發(fā)動機(jī)氣門是發(fā)動機(jī)的重要零部件之一,在密閉燃燒室空間工作的零件中,氣門的溫度最高。進(jìn)氣門工作溫度一般在200~450C排氣門的工作溫度一般在700~850C。高溫下材料的各項(xiàng)性能發(fā)生變化,使機(jī)械性能下降,甚至發(fā)生蠕變。與此同時(shí),氣門還要承受高壓,目前我國自然吸氣柴油機(jī)的最高爆壓一般要大于8.5MPa 增壓及增壓中冷柴油機(jī)為10~15MPa有的甚至還要高。工作中氣門不僅承受著高頻沖擊、交變的拉壓及熱應(yīng)力的作用,還承受著高溫腐蝕和高速燃?xì)獾臎_刷。在高溫、高壓和高速氣流作用下氣門頸部易產(chǎn)生疲勞斷裂現(xiàn)就失效類型、原因與對策闡述如下,供同行參考。
失效類型判定
氣門在盤桿過渡處的疲勞斷裂(即所謂氣門掉頭)按照失效機(jī)制劃分，主要有兩種形式:單向彎曲疲勞斷裂和旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂,失效件的代表性斷口見圖1,位置見圖2
圖2)可以判斷，斷裂發(fā)生在氣門頭部與氣門桿的交接處,這里同時(shí)也是第二熱點(diǎn),因此,氣門頸部失效屬于在第二熱點(diǎn)和粗細(xì)交接處的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂。斷口信息表明,氣門斷裂起源于較高的彎曲工作應(yīng)力,這與發(fā)動機(jī)的整體結(jié)構(gòu)有一定的關(guān)系。通常柴油機(jī)功率提高，發(fā)動機(jī)的熱負(fù)荷相應(yīng)增加,發(fā)動機(jī)的熱負(fù)荷隨功率提高而增加，氣門的工作溫度必然隨之上升;同時(shí)發(fā)動機(jī)整體熱負(fù)荷的變化,也會導(dǎo)致氣門承受的機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生變化。因此，應(yīng)對氣門進(jìn)行強(qiáng)化。
造成斷裂的原因分析
3.1 氣門桿與氣門導(dǎo)管之間間隙不適當(dāng),過小或過大在配氣機(jī)構(gòu)的制造和裝配過程中氣門座錐面相對于導(dǎo)管軸線不可避免會產(chǎn)生工藝偏差,如果氣門桿與氣門導(dǎo)管間隙過小,氣門落關(guān)閉后的彎曲應(yīng)力將更多的由氣門桿頸部承受.再加上氣門工作時(shí)的旋轉(zhuǎn)高頻運(yùn)動，容易導(dǎo)致氣門頸部疲勞斷裂:反之氣門間隙過大也將導(dǎo)致氣門落座沖擊過大,從而導(dǎo)致氣門疲勞失效。發(fā)動機(jī)氣門組件的裝配精度直接影響氣門的使用壽命。在氣門關(guān)閉時(shí),如果氣門與氣門副配合存在偏差,那么氣門每次落座必定存在歪斜氣門桿需要承受彎曲扭矩,而由彎曲扭矩產(chǎn)生的應(yīng)力將會導(dǎo)致氣門磨損失效。圖3所示的氣門桿在第二熱點(diǎn)處彎曲的現(xiàn)象可以推斷出,在氣門關(guān)閉時(shí),氣門可能會承受較大的彎曲應(yīng)力。
圖3 動機(jī)氣門使用后與用前對比3.3氣門桿端面與搖臂接觸不正常
圖4 氣門桿端據(jù)臂接觸痕跡
通過氣門桿端面與搖臂接觸痕跡可以推斷出發(fā)動機(jī)氣門桿端面和搖頭臂相對運(yùn)動是否正確(見圖4)。當(dāng)接觸痕跡偏離時(shí),亦會使氣門產(chǎn)生偏磨增加氣門桿部彎曲應(yīng)力，導(dǎo)致氣門彎曲疲勞斷裂。3.4 頸部圓弧過渡部分表面粗糙度偏低
根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求氣門在頭部與桿部的粗細(xì)交接處采用圓弧過渡,過渡區(qū)的表面粗糙度要求為1.6,圖5為全新氣門加工效果圖。
