閥橋?qū)е鶖嗔言蚍治?/h1>
2014-04-29 00:44:03付雨霞江秋紅李寧
廣東造船 2014年6期
付雨霞 江秋紅 李寧
摘 要：本文對(duì)閥橋?qū)е鶖嗔训脑蜻M(jìn)行了分析和計(jì)算，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)柱材料疲勞強(qiáng)度低以及前后排氣閥存在溫差，使閥橋單邊產(chǎn)生彎矩， 進(jìn)而使得導(dǎo)柱疲勞斷裂。通過改進(jìn)導(dǎo)柱材料，提高抗疲勞強(qiáng)度，有效解決了這一問題。
關(guān)鍵詞：閥橋?qū)е黄趶?qiáng)度； 疲勞斷裂
中圖分類號(hào)：U672.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
1 前言
2009年，某型號(hào)柴油機(jī)在使用和臺(tái)架試驗(yàn)期間不斷出現(xiàn)閥橋?qū)е鶖嗔咽鹿?，?jīng)檢查發(fā)現(xiàn)是搖臂鑄造尺寸偏大，工作時(shí)撞擊閥橋，閥橋?qū)е軓澢饔贸霈F(xiàn)疲勞斷裂（見圖1、圖2）。經(jīng)在閥橋被碰撞部位倒角避讓碰撞后，閥橋?qū)е鶖嗔熏F(xiàn)象基本消除。
然而，最近在使用中又連續(xù)出現(xiàn)多起閥橋?qū)е鶖嗔咽鹿?，?jīng)檢查閥橋都是削去避讓倒角的，沒有碰撞痕跡，因此，導(dǎo)致閥橋斷裂必然另有原因。
2 閥橋?qū)е鶖嗔言蚍治?/p>
分析閥橋?qū)е鶖嗔亚闆r，有如下主要特征：
（1）斷裂的幾乎全部是排氣閥導(dǎo)柱（只有一支進(jìn)氣閥導(dǎo)柱）；
（2） 導(dǎo)柱斷裂方向相同，均為由機(jī)體排氣側(cè)向操縱側(cè)斷裂，即由后排氣閥向前排氣閥方向斷裂。
由此，我們從排氣閥導(dǎo)柱和進(jìn)氣閥導(dǎo)柱的差異入手，包括零件差異和工作環(huán)境狀況的差異，找出其中能夠引起導(dǎo)柱斷裂的因素。與導(dǎo)柱有關(guān)聯(lián)的零件，如氣閥、氣閥彈簧、閥橋、導(dǎo)柱、氣閥座等，進(jìn)、排氣閥都一樣，不存在差異。
從工作狀態(tài)看，一邊是進(jìn)氣，溫度、壓力較低；一邊是排氣，溫度、壓力高；從氣道和氣閥的布置看，氣閥是串聯(lián)布置（見圖3），一前一后。這種布置使得后面的氣閥受氣流沖擊次數(shù)多、時(shí)間長(zhǎng)，工作溫度必然較高，即工作時(shí)后進(jìn)氣閥溫度比前進(jìn)氣閥高。
圖3 氣道和氣閥布置圖
在柴油機(jī)工作中，由于氣閥溫度不同，膨脹量不同，導(dǎo)致氣閥開啟時(shí)間不統(tǒng)一，就有可能導(dǎo)致氣閥受力不同而影響到閥橋的工作平衡。為此，進(jìn)行了氣閥工作溫度的測(cè)量。
柴油機(jī)額定工況運(yùn)行1小時(shí)達(dá)到熱平衡穩(wěn)定后，停機(jī)迅速打開氣缸蓋，用紅外線測(cè)溫計(jì)測(cè)量各支氣閥端部的溫度，發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣閥溫度基本無差別， 而排氣閥溫度則有差異，如表1所列：
表1 前、后排氣閥溫差表
3 閥橋?qū)е芰Ψ治鲇?jì)算
