重型LNG發(fā)動機(jī)氣門及座圈磨損特性試驗(yàn)研究

0 引言

LNG(Liquefied Natural Gas)發(fā)動機(jī)具有節(jié)能減排的優(yōu)勢

，在能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化和“雙碳”(碳達(dá)峰、碳中和)目標(biāo)下，LNG發(fā)動機(jī)有著巨大的優(yōu)勢和應(yīng)用潛力

。LNG發(fā)動機(jī)的氣門及座圈耐磨性能對于整機(jī)的可靠性十分關(guān)鍵

。

其實(shí)早在一個月前，妹夫就向我征求意見，想要給妹妹買一串蒂凡尼的項(xiàng)鏈當(dāng)作結(jié)婚紀(jì)念日的禮物。在我看來，只要是男人的真心相待便是不可估量的難得。你無法比較一串籌備已久的項(xiàng)鏈和一場盛大的婚禮哪個更值錢，因?yàn)樗鼈儙淼男腋８惺菬o法計(jì)算的。

發(fā)動機(jī)氣門是為了給發(fā)動機(jī)輸送空氣和排除廢氣，故而分為進(jìn)氣門和排氣門

。氣門頭和氣門桿共同構(gòu)成了發(fā)動機(jī)氣門，因?yàn)楣ぷ鳝h(huán)境的原因，氣門頭的材料要能夠耐高溫，尤其是排氣門頭，耐溫達(dá)到1000K～1200K左右，同時需要能夠承受較大的壓力。耐磨損性能是發(fā)動機(jī)氣門最重要的性能之一，氣門的工作頻率特別高，耐磨性能差將會造成氣門的可靠性下降

。高耐磨性合金鋼和耐熱合金是氣門常用材料。平頂、球面頂、喇叭頂是氣門頭主要形狀，它們的強(qiáng)度、復(fù)雜度、受熱面積依次增大。目前的發(fā)動機(jī)為了提升進(jìn)氣率，一般都采用多氣門式，廣泛使用的是每缸4氣門，使得燃燒室更加規(guī)則，混合氣更加均勻，氣門控制更為容易。發(fā)動機(jī)氣門機(jī)構(gòu)中，排氣門錐面和座圈最易受到磨損，磨損機(jī)理也是復(fù)雜多變，研究文獻(xiàn)表明磨損多與氣門及座圈材料特性有關(guān)，并且與工作環(huán)境及使用頻率關(guān)系較大

。

發(fā)動機(jī)氣門座圈和氣門共同組成了氣門機(jī)構(gòu)，發(fā)動機(jī)氣門座圈一般有兩種制造方式，一種是在汽缸蓋上直接加工而成，另一種是單獨(dú)嵌入而成。發(fā)動機(jī)氣門座圈應(yīng)具備耐高溫、耐磨損、耐沖擊等特性

。

根據(jù)《百度百科》關(guān)于“內(nèi)心獨(dú)白”詞條的介紹，“內(nèi)心獨(dú)白”本是現(xiàn)代小說，特別是意識流小說的一種重要的表達(dá)手法。其特點(diǎn)是用第一人稱直接或用其他人稱間接描寫人物的意識和潛意識活動，以表現(xiàn)人物的內(nèi)心世界。由于意識活動的無邏輯性和隨意性，這種表達(dá)手法往往打破了線性發(fā)展的結(jié)構(gòu)，不受時間、空間、邏輯、因果關(guān)系的制約，常常出現(xiàn)時空的顛倒和跳躍。通過自由聯(lián)想，過去、現(xiàn)在和將來相互交織，形成一種多層次、多線條和多透視的立體結(jié)構(gòu)。通過這種表現(xiàn)手法，人物的雜亂無章的意識之流，如對往事的回憶、對外部世界的印象、某種情境下的情緒、偶然產(chǎn)生但又瞬息即逝的念頭等等，得到再現(xiàn)，使讀者似乎能直接觀察到人物的意識過程。

