大功率發(fā)動(dòng)機(jī)閥橋?qū)е鶖嗔言蚍治雠c工藝優(yōu)化

摘要：某大功率高速發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架試驗(yàn)過程中，個(gè)別氣缸排溫異常升高，排查發(fā)現(xiàn)排氣閥橋?qū)еl(fā)生斷裂。通過建立故障樹，圍繞零部件制造質(zhì)量、裝配過程、運(yùn)行使用等方面進(jìn)行故障逐項(xiàng)排查，找出閥橋?qū)е鶖嗔压收鲜怯砷y橋組件裝配不當(dāng)引起；圍繞故障原因制定了解決方案，同時(shí)優(yōu)化了閥橋?qū)е惭b工藝要求。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)；閥橋?qū)е划惓嗔?/p>

0 前言

氣缸蓋閥橋搖臂組件是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零部件之一。在發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過程中，氣缸燃燒室所需的進(jìn)排氣需要通過搖臂組件驅(qū)動(dòng)氣閥的開啟與關(guān)閉來輸送，以確保燃燒室的正常工作。其中，閥橋?qū)е饕鸬綄?duì)搖臂組件上下運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向作用，確保2 組進(jìn)氣或排氣閥能夠同時(shí)開啟或關(guān)閉。在正常情況下，導(dǎo)柱自身并不受力。然而，若閥橋在上下運(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)不平衡狀態(tài)，則會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)柱產(chǎn)生偏磨和異常受力。閥橋周期性地上下運(yùn)動(dòng)會(huì)逐漸導(dǎo)致閥橋?qū)еl(fā)生異常斷裂的情況［1］。

1 故障現(xiàn)象

某發(fā)動(dòng)機(jī)為船用V 型高速大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)（以下簡稱“發(fā)動(dòng)機(jī)”）。發(fā)動(dòng)機(jī)在開展臺(tái)架試驗(yàn)運(yùn)行至高工況時(shí)，A1 缸排溫為450 ℃，超出各缸平均排溫130 K。隨即停機(jī)勘驗(yàn)排查。停機(jī)后，現(xiàn)場(chǎng)拆檢發(fā)現(xiàn)A1 缸進(jìn)氣閥橋?qū)е诟咨w安裝過渡部位發(fā)生斷裂（如圖1 所示），閥橋掉落在缸蓋內(nèi)部。

閥橋?qū)еb配示意圖如圖2 所示。B6 缸進(jìn)氣閥橋?qū)е鶖嗫谖恢镁嚯x導(dǎo)柱頂端約130 mm，位于導(dǎo)柱在缸蓋孔的安裝根部附近，斷口從J1 側(cè)至J2側(cè)斜向上，導(dǎo)柱表面閥橋下端運(yùn)行范圍內(nèi)J1 側(cè)和J2側(cè)有磨痕。

2 原因分析和排查

根據(jù)故障現(xiàn)象和閥橋?qū)е墓ぷ鳁l件進(jìn)行分析，認(rèn)為導(dǎo)致A1 缸閥橋?qū)е鶖嗔训脑蚩赡苡校?/p>

（1） 零部件質(zhì)量問題。例如閥橋?qū)е挠捕?、化學(xué)成分、尺寸等不滿足要求，導(dǎo)致閥橋無法承受工作環(huán)境，產(chǎn)生疲勞斷裂。

（2） 氣閥間隙及閥橋間隙不滿足裝配技術(shù)要求。異常間隙導(dǎo)致閥橋組件兩側(cè)受力不平衡，從而造成導(dǎo)柱斷裂。

（3） 氣閥彈簧問題。氣閥彈簧剛度不足、裝配不到位等均會(huì)造成閥橋兩側(cè)受力不平衡，進(jìn)而產(chǎn)生異常彎矩，導(dǎo)致導(dǎo)柱斷裂。

（4） 閥座異常磨損。閥座異常磨損導(dǎo)致閥橋兩側(cè)間隙不一致，從而造成導(dǎo)柱斷裂。

（5） 缸蓋加工質(zhì)量問題。缸蓋閥橋?qū)е准皻忾y導(dǎo)套孔尺寸超差，導(dǎo)致閥橋受力不平衡而斷裂。

根據(jù)上述分析建立故障樹，如圖3 所示。

2. 1 初步排查及原因分析

經(jīng)排查，結(jié)合故障樹，從零部件制造質(zhì)量、發(fā)動(dòng)機(jī)裝配及使用、清潔度等方面對(duì)故障進(jìn)行排查。排查發(fā)現(xiàn)相關(guān)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，制造質(zhì)量滿足要求。然而，在檢查過程中發(fā)現(xiàn)，故障件閥橋的閥頂座在初始時(shí)未裝配到底。在柴油機(jī)運(yùn)行過程中，閥頂座受到敲擊后沉入閥橋，從而導(dǎo)致產(chǎn)生了異常的氣閥間隙。隨著柴油機(jī)的持續(xù)運(yùn)行，閥橋?qū)е饾u發(fā)生斷裂。