前后兩支排氣閥的工作溫度不同，后排氣閥受兩股高溫排氣作用，閥體溫度較高，膨脹量較大，這樣，工作時(shí)就會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)排氣閥打開不同步，后排氣閥總是提前打開。在后排氣閥打開瞬間，氣缸壓力作用在閥盤底面，通過氣閥作用在閥橋上，使閥橋單邊受力不平衡而產(chǎn)生彎矩，彎矩作用在導(dǎo)柱上。下面對(duì)導(dǎo)柱的受力進(jìn)行分析。
3.1 氣閥受力分析
排氣閥打開時(shí)受到的作用力有缸內(nèi)氣體作用力（F1）、氣閥彈簧力（F2）、氣閥慣性力（F3）、閥橋頂頭作用力（F4）、搖臂頂頭作用力（F5）以及彎矩M作用，如圖4、圖5、圖6所示。
圖4 氣閥受力分析
圖5 氣閥受力分析
圖6 氣閥受力分析
其中：缸內(nèi)氣體作用力 F1=Pg×S閥
閥橋頂頭作用力 F4= F1 + F2 + F3
搖臂頂頭作用力 F5= F4
氣閥關(guān)閉狀態(tài)下內(nèi)、外彈簧合力 F2=2 106 N
按推進(jìn)特性測(cè)量氣缸壓力，查得排氣閥在曲軸轉(zhuǎn)角480°、CA打開瞬間的氣缸壓力如表2所示。
表2 氣缸壓力表
3.2 氣閥受力計(jì)算
氣閥受力計(jì)算值，如表3所列。
表3 氣閥受力計(jì)算值
3.3 閥橋?qū)е鶓?yīng)力計(jì)算
閥橋?qū)е鶓?yīng)力計(jì)算值，如表4所列。
閥橋?qū)U彎矩 M= F4×L
導(dǎo)桿受壓力 F5= F4
閥橋?qū)еぷ鲬?yīng)力：
σ= + （1）
表4 閥橋?qū)е鶓?yīng)力計(jì)算值
注：表中σa=σmax
3.4 閥橋?qū)е趶?qiáng)度計(jì)算
閥橋?qū)е踩禂?shù)計(jì)算值，如表5所列。
閥橋?qū)е牧蠟?5#鋼
材料抗拉強(qiáng)度 σb=597 MPa
屈服強(qiáng)度 σs=352 MPa
持久極限 σ-1≈0.27（σb+σs）×1.4
材料常數(shù) φ=01～0.2， 取0.15
表面質(zhì)量因數(shù) β=0.928
尺寸系數(shù) εa=0.895
應(yīng)力集中因數(shù) K=1
安全系數(shù)：
n= ≥ [n] （2）
表5 閥橋?qū)е煌?fù)荷時(shí)安全系數(shù)計(jì)算值
由此可知，閥橋?qū)е诔^25%負(fù)荷后是不安全的。
4 閥橋?qū)е倪M(jìn)方案
4.1 加大導(dǎo)柱直徑
加大導(dǎo)柱直徑可以有效提高導(dǎo)柱的疲勞強(qiáng)度，見表6。但由于45#鋼的質(zhì)量不穩(wěn)定，金相組織評(píng)定級(jí)別6級(jí)，為回火索氏體+托氏體+條狀及較大塊狀鐵素體，因此加大直徑仍有一定風(fēng)險(xiǎn)，且氣缸蓋也失去了通用性。
表6 安全系數(shù)隨導(dǎo)柱直徑加大而提高
4.2 更換導(dǎo)柱材料為42CrMoA
更換導(dǎo)柱材料為42CrMoA后，安全系數(shù)n如表7所列。
導(dǎo)柱材料為42CrMoA：
材料抗拉強(qiáng)度 σb=1 080 MPa
屈服強(qiáng)度 σs=930MPa
持久極限 σ-1≈0.27（σb+σs） ×1.4
材料常數(shù) φ=0.2～0.3，取0.2，
表面質(zhì)量因數(shù) β=0.80
尺寸系數(shù) εa=0.80
應(yīng)力集中因數(shù) K=1.0
表7 的安導(dǎo)柱材料為42CrMoA的全系數(shù)
