熊小龍，陳士閣

(1.海軍駐興平地區(qū)軍事代表室,陜西 興平 713105；2.陜西柴油機(jī)重工有限公司，陜西 興平 713105)

技術(shù)交流

某型柴油機(jī)汽缸蓋排氣閥閥座異常磨損原因分析

熊小龍1，陳士閣2

(1.海軍駐興平地區(qū)軍事代表室,陜西 興平 713105；2.陜西柴油機(jī)重工有限公司，陜西 興平 713105)

針對(duì)某型柴油機(jī)汽缸蓋排氣閥閥座的異常磨損現(xiàn)象，根據(jù)初步原因分析，制定方案進(jìn)行排查，檢查結(jié)果及驗(yàn)證表明：缸蓋材料組織不均勻，局部鐵素體含量過(guò)高是其閥座異常磨損的直接原因。最終，通過(guò)采取繼續(xù)嚴(yán)格按照固化后的“某型機(jī)缸蓋作業(yè)指導(dǎo)書(shū)”的要求進(jìn)行操作，密切監(jiān)控落砂時(shí)間和落砂后缸蓋的放置狀態(tài)，確保澆注后間隔固定時(shí)間落砂，落砂后燃燒面朝上，缸蓋之間避免互相擠壓等措施，保證了缸蓋的可靠性。

柴油機(jī)；缸蓋；排氣閥；鐵素體

汽缸蓋的主要作用是密封汽缸，其上通常安裝有噴油器，進(jìn)、排氣閥，安全閥等，其內(nèi)部有進(jìn)、排氣道，冷卻水腔等，這些因素使缸蓋成為結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的柴油機(jī)零部件之一[1]。

缸蓋受到高溫高壓燃?xì)獾淖饔煤吐菟A(yù)緊力的作用，使之產(chǎn)生壓縮應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和熱應(yīng)力。所以要求缸蓋有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證其可靠的工作。而缸蓋的進(jìn)、排氣閥閥座又是其本體上最易磨損的部位。文中就某型機(jī)排氣閥閥座異常磨損現(xiàn)象做了詳細(xì)分析，并提出改進(jìn)措施。

1 故障現(xiàn)象

某型柴油機(jī)交貨試驗(yàn)后，B1、B4、B6、B94個(gè)缸排氣閥間隙異常，B1缸1個(gè)排氣閥間隙為0，B6缸2個(gè)排氣閥間隙為0，B4缸1個(gè)排氣閥間隙為0.20 mm，B9缸1個(gè)排氣閥間隙為0.05 mm，遠(yuǎn)低于要求的間隙0.50 mm。檢查發(fā)現(xiàn)，B1、B4、B6、B94個(gè)缸蓋排氣閥閥座異常磨損，磨損情況見(jiàn)表1。

2 初步原因分析

引發(fā)排氣閥座磨損的可能原因如下。

1)閥座冷卻不良，高溫下閥座耐磨性降低：與此有關(guān)的主要零件有缸蓋，機(jī)身至缸蓋的冷卻水道。

2)氣閥落座潤(rùn)滑緩沖不良：與此有關(guān)的主要零件有排氣搖臂，氣閥間隙調(diào)節(jié)螺釘，轉(zhuǎn)閥機(jī)構(gòu)，缸蓋至氣閥的潤(rùn)滑油道。

