氣門和氣門座圈磨損的設(shè)計(jì)優(yōu)化

董朵 徐增密 李超 王少帥

摘要：某柴油機(jī)的進(jìn)氣門和氣門座圈異常磨損，導(dǎo)致額定功率劣化。計(jì)算和對(duì)比分析表明，進(jìn)氣門和氣門座圈密封錐面面積偏小，零部件材料耐磨能力不足是導(dǎo)致該故障的主要原因。根據(jù)這兩方面因素，本文提出了對(duì)應(yīng)的優(yōu)化措施，并通過(guò)耐久試驗(yàn)證明了方案的有效性，為此類故障的分析解決提供了參考。

Abstract： The intake valve and valve seat ring of a diesel engine were abnormally worn， and the wear leads to deterioration of rated power. The calculation and comparative analysis show that the main causes are the small area of the seal cone and the poor wear-resisting ability of the material. According to these two factors， this paper provides corresponding optimization measures， and proves the effectiveness of the scheme through durability test. This paper provides a reference for the analysis and solution of such faults.

關(guān)鍵詞：氣門;氣門座圈;磨損

Key words： valve;valve seat ring;wear

中圖分類號(hào)：U472.43 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）02-0036-03

0 ?引言

氣門座圈鑲嵌在缸蓋底面，與氣門配合形成了進(jìn)排氣道的密封帶。氣門和氣門座圈承受來(lái)自于氣門高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械負(fù)荷，以及高溫燃?xì)庖鸬臒嶝?fù)荷，很容易產(chǎn)生磨損或疲勞斷裂。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)高動(dòng)力性的不斷追求，使得發(fā)動(dòng)機(jī)爆壓越來(lái)越高，氣門和氣門座圈的故障風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步加劇[1]。

氣門與氣門座圈一旦產(chǎn)生過(guò)度磨損，氣門位置會(huì)異常上移，導(dǎo)致氣門間隙減小甚至氣門關(guān)閉不嚴(yán)，從而引起發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降、排放劣化、氣門彎曲（碰撞活塞）等故障。

本文以某柴油機(jī)的氣門和氣門座圈磨損故障為研究對(duì)象，通過(guò)受力分析和材料分析確認(rèn)故障原因，并針對(duì)性地提出了設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。

1 ?故障情況

某四氣門柴油機(jī)進(jìn)行800h耐久試驗(yàn)，耐久后排放合格，但標(biāo)定點(diǎn)功率異常劣化：耐久前為121.7kW，耐久后為116.3kW，劣化率4.4%，超過(guò)2%的限值。

對(duì)耐久試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行拆檢分析，發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣門和氣門座圈磨損異常，測(cè)量結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出，耐久后氣門下沉量介于0.485～0.739mm之間，明顯偏大。氣門座圈和氣門閥座都有磨損，其中氣門座圈磨損相對(duì)嚴(yán)重。

故障機(jī)進(jìn)氣門和氣門座圈如圖2所示，從圖中可以看出，氣門座圈出現(xiàn)臺(tái)階，但不存在局部偏磨，可以排除氣門偏置和局部高溫問(wèn)題。

2 ?磨損原理

針對(duì)此類磨損問(wèn)題，已有大量的基礎(chǔ)研究成果[2-4]，主要的磨損形式如下：

①黏著磨損：材料的接觸表面在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形，在局部的高壓下發(fā)生焊合或者結(jié)合。

②磨粒磨損：氣門和氣門座圈材料不同，一方的硬質(zhì)粒子對(duì)另一方的較軟接觸表面發(fā)生切削作用。

③疲勞磨損：接觸的表層材料受到?jīng)_擊和徑向剪切作用，當(dāng)這種應(yīng)力超過(guò)材料的塑性極限時(shí)，材料產(chǎn)生發(fā)徑向壓縮變形和徑向剪切流動(dòng)。

