技術(shù)維修與康明斯知識

由于安裝、使用不當造成柴油機氣門(mén)斷裂原因分析

 

摘要：柴油機氣門(mén)工作的可靠性、耐久性直接影響柴油機的壽命。氣密性的破壞將會(huì )影響柴油機的工作，氣門(mén)斷裂造成的損失遠遠超過(guò)氣門(mén)本身的價(jià)值，后果十分嚴重。造成氣門(mén)斷裂的原因很多，如端面淬火超深；材料裂紋；材質(zhì)不當；鎖片槽過(guò)渡圓弧過(guò)??；氣門(mén)焊接強度不夠等?？得魉构驹诒疚闹?/span>針對涉及因安裝、使用不當等非質(zhì)量原因所造成的氣門(mén)斷裂，將從撞擊、應力集中、氣門(mén)間隙過(guò)大，過(guò)高的溫度四個(gè)方面，對氣門(mén)斷裂的原因及預防作了簡(jiǎn)要的論述。

 

一、氣門(mén)配合參數要求

 

      柴油發(fā)電機在工作過(guò)程中，氣門(mén)與氣門(mén)座發(fā)生頻繁而劇烈的沖擊，造成機械磨損與擠壓塑性變形，氣門(mén)頭工作圓錐面形成凹陷環(huán)帶，有時(shí)還會(huì )出現疲勞剝落凹坑。此外，排氣門(mén)與氣門(mén)座還受到高溫燃燒氣體的沖刷和腐蝕，產(chǎn)生燒蝕麻點(diǎn)；進(jìn)氣門(mén)與氣門(mén)座還受到夾雜在空氣中塵土的磨料磨損，因而磨損較排氣門(mén)與氣門(mén)座嚴重。所以氣門(mén)部件的質(zhì)量高要求是必須的，康明斯作為柴油發(fā)電機行業(yè)“帶頭大哥”在這方面更是嚴格要求，以減低柴油機因此產(chǎn)生的故障率。

1、 氣門(mén)與氣門(mén)座配合要求

      氣門(mén)與氣門(mén)座配合良好與否是決定配氣機構正常工作的重要環(huán)節，它直接影響到氣缸的密封性，對柴油發(fā)電機的動(dòng)力性和經(jīng)濟性關(guān)系極大。對氣門(mén)與氣門(mén)座的配合要求是：

（1）氣門(mén)與氣門(mén)座的工作錐面角度應一致，如圖1所示。

（2）氣門(mén)與氣門(mén)座的密封帶位置在中部靠里。過(guò)于靠外會(huì )使氣門(mén)的強度降低，過(guò)于靠里，會(huì )造成與氣門(mén)座接觸不良。

（3）氣門(mén)與氣門(mén)座的密封帶寬度應符合原設計規定，一般為1.2 ~2.5mm。排氣門(mén)大于進(jìn)氣門(mén)的寬度，氣門(mén)頂的邊緣厚度均不得小于0.5mm，如圖2所示；密封帶寬度過(guò)小，將使氣門(mén)磨損加劇，形成凹陷；密封帶寬度過(guò)大，影響密封性并易引起氣門(mén)燒蝕。

（4）氣門(mén)工作錐面與桿部的同軸度和氣門(mén)座與氣門(mén)導管的同軸度應不大于0.05mm。

（5）氣門(mén)桿與導管的配合間隙應符合柴油機原廠(chǎng)規定，一般為0.05~0.12mm間隙，使氣門(mén)桿能在導管中自由運動(dòng)。

 

圖1  柴油機氣門(mén)錐角示意圖

圖2  測量氣門(mén)頂部邊緣的厚度

 

2、氣門(mén)與其他部件的配合要求

      康明斯B、C系列柴油發(fā)電機每個(gè)氣缸裝有2個(gè)氣門(mén)（氣門(mén)組組成如圖3所示，氣門(mén)結構如圖4所示）。為提高進(jìn)排氣量，康明斯N系列、K系列柴油發(fā)電機的每個(gè)氣缸裝有4個(gè)氣門(mén)（2個(gè)進(jìn)氣門(mén)，2個(gè)排氣門(mén)）。氣門(mén)有兩種制作方法，一是用全金屬制作，進(jìn)氣門(mén)為普通合金鋼，排氣門(mén)為耐熱合金鋼；另一種是在氣門(mén)密封錐面上堆焊特種合金。為了提高排氣門(mén)在高溫下的耐熱性和耐腐蝕性，提高排氣門(mén)的使用壽命，在排氣門(mén)密封錐面上堆焊耐熱合金。