隨著技術(shù)的發(fā)展，發(fā)動機(jī)的性能要求在不斷的提高，目前開發(fā)的發(fā)動機(jī)壓縮比較高，一旦氣門和座圈出現(xiàn)磨損，隨工作周期的累積，磨損會發(fā)展為變形、斷裂、掉塊等損壞情況，從而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)無法正常工作，甚至?xí)p壞活塞和缸體，造成嚴(yán)重的發(fā)動機(jī)故障

。

在中國經(jīng)濟(jì)進(jìn)入轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵階段，如何穩(wěn)健地實(shí)施貨幣政策，實(shí)現(xiàn)宏觀經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定增長，愈發(fā)受到人們的關(guān)注。然而，貨幣政策實(shí)施的效果，很大程度上取決于企業(yè)的行為反應(yīng)。正因如此，貨幣政策影響公司投資行為的研究成為近年來的熱點(diǎn)。

抗氧化腐蝕、耐高溫變形、導(dǎo)熱率高的氣門及座圈對提升發(fā)動機(jī)可靠性至關(guān)重要

。國內(nèi)外學(xué)者對發(fā)動機(jī)氣門及座圈磨損性能已開展廣泛研究。王琳等

總結(jié)了氣門及座圈的磨損的主要原因，認(rèn)為氣門及座圈的高溫工作環(huán)境是導(dǎo)致其失效的主要因素，另外就是復(fù)雜多變的工況和工作時長加速了磨損。趙云才等

從微觀層面上探究了發(fā)動機(jī)氣門及座圈磨損的本質(zhì)原因，得出了磨損的主要原因并將其用于磨損的預(yù)測。王文閣等

基于邁內(nèi)爾理論探究了發(fā)動機(jī)排氣門及座圈接觸帶磨損機(jī)理，并提出了修正后的邁內(nèi)爾理論，將其應(yīng)用于工程實(shí)踐，顯著提高氣門及座圈耐久性。Keyoung等

以發(fā)動機(jī)排氣門為研究對象也探究了氣門和座圈之間的沖擊影響，結(jié)果表明沖擊是磨損的主要原因，除此之外，兩者之間的滑動也加速了磨損的產(chǎn)生。Boopathy等

探究了發(fā)動機(jī)在復(fù)雜的工作條件下進(jìn)氣門及座圈的耐磨性，認(rèn)為進(jìn)氣門和座圈高開合頻率導(dǎo)致了溫度的快速升高，影響到材料的性能，進(jìn)而導(dǎo)致部件的磨損和失效。

排氣門樣件經(jīng)過氮化和鍍鉻兩種工藝處理，氮化工藝可采取鹽浴軟氮化方法，與傳統(tǒng)合金氣門相比，滲氮工藝對其抗疲勞性能影響不大，但能夠提高氣門的耐磨性能、耐腐蝕性能以及表面硬度等等；鍍鉻采用單金屬電鍍的方法，鍍鉻層提高了氣門的表面耐磨性和硬度，是一種高效的表面防護(hù)鍍層。

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 試驗(yàn)發(fā)動機(jī)

該方案中進(jìn)氣門均采用21-4N氮化型號，發(fā)動機(jī)第一、二、三缸的進(jìn)氣門座圈采用J160型號，該組的總磨損量平均值為0.081mm，發(fā)動機(jī)第四、五、六缸的進(jìn)氣門座圈采用AP723型號，該組的總磨損量平均值為0.030mm。對于進(jìn)氣門座圈采用的型號，基于上述分析，可以看出AP723型號優(yōu)于J160型號。

1.2 氣門及座圈

試驗(yàn)所用氣門及座圈型號如表2所示。其中發(fā)動機(jī)第一、二、三缸所用進(jìn)氣門為21-4N氮化處理，進(jìn)氣門座圈型號為J160，排氣門為Crutonite鍍鉻處理，排氣門座圈型號為J10。發(fā)動機(jī)第四、五、六缸所用進(jìn)氣門為21-4N氮化處理，進(jìn)氣門座圈型號為AP723，排氣門為Crutonite氮化處理，排氣門座圈型號為AP723。發(fā)動機(jī)所用氣門及座圈安裝示意圖如圖2所示。三種型號座圈材料成分如表3所示。

