宛春利

[摘 要]氣門失效從失效模式主要有頸部斷的掉頭、盤部的掉塊、燒蝕、翅曲變形、錐面的磨損、桿部斷和桿端崩落及焊片脫落等。這些年來，柴油機廠通過加大排量、提高轉速、增壓和增壓中冷等手段，不斷地對柴油機強化。在失效分析中，經常發(fā)現氣門失效與挺柱和（或）凸輪磨損相伴隨的現象。

[關鍵詞]柴油機，氣門，失效分析

中圖分類號：TK42 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）07-0375-01

一、前言

氣門是四沖程內燃機完成工作循環(huán)實現換氣和密封功能的零件。在形成密閉燃燒室空間的零件中氣門的溫度最高。進氣門工作溫度一般在200-450℃，排氣門的工作溫度一般在600-800℃，有的甚至高達850。目前，我國車用柴油機的最高爆壓，自然吸氣柴油機一般要大于8.5Mpa，增壓及增壓中冷柴油機在10-13 Mpa，有的甚至還要高。工作中氣門不僅承受著高頻沖擊、交變的拉壓及熱應力的作用，還承受著高溫腐蝕和高速燃氣的沖刷。在此惡劣的工作環(huán)境下，個別氣門發(fā)生失效。輕者需修理，重者要更換整機。不僅嚴重地損害了用戶的利益，也給制造廠帶來經濟和信譽上的損失。因此，引起柴油機生產廠的嚴重關注。

二、失效的設計原因

氣門設計一般取決于預先設定的工作環(huán)境和大量生產的效果成本比（價值工程）。這些年來，柴油機廠通過加大排量、提高轉速、增壓和增壓中冷等手段，不斷地對柴油機強化。作為較普遍采用的菌形氣門，其工作溫度隨燃燒效率、排溫和冷卻系統(tǒng)的有效性而變化，爆壓和開啟、落座速度決定著其相關應力。柴油機的強化使氣門的熱負荷和機械負荷大幅度提高，腐蝕影響增大，致使某些方面超出原設定范圍，出現了隨著柴油機的強化氣門的失效率相應升高的現象。可以說某些柴油機強化而未在設計上對氣門做相應的改進是氣門失效的一個原因。

三、氣門的設計改進

（一）原材料的選擇

當前，大部分車用柴油機的進氣門的材料是馬氏體鋼的4Cr10Si2Mo，隨著溫度的提高和機械負荷的增大，氧化和塑性變形成為問題時，就要選用更高合金的馬氏體鋼，甚至奧氏體鋼。而要顯著提高抗沖擊性就要采用錐面堆焊。

排氣門材料一般用奧氏體鋼或超耐熱鋼。奧氏體鋼氣門一般可承受700-760℃，瞬態(tài)可達815-850℃的高溫。長期以來我國車用柴油機排氣門基本上都是用的21—4N。從熱性能講，21—4N可以滿足當前柴油機強化程度的要求。但21—4N是為汽油機設計耐鉛腐蝕的一種材料，而21—12N和23—8N是為柴油機設計的材料，能耐V2O5和硫酸鹽腐蝕。23—8N和21—12N相比，雖然屈服強度稍低，但延伸率、抗拉彎強度和抗氧化耐硫腐蝕性提高。考慮我國柴油含硫量高，在失效分析中往往提到腐蝕問題，建議排氣門材料最好選用23—8N。超耐熱合金鋼的工作溫度可達870-900℃，其疲勞強度和耐腐蝕性要超過奧氏體鋼。奧氏體鋼價格較高，超耐熱合金鋼價格更高。為降低成本，也便于氣門桿端部的淬火，考慮國內各氣門生產廠的摩擦焊工藝已過關，建議氣門桿部采用40Cr、4Cr9Si2或4Cr10Si2Mo等材料與氣門頭部對焊。但焊接的氣門桿在氣門最大升程時也不得露出氣門導管，避免燃氣腐蝕侵害。

（二）氣門的結構設計

進、排氣門頭部尺寸及其比例、桿部直徑和總長度是根據柴油機總體設計而確定的。一般進、排氣門頭部直徑比例為1：0.7—0.9，增壓機可接近于1：1，桿部直徑與進氣門頭部直徑比為1：5.5—6.0，相關件氣門導管的長度約為桿直徑的7倍左右。柴油機強化后在可能和必要的情況下應做合理調整，但一般很難做較大改動。起碼不做諸如將桿徑減小的削弱強度的更改設計，以免帶來新的隱患。