      氣門(mén)頂面有平頂、凸頂和凹頂等形狀，康明斯柴油發(fā)電機采用平頂氣門(mén)。氣門(mén)頭部的密封錐面與氣門(mén)座嚴密結合，配對研磨，以實(shí)現氣門(mén)的密封，使用中不能互換。氣門(mén)錐面與氣門(mén)頂面之間的夾角稱(chēng)為氣門(mén)錐角，進(jìn)、排氣門(mén)的氣門(mén)錐角一班均為45°，少數進(jìn)氣門(mén)錐角為30°，較小的錐角可獲得較大的流通面積，較小氣門(mén)落座時(shí)的相對滑移。因氣門(mén)錐角較小，其氣門(mén)頭部的邊緣較薄，剛度較差，容易變形，致使氣門(mén)與氣門(mén)座圈之間的密封性變差。

      氣缸蓋上與氣門(mén)錐面相貼合的部位稱(chēng)為氣門(mén)座。鋁氣缸蓋和大多數鑄鐵氣缸蓋均鑲嵌由合金鑄鐵、粉末冶金或奧氏體鋼制的氣門(mén)座圈。也有一些鑄鐵氣缸蓋不鑲氣門(mén)座圈，直接在氣缸蓋上加工出氣門(mén)座，康明斯B系列柴油發(fā)電機即使如此。氣門(mén)座圈以一定的過(guò)盈壓入氣缸蓋上的座孔中，氣門(mén)座或氣門(mén)座圈的錐角與氣門(mén)錐角相適應，形成密封環(huán)帶B。氣門(mén)錐角也可比氣門(mén)座或氣門(mén)座圈錐角小0.5°~1°，其作用是使兩者不以錐面的全寬接觸，這樣可以增加密封錐面的接觸壓力，加速磨合，并能切斷和擠出兩者之間的任何積垢或積炭，保持錐面良好的密封性。

 

圖3  柴油機氣門(mén)組構成示意圖

圖4  柴油機氣門(mén)結構示意圖.

 

二、氣門(mén)發(fā)生斷裂現象分析

 

1、撞擊造成的氣門(mén)斷裂（不含因配氣相位不對造成的氣門(mén)撞活塞）

      氣門(mén)運動(dòng)行程的上止點(diǎn)在柴油機工作的全過(guò)程中是不變的，它的下止點(diǎn)在不同的工況中略有改變。

      柴油機運轉時(shí)，由于氣門(mén)彈簧的作用，氣門(mén)搖臂軸與搖臂軸孔之間的間隙存在于軸的上方，搖臂旋轉中心相對搖臂軸的偏心量就等于搖臂軸與軸孔間的間隙，高速運轉時(shí)，由于氣門(mén)搖臂、推桿、挺柱慣性力的作用，氣門(mén)達到下止點(diǎn)瞬間，搖臂旋轉中心與搖臂軸的偏心量，轉到1軸的下方，且搖臂旋轉中心的總跳動(dòng)量是搖臂孔與軸的間隙的2倍。那么氣門(mén)下止點(diǎn)的下移量約為4.4～5.6倍的搖臂軸間隙。鑒于我國現有中小型柴油機的搖臂間隙多在0.06～0.10 mm之間，統計認為高速運轉時(shí)氣門(mén)的下移量約為0.05mm左右。

      盡管柴油機設計時(shí)考慮到氣門(mén)下移量的存在，氣門(mén)彈簧壓板下端面在氣門(mén)行程下止點(diǎn)位置時(shí)與氣門(mén)導管上端面間的空隙大于氣門(mén)下移量。但是由于各種原因造成的氣門(mén)導管裝置過(guò)高，氣門(mén)大端面在缸蓋表平面上的下陷量不夠，都可能造成冷車(chē)搖動(dòng)或怠速運轉時(shí)，彈簧壓蓋不撞氣門(mén)導管而高速運轉時(shí)發(fā)生撞擊，致使氣門(mén)鎖片上部受沖擊載荷，從而使氣門(mén)沿鎖片上緣斷開(kāi)。檢查斷面可見(jiàn)，斷面中心粗糙，外沿光滑，呈明顯的疲勞破壞斷口，彈簧壓蓋下端面和氣門(mén)導管的上端面有明顯的撞痕。從實(shí)際經(jīng)驗來(lái)看，斷裂發(fā)生在行車(chē)200～400h之間。