但目前關(guān)于重型LNG發(fā)動機(jī)氣門及座圈磨損特性的研究報(bào)告相對較少。本文將基于發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)研究重型LNG發(fā)動機(jī)氣門及座圈磨損特性，旨在為高性能氣門及座圈選型提供科學(xué)依據(jù)。

經(jīng)兩種處理工藝處理后的排氣門樣件如圖3所示。

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1 熱沖擊試驗(yàn)方案

熱沖擊試驗(yàn)又稱為高低溫度沖擊試驗(yàn)，是驗(yàn)證試驗(yàn)樣品對周圍溫度劇烈變化的抵抗能力。熱沖擊試驗(yàn)的重點(diǎn)在于利用測試系統(tǒng)的冷熱變化讓發(fā)動機(jī)整體及其零部件產(chǎn)生疲勞，通過長時間的熱沖擊，來加重發(fā)動機(jī)及其零部件的熱沖擊抵抗能力，進(jìn)而檢驗(yàn)發(fā)動機(jī)的性能和壽命。

在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)營銷日益發(fā)展進(jìn)步的社會背景下，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)營銷效果分析系統(tǒng)是企業(yè)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)營銷策略優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)經(jīng)營發(fā)展勝利的必然要求。要構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)營銷效果分析系統(tǒng)，需要重點(diǎn)把握三點(diǎn)，只有把握好這三個環(huán)節(jié)，才能確保網(wǎng)絡(luò)營銷效果分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性。

最近，老師布置了一篇關(guān)于“未來”的作文。我回家后盡全力寫了一篇，發(fā)給老師，沒想到，竟然不合格。寫那篇作文已經(jīng)用盡了我所有的才華，于是，我思來想去，得到了一個結(jié)論——到未來去看看。

本實(shí)驗(yàn)方案中，熱沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示，其中一個循環(huán)包含升溫和降溫兩部分，升溫是依靠發(fā)動機(jī)的余熱來調(diào)節(jié)，降溫是依靠額外的制冷系統(tǒng)。

本模式以較好的經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，以發(fā)展經(jīng)濟(jì)性相對較好的煤電為主導(dǎo)方向，應(yīng)加大煤電清潔化改造力度。2030年廣東較已明確煤電機(jī)組再新增裝機(jī)約20 GW，達(dá)到96.47 GW；新增核電裝機(jī)5 GW，新增風(fēng)電裝機(jī)12.5 GW，新增太陽能發(fā)電裝機(jī)5.4 GW。若按等煤量控制，此方案電煤比重須達(dá)90%左右，實(shí)現(xiàn)難度較大。

區(qū)別于5次多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃，此處加入了起末點(diǎn)的躍度為零兩個約束，提高了軌跡連續(xù)性，降低了機(jī)器人柔性沖擊。根據(jù)軌跡起點(diǎn)與終點(diǎn)的路程、速度、加速度、躍度這8個條件求得規(guī)劃式如式(2)，因?yàn)榈玫降亩囗?xiàng)式最高次為7次，所以稱為7次多項(xiàng)式運(yùn)動分配[15]：

將上表的熱沖擊試驗(yàn)循環(huán)轉(zhuǎn)化為以時間為橫軸的示意圖后，如圖7所示。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速大小、柴油機(jī)停機(jī)時長、恒溫持續(xù)時長、升溫速率和降溫速率對于該試驗(yàn)循環(huán)起到重要的支撐作用，關(guān)系到氣門及座圈熱沖擊試驗(yàn)的成敗。

利用可編程邏輯控制器PLC來實(shí)時控制冷卻液管道里的溫度，進(jìn)行熱沖擊試驗(yàn)時，將需要的溫度輸入到PLC，接下來的溫度條件完全交給控制系統(tǒng)，控制流程如圖6所示。

1.3.2 熱沖擊試驗(yàn)循環(huán)

