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技术维修与康明斯知识 |
由于安装、使用不当造成柴油机气门断裂原因分析 |
摘要：柴油机气门工作的可靠性、耐久性直接影响柴油机的寿命。气密性的破坏将会影响柴油机的工作，气门断裂造成的损失远远超过气门本身的价值，后果十分严重。造成气门断裂的原因很多，如端面淬火超深；材料裂纹；材质不当；锁片槽过渡圆弧过小；气门焊接强度不够等。康明斯公司在本文中针对涉及因安装、使用不当等非质量原因所造成的气门断裂，将从撞击、应力集中、气门间隙过大，过高的温度四个方面，对气门断裂的原因及预防作了简要的论述。
一、气门配合参数要求
柴油发电机在工作过程中，气门与气门座发生频繁而剧烈的冲击，造成机械磨损与挤压塑性变形，气门头工作圆锥面形成凹陷环带，有时还会出现疲劳剥落凹坑。此外，排气门与气门座还受到高温燃烧气体的冲刷和腐蚀，产生烧蚀麻点；进气门与气门座还受到夹杂在空气中尘土的磨料磨损，因而磨损较排气门与气门座严重。所以气门部件的质量高要求是必须的，康明斯作为柴油发电机行业“带头大哥”在这方面更是严格要求，以减低柴油机因此产生的故障率。
1、 气门与气门座配合要求
气门与气门座配合良好与否是决定配气机构正常工作的重要环节，它直接影响到气缸的密封性，对柴油发电机的动力性和经济性关系极大。对气门与气门座的配合要求是：
（1）气门与气门座的工作锥面角度应一致，如图1所示。
（2）气门与气门座的密封带位置在中部靠里。过于靠外会使气门的强度降低，过于靠里，会造成与气门座接触不良。
（3）气门与气门座的密封带宽度应符合原设计规定，一般为1.2 ~2.5mm。排气门大于进气门的宽度，气门顶的边缘厚度均不得小于0.5mm，如图2所示；密封带宽度过小，将使气门磨损加剧，形成凹陷；密封带宽度过大，影响密封性并易引起气门烧蚀。
（4）气门工作锥面与杆部的同轴度和气门座与气门导管的同轴度应不大于0.05mm。
（5）气门杆与导管的配合间隙应符合柴油机原厂规定，一般为0.05~0.12mm间隙，使气门杆能在导管中自由运动。
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图1 柴油机气门锥角示意图
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图2 测量气门顶部边缘的厚度
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2、气门与其他部件的配合要求
康明斯B、C系列柴油发电机每个气缸装有2个气门（气门组组成如图3所示，气门结构如图4所示）。为提高进排气量，康明斯N系列、K系列柴油发电机的每个气缸装有4个气门（2个进气门，2个排气门）。气门有两种制作方法，一是用全金属制作，进气门为普通合金钢，排气门为耐热合金钢；另一种是在气门密封锥面上堆焊特种合金。为了提高排气门在高温下的耐热性和耐腐蚀性，提高排气门的使用寿命，在排气门密封锥面上堆焊耐热合金。
气门顶面有平顶、凸顶和凹顶等形状，康明斯柴油发电机采用平顶气门。气门头部的密封锥面与气门座严密结合，配对研磨，以实现气门的密封，使用中不能互换。气门锥面与气门顶面之间的夹角称为气门锥角，进、排气门的气门锥角一班均为45°，少数进气门锥角为30°，较小的锥角可获得较大的流通面积，较小气门落座时的相对滑移。因气门锥角较小，其气门头部的边缘较薄，刚度较差，容易变形，致使气门与气门座圈之间的密封性变差。
气缸盖上与气门锥面相贴合的部位称为气门座。铝气缸盖和大多数铸铁气缸盖均镶嵌由合金铸铁、粉末冶金或奥氏体钢制的气门座圈。也有一些铸铁气缸盖不镶气门座圈，直接在气缸盖上加工出气门座，康明斯B系列柴油发电机即使如此。气门座圈以一定的过盈压入气缸盖上的座孔中，气门座或气门座圈的锥角与气门锥角相适应，形成密封环带B。气门锥角也可比气门座或气门座圈锥角小0.5°~1°，其作用是使两者不以锥面的全宽接触，这样可以增加密封锥面的接触压力，加速磨合，并能切断和挤出两者之间的任何积垢或积炭，保持锥面良好的密封性。