1、氣門頭部

氣門頭部的設計十分重要。頸部形狀對氣流影響最大，桿與頸部過渡處對氣流也有影響。頭部設計既要使之較好實現換氣功能，又要兼顧可靠性和耐久性好的設計，為有效地改善氣體流動，在進氣門錐面與頸部角之間設計出副座角（或稱后角）。不合理的設計，在第二熱節(jié)點處可能會因屈服強度而產生縮頸或斷裂；錐面強度不足，在過高的負荷下可能會因磨損而產生斷裂，因變形漏氣而燒損。為使氣門能承受更高的爆壓而增加盤厚使氣門總質量增大，將帶來落座沖擊力和熱容量增大，產生對磨損不利等問題；為減少沖擊力引發(fā)的失效而減輕氣門質量，又可能帶來強度等問題。這些往往是互相矛盾的。改進的實施應根據失效分析抓住主要矛盾。桿和頸部的過渡區(qū)往往是機械應力和熱應力均高的部位，不僅要求各處應力分布均勻，而且要求材料有足夠的機械強度和延伸率；而排氣門此處受排氣沖擊，對腐蝕和疲勞非常敏感，一般設計成錐形。

2、氣門錐面角度

我國車用柴油機的原始設計基本上都是自然吸氣式，為兼顧密封和磨損，一般均采用90°錐面角。增壓及柴油機改成燃燒CNG、LPG氣體燃料發(fā)動機后，錐角一般要改成120°，甚至140—150°。如果進氣門磨損嚴重，這種錐角的改動是最簡單又經濟的辦法。但要注意改動后對氣門清除配合錐面上的積碳的能力的影響，要采取措施予以彌補。

3、氣門桿及相關件

氣門桿部的失效主要有桿斷、端部焊片脫落、端面裂紋蹦落、掉塊等。桿斷主要發(fā)生在氣道側距導管端面2mm—5mm處和鎖夾槽處。前者是彎曲應力所致，可同時觀察到氣門桿的偏磨痕跡，有的還可看到導管口處的破損。而鎖夾槽處則可觀察到微振磨損或尖角應力引起疲勞斷裂的形貌。有的機型此處失效率很高。

氣門桿及相關件的設計，不僅要搞好單件設計，還要保證鎖夾槽、鎖夾及彈簧座的協(xié)調一致、受力合理。早期設計的氣門桿上往往帶有積碳槽，不僅減弱了強度，還可能在過渡處產生尖角應力。在氣門密封解決的今天，應研究其是否還有保留的必要，有的機型已取消。還有的機型氣門導管端距氣門頭部的尺寸偏大，氣門桿又細，對承受彎曲應力十分不利。鎖夾槽和鎖夾的設計很講究。單圓弧式可適用于任何氣門，采用14°15′和10°包容角為保證氣門、鎖夾和彈簧座組合在一起提供了足夠的夾緊力，鎖夾槽和鎖夾凸凹緣之間在設計上要留有徑向間隙。雙道圓弧槽一般用于大于等于9mm桿徑，包容角14°15′。此結構圓弧處缺口敏感較低，且兩槽能產生附加剪切力。多道圓弧槽式是靠桿與鎖夾的凹凸緣之間的接觸來支撐氣門，因此不僅要求凹凸緣的形狀有盡量大的接觸面積，而且要求接觸面有足夠的硬度以保證耐磨。以往因擔心鎖夾槽處淬透而發(fā)生脆斷，有的設計硬度要求偏低，鎖夾槽淬火機床的應用免除了設計人員的這一擔憂。多道鎖夾槽式使氣門處于旋轉自由狀態(tài)，利于氣門旋轉。

4、配氣驅動機構

配氣機構的設計參數、驅動機械的幾何位置和動力性能都可能使氣門的應力增大，成為失效的原因。同時，驅動機構零件的失效還可能造成氣門產生關聯(lián)失效。在失效分析中，經常發(fā)現氣門失效與挺柱和（或）凸輪磨損相伴隨的現象。一些機型在失效分析中提出氣門彈簧力過大問題，有的甚至提出挺柱接觸應力超出許可范圍，這些必將對挺柱和凸輪軸的磨損產生影響，進而波及到氣門。

氣門旋轉可消除氣門和座配合錐面上的積碳，這對錐角加大后尤為重要。同時，氣門旋轉還會使氣門磨損和受熱均勻，改善座的傳熱，也有利于桿的均勻磨損。

實踐表明，根據失效分析，通過對諸如凸輪型線、凸輪錐角與挺柱球面的合理匹配、凸輪軸剛度、挺柱的技術要求、彈簧力的調整、搖臂相對氣門位置的要求、搖臂R和氣門桿端粗糙度提高等改進，使氣門的失效率下降或某種失效模式得到解決。

參考文獻

[1] 萬辛，林大淵.內燃機設計.天津：天津大學出版社，1998.