由此可知，材料改為42CrMoA，在100%負(fù)荷導(dǎo)柱安全系數(shù)仍滿足要求。
通過以上實(shí)機(jī)測(cè)試和分析計(jì)算，得到如下結(jié)論：
（1）柴油機(jī)工作時(shí)，同一缸兩個(gè)前后排氣閥存在溫差，后排氣閥溫度偏高；
（2）閥橋?qū)е鶖嗔逊较蛴膳艢鈧?cè)指向操縱側(cè)，與后排氣閥溫度偏高、前排氣閥溫度低方向一致；
（3）在排氣閥存在溫差、后排氣閥首先打開的情況下，閥橋?qū)е苊}動(dòng)彎矩作用，疲勞強(qiáng)度偏低，若采用45#鋼在25%以上工況安全系數(shù)均小于許用值，導(dǎo)柱存在疲勞破壞可能性。
5 改進(jìn)措施
（1）導(dǎo)柱材料由45#鋼改為42CrMoA，提高疲勞強(qiáng)度；
（2）導(dǎo)柱外圓不分兩極，尺寸統(tǒng)一為φ30s6（），簡(jiǎn)化加工工藝，同時(shí)也保持前后零件的互換性；
（3）閥橋?qū)Э壮叽绻钕鄳?yīng)調(diào)整。
6 結(jié)束語
該型柴油機(jī)投入使用以后，陸續(xù)出現(xiàn)閥橋?qū)е鶖嗔咽鹿?，其中有搖臂形狀尺寸偏差撞擊閥橋?qū)е碌?，也有閥橋調(diào)節(jié)螺柱材料質(zhì)量問題導(dǎo)致的，這些通過嚴(yán)格控制零件尺寸和材質(zhì)得到了有效控制。
之后，仍有導(dǎo)柱斷裂情況，為此進(jìn)行了更深入的分析，找到了引起導(dǎo)柱斷裂的潛在原因：一是導(dǎo)柱材料疲勞強(qiáng)度低；二是前后排氣閥存在溫差，閥橋?qū)е苊}動(dòng)彎矩反復(fù)作用下出現(xiàn)疲勞斷裂。將導(dǎo)柱材料改為42CrMoA后，大大提高疲勞了強(qiáng)度，有效解決了導(dǎo)柱疲勞斷裂問題。
付雨霞 江秋紅 李寧
摘 要：本文對(duì)閥橋?qū)е鶖嗔训脑蜻M(jìn)行了分析和計(jì)算，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)柱材料疲勞強(qiáng)度低以及前后排氣閥存在溫差，使閥橋單邊產(chǎn)生彎矩， 進(jìn)而使得導(dǎo)柱疲勞斷裂。通過改進(jìn)導(dǎo)柱材料，提高抗疲勞強(qiáng)度，有效解決了這一問題。
關(guān)鍵詞：閥橋?qū)е黄趶?qiáng)度； 疲勞斷裂
中圖分類號(hào)：U672.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
1 前言
2009年，某型號(hào)柴油機(jī)在使用和臺(tái)架試驗(yàn)期間不斷出現(xiàn)閥橋?qū)е鶖嗔咽鹿?，?jīng)檢查發(fā)現(xiàn)是搖臂鑄造尺寸偏大，工作時(shí)撞擊閥橋，閥橋?qū)е軓澢饔贸霈F(xiàn)疲勞斷裂（見圖1、圖2）。經(jīng)在閥橋被碰撞部位倒角避讓碰撞后，閥橋?qū)е鶖嗔熏F(xiàn)象基本消除。
然而，最近在使用中又連續(xù)出現(xiàn)多起閥橋?qū)е鶖嗔咽鹿?，?jīng)檢查閥橋都是削去避讓倒角的，沒有碰撞痕跡，因此，導(dǎo)致閥橋斷裂必然另有原因。
2 閥橋?qū)е鶖嗔言蚍治?/p>
分析閥橋?qū)е鶖嗔亚闆r，有如下主要特征：
（1）斷裂的幾乎全部是排氣閥導(dǎo)柱（只有一支進(jìn)氣閥導(dǎo)柱）；
（2） 導(dǎo)柱斷裂方向相同，均為由機(jī)體排氣側(cè)向操縱側(cè)斷裂，即由后排氣閥向前排氣閥方向斷裂。