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图3 柴油机气门组构成示意图 |
图4 柴油机气门结构示意图. |
二、气门发生断裂现象分析
1、撞击造成的气门断裂（不含因配气相位不对造成的气门撞活塞）
气门运动行程的上止点在柴油机工作的全过程中是不变的，它的下止点在不同的工况中略有改变。
柴油机运转时，由于气门弹簧的作用，气门摇臂轴与摇臂轴孔之间的间隙存在于轴的上方，摇臂旋转中心相对摇臂轴的偏心量就等于摇臂轴与轴孔间的间隙，高速运转时，由于气门摇臂、推杆、挺柱惯性力的作用，气门达到下止点瞬间，摇臂旋转中心与摇臂轴的偏心量，转到1轴的下方，且摇臂旋转中心的总跳动量是摇臂孔与轴的间隙的2倍。那么气门下止点的下移量约为4.4～5.6倍的摇臂轴间隙。鉴于我国现有中小型柴油机的摇臂间隙多在0.06～0.10 mm之间，统计认为高速运转时气门的下移量约为0.05mm左右。
尽管柴油机设计时考虑到气门下移量的存在，气门弹簧压板下端面在气门行程下止点位置时与气门导管上端面间的空隙大于气门下移量。但是由于各种原因造成的气门导管装置过高，气门大端面在缸盖表平面上的下陷量不够，都可能造成冷车摇动或怠速运转时，弹簧压盖不撞气门导管而高速运转时发生撞击，致使气门锁片上部受冲击载荷，从而使气门沿锁片上缘断开。检查断面可见，断面中心粗糙，外沿光滑，呈明显的疲劳破坏断口，弹簧压盖下端面和气门导管的上端面有明显的撞痕。从实际经验来看，断裂发生在行车200～400h之间。
2、应力集中造成的气门断裂
气门在正常工作状态下不受横向力的作用，只承受轴向力的作用。锁片槽以下截面受拉应力，锁片槽以上的截面受压应力。锁片槽部分是拉应力与压应力的过渡区，其截面上的应力因夹持摩擦力的改变而均匀过渡，拉应力与压应力无明显的分界。
对于两个锥度配合夹持的气门（气门锁片与气门，锁片与弹簧压盖），由于制造公差的原因，要保证两个锥度的全面接触有一定困难。有可能出现锁片与气门配合呈下偏差，锁片与弹簧压盖的配合呈上偏差（或相反的内锥是上偏差，外锥是下偏差）。由于弹簧弹力的作用，况且锥片是相对两片，势必造成锥面贴合不良。一旦出现弹簧压盖孔锥度小，锁片外锥度大，就会造成尖角夹持，从而受到剪应力，并在此处造成应力集中，发生沿此处断开的事故。从实践经验看，这种情况断裂多发生在500 h以后。
3、气门间隙过大造成的气门断裂
气门运动行程的速度和加速度是由凸轮的外形决定的，为了保证最大的气门通过能力和最佳的机构动力性能，凸轮的外形多为几段圆弧组成（六圆弧、四圆弧）。气门运动加速度最大时，气门杆尾端至大端气门座都会受到强烈的冲击。实践证明，当气门的冲击速度超过0.5～0.8m/s时，气门及座均会很快地损坏。
为避免气门开启和落座时加速度过大，凸轮外形设计时都安排有缓冲段，使气门开启与落座时的加速度能得到控制，减少强烈的冲击。柴油机凸轮缓冲段从开始使用到作用终结，相当于凸轮轴转角为15°～30°，升程为0.15～0.20 mm。也就是说气门间隙如果比实际要求的大0.15～0.20 mm，缓冲段将因为空行程而失去作用，气门将受到强烈的冲击而有可能发生断裂。断裂发生前柴油机工作时，可以听到严重的敲击声，卸下空气滤清器，敲击声更为明显。这种形式的断裂多在气门锥面母线指向气门杆的部位，即气门第二热点处，且排气门断裂多于进气门，这是温度同时起作用的原因。
4、温度过高造成的气门断裂
排气门由于受到高速燃气的作用，强烈受热而散热条件又很差，工作温度很高（500～800℃），并且随转速升高而升高，设计所用材料能经受正常工作温度，但因技术上的故障或安装上的原因引起工作温度过高，就会烧坏气门或引起断裂。
