周鵬飛，張向軍，梅本付，陳 俊，宗利華，郎偉欽

（1.清華大學(xué)天津高端裝備研究院，天津 300300；2.泛亞汽車技術(shù)中心，上海 201210）

0 引言

隨著現(xiàn)代車用發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展及環(huán)保法規(guī)的不斷嚴(yán)格，發(fā)動(dòng)機(jī)向高經(jīng)濟(jì)性、高功率密度、高可靠性和低排放的方向發(fā)展[1]。配氣機(jī)構(gòu)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣過程和排氣過程的控制機(jī)構(gòu)[2]。發(fā)動(dòng)機(jī)的高功率、高速化已然成為未來的發(fā)展趨勢(shì)，這就要求在高速運(yùn)行的條件下仍然能夠平穩(wěn)、可靠地工作，因而對(duì)其配氣機(jī)構(gòu)提出了更高的要求。通過對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的失效形式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，氣門與氣門導(dǎo)管的耐磨性是配氣機(jī)構(gòu)耐久性的主要影響因素之一[3]。

有效評(píng)價(jià)氣門導(dǎo)管的磨損程度，成為研究氣門導(dǎo)管耐磨性能的必要手段。通過氣門導(dǎo)管內(nèi)徑圓度測(cè)量、內(nèi)表面形貌觀測(cè)、內(nèi)表面軸向二維粗糙度曲線對(duì)比等，多角度對(duì)氣門導(dǎo)管的磨損情況進(jìn)行定量或半定量分析，有效地評(píng)價(jià)了氣門導(dǎo)管的磨損程度，為氣門導(dǎo)管摩擦磨損規(guī)律的研究提供了基礎(chǔ)。

1 氣門導(dǎo)管的工作過程及影響

氣門導(dǎo)管是發(fā)動(dòng)機(jī)氣門的導(dǎo)向裝置，能將氣門桿上的熱量向氣缸蓋傳送、逸散。氣門導(dǎo)管下部與發(fā)動(dòng)機(jī)氣道內(nèi)的高溫高壓氣體接觸，上部與缸蓋內(nèi)潤(rùn)滑各摩擦副的機(jī)油接觸，并在內(nèi)部承受氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的側(cè)向推力，同時(shí)又與氣門構(gòu)成摩擦副，進(jìn)行劇烈的往復(fù)運(yùn)動(dòng)（圖1）。倘若氣門導(dǎo)管發(fā)生偏磨或斷裂，輕則增加發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油油耗，重則造成發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不完全，功率下降，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性，甚至造成氣門損壞[4-6]（圖 2）。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

圖2 氣門導(dǎo)管損壞

2 磨損表面形貌觀測(cè)

對(duì)氣門導(dǎo)管進(jìn)行1/4剖切，發(fā)現(xiàn)內(nèi)表面銹蝕嚴(yán)重，這可能是磨損表面長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中所致；也有可能是在高溫乏油的工作環(huán)境中發(fā)生了銹蝕。用無水酒精超聲清洗，清洗前后導(dǎo)管的內(nèi)表面情況如圖3所示。在低倍率顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)內(nèi)表面有大量點(diǎn)蝕坑（圖4）。

圖3 清洗前后內(nèi)表面對(duì)比（1/4剖切）

圖4 內(nèi)表面點(diǎn)蝕坑（500 μm，2×）

采用體式顯微鏡對(duì)內(nèi)表面進(jìn)行低倍觀察，導(dǎo)管內(nèi)壁有犁削現(xiàn)象（圖 5a），這可能是犁溝效應(yīng)導(dǎo)致，可能原因：①兩體磨損，導(dǎo)管表面的硬質(zhì)顆粒，在摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)導(dǎo)管進(jìn)行了犁削；②三體磨損，混入了硬質(zhì)雜質(zhì)，在摩擦副運(yùn)動(dòng)過程中相當(dāng)于導(dǎo)管表面的硬質(zhì)顆粒，進(jìn)行了犁削。

從圖5a橢圓形區(qū)域以及放大10倍的形貌分析，結(jié)合上述電鏡圖片觀測(cè)，這個(gè)區(qū)域的磨損可能存在多種磨損形式：①摩擦副長(zhǎng)時(shí)間往復(fù)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的疲勞磨損（層狀剝落）；②乏油狀態(tài)下，環(huán)境溫度較高，以及導(dǎo)桿與導(dǎo)管的材料相熔性問題導(dǎo)致的黏著磨損；③高溫化學(xué)環(huán)境下的腐蝕微坑（邊界光滑的微坑）。

圖5 低倍觀察

采用掃描電鏡對(duì)典型磨損區(qū)域進(jìn)行高倍觀察，發(fā)現(xiàn)明顯的疲勞點(diǎn)蝕坑（圖6），這一般發(fā)生在穩(wěn)定磨損階段以后的急劇磨損階段；還發(fā)現(xiàn)了皸裂特征（圖7），這表明內(nèi)表面多處正處于皸裂階段，并會(huì)逐漸發(fā)展為剝離，形成點(diǎn)蝕坑。