由此，我們從排氣閥導(dǎo)柱和進(jìn)氣閥導(dǎo)柱的差異入手，包括零件差異和工作環(huán)境狀況的差異，找出其中能夠引起導(dǎo)柱斷裂的因素。與導(dǎo)柱有關(guān)聯(lián)的零件，如氣閥、氣閥彈簧、閥橋、導(dǎo)柱、氣閥座等，進(jìn)、排氣閥都一樣，不存在差異。
從工作狀態(tài)看，一邊是進(jìn)氣，溫度、壓力較低；一邊是排氣，溫度、壓力高；從氣道和氣閥的布置看，氣閥是串聯(lián)布置（見圖3），一前一后。這種布置使得后面的氣閥受氣流沖擊次數(shù)多、時(shí)間長(zhǎng)，工作溫度必然較高，即工作時(shí)后進(jìn)氣閥溫度比前進(jìn)氣閥高。
圖3 氣道和氣閥布置圖
在柴油機(jī)工作中，由于氣閥溫度不同，膨脹量不同，導(dǎo)致氣閥開啟時(shí)間不統(tǒng)一，就有可能導(dǎo)致氣閥受力不同而影響到閥橋的工作平衡。為此，進(jìn)行了氣閥工作溫度的測(cè)量。
柴油機(jī)額定工況運(yùn)行1小時(shí)達(dá)到熱平衡穩(wěn)定后，停機(jī)迅速打開氣缸蓋，用紅外線測(cè)溫計(jì)測(cè)量各支氣閥端部的溫度，發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣閥溫度基本無差別， 而排氣閥溫度則有差異，如表1所列：
表1 前、后排氣閥溫差表
3 閥橋?qū)е芰Ψ治鲇?jì)算
前后兩支排氣閥的工作溫度不同，后排氣閥受兩股高溫排氣作用，閥體溫度較高，膨脹量較大，這樣，工作時(shí)就會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)排氣閥打開不同步，后排氣閥總是提前打開。在后排氣閥打開瞬間，氣缸壓力作用在閥盤底面，通過氣閥作用在閥橋上，使閥橋單邊受力不平衡而產(chǎn)生彎矩，彎矩作用在導(dǎo)柱上。下面對(duì)導(dǎo)柱的受力進(jìn)行分析。
3.1 氣閥受力分析
排氣閥打開時(shí)受到的作用力有缸內(nèi)氣體作用力（F1）、氣閥彈簧力（F2）、氣閥慣性力（F3）、閥橋頂頭作用力（F4）、搖臂頂頭作用力（F5）以及彎矩M作用，如圖4、圖5、圖6所示。
圖4 氣閥受力分析
圖5 氣閥受力分析
圖6 氣閥受力分析
其中：缸內(nèi)氣體作用力 F1=Pg×S閥
閥橋頂頭作用力 F4= F1 + F2 + F3
搖臂頂頭作用力 F5= F4
氣閥關(guān)閉狀態(tài)下內(nèi)、外彈簧合力 F2=2 106 N
按推進(jìn)特性測(cè)量氣缸壓力，查得排氣閥在曲軸轉(zhuǎn)角480°、CA打開瞬間的氣缸壓力如表2所示。
表2 氣缸壓力表
3.2 氣閥受力計(jì)算
氣閥受力計(jì)算值，如表3所列。
表3 氣閥受力計(jì)算值
3.3 閥橋?qū)е鶓?yīng)力計(jì)算
閥橋?qū)е鶓?yīng)力計(jì)算值，如表4所列。
閥橋?qū)U彎矩 M= F4×L
導(dǎo)桿受壓力 F5= F4
閥橋?qū)еぷ鲬?yīng)力：
σ= + （1）
表4 閥橋?qū)е鶓?yīng)力計(jì)算值
注：表中σa=σmax
3.4 閥橋?qū)е趶?qiáng)度計(jì)算
閥橋?qū)е踩禂?shù)計(jì)算值，如表5所列。
閥橋?qū)е牧蠟?5#鋼
材料抗拉強(qiáng)度 σb=597 MPa