熱沖擊試驗(yàn)循環(huán)在整個熱沖擊試驗(yàn)中占有非常重要的地位，整個熱沖擊試驗(yàn)循環(huán)如表4所示。

為了滿足不同的熱沖擊溫度需求，可通過閥組來控制冷熱循環(huán)模式，需要高溫時，開啟加熱大循環(huán)，需要一般的溫度時，開啟小循環(huán)，降溫模式利用同樣的原理來進(jìn)行控制，具體的實(shí)現(xiàn)方式如圖5所示。

重復(fù)該試驗(yàn)循環(huán)進(jìn)行500h熱沖擊耐久測試，來探究氣門及座圈磨損性能。

氣門及座圈在發(fā)動機(jī)中占有重要的地位，在發(fā)動機(jī)的日常工作中，氣門和座圈會發(fā)生頻繁的接觸與分離，加上廢氣的排出和高溫、高沖擊力的作用，氣門及座圈經(jīng)常會發(fā)生各種磨損,熱沖擊試驗(yàn)是一種很好的研究其磨損特性的方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 磨損特性分析

500小時熱沖擊試驗(yàn)中，發(fā)動機(jī)第一、二、三、四、五、六缸的進(jìn)氣門均采用21-4N氮化型號，發(fā)動機(jī)第一、二、三缸的進(jìn)氣門座圈采用J160型號，發(fā)動機(jī)第四、五、六缸的進(jìn)氣門座圈采用AP723型號。在試驗(yàn)臺架上經(jīng)歷了500小時臺架熱沖擊試驗(yàn)后，對試驗(yàn)樣件進(jìn)行清洗、烘干等預(yù)處理，測量氣門及座圈的磨損參數(shù)，測試結(jié)果如表5所示。

媒體融合發(fā)展至今，早已經(jīng)跳出“報(bào)網(wǎng)融合”這一基本形式的原有范圍，進(jìn)入媒體產(chǎn)品形態(tài)的多樣化趨勢中。將傳統(tǒng)媒體文本和圖像發(fā)展為視頻、音頻，甚至全新的4D感官體驗(yàn)。報(bào)紙二維碼、有聲報(bào)紙、三維報(bào)紙等，以及iPad終端媒體、微博、微信、QQ、社交網(wǎng)站、社交平臺、網(wǎng)絡(luò)電視等不同媒體，不同的移動終端以及不同的互聯(lián)網(wǎng)平臺將媒體融合產(chǎn)品形態(tài)多元化發(fā)揮到了極致，傳統(tǒng)的媒體幾乎被全部涉及。

基于T4670型LNG發(fā)動機(jī)對氣門座圈樣件進(jìn)行性能測試。該發(fā)動機(jī)為6缸LNG直列式廢氣渦輪增壓發(fā)動機(jī)，后處理系統(tǒng)配備TWC三效催化器。發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，發(fā)動機(jī)實(shí)物見圖1。

將氣門及座圈的磨損測量參數(shù)繪制成條狀圖，如圖8所示，可以直觀的看出21-4N氮化(進(jìn)氣門)+ AP723(進(jìn)氣門座圈)組合的耐磨性能明顯優(yōu)于21-4N氮化(進(jìn)氣門)+ J160(進(jìn)氣門座圈)組合。

500小時熱沖擊試驗(yàn)中，發(fā)動機(jī)第一、二、三缸的排氣門采用Crutonite鍍鉻型號，排氣門座圈采用J10型號，發(fā)動機(jī)第四、五、六缸的排氣門采用Crutonite氮化型號，排氣門座圈采用AP723型號。在試驗(yàn)臺架上經(jīng)歷了500小時臺架熱沖擊試驗(yàn)后，對試驗(yàn)樣件進(jìn)行清洗、烘干等預(yù)處理，測量氣門及座圈的磨損參數(shù)，如表6所示。

該方案中發(fā)動機(jī)第一、二、三缸的排氣門采用Crutonite鍍鉻型號，排氣門座圈采用J10型號，該組的總磨損量平均值為0.387mm，發(fā)動機(jī)第四、五、六缸的排氣門采用Crutonite氮化型號，排氣門座圈采用AP723型號，該組的總磨損量平均值為0.057mm。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，Crutonite氮化+AP723優(yōu)于Crutonite鍍鉻+J10。