3)落閥沖擊力過(guò)大：與此有關(guān)的主要零件有氣閥彈簧，排氣閥彈簧座，氣閥挺桿，氣閥卡塊，排氣閥，缸蓋閥座，排氣閥導(dǎo)管，排氣凸輪。

4)排氣閥硬度過(guò)高。

5)缸蓋閥座材料耐磨性差。

3 排查方案

根據(jù)上述分析，確定B1、B4、B6、B94個(gè)缸的拆檢項(xiàng)目如下。

1)機(jī)身與缸蓋連接處冷卻水道是否通暢。

2)缸蓋冷卻水流量，要求冷卻水壓力為0.15～0.20 MPa，流量在30 s內(nèi)小于20.50 kg。

3)解剖B1、B6缸蓋，檢查在閥座處的冷卻水腔尺寸。

4)檢查搖臂軸的油孔尺寸、位置。

6)貼合檢查搖臂座與缸蓋的滑油道對(duì)接位置。

8)氣閥卡塊安裝配對(duì)情況，目測(cè)外觀。

9)氣閥內(nèi)外彈簧剛度及自由長(zhǎng)度。

10)檢查挺桿長(zhǎng)度及球頭外觀。

11)閥座與排氣閥貼合。

12)H55-074(D(17±0.009)mm)塞規(guī)測(cè)量排氣閥導(dǎo)管孔與閥座同軸度和閥面貼合。

13)B排凸輪軸所有排氣凸輪型線。

14)轉(zhuǎn)閥機(jī)構(gòu)的靈活性和排氣閥彈簧座的全部尺寸。

15)檢測(cè)閥座磨損缸蓋的金相組織、化學(xué)成分和硬度，并在B1、B6缸蓋上取樣檢查抗拉強(qiáng)度。

4 檢查結(jié)果及驗(yàn)證

根據(jù)上述方案進(jìn)行檢查，結(jié)果如下。

4.1零部件拆檢情況

1)缸蓋冷卻水水道通暢，流量滿足圖紙要求。

2)測(cè)量排氣閥導(dǎo)管孔及其與貼合面的同軸度滿足圖紙要求，貼合面與排氣閥貼合不斷線。

3)搖臂軸的油孔尺寸、位置符合圖紙要求。

6)除B4缸1個(gè)排氣閥內(nèi)彈簧檢驗(yàn)力矩超差1.6 N·m和1個(gè)進(jìn)氣閥內(nèi)彈簧的檢驗(yàn)力矩超差0.6 N·m外，其余氣閥彈簧剛度及自由長(zhǎng)度均滿足圖紙要求。

7)所有挺桿長(zhǎng)度合格，球頭外觀無(wú)異常。

8)轉(zhuǎn)閥機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，氣閥卡塊安裝配對(duì)正確，外觀無(wú)異常。

9)排氣閥彈簧座尺寸符合技術(shù)要求。

10)磨損閥座對(duì)應(yīng)排氣閥的錐角、卡塊安裝處尺寸及總長(zhǎng)合格。

11)復(fù)查凸輪軸所有排氣閥對(duì)應(yīng)的凸輪型線記錄，型線全部合格。

可以看出，除B4缸1個(gè)排氣閥和1個(gè)進(jìn)氣閥的內(nèi)彈簧檢驗(yàn)力矩略高(最高超出1.6 N·m)外，其余零部件均合格。氣閥彈簧剛度超差可能由于測(cè)量誤差導(dǎo)致，另一方面，氣閥彈簧剛度增加，氣閥與氣閥傳動(dòng)機(jī)構(gòu)緊緊貼合，氣閥落閥速度僅與凸輪型線有關(guān)，不會(huì)異常增加而增加落閥沖擊力，因此不會(huì)導(dǎo)致閥座異常磨損。

4.2缸蓋解剖情況

對(duì)磨損的4個(gè)缸蓋進(jìn)行解剖，檢測(cè)結(jié)果如下。

經(jīng)查這4件缸蓋分別對(duì)應(yīng)在3爐澆注，具體見(jiàn)表2。

表2 缸號(hào)對(duì)應(yīng)爐號(hào)

檢測(cè)磨損缸蓋的表面硬度，并對(duì)B1、B6、B4、B9缸缸蓋進(jìn)行本體解剖(見(jiàn)圖1)，進(jìn)行硬度、抗拉強(qiáng)度、金相及化學(xué)成分分析，結(jié)果如下。

4.2.1 入庫(kù)時(shí)該批缸蓋質(zhì)量排查

圖1 檢測(cè)位置示意圖

1)化學(xué)成分如表3所示。

表3 入庫(kù)時(shí)化學(xué)成分 %

2)機(jī)械性能及金相如表4所示。

表4 入庫(kù)時(shí)機(jī)械性能及金相

4.2.2 解剖前硬度測(cè)量

解剖之前，對(duì)缸蓋燃燒面進(jìn)行硬度檢測(cè)，具體檢測(cè)位置見(jiàn)圖1,測(cè)量值如表5所示。

表5 解剖前機(jī)械性能

4.2.3 解剖排查

對(duì)磨損缸蓋B1、B6號(hào)進(jìn)行了本體解剖(見(jiàn)圖2)。

圖2 解剖位置示意圖

對(duì)2個(gè)排氣閥部位分別做了硬度、金相及組織分析，具體結(jié)果如下。

其中，試樣1做金相組織及布氏硬度檢測(cè)；試樣2做化學(xué)成分、抗拉強(qiáng)度性能檢測(cè)。

1)硬度分析。缸蓋解剖后對(duì)試樣1即排氣閥鼻梁端面處進(jìn)行了硬度檢測(cè)。具體測(cè)量位置如圖3所示，測(cè)量值如表6所示。

圖3 硬度測(cè)量點(diǎn)示意圖

2)金相組織分析。對(duì)試樣1進(jìn)行了金相組織分析，具體測(cè)量位置如圖4所示，結(jié)果如表7所示。

圖4 測(cè)量位置示意圖

解剖件號(hào)位置石墨形態(tài)基體1404-46M1A5珠光體+少量碳化物+鐵素體lt;1%M2A4-5珠光體+鐵素體lt;1%M3A4-5珠光體+25%鐵素體1404-62M1A5珠光體+少量碳化物+鐵素體lt;1%M2A4-5珠光體+鐵素體lt;1%M3A4-5珠光體+15%鐵素體1404-59M1A5珠光體+少量碳化物+鐵素體lt;1%M2A5珠光體+少量碳化物+鐵素體lt;1%M3A4-5珠光體+8%鐵素體