2. 2 力學(xué)仿真分析

為驗(yàn)證上述故障排查及分析結(jié)論，對(duì)本次故障現(xiàn)象開展力學(xué)仿真計(jì)算分析。

2. 2. 1 異常間隙下導(dǎo)柱斷裂受力分析

在正常工作時(shí)，閥橋?qū)е鳛殚y橋上下運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向，不受側(cè)向力。結(jié)合故障現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)情況，在閥橋J2 側(cè)與閥桿間發(fā)現(xiàn)有1.49 mm 的間隙，閥橋兩端存在異常高度差，可能使閥橋工作過程中出現(xiàn)傾斜。閥橋?qū)е惺墚惓５膫?cè)向力而引發(fā)疲勞斷裂，如圖4 所示。

為證實(shí)以上推論，對(duì)閥橋?qū)еM(jìn)行仿真計(jì)算，分析當(dāng)閥橋兩側(cè)出現(xiàn)高度差時(shí)導(dǎo)柱的受力情況，如圖5 所示。

由圖5 可以看出：

（1） 當(dāng)閥橋J2 側(cè)與氣閥出現(xiàn)0.3 mm 間隙時(shí)，閥橋?qū)е诎踩禂?shù)為2.66，滿足設(shè)計(jì)要求；這與擴(kuò)大拆檢發(fā)現(xiàn)的2 號(hào)機(jī)組柴油機(jī)A7 缸排氣閥橋兩端間隙差異0.3 mm 現(xiàn)象吻合。

（2） 當(dāng)閥橋J2 側(cè)間隙增加至1.5 mm 時(shí)，導(dǎo)柱疲勞安全系數(shù)僅為0.81，已不滿足疲勞判據(jù)。最小疲勞安全系數(shù)的位置位于J1 側(cè)，與本次故障裂紋源方位一致。過盈安裝根部位置的最大應(yīng)力為545 MPa，位于J1 側(cè)，為拉應(yīng)力，即閥橋?qū)е贘1 側(cè)萌生裂紋，會(huì)在拉應(yīng)力的作用下向J2 側(cè)擴(kuò)展，最終因疲勞而斷裂。

（3） 當(dāng)閥橋J2 側(cè)間隙為1.5 mm 時(shí)，閥橋防轉(zhuǎn)凸臺(tái)位置的位移量達(dá)到2.21 mm，遠(yuǎn)大于防轉(zhuǎn)凸臺(tái)與氣閥桿單邊最大間隙（1.1 mm，考慮零件公差）。這會(huì)導(dǎo)致閥橋防轉(zhuǎn)凸臺(tái)內(nèi)壁在工作過程中不斷地與氣閥桿發(fā)生接觸，進(jìn)而形成磨損痕跡，與拆檢現(xiàn)象一致。

2. 2. 2 閥頂座運(yùn)行過程中被敲入力分析

根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 第五版（第2 卷）》過盈連接壓入法裝配計(jì)算方法，根據(jù)該發(fā)動(dòng)機(jī)閥橋-閥頂座的零件材料和結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)閥頂座的壓入力為4 543 N。

根據(jù)該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣凸輪型線動(dòng)力學(xué)的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)氣閥橋兩端單側(cè)受力的最大值為5 109 N，已超出裝配壓入力，因此氣閥敲擊能夠使未裝配到位的閥橋下陷。

3 裝配工藝優(yōu)化改進(jìn)

為避免后續(xù)類似問題再次發(fā)生，立即進(jìn)行裝配工藝優(yōu)化，細(xì)化了閥橋部件裝配工藝規(guī)程，并增加了閥橋安裝檢驗(yàn)措施。設(shè)計(jì)了專用檢查工裝（圖6），利用專用工裝壓裝工具將閥橋閥頂座安裝到位。在閥橋總成恢復(fù)至室溫后，為了確認(rèn)閥頂座被壓裝到位，新增了檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，利用檢查工裝來檢測(cè)閥頂座到閥橋端面的高度尺寸（要求為（17±0.2） mm，如圖7 所示），以確認(rèn)閥頂座是否壓裝到位。

4 結(jié)語

本文通過建立故障樹，并依此針對(duì)故障現(xiàn)象進(jìn)行逐一排查。結(jié)果表明：此次故障的直接原因?yàn)殚y橋兩側(cè)存在1.49 mm 間隙高度差，根本原因?yàn)殚y橋組件J2 側(cè)閥頂座未裝配到位。在運(yùn)行過程中，閥橋兩側(cè)受力不平衡產(chǎn)生異常力矩使閥橋?qū)еa(chǎn)生彎曲變形，閥橋位置發(fā)生偏移，進(jìn)而受到氣閥頂部撞擊產(chǎn)生異常磨損。隨著敲擊深度增加，閥橋?qū)е芰M(jìn)一步惡化，伴隨連續(xù)高工況運(yùn)轉(zhuǎn)，最后導(dǎo)致疲勞斷裂。

基于對(duì)故障的詳細(xì)剖析以及原因的精準(zhǔn)定位，提出了優(yōu)化閥橋?qū)еb配檢查的工藝方案。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際驗(yàn)證，該方案切實(shí)可行，成功地解決了發(fā)動(dòng)機(jī)閥橋?qū)е惓嗔压收稀?/p>

參考文獻(xiàn)

［ 1 ］ 孫智，江利，應(yīng)鵬展. 失效分析[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［ 2 ］ 吳士軍，劉玲，史文獻(xiàn)，等. 某柴油機(jī)氣門斷裂分析[J]. 內(nèi)燃機(jī)與配件，2021（20）：155-156.