④燒蝕磨損：高溫含硫燃?xì)馐共牧鲜艿礁g作用，特別是在零部件存在熱變形及零件表面存在積碳的情況下，氣門和氣門座間的漏氣更容易產(chǎn)生燒蝕磨損。

⑤微動(dòng)磨損：氣門頭部和缸蓋在爆壓下反復(fù)彈性變形，使氣門相對(duì)氣門座圈產(chǎn)生微小運(yùn)動(dòng)，造成工作表面損壞。

磨損原因可歸結(jié)為：潤(rùn)滑條件差、接觸應(yīng)力大、材料表面粗糙度大、材料硬度及耐磨性問(wèn)題、廢氣煙度大、高溫、氣門剛度差等[5-9]。

在氣門和氣門座圈沒(méi)有局部異常，且發(fā)動(dòng)機(jī)爆壓和凸輪軸形線不變的前提下，此問(wèn)題的分析通常從受力和材料兩方面著手[10-12]。其次還可以優(yōu)化燃燒或優(yōu)化冷卻水套，但相應(yīng)優(yōu)化方案比較復(fù)雜，同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能或結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有影響，所以作為次要考慮因素。

3 ?受力分析及優(yōu)化

氣門和氣門座圈的實(shí)際受力非常復(fù)雜，需要考慮溫度場(chǎng)、氣門運(yùn)動(dòng)、彈塑性變形等，分析周期較長(zhǎng)[13-14]。工程問(wèn)題一般通過(guò)簡(jiǎn)化處理進(jìn)行初步判斷，即假設(shè)氣門與氣門座圈之間摩擦系數(shù)為0，不存在摩擦力。

如圖3所示，氣門與氣門座圈密封錐面的受力關(guān)系為：

Fn=Fv/cos α

Fn=Pn×Sn=Pn×[（R2-R1）/cosα]×[2×π×（R1+R2）/2]

Fv=Pv×Sv=Pv×π×R3^2

圖3中，F(xiàn)n代表垂直于密封錐面的法向力，F(xiàn)v是分解到豎直方向的分力，F(xiàn)h是分解到水平方向的分力，α是氣門錐角。因?yàn)槊芊忮F面繞氣門一周，所以密封錐面Fh的合力為0。

Pn是密封錐面的面壓，Sn是密封錐面面積，Pv是發(fā)動(dòng)機(jī)爆壓，Sv是氣門底部面積。

R1是密封錐面小徑，R2是密封錐面大徑，R3是氣門底部直徑。

如表1所示，根據(jù)上述公式推算，優(yōu)化前氣門與氣門座圈密封錐面的面壓為127MPa。為了降低磨損，這里將R1從14.7mm減小為14.35mm，以增加密封錐面面積，優(yōu)化后密封錐面面壓降低為96MPa。

4 ?材料分析及優(yōu)化

進(jìn)氣門采用了X45CrSi93合金鋼及表面淬火處理，為了進(jìn)一步提高可靠性，更改為53Cr21Mn9Ni4N合金鋼及表面滲氮處理。有文章表明[15]，淬火表面在富油條件下摩擦系數(shù)穩(wěn)定磨損量小，但在干摩擦下摩擦系數(shù)上升磨損量大，證明淬火工藝具備良好的抗磨粒磨損能力，但抗黏著磨損能力差。而氮化表面在富油條件和干摩擦下都能保持摩擦系數(shù)穩(wěn)定，且磨損量小，證明氮化工藝同時(shí)具備良好的抗磨粒磨損和黏著磨損能力。但滲氮層往往比較薄且較脆，抗疲勞能力差，要在試驗(yàn)中重點(diǎn)關(guān)注。

進(jìn)氣門座圈的材料由3010升級(jí)為AP711G，以提升抗磨損能力。進(jìn)行磨耗試驗(yàn)對(duì)比兩種材料的抗磨能力，在磨耗試驗(yàn)機(jī)1600r/min，試驗(yàn)溫度300℃的邊界條件下，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。相對(duì)于3010，AP711G的磨損量可降低約30%。