續(xù)表7 試樣1金相組織測(cè)量結(jié)果

3)化學(xué)成分分析。對(duì)試樣2進(jìn)行了化學(xué)成分分析，具體結(jié)果如表8所示。

表8 試樣2化學(xué)成分 %

4)抗拉強(qiáng)度。對(duì)試樣2進(jìn)行了抗拉性能檢測(cè)，具體結(jié)果如表9所示。

表9 試樣2抗拉強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

結(jié)果表明，材料成分、抗拉強(qiáng)度、硬度滿足技術(shù)文件要求。存在問(wèn)題是側(cè)面硬度偏低，接近200 HB的下限；排氣閥座冷卻水腔附近金相組織的鐵素體含量異常。

4.3綜合分析

綜上所述，氣閥、搖臂、彈簧等相關(guān)零部件符合要求，可以排除其是異常磨損的原因。從缸蓋的解剖結(jié)果來(lái)看，排氣閥座附近鐵素體含量異常，組織分布不均勻，致使局部強(qiáng)度和硬度偏低，耐磨性降低，柴油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，氣閥拍擊閥座，導(dǎo)致閥座異常磨損。

4.4試驗(yàn)驗(yàn)證

更換閥座磨損的B1、B4、B6、B9缸蓋總成，包括氣閥、氣閥彈簧、彈簧座、搖臂總成和挺桿，按要求重新調(diào)整所有進(jìn)排氣閥間隙，柴油機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)工況如下。

1)轉(zhuǎn)速為1 455 r/min，負(fù)荷為100%，運(yùn)行2.5 h。

2)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min工況，負(fù)荷為110%，運(yùn)行30 min。

3)正常停車(chē)，冷車(chē)狀態(tài)下測(cè)量所有進(jìn)排氣閥間隙。

試驗(yàn)后氣閥間隙檢查顯示，所有氣閥間隙符合要求，缸蓋正常。

5 結(jié)論

缸蓋材料組織不均勻，局部鐵素體含量過(guò)高是缸蓋閥座異常磨損的直接原因。

經(jīng)過(guò)對(duì)生產(chǎn)控制過(guò)程進(jìn)行排查發(fā)現(xiàn)：化學(xué)成分控制、澆注溫度控制等關(guān)鍵環(huán)節(jié)均嚴(yán)格按照工藝要求執(zhí)行。但“在澆注后2.5～3 h落砂”的要求未能達(dá)到；實(shí)際情況是個(gè)別件號(hào)由于澆注后溫度較高，落砂操作困難，缸蓋落砂后埋進(jìn)砂堆，或者相互擠壓造成冷卻速度緩慢，造成強(qiáng)度和硬度偏低。

6 改進(jìn)措施

1)繼續(xù)嚴(yán)格按照固化后的“某型機(jī)缸蓋作業(yè)指導(dǎo)書(shū)”的要求進(jìn)行操作，控制鐵素體含量在要求范圍內(nèi)，確保硬度適宜，組織均勻。

2)密切監(jiān)控缸蓋落砂時(shí)間和落砂后缸蓋的放置狀態(tài)，確保缸蓋澆注后2.5～3 h再落砂，落砂后燃燒面朝上，缸蓋之間避免互相擠壓。

[1]賈錫印.船用內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)[M].哈爾濱：哈爾濱船舶工程學(xué)院出版社，1990.

Aiming at the abnormal wear phenomenon of exhaust valve seat of some diesel engine cylinder head,the program has been set down according to primary reason analysis.The inspecting result and validation indicate that the direct reasons of abnormal wear on exhaust valve seat are uneven organization of cylinder head material and oversized partial ferrite content.In the end,the depend ability of cylinder head is guaranteed through strict operation in the light of assuredTheoperationinstructorofcertaincylinderhead,watching carefully dropping time and laying state,ensuring the fixed dropping time limit,burning surface upturned after dropping and avoiding extrusion among cylinder heads.

diesel engine;cylinder head;exhaust valve;ferrite

熊小龍(1979-)，男，陜西西安人，工程師，博士，主要從事柴油機(jī)質(zhì)量監(jiān)督與檢驗(yàn)。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.03.002

2014-12-05