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(shí)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(shí)，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(shí)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(dòng)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(gè)。

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(dòng)時(shí)產(chǎn)生的異常橫向抖動(dòng)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(dòng)，形成較大的橫向擺動(dòng)，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(dòng)。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(dòng)力學(xué)仿真計(jì)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(huì)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(shí)，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。