屈服強(qiáng)度 σs=352 MPa
持久極限 σ-1≈0.27（σb+σs）×1.4
材料常數(shù) φ=01～0.2， 取0.15
表面質(zhì)量因數(shù) β=0.928
尺寸系數(shù) εa=0.895
應(yīng)力集中因數(shù) K=1
安全系數(shù)：
n= ≥ [n] （2）
表5 閥橋?qū)е煌?fù)荷時(shí)安全系數(shù)計(jì)算值
由此可知，閥橋?qū)е诔^25%負(fù)荷后是不安全的。
4 閥橋?qū)е倪M(jìn)方案
4.1 加大導(dǎo)柱直徑
加大導(dǎo)柱直徑可以有效提高導(dǎo)柱的疲勞強(qiáng)度，見表6。但由于45#鋼的質(zhì)量不穩(wěn)定，金相組織評(píng)定級(jí)別6級(jí)，為回火索氏體+托氏體+條狀及較大塊狀鐵素體，因此加大直徑仍有一定風(fēng)險(xiǎn)，且氣缸蓋也失去了通用性。
表6 安全系數(shù)隨導(dǎo)柱直徑加大而提高
4.2 更換導(dǎo)柱材料為42CrMoA
更換導(dǎo)柱材料為42CrMoA后，安全系數(shù)n如表7所列。
導(dǎo)柱材料為42CrMoA：
材料抗拉強(qiáng)度 σb=1 080 MPa
屈服強(qiáng)度 σs=930MPa
持久極限 σ-1≈0.27（σb+σs） ×1.4
材料常數(shù) φ=0.2～0.3，取0.2，
表面質(zhì)量因數(shù) β=0.80
尺寸系數(shù) εa=0.80
應(yīng)力集中因數(shù) K=1.0
表7 的安導(dǎo)柱材料為42CrMoA的全系數(shù)
由此可知，材料改為42CrMoA，在100%負(fù)荷導(dǎo)柱安全系數(shù)仍滿足要求。
通過以上實(shí)機(jī)測(cè)試和分析計(jì)算，得到如下結(jié)論：
（1）柴油機(jī)工作時(shí)，同一缸兩個(gè)前后排氣閥存在溫差，后排氣閥溫度偏高；
（2）閥橋?qū)е鶖嗔逊较蛴膳艢鈧?cè)指向操縱側(cè)，與后排氣閥溫度偏高、前排氣閥溫度低方向一致；
（3）在排氣閥存在溫差、后排氣閥首先打開的情況下，閥橋?qū)е苊}動(dòng)彎矩作用，疲勞強(qiáng)度偏低，若采用45#鋼在25%以上工況安全系數(shù)均小于許用值，導(dǎo)柱存在疲勞破壞可能性。
5 改進(jìn)措施
（1）導(dǎo)柱材料由45#鋼改為42CrMoA，提高疲勞強(qiáng)度；
（2）導(dǎo)柱外圓不分兩極，尺寸統(tǒng)一為φ30s6（），簡(jiǎn)化加工工藝，同時(shí)也保持前后零件的互換性；
（3）閥橋?qū)Э壮叽绻钕鄳?yīng)調(diào)整。
6 結(jié)束語
該型柴油機(jī)投入使用以后，陸續(xù)出現(xiàn)閥橋?qū)е鶖嗔咽鹿?，其中有搖臂形狀尺寸偏差撞擊閥橋?qū)е碌?，也有閥橋調(diào)節(jié)螺柱材料質(zhì)量問題導(dǎo)致的，這些通過嚴(yán)格控制零件尺寸和材質(zhì)得到了有效控制。
之后，仍有導(dǎo)柱斷裂情況，為此進(jìn)行了更深入的分析，找到了引起導(dǎo)柱斷裂的潛在原因：一是導(dǎo)柱材料疲勞強(qiáng)度低；二是前后排氣閥存在溫差，閥橋?qū)е苊}動(dòng)彎矩反復(fù)作用下出現(xiàn)疲勞斷裂。將導(dǎo)柱材料改為42CrMoA后，大大提高疲勞了強(qiáng)度，有效解決了導(dǎo)柱疲勞斷裂問題。