圖6 點(diǎn)蝕坑特征

圖7 皸裂特征

3 圓度測(cè)量分析

選取和測(cè)量新氣門導(dǎo)管的原則如下。

（1）與磨損氣門導(dǎo)管同型號(hào)、同批次出廠，隨機(jī)選取新氣門導(dǎo)管樣品10個(gè)。

（2）對(duì)10個(gè)樣品的測(cè)量值取平均，測(cè)量位置如圖8所示，作為新氣門導(dǎo)管的參照值。

圖8 圓度測(cè)量位置

表1 氣門導(dǎo)管內(nèi)徑測(cè)量

氣門導(dǎo)管內(nèi)徑測(cè)量見表1，其中，圓度Ro=Rmax-Rmin，Rmax為最大包容圓半徑，Rmin為最小包容圓半徑，圓度為0時(shí)，為理論圓。從表1可見，相比于新導(dǎo)管，磨損導(dǎo)管在3個(gè)測(cè)量位置的直徑普遍增大，柱體的平均直徑增大了0.011 3 mm；舊導(dǎo)管的柱體圓度較新導(dǎo)管增加2.7倍。

4 磨損區(qū)域取樣定量分析

內(nèi)表面取樣區(qū)域如圖9所示，二維粗糙度曲線見圖10，其中黑色區(qū)域表示磨損導(dǎo)管，灰色區(qū)域表示新導(dǎo)管。圖10a，b顯示磨后舊導(dǎo)管的粗糙度曲線跳動(dòng)明顯增大，表面磨損較新導(dǎo)管嚴(yán)重；圖10c顯示新舊導(dǎo)管粗糙度曲線跳動(dòng)相當(dāng)。

圖9 內(nèi)表面取樣區(qū)域

圖10 軸向二維粗糙度對(duì)比曲線

采用三維輪廓儀對(duì)帶狀區(qū)域進(jìn)行了三維掃描及圖像拼接，3D形貌圖如圖11所示。圖11a標(biāo)識(shí)區(qū)域顯示，新氣門導(dǎo)管內(nèi)表面存在著輕微缺陷（色度差異較?。?yàn)槿訁^(qū)域是隨機(jī)選取，這有可能是普遍現(xiàn)象；圖11b標(biāo)識(shí)區(qū)域顯示，內(nèi)表面存在著顯著磨損現(xiàn)象（色度差異較大）。全圖拼接可以有效判斷導(dǎo)管內(nèi)部的磨損位置。

圖11 輪廓三維形貌掃描

在上述隨機(jī)選取的帶狀區(qū)域下，采用 Sa，Sq定量地比較導(dǎo)管磨損前后的磨損程度。Sa和Sq定義如下。

（1）高度偏差Sa。面粗糙度的評(píng)價(jià)參數(shù)，用于表征物體取樣區(qū)域表面形貌的粗糙程度。

其中，z（xk，y）l為坐標(biāo)點(diǎn)（xk，yl）到基準(zhǔn)平面的距離，M，N 分別為三維表面圖像的長(zhǎng)度和寬度。它表示區(qū)域形貌的算數(shù)平均偏差，如圖12所示。

圖12 參量示例

（2）高度均方根偏差Sq。計(jì)算表面微凸體高度的標(biāo)準(zhǔn)偏差，用于表征表面微凸體的高度分布。

通過Sa和Sq計(jì)算，相比于新導(dǎo)管，磨后舊導(dǎo)管的Sa值增加了27.3%，Sq值增加了96.5%，如圖13所示。

圖13 導(dǎo)管Sa、Sq值對(duì)比

5 結(jié)論

（1）對(duì)氣門導(dǎo)管進(jìn)行1/4剖切,通過內(nèi)表面的形貌特征觀測(cè)、隨機(jī)取樣區(qū)域的定量粗糙度分析，配合氣門導(dǎo)管的圓度測(cè)量，形成了一種基于氣門導(dǎo)管的磨損評(píng)價(jià)方法。

（2）通過對(duì)磨損導(dǎo)管的內(nèi)表面觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，氣門導(dǎo)管磨損的主要類型為犁削磨損/疲勞磨損以及黏著磨損。內(nèi)截面的全圖拼接可以有效判斷導(dǎo)管內(nèi)部的磨損位置。磨損氣門導(dǎo)管的內(nèi)徑增大了0.0113 mm，圓度為 0.0318，主要發(fā)生在近氣門座一端。

（3）從軸向二維粗糙度曲線的對(duì)比來看，磨損導(dǎo)管的跳動(dòng)明顯較大，導(dǎo)管軸向全長(zhǎng)均有不同程度的磨損；Sa，Sq值可以定量地評(píng)價(jià)取樣區(qū)域的磨損程度。

[1]舒歌群，馬維忍，梁興雨，等.柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)多體動(dòng)力學(xué)的仿真研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2009，26（3）：49-52.

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