5 ?試驗(yàn)驗(yàn)證

優(yōu)化后再次進(jìn)行800h耐久試驗(yàn)，耐久后排放合格，標(biāo)定點(diǎn)功率正常：耐久前為120.3kW，耐久后為119.6kW，劣化率0.6%。

對(duì)耐久試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行拆檢分析，測(cè)量結(jié)果如圖5所示。優(yōu)化后氣門下沉量介于0.039～0.100mm之間，氣門座圈磨損量最大值0.026mm，磨損情況取得顯著改善。

改進(jìn)樣機(jī)的進(jìn)氣門和氣門座圈如圖6所示，從圖中可以看出，零件表面正常，進(jìn)氣門滲氮層未發(fā)生疲勞破裂，上次試驗(yàn)后進(jìn)氣門座圈出現(xiàn)的臺(tái)階在本次試驗(yàn)中也并未出現(xiàn)。

6 ?結(jié)論

本文分析了進(jìn)氣門和氣門座圈磨損過(guò)量問(wèn)題，并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要結(jié)論如下：

①磨損的主要原因是密封錐面面壓過(guò)高。

②磨損的次要原因是氣門和氣門座圈的材料耐磨性不足。

③提高密封錐面面積，氣門使用表面滲氮，氣門座圈使用AP711G，試驗(yàn)表明以上優(yōu)化措施能顯著降低進(jìn)氣門和氣門座圈的磨損量。

參考文獻(xiàn)：

[1]王振，張育春，楊沫，姚新芳，李偉鑫，尹建東，沈源，王瑞平. 高壓縮比天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)氣門座圈磨損問(wèn)題分析及解決[J].內(nèi)燃機(jī)，2018（5）：17-20.

[2]阮寅生.基于滑移量的氣門與氣門座圈磨損模型研究[D]. 濟(jì)南：山東大學(xué)，2019.

[3]宋現(xiàn)峰.大功率發(fā)動(dòng)機(jī)氣門座圈制造技術(shù)及其磨損特性研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2010.

[4]張孝超.汽油發(fā)動(dòng)機(jī)氣門座圈和氣門導(dǎo)管的失效分析[D]. 合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2015.

[5]陳貽云.某型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)氣門-氣門座圈磨損分析及改進(jìn)[J].內(nèi)燃機(jī)，2017（5）：24-27.

[6]葉飛，呂祥，李杰.柴油機(jī)氣門座圈異常磨損分析及改進(jìn)[J]. 內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2020（6）：37-41.

[7]吳明明.氣門座圈密封錐面尺寸對(duì)座圈磨損的影響[J].柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2020（2）：1-3.

[8]劉漢強(qiáng).壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)氣門座圈磨損的研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（5）：131-133.

[9]溫建榮，張成，王瑞平.氣門座圈環(huán)帶寬度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命的影響[J].內(nèi)燃機(jī)，2019（2）：33-36，40.

[10]劉陽(yáng)，王兵.某柴油機(jī)氣門座圈優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2015（4）：10-14.

[11]曹永晟.柴油機(jī)氣門與氣門座圈摩擦副磨損機(jī)理分析[J]. 汽車技術(shù)，2011（9）：34-37.

[12]王景麗，李風(fēng)芹，曾笑笑，孔龍.氣體機(jī)氣門座圈設(shè)計(jì)改進(jìn)[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2019（5）：75-79.

[13]傅瑜杭.基于氣門運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)處理的氣門落座特性分析[D]. 杭州：杭州電子科技大學(xué)，2016.

[14]李亞?wèn)|.氣門落座特性試驗(yàn)研究及其疲勞磨損分析[D]. 杭州：杭州電子科技大學(xué)，2017.

[15]程祥軍，黃國(guó)龍，劉軍，魏濤，張吉賢.不同表面技術(shù)對(duì)挺柱組織及耐磨性的影響[J].表面技術(shù)，2018（11）：119-125.