2、應力集中造成的氣門(mén)斷裂

      氣門(mén)在正常工作狀態(tài)下不受橫向力的作用，只承受軸向力的作用。鎖片槽以下截面受拉應力，鎖片槽以上的截面受壓應力。鎖片槽部分是拉應力與壓應力的過(guò)渡區，其截面上的應力因夾持摩擦力的改變而均勻過(guò)渡，拉應力與壓應力無(wú)明顯的分界。

      對于兩個(gè)錐度配合夾持的氣門(mén)（氣門(mén)鎖片與氣門(mén)，鎖片與彈簧壓蓋），由于制造公差的原因，要保證兩個(gè)錐度的全面接觸有一定困難。有可能出現鎖片與氣門(mén)配合呈下偏差，鎖片與彈簧壓蓋的配合呈上偏差（或相反的內錐是上偏差，外錐是下偏差）。由于彈簧彈力的作用，況且錐片是相對兩片，勢必造成錐面貼合不良。一旦出現彈簧壓蓋孔錐度小，鎖片外錐度大，就會(huì )造成尖角夾持，從而受到剪應力，并在此處造成應力集中，發(fā)生沿此處斷開(kāi)的事故。從實(shí)踐經(jīng)驗看，這種情況斷裂多發(fā)生在500 h以后。

3、氣門(mén)間隙過(guò)大造成的氣門(mén)斷裂

      氣門(mén)運動(dòng)行程的速度和加速度是由凸輪的外形決定的，為了保證最大的氣門(mén)通過(guò)能力和最佳的機構動(dòng)力性能，凸輪的外形多為幾段圓弧組成（六圓弧、四圓?。?。氣門(mén)運動(dòng)加速度最大時(shí)，氣門(mén)桿尾端至大端氣門(mén)座都會(huì )受到強烈的沖擊。實(shí)踐證明，當氣門(mén)的沖擊速度超過(guò)0.5～0.8m/s時(shí)，氣門(mén)及座均會(huì )很快地損壞。

      為避免氣門(mén)開(kāi)啟和落座時(shí)加速度過(guò)大，凸輪外形設計時(shí)都安排有緩沖段，使氣門(mén)開(kāi)啟與落座時(shí)的加速度能得到控制，減少強烈的沖擊。柴油機凸輪緩沖段從開(kāi)始使用到作用終結，相當于凸輪軸轉角為15°～30°，升程為0.15～0.20 mm。也就是說(shuō)氣門(mén)間隙如果比實(shí)際要求的大0.15～0.20 mm，緩沖段將因為空行程而失去作用，氣門(mén)將受到強烈的沖擊而有可能發(fā)生斷裂。斷裂發(fā)生前柴油機工作時(shí)，可以聽(tīng)到嚴重的敲擊聲，卸下空氣濾清器，敲擊聲更為明顯。這種形式的斷裂多在氣門(mén)錐面母線(xiàn)指向氣門(mén)桿的部位，即氣門(mén)第二熱點(diǎn)處，且排氣門(mén)斷裂多于進(jìn)氣門(mén)，這是溫度同時(shí)起作用的原因。

4、溫度過(guò)高造成的氣門(mén)斷裂

      排氣門(mén)由于受到高速燃氣的作用，強烈受熱而散熱條件又很差，工作溫度很高（500～800℃），并且隨轉速升高而升高，設計所用材料能經(jīng)受正常工作溫度，但因技術(shù)上的故障或安裝上的原因引起工作溫度過(guò)高，就會(huì )燒壞氣門(mén)或引起斷裂。

（1）供油時(shí)間過(guò)遲。使排氣溫度明顯升高而導致排氣門(mén)被燒斷。多發(fā)生在大中型柴油機上，小型柴油機會(huì )因功率下降而迅速被發(fā)現，并及時(shí)排除，大中型柴油機則易忽視。

（2）活塞與缸套的配合間隙偏小，造成邊界摩擦（半干摩擦），缸內溫度升高造成氣門(mén)斷裂。

（3）柴油機制造時(shí)為降低生產(chǎn)成本，降低精度（能保證必要的配合要求）采用比較大的公差帶生產(chǎn)，分組選配。缸套活塞的生產(chǎn)一般在公差帶內分成V組（I，Ⅱ，Ⅲ，IV，V）。即同標準的活塞，缸套有五種不同的尺寸。由于供應和管理上的差錯，會(huì )發(fā)生I組缸套與V組活塞相配使用的情況。這樣一來(lái)，會(huì )因配合間隙偏小而發(fā)生半干摩擦，機械損失增大，從而使缸內溫度增高而燒斷氣門(mén)。這種情況的柴油機工作表現為冷車(chē)啟動(dòng)容易，熱車(chē)啟動(dòng)比較困難，停車(chē)時(shí)慣性不足。

