吳士軍 劉玲 史文獻 湯必強 夏偉

摘要： 本文針對某柴油機在市場出現(xiàn)的氣門斷裂故障進行研究，從氣門材料、氣門鎖夾結構、裝配過程等方面，確定故障原因為裝配過程控制差及氣門鎖夾結構問題。

Abstract： This paper studies the valve rupture failure of a diesel engine on the market. From the aspects of valve material， valve lock clamp structure， assembly process， etc.， determine the cause of the failure as poor assembly process control and valve lock clamp structure problems.

關鍵詞： 氣門斷裂;分體式;裝配過程;失效分析

Key words： valve rupture;separate form;assembly process;failure analysis

中圖分類號：TK423.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0155-02

0? 引言

氣門與凸輪軸、挺柱、推桿、搖臂、氣門鎖夾、氣門彈簧等零部件形成配氣機構（見圖1），控制著發(fā)動機廢氣排出和充入新鮮空氣或可燃混合氣的換氣過程。氣門作為配氣機構的主要零部件，長時間在高溫、高應力及腐蝕環(huán)境下工作[1]，它的可靠性的好壞直接影響柴油機的使用壽命。氣門斷裂作為氣門失效模式的主要形式之一，它的出現(xiàn)往往會導致發(fā)動機整機報廢，造成的損失遠遠超過氣門本身的價值[2]。

本文針對某柴油機在市場出現(xiàn)的氣門斷裂故障進行研究，從氣門材料、鎖夾結構、裝配過程等方面，確定故障原因和優(yōu)化改進措施。

1? 故障描述

某輕型柴油機在市場上出現(xiàn)多起運行過程中異響、停機后無法起動等現(xiàn)象，拆檢后發(fā)現(xiàn)進、排氣門桿部斷裂、彎曲變形，氣門鎖夾凸起異常磨損，活塞、氣缸蓋、機體等零部件伴隨出現(xiàn)不同程度損傷，氣門斷裂情況如圖2所示。

2? 失效原因分析

2.1 氣門材料分析

氣門斷裂位置主要出現(xiàn)在氣門桿部，斷口形式主要為單向彎曲疲勞斷裂。使用掃描電子顯微鏡[3]（SEM）對氣門桿部斷口進行微觀形貌觀察。如圖3所示，氣門斷口位置紋線清晰，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，局部區(qū)域表面覆蓋污染物。

對進、排氣門盤部及桿部硬度進行測試，進、排氣門盤部及桿部硬度均滿足設計要求，見表1。

對進、排氣門進行抗拉強度檢測，進、排氣門抗拉強度滿足設計要求，見表2。

2.2 氣門鎖夾結構分析

氣門鎖夾的作用是在氣門彈簧力的作用下，把氣門彈簧上座、氣門鎖夾和氣門緊緊固定[4]。該型柴油機氣門鎖夾為整體式結構，鎖夾與氣門工作形式見圖4，對其氣門與氣門鎖夾的設計關鍵配合尺寸及形式進行分析。

①氣門與氣門鎖夾桿部配合間隙為0.040～0.091mm，肋部配合間隙為0.100～0.400mm，配合間隙屬于間隙配合，在工作中，此結構主要依靠肋部摩擦力帶動氣門運行，肋部受力大，磨損速度快，易造成鎖夾失效、氣門脫落;

②該整體式氣門鎖夾硬度設計值為（27～32）HRC，進、排氣門硬度設計值（33～40）HRC。氣門與氣門鎖夾配副工作時存在鎖夾硬度偏低問題，氣門鎖夾易發(fā)生磨損，當氣門鎖夾磨損嚴重后會造成氣門脫落，從而引起氣門與活塞碰撞、氣門斷裂等故障。

2.3 裝配過程控制分析

裝配過程控制的好壞是影響柴油機可靠性水平的重要因素之一。為排查該型柴油機氣門斷裂是否與裝配過程控制有關，對其裝配現(xiàn)場進行過程跟蹤及分析。

2.3.1 裝配過程跟蹤

裝配過程情況具體如下：

①搖臂總成調整螺釘裝配前處于松弛自由狀態(tài)，調整螺釘擰出長短不一，搖臂總成裝配時不會主動調整至最短狀態(tài);

②按照工藝規(guī)定，活塞裝配完成后，2缸、3缸活塞處于下止點位置，1缸、4缸活塞處于上止點位置，直至裝搖臂總成前不會再次進行盤車;

③由一缸進氣門至四缸排氣門方向對氣門進行編號，分別為1#、2#、……、8#，搖臂總成裝配時，首先調整4#、5#、7#、8#氣門間隙，盤車一圈，調整1#、2#、3#、6#氣門

間隙。

2.3.2 氣門搖臂裝配時彎曲的可能性分析

表3為設計尺寸校核結果。裝配前調整螺釘未調整時，若調整螺釘比正常狀態(tài)下多出1牙～2牙（該螺釘規(guī)格為M8*1，每牙螺距為1mm），按照正常壓縮余隙下計算，一缸、四缸在調整過程中即可發(fā)生氣門碰頂現(xiàn)象，造成氣門受傷或彎曲，氣門鎖夾因氣門彎曲導致局部應力突增而加速磨損。同時由于進氣門早開、排氣門晚關，一缸氣門碰頂現(xiàn)象概率更高。

3? 改進與驗證

為徹底解決氣門斷裂故障，提出以下優(yōu)化措施：

①搖臂總成裝配前，保證調整螺釘調整到最短位置;

②調整搖臂總成的裝配工藝，先安裝中間搖臂座螺栓后安裝兩端，減少裝配應力;

③氣門鎖夾由整體式結構改為分體擠壓結構，提升平順性，增加桿部摩擦力，減小肋部受力，減小磨損;

④提升氣門鎖夾硬度，降低氣門鎖夾與氣門硬度差。

驗證結果如下：

①為驗證新設計氣門鎖夾的可靠性，進行500h配機耐久驗證，氣門鎖夾及氣門桿部均無異常磨損;

②裝配廠按照改進工藝措施及新設計氣門鎖夾裝機后，市場未再反饋氣門斷裂故障。

4? 結論

該型柴油機氣門斷裂故障是多種因素形成的，其主因是生產裝配過程控制差及配副配合使用存在不適應性。因此，在產品設計過程中要充分論證設計的合理性及適用性;在生產過程中裝配工藝的順序以及裝配的技術必須要科學合理[5]，“量身打造”合適的工藝操作文件。

參考文獻：

[1]馬鳴.某重型天然氣發(fā)動機進氣門頭部失效分析[J].柴油機設計與制造，2021（01）.

[2]楊挺潔.柴油機氣門非質量的斷裂分析[J].內燃機，2020（02）.

[3]張克輝，曹燕燕，孫興華，王磊.掃描電子顯微鏡的最新應用[J].信息記錄材料，2020（02）.

[4]彭北京.內燃機氣門鎖緊機構優(yōu)化分析[J].摩托車技術，2015（03）.

[5]丁力.探究柴油機裝配過程的質量控制[J].時代汽車，2021 （05）：31-32.