將測量排氣門及座圈的磨損參數(shù)繪制成柱狀圖，如圖9所示，通過下圖可以直觀的看出Crutonite氮化(排氣門)+AP723(排氣門座圈)組合的耐磨性能優(yōu)于Crutonite鍍鉻(排氣門)+J10(排氣門座圈)組合。并且與標(biāo)準(zhǔn)限值相比，Crutonite鍍鉻(排氣門)+J10(排氣門座圈)組合的方式均無法達(dá)標(biāo)。

2.3 療效判定 治療前，兩組患者視力水平無顯著性差異，經(jīng)過3周臨床連續(xù)性靜脈注射前列地爾治療后，治療組有效率顯著高于對照組(P＜0.05）(見表 3）。

2.2 磨損機(jī)理分析

對發(fā)生磨損的氣門進(jìn)行進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)排氣門盤錐部存在密集延伸狀徑向裂紋，同時排氣門頸部周圍存在積炭顆粒如圖10所示，可以看出排氣門由于高溫氣體燃燒以及熱應(yīng)力作用出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象，但沒有出現(xiàn)裂口缺失現(xiàn)象。

對磨損部件進(jìn)行金相分析，得到圖11所示的進(jìn)氣門及排氣門金相組織圖，發(fā)現(xiàn)排氣門的表面凹坑深度和氧化層深度無明顯區(qū)別，桿身和盤部連接處表面組織及心部組織，盤錐面表面以及心部組織一致，都存在奧氏體(727℃以上)以及碳化物組織，其中表面組織還存在層狀組織。進(jìn)氣門表面凹坑深度與排氣門區(qū)別不大，但是進(jìn)氣門桿身和盤部連接處以及盤錐面表面氧化層深度要明顯小于排氣門桿身和盤部連接處以及盤錐面表面氧化層深度，進(jìn)氣門的桿身和盤部連接處以及盤錐面表面和心部組織都為回火索氏體，而回火索氏體的形成的溫度至少要大于350℃，且經(jīng)過球化過程溫度要提升700℃以上。進(jìn)排氣門(尤其是排氣門)均存在實(shí)際工作溫度過高現(xiàn)象，但進(jìn)氣門所承受的熱載荷要小于排氣門，而排氣門惡劣的工作環(huán)境導(dǎo)致氣門表面材料的顯微組織發(fā)生分解或析出，從而出現(xiàn)麻點(diǎn)、麻坑，排氣門承受高溫氣體的燃燒竄入以及高溫廢氣的流出加熱，導(dǎo)致燒蝕溝槽、彎曲變形。

3 結(jié)論

本文基于發(fā)動機(jī)臺架開展了重型LNG發(fā)動機(jī)氣門及座圈磨損特性試驗(yàn)研究，并對磨損部件進(jìn)行了磨損機(jī)理分析，研究結(jié)果表明：

(1)排氣門及座圈的磨損程度遠(yuǎn)大于進(jìn)氣門及座圈。Crutonite鍍鉻排氣門+J10排氣門座圈組合的總磨損量遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)限值，Crutonite氮化排氣門+AP723排氣門座圈組合的耐磨性較優(yōu)，平均磨損量為0.057mm。

(2)21-4N氮化進(jìn)氣門+AP723進(jìn)氣門座圈組合以及21-4N氮化進(jìn)氣門+J160進(jìn)氣門座圈組合的磨損量均低于標(biāo)準(zhǔn)限值，相比較而言，前者的耐磨性能更優(yōu)，平均磨損量為0.042mm。

(3)發(fā)動機(jī)排氣門密封錐面較易出現(xiàn)燒蝕、麻坑；進(jìn)氣門和排氣門盤底面均有較明顯的表面燒損現(xiàn)象，磨損部件主要是因?yàn)檫M(jìn)排氣門均存在實(shí)際工作溫度過高現(xiàn)象，導(dǎo)致氣門表面材料的顯微組織發(fā)生分解或析出，從而出現(xiàn)麻點(diǎn)、麻坑、甚至燒蝕溝槽、彎曲變形。

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