（4）因為排氣溫度過(guò)高而斷裂的氣門(mén)都是排氣門(mén)，多在第一熱點(diǎn)處開(kāi)裂，最后斷裂半邊或一小邊，排氣門(mén)呈亮黃色。

 

三、疲勞試驗流程

 

      在柴油發(fā)動(dòng)機中，機械零件往往承受著(zhù)循環(huán)載荷。當按某一方式加載于零件的循環(huán)載荷達到一定次數時(shí)，零件就會(huì )產(chǎn)生疲勞斷裂；當該載荷低于某一數值時(shí)零件達到期望的循環(huán)次數（多數情況下為107次）而不斷裂，高于這一數值則達不到期望的循環(huán)次數產(chǎn)生斷裂時(shí)，該載荷稱(chēng)為該零件的持久極限。

1、選擇疲勞試驗機機型

      柴油機氣門(mén)疲勞試驗裝置結構如圖5所示。

（1）試驗機負荷參數可按以下兩種方法之一考慮：

① 試驗機產(chǎn)生的最大載荷至少應大于氣門(mén)的拉斷力。

② 試驗機可產(chǎn)生的最大載荷是氣門(mén)持久極限的3倍以上。

（2）試驗機產(chǎn)生的負荷頻率：

      與氣門(mén)的固有頻率相同或相近（見(jiàn)后面的實(shí)例說(shuō)明），因在試驗過(guò)程中氣門(mén)與外加負荷產(chǎn)生共振，這樣試驗出的持久極限是該種氣門(mén)持久極限最小值。

（3）應力循環(huán)形式選擇：

      應盡量接近實(shí)際工況，選擇正弦波或三角形波。

2、疲勞試驗的主要流程

（1）氣門(mén)疲勞強度（持久極限）的測定流程：

      取同規格、同材質(zhì)的一組氣門(mén)，根據已有的資料，對疲勞極限做一粗．略估計，應力增量△σ一般為預計疲勞極限的3%-5%。第一根試樣的試驗應力水平略高于預計持久極限，如果達到疲勞極限循環(huán)數（如107次）不斷時(shí)，則下一根試樣應力升高△σ進(jìn)行，反之，則降低△σ進(jìn)行，這樣直到完成全部試驗。數據處理時(shí)，在每一對出現相反結果以前的數據均舍去，把所有鄰近出現的相反結果的數據點(diǎn)均配成對子，最后對于不能直接配對的相反結果的數據點(diǎn)也湊成一對，求得這些對子的持久極限平均值。

（2）建立氣門(mén)疲勞曲線(xiàn)（S-N曲線(xiàn)）的流程：

      根據已有的資料，對疲勞極限做一粗略估計，把同規格、同材質(zhì)的一組氣門(mén)，用不同的載荷進(jìn)行疲勞試驗，直至氣門(mén)失效或循環(huán)次數達到107次，將載荷值和循環(huán)次數記錄下來(lái)，并把循環(huán)次數都轉化成以10為底的對數，然后將載荷值（Y坐標值）和對數循環(huán)次數（x坐標值）用excel或專(zhuān)用軟件按預定的方式擬合生成S-N曲線(xiàn)，如圖6所示。對氣門(mén)疲勞試驗來(lái)說(shuō)，至少要有12個(gè)數據點(diǎn)才能建立起一條有效的S-N曲線(xiàn)，并且實(shí)用的數據點(diǎn)范圍為：沒(méi)有任何數據點(diǎn)低于二百萬(wàn)次循環(huán)，至少2個(gè)數據點(diǎn)通過(guò)一千萬(wàn)次循環(huán)。通常試驗數據是分散的，故應該采用統計方法或最小基本曲線(xiàn)法處理數據。

      目前沒(méi)有普遍公認的疲勞強度（持久極限）的評定方法和S-N曲線(xiàn)的生成方法，這并不是最重要的，最重要的是試驗結果的準確性，只要將準確的試驗結果采用客戶(hù)制定的標準的數據處理方法進(jìn)行處理就可與客戶(hù)標準進(jìn)行比較并得出合格與否的結論。

 

圖5  柴油機氣門(mén)疲勞試驗裝置

圖6  柴油機氣門(mén)疲勞試驗曲線(xiàn)圖

 

總結：

      總之，由于安裝和使用原因造成的氣門(mén)斷裂，不但影響到柴油機的正常工作，而且也影響到它的使用壽命、動(dòng)力性和經(jīng)濟性。做到及時(shí)檢查維護，杜絕此類(lèi)原因隱患，對于減少柴油機的事故率是十分必要的。

 

 

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