（1）供油时间过迟。使排气温度明显升高而导致排气门被烧断。多发生在大中型柴油机上，小型柴油机会因功率下降而迅速被发现，并及时排除，大中型柴油机则易忽视。
（2）活塞与缸套的配合间隙偏小，造成边界摩擦（半干摩擦），缸内温度升高造成气门断裂。
（3）柴油机制造时为降低生产成本，降低精度（能保证必要的配合要求）采用比较大的公差带生产，分组选配。缸套活塞的生产一般在公差带内分成V组（I，Ⅱ，Ⅲ，IV，V）。即同标准的活塞，缸套有五种不同的尺寸。由于供应和管理上的差错，会发生I组缸套与V组活塞相配使用的情况。这样一来，会因配合间隙偏小而发生半干摩擦，机械损失增大，从而使缸内温度增高而烧断气门。这种情况的柴油机工作表现为冷车启动容易，热车启动比较困难，停车时惯性不足。
（4）因为排气温度过高而断裂的气门都是排气门，多在第一热点处开裂，最后断裂半边或一小边，排气门呈亮黄色。
三、疲劳试验流程
在柴油发动机中，机械零件往往承受着循环载荷。当按某一方式加载于零件的循环载荷达到一定次数时，零件就会产生疲劳断裂；当该载荷低于某一数值时零件达到期望的循环次数（多数情况下为107次）而不断裂，高于这一数值则达不到期望的循环次数产生断裂时，该载荷称为该零件的持久极限。
1、选择疲劳试验机机型
柴油机气门疲劳试验装置结构如图5所示。
（1）试验机负荷参数可按以下两种方法之一考虑：
① 试验机产生的最大载荷至少应大于气门的拉断力。
② 试验机可产生的最大载荷是气门持久极限的3倍以上。
（2）试验机产生的负荷频率：
与气门的固有频率相同或相近（见后面的实例说明），因在试验过程中气门与外加负荷产生共振，这样试验出的持久极限是该种气门持久极限最小值。
（3）应力循环形式选择：
应尽量接近实际工况，选择正弦波或三角形波。
2、疲劳试验的主要流程
（1）气门疲劳强度（持久极限）的测定流程：
取同规格、同材质的一组气门，根据已有的资料，对疲劳极限做一粗．略估计，应力增量△σ一般为预计疲劳极限的3%-5%。第一根试样的试验应力水平略高于预计持久极限，如果达到疲劳极限循环数（如107次）不断时，则下一根试样应力升高△σ进行，反之，则降低△σ进行，这样直到完成全部试验。数据处理时，在每一对出现相反结果以前的数据均舍去，把所有邻近出现的相反结果的数据点均配成对子，最后对于不能直接配对的相反结果的数据点也凑成一对，求得这些对子的持久极限平均值。
（2）建立气门疲劳曲线（S-N曲线）的流程：
根据已有的资料，对疲劳极限做一粗略估计，把同规格、同材质的一组气门，用不同的载荷进行疲劳试验，直至气门失效或循环次数达到107次，将载荷值和循环次数记录下来，并把循环次数都转化成以10为底的对数，然后将载荷值（Y坐标值）和对数循环次数（x坐标值）用excel或专用软件按预定的方式拟合生成S-N曲线，如图6所示。对气门疲劳试验来说，至少要有12个数据点才能建立起一条有效的S-N曲线，并且实用的数据点范围为：没有任何数据点低于二百万次循环，至少2个数据点通过一千万次循环。通常试验数据是分散的，故应该采用统计方法或最小基本曲线法处理数据。
目前没有普遍公认的疲劳强度（持久极限）的评定方法和S-N曲线的生成方法，这并不是最重要的，最重要的是试验结果的准确性，只要将准确的试验结果采用客户制定的标准的数据处理方法进行处理就可与客户标准进行比较并得出合格与否的结论。
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图5 柴油机气门疲劳试验装置 |
图6 柴油机气门疲劳试验曲线图 |
总结：
总之，由于安装和使用原因造成的气门断裂，不但影响到柴油机的正常工作，而且也影响到它的使用寿命、动力性和经济性。做到及时检查维护，杜绝此类原因隐患，对于减少柴油机的事故率是十分必要的。
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