肖紅林

摘要：對某船柴油機(jī)失效排氣閥進(jìn)行的材料分析及斷口電鏡掃描分析表明，閥桿為疲勞斷裂， 疲勞是由于氣閥間隙過大，閥桿受到過大的沖擊負(fù)荷和側(cè)向推力，造成閥桿鎖夾下邊緣處異常磨損，致使疲勞源萌生、擴(kuò)展直至斷裂。

關(guān)鍵詞： 排氣閥；斷裂；間隙

排氣閥是柴油機(jī)的重要零部件之一，其工作環(huán)境惡劣，閥桿在落座時將承受由慣性力引起的交變載荷及彈簧鎖施加的交變載荷，其載荷最高可達(dá)30KN。另外，排氣閥還要承受高達(dá)2000℃的燃?xì)獾臎_刷，當(dāng)氣缸轉(zhuǎn)入進(jìn)氣沖程時，缸內(nèi)的溫度又將急劇降低，這種溫度的劇烈變化，使排氣閥產(chǎn)生了交變的熱應(yīng)力。由于交變熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力兩者的疊加，致使排氣閥失效的故障，在柴油機(jī)的故障當(dāng)中比較多見。某船用柴油機(jī)在運(yùn)行了1000多小時后，一排氣閥在閥桿鎖夾下緣及閥桿根部發(fā)生斷裂，閥盤脫落墜入燃燒室，致使活塞碎裂，連桿斷裂，機(jī)體擊穿。本文對發(fā)生事故的排氣閥斷裂原因進(jìn)行分析。

1.材料分析

材料化學(xué)成分分析顯示，閥盤和閥桿的各元素含量均符合技術(shù)要求。硬度測試未發(fā)現(xiàn)異常。金相分析顯示，閥盤材料組織為奧氏體晶粒組織+析出相，晶粒度級別為9.0級；閥桿基體組織為回火索氏體+碳化物+少量鐵素體，局部表面組織出現(xiàn)相對含量較高的鐵素體組織，材料組織符合技術(shù)要求。

2.斷口分析

因閥盤墜入燃燒室，閥盤在往復(fù)運(yùn)動的活塞的沖撞下，原始斷面受到嚴(yán)重的二次破壞，無法做斷面分析，因此有效的分析斷面只有3個。

2.1 斷口宏觀形貌

斷口的宏觀形貌如圖1所示，其中1#、2#為鎖夾下緣的匹配斷口，3#為閥桿根部斷口。從圖片可清晰地看到，鎖夾下緣斷口的邊緣受到高頻次的磨損而發(fā)生凹陷，凹陷處沿圓周分布，呈環(huán)向的缺口形態(tài)，斷面因磨損嚴(yán)重而光滑明亮，斷口附近的閥桿表面存在縱向磨痕，以及起伏的擠壓凹痕（圖2）。閥桿根部斷口斷面保存較為完好，呈淺灰色，可觀察到清晰的貝紋狀疲勞停止線，疲勞弧線從不同方向由表向內(nèi)逐步擴(kuò)展，為多源疲勞斷裂，起裂源均位于表面。疲勞裂紋擴(kuò)展至一定深度后，發(fā)生快速斷裂，終斷區(qū)斷口有明顯起伏。

2.2 斷口微觀形態(tài)

超聲波清洗斷口，在掃描電鏡下觀察到鎖夾下邊緣斷口的微觀形態(tài)如圖3所示。斷口磨損嚴(yán)重，大部分原始斷口已破壞，但仍殘留極少部分的原始斷口，可觀察到細(xì)密的疲勞裂紋，疲勞間距為亞微米級，顯示了疲勞的緩慢擴(kuò)展階段。

閥桿根部的斷口形貌如圖4所示，斷口為多源疲勞起裂，共有4處疲勞源，均位于表面。源區(qū)斷口平坦，并可見細(xì)小磨痕，擴(kuò)展區(qū)為粗糙的疲勞條紋，部分條紋間還分布一些韌窩斷口，顯示閥桿受到了較大交變應(yīng)力，疲勞擴(kuò)展速度較快。斷口的不同區(qū)域離散分布較多的粒狀析出相。

3.閥桿斷裂先后順序分析

斷口電鏡掃描表明，排氣閥閥桿鎖夾下緣的斷裂為疲勞斷裂，斷口的疲勞條紋較為細(xì)密，斷口具有低應(yīng)力、高頻次的疲勞斷裂特征。閥桿根部亦為疲勞斷裂，斷口上的疲勞條紋間距較大，斷面較為粗糙，裂紋擴(kuò)展的中后期還出現(xiàn)較大面積的韌窩斷口，是在相對較大的交變應(yīng)力作用下發(fā)生的低頻次疲勞斷裂，斷口發(fā)生多源線性疲勞起裂，這些交變應(yīng)力來自不同方向，應(yīng)為閥桿往復(fù)運(yùn)動時產(chǎn)生的異常橫向抖動應(yīng)力。 因此，從疲勞條紋間距的細(xì)密程度及斷面的磨損情況分析，應(yīng)該是鎖夾下緣首先發(fā)生疲勞斷裂，斷后的閥桿仍在導(dǎo)管內(nèi)上下往復(fù)運(yùn)動，形成較大的橫向擺動，使閥桿根部也發(fā)生疲勞斷裂。

4.閥桿鎖夾下緣疲勞斷裂原因分析

閥桿斷裂于鎖夾下緣，由圖2可以看出，鎖夾的端面與閥桿發(fā)生了非正常的磨損，閥桿發(fā)生了異常的橫向抖動。柴油機(jī)的裝配記錄表明，閥桿與排氣閥導(dǎo)管的配合間隙正常，拆檢發(fā)現(xiàn)，斷裂排氣閥的導(dǎo)管內(nèi)表面未發(fā)生異常磨損，除斷口附近的閥桿有磨損外，閥桿其他部位亦無異常磨損。但是氣閥間隙檢查發(fā)現(xiàn)，故障機(jī)的其他氣閥間隙是正常間隙的2～3倍，動力學(xué)仿真計算表明，在氣閥間隙過大的情況下，閥桿受到的沖擊負(fù)荷和側(cè)推力會隨間隙的增大而急劇增加，應(yīng)力分析顯示鎖夾下邊緣及閥桿根部正是排氣閥的最薄弱處，在氣閥間隙達(dá)到3.5倍正常值時，閥桿鎖夾下緣的應(yīng)力接近材料屈服極限。由此可得出結(jié)論：此次氣閥疲勞斷裂是由于氣閥間隙過大，閥桿受到過大的沖擊負(fù)荷和側(cè)推力，造成閥桿鎖夾下邊緣處異常磨損，致使疲勞源萌生、擴(kuò)展直至斷裂。

而氣閥間隙過大，是由于長期未按要求定期檢查、調(diào)整氣門間隙，是維護(hù)保養(yǎng)不當(dāng)造成的，由此帶來的教訓(xùn)十分深刻。