發(fā)動(dòng)機氣門(mén)是發(fā)動(dòng)機的重要零部件之一,在密閉燃燒室空間工作的零件中,氣門(mén)的溫度最高。進(jìn)氣門(mén)工作溫度一般在200~450C排氣門(mén)的工作溫度一般在700~850C。高溫下材料的各項性能發(fā)生變化,使機械性能下降,甚至發(fā)生蠕變。與此同時(shí),氣門(mén)還要承受高壓,目前我國自然吸氣柴油機的最高爆壓一般要大于8.5MPa 增壓及增壓中冷柴油機為10~15MPa有的甚至還要高。工作中氣門(mén)不僅承受著(zhù)高頻沖擊、交變的拉壓及熱應力的作用,還承受著(zhù)高溫腐蝕和高速燃氣的沖刷。在高溫、高壓和高速氣流作用下氣門(mén)頸部易產(chǎn)生疲勞斷裂現就失效類(lèi)型、原因與對策闡述如下,供同行參考。
失效類(lèi)型判定
氣門(mén)在盤(pán)桿過(guò)渡處的疲勞斷裂(即所謂氣門(mén)掉頭)按照失效機制劃分，主要有兩種形式:單向彎曲疲勞斷裂和旋轉彎曲疲勞斷裂，單向彎曲疲勞斷裂一般為非正常失效，主要失效形式是旋轉彎曲疲勞斷裂,失效件的代表性斷口見(jiàn)圖1,位置見(jiàn)圖2
圖2)可以判斷，斷裂發(fā)生在氣門(mén)頭部與氣門(mén)桿的交接處,這里同時(shí)也是第二熱點(diǎn),因此,氣門(mén)頸部失效屬于在第二熱點(diǎn)和粗細交接處的旋轉彎曲疲勞斷裂。斷口信息表明,氣門(mén)斷裂起源于較高的彎曲工作應力,這與發(fā)動(dòng)機的整體結構有一定的關(guān)系。通常柴油機功率提高，發(fā)動(dòng)機的熱負荷相應增加,發(fā)動(dòng)機的熱負荷隨功率提高而增加，氣門(mén)的工作溫度必然隨之上升;同時(shí)發(fā)動(dòng)機整體熱負荷的變化,也會(huì )導致氣門(mén)承受的機械應力產(chǎn)生變化。因此，應對氣門(mén)進(jìn)行強化。
造成斷裂的原因分析
3.1 氣門(mén)桿與氣門(mén)導管之間間隙不適當,過(guò)小或過(guò)大在配氣機構的制造和裝配過(guò)程中氣門(mén)座錐面相對于導管軸線(xiàn)不可避免會(huì )產(chǎn)生工藝偏差,如果氣門(mén)桿與氣門(mén)導管間隙過(guò)小,氣門(mén)落關(guān)閉后的彎曲應力將更多的由氣門(mén)桿頸部承受.再加上氣門(mén)工作時(shí)的旋轉高頻運動(dòng)，容易導致氣門(mén)頸部疲勞斷裂:反之氣門(mén)間隙過(guò)大也將導致氣門(mén)落座沖擊過(guò)大,從而導致氣門(mén)疲勞失效。發(fā)動(dòng)機氣門(mén)組件的裝配精度直接影響氣門(mén)的使用壽命。在氣門(mén)關(guān)閉時(shí),如果氣門(mén)與氣門(mén)副配合存在偏差,那么氣門(mén)每次落座必定存在歪斜氣門(mén)桿需要承受彎曲扭矩,而由彎曲扭矩產(chǎn)生的應力將會(huì )導致氣門(mén)磨損失效。圖3所示的氣門(mén)桿在第二熱點(diǎn)處彎曲的現象可以推斷出,在氣門(mén)關(guān)閉時(shí),氣門(mén)可能會(huì )承受較大的彎曲應力。
圖3 動(dòng)機氣門(mén)使用后與用前對比3.3氣門(mén)桿端面與搖臂接觸不正常
圖4 氣門(mén)桿端據臂接觸痕跡
通過(guò)氣門(mén)桿端面與搖臂接觸痕跡可以推斷出發(fā)動(dòng)機氣門(mén)桿端面和搖頭臂相對運動(dòng)是否正確(見(jiàn)圖4)。當接觸痕跡偏離時(shí),亦會(huì )使氣門(mén)產(chǎn)生偏磨增加氣門(mén)桿部彎曲應力，導致氣門(mén)彎曲疲勞斷裂。3.4 頸部圓弧過(guò)渡部分表面粗糙度偏低