根據(jù)比對，頭部與桿部連接圓弧的圓弧表面粗糙度已經(jīng)達(dá)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(xì)小紋路,這種細(xì)小紋路可能會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)動機(jī)進(jìn)氣門圓弧交接處的照片。
圖6 使用后的氣門圍弧交接處狀況通過圖6可以看出，在氣門頭與氣門桿的粗細(xì)交接處的疲勞裂紋已經(jīng)初步產(chǎn)生，如果繼續(xù)使用，裂紋內(nèi)部將會進(jìn)一步腐蝕,裂紋擴(kuò)大,最終形成斷裂3.5設(shè)計(jì)缺陷
氣門的第二熱點(diǎn)與過渡圓弧幾乎重合是一個(gè)主要的設(shè)計(jì)缺陷,氣門的第二熱點(diǎn)是一個(gè)熱應(yīng)力較為集中的位置，而過渡圓弧是氣門頭部與氣門桿粗細(xì)交接的位置，該位置是一個(gè)彎曲應(yīng)力集中的地方,將兩種應(yīng)力集中點(diǎn)設(shè)計(jì)在同一位置,勢必增加了這一位置的應(yīng)力,從而造成該位置的失效率較高綜上所述，氣門頭部和桿部交接處強(qiáng)度不足是造成氣門盤桿過渡處彎曲疲勞斷裂的主要原因.
改進(jìn)措施
4.1改進(jìn)氣門頸部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
改進(jìn)氣門頸部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在盤桿過渡處增加6的傾角,并適當(dāng)縮短氣門桿部磨光長度,這樣既增加了第二熱點(diǎn)位置的直徑，增強(qiáng)盤桿過渡處強(qiáng)度又避免了盤桿過渡處與第二熱點(diǎn)重合,使兩個(gè)應(yīng)力集中位置分離。
圖7 頸部結(jié)構(gòu)對比
4.2 合理確定氣門桿與氣門導(dǎo)管的配合間隙
合理確定氣門桿與氣門導(dǎo)管的配合間隙,防止間隙過大或過小。如圖7,在配氣機(jī)構(gòu)的制造和裝配過程中,氣門座錐面相對于導(dǎo)管軸線不可避免會產(chǎn)生工藝偏差A(yù)’,當(dāng)氣門關(guān)閉,氣門盤在氣門座上的配合有歪斜時(shí),若氣門沒有漏氣,則說明氣門座與氣門錐面的間隙是依靠作用在氣門盤上的氣體壓力來消除的，這樣就在氣門桿頸部產(chǎn)生了彎曲應(yīng)力。為了保證氣門的壽命,氣門在第二熱點(diǎn)的彎曲應(yīng)力小于材料的疲勞極限。
氣門桿與氣門導(dǎo)管之間的間隙應(yīng)該存在一個(gè)最小值,由于數(shù)據(jù)缺少,無法精確計(jì)算這一最小值但是根據(jù)資料，對于排氣門氣門桿與導(dǎo)管的間隙選擇推薦為8=0.01d,當(dāng)氣門的d=9.5mm時(shí)應(yīng)該在0.095mm左右，按IT8的加工精度，最小值應(yīng)該在0.073附近。但是,氣門桿與氣門導(dǎo)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,建議更改氣門桿與氣門導(dǎo)管之間的配合公差,使配合間在合理范圍內(nèi)。
4.3提高頸部和頸部與桿部過渡處的表面粗糙度
(1)對頸部和頸部與桿部過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渡處采用高速變頻控制實(shí)施等線速度車削:
(3)對頸部和頸部與桿部過渡處采用豪克能技術(shù)加工。
結(jié)論
(2)對頸部和頸部與桿部過渡處采用高速變頻
