硬度差。

驗(yàn)證結(jié)果如下：

①為驗(yàn)證新設(shè)計(jì)氣門鎖夾的可靠性，進(jìn)行500h配機(jī)耐久驗(yàn)證，氣門鎖夾及氣門桿部均無(wú)異常磨損;

②裝配廠按照改進(jìn)工藝措施及新設(shè)計(jì)氣門鎖夾裝機(jī)后，市場(chǎng)未再反饋氣門斷裂故障。

4? 結(jié)論

該型柴油機(jī)氣門斷裂故障是多種因素形成的，其主因是生產(chǎn)裝配過(guò)程控制差及配副配合使用存在不適應(yīng)性。因此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中要充分論證設(shè)計(jì)的合理性及適用性;在生產(chǎn)過(guò)程中裝配工藝的順序以及裝配的技術(shù)必須要科學(xué)合理[5]，“量身打造”合適的工藝操作文件。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬鳴.某重型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門頭部失效分析[J].柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2021（01）.

[2]楊挺潔.柴油機(jī)氣門非質(zhì)量的斷裂分析[J].內(nèi)燃機(jī)，2020（02）.

[3]張克輝，曹燕燕，孫興華，王磊.掃描電子顯微鏡的最新應(yīng)用[J].信息記錄材料，2020（02）.

[4]彭北京.內(nèi)燃機(jī)氣門鎖緊機(jī)構(gòu)優(yōu)化分析[J].摩托車技術(shù)，2015（03）.

[5]丁力.探究柴油機(jī)裝配過(guò)程的質(zhì)量控制[J].時(shí)代汽車，2021 （05）：31-32.