根據設計圖紙要求氣門(mén)在頭部與桿部的粗細交接處采用圓弧過(guò)渡,過(guò)渡區的表面粗糙度要求為1.6,圖5為全新氣門(mén)加工效果圖。
根據比對，頭部與桿部連接圓弧的圓弧表面粗糙度已經(jīng)達到1.6的加工要求,但是可以看出,頭部的表面粗糙度較差,存在很多細小紋路,這種細小紋路可能會(huì )對疲勞裂紋的萌生和發(fā)展產(chǎn)生較大的影響，圖6為使用后的發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣門(mén)圓弧交接處的照片。
圖6 使用后的氣門(mén)圍弧交接處狀況通過(guò)圖6可以看出，在氣門(mén)頭與氣門(mén)桿的粗細交接處的疲勞裂紋已經(jīng)初步產(chǎn)生，如果繼續使用，裂紋內部將會(huì )進(jìn)一步腐蝕,裂紋擴大,最終形成斷裂3.5設計缺陷
氣門(mén)的第二熱點(diǎn)與過(guò)渡圓弧幾乎重合是一個(gè)主要的設計缺陷,氣門(mén)的第二熱點(diǎn)是一個(gè)熱應力較為集中的位置，而過(guò)渡圓弧是氣門(mén)頭部與氣門(mén)桿粗細交接的位置，該位置是一個(gè)彎曲應力集中的地方,將兩種應力集中點(diǎn)設計在同一位置,勢必增加了這一位置的應力,從而造成該位置的失效率較高綜上所述，氣門(mén)頭部和桿部交接處強度不足是造成氣門(mén)盤(pán)桿過(guò)渡處彎曲疲勞斷裂的主要原因.
改進(jìn)措施
4.1改進(jìn)氣門(mén)頸部結構設計
改進(jìn)氣門(mén)頸部結構設計，在盤(pán)桿過(guò)渡處增加6的傾角,并適當縮短氣門(mén)桿部磨光長(cháng)度,這樣既增加了第二熱點(diǎn)位置的直徑，增強盤(pán)桿過(guò)渡處強度又避免了盤(pán)桿過(guò)渡處與第二熱點(diǎn)重合,使兩個(gè)應力集中位置分離。
圖7 頸部結構對比
4.2 合理確定氣門(mén)桿與氣門(mén)導管的配合間隙
合理確定氣門(mén)桿與氣門(mén)導管的配合間隙,防止間隙過(guò)大或過(guò)小。如圖7,在配氣機構的制造和裝配過(guò)程中,氣門(mén)座錐面相對于導管軸線(xiàn)不可避免會(huì )產(chǎn)生工藝偏差A’,當氣門(mén)關(guān)閉,氣門(mén)盤(pán)在氣門(mén)座上的配合有歪斜時(shí),若氣門(mén)沒(méi)有漏氣,則說(shuō)明氣門(mén)座與氣門(mén)錐面的間隙是依靠作用在氣門(mén)盤(pán)上的氣體壓力來(lái)消除的，這樣就在氣門(mén)桿頸部產(chǎn)生了彎曲應力。為了保證氣門(mén)的壽命,氣門(mén)在第二熱點(diǎn)的彎曲應力小于材料的疲勞極限。
氣門(mén)桿與氣門(mén)導管之間的間隙應該存在一個(gè)最小值,由于數據缺少,無(wú)法精確計算這一最小值但是根據資料，對于排氣門(mén)氣門(mén)桿與導管的間隙選擇推薦為8=0.01d,當氣門(mén)的d=9.5mm時(shí)應該在0.095mm左右，按IT8的加工精度，最小值應該在0.073附近。但是,氣門(mén)桿與氣門(mén)導管之間的配合公差帶是H8/e8,可以得出0.025≤8S0.069,明顯小于0.073推薦最小值。為此,建議更改氣門(mén)桿與氣門(mén)導管之間的配合公差,使配合間在合理范圍內。
4.3提高頸部和頸部與桿部過(guò)渡處的表面粗糙度
(1)對頸部和頸部與桿部過(guò)渡處采用拋光或者精磨的加工方法:
(2)對頸部和頸部與桿部過(guò)渡處采用高速變頻控制實(shí)施等線(xiàn)速度車(chē)削:
(3)對頸部和頸部與桿部過(guò)渡處采用豪克能技術(shù)加工。
結論
(2)對頸部和頸部與桿部過(guò)渡處采用高速變頻
