徐 琛，周 柯，李 帆

（1. 海軍裝備部駐無(wú)錫地區(qū)軍事代表室，江蘇無(wú)錫 214061；2. 滬東重機(jī)有限公司，上海 200129）

0 引言

氣缸是柴油機(jī)用來(lái)發(fā)出功率的單元，柴油機(jī)通過(guò)控制進(jìn)氣閥/排氣閥的開閉、噴油器噴射的時(shí)間和噴油量來(lái)控制氣缸內(nèi)燃?xì)夤ぷ鞯倪^(guò)程。因此，進(jìn)氣閥和排氣閥對(duì)于柴油機(jī)的重要性不言而喻。一般來(lái)說(shuō)，在氣缸的每個(gè)工作循環(huán)中，進(jìn)氣閥和排氣閥均需開閉一次，在柴油機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，進(jìn)氣閥和排氣閥也需高速運(yùn)轉(zhuǎn)、拍打氣閥座，以承受來(lái)自氣缸內(nèi)的燃燒壓力和高溫工況[1]。

大型中速柴油機(jī)普遍采用了搖臂機(jī)構(gòu)來(lái)控制進(jìn)氣閥和排氣閥的開閉。進(jìn)氣閥和排氣閥的閥桿通過(guò)固定在氣缸蓋上的導(dǎo)套進(jìn)行導(dǎo)向。如果進(jìn)氣閥閥桿因發(fā)生故障而在導(dǎo)套中卡死，輕則導(dǎo)致氣缸排溫和工作壓力異常，重則導(dǎo)致閥桿的斷裂，進(jìn)而損壞活塞、氣缸、增壓器等部件，嚴(yán)重影響主機(jī)的可靠性和安全性。本文針對(duì)某新型柴油機(jī)進(jìn)氣閥桿大面積出現(xiàn)刮蹭故障的現(xiàn)象，進(jìn)行了一系列時(shí)間調(diào)查及理論分析，分析確定了進(jìn)氣閥桿出現(xiàn)刮蹭的主要原因， 并進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)及驗(yàn)證。

1 研究背景

PC2-6B機(jī)是法國(guó)S.E.M.T設(shè)計(jì)的Pielstick 系列大功率四沖程中速柴油機(jī)中最新的一種，系列型號(hào)為PC2-6B，額定轉(zhuǎn)速600 r/min，單缸額定功率750 kW，缸徑400 mm，沖程500 mm，基本形式為V 型四沖程MPC 增壓柴油機(jī)[2]。

柴油機(jī)在裝配結(jié)束以后，須在試車臺(tái)上進(jìn)行磨合調(diào)試，并開展耐久性試驗(yàn)。在耐久性試驗(yàn)結(jié)束后，須對(duì)柴油機(jī)主要運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行勘驗(yàn)檢查。柴油機(jī)在完成100 h 耐久性試驗(yàn)后勘驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)拆出的4 根進(jìn)氣閥桿中的3 根上有明顯刮蹭的痕跡。繼續(xù)擴(kuò)大勘驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，整機(jī)32 根進(jìn)氣閥桿中有17 根也出現(xiàn)該故障現(xiàn)象。進(jìn)氣閥桿表面刮蹭處如圖1 所示。

圖1 氣閥表面刮蹭樣貌

若該故障不能及時(shí)排除閉環(huán)，將影響到該機(jī)轉(zhuǎn)入下一階段的研制，更為該型柴油機(jī)后續(xù)使用埋下隱患。為徹底排除該故障，必須徹底弄清故障發(fā)生的機(jī)理，從而對(duì)癥下藥，確保該故障不再?gòu)?fù)現(xiàn)。

2 確定分析目標(biāo)

根據(jù)上述故障現(xiàn)象及現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)情況，結(jié)合系列機(jī)型研發(fā)和試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，確定以下方向進(jìn)行分析研究。

2.1 零部件符合性分析

通過(guò)對(duì)進(jìn)氣閥總成裝配圖對(duì)照，并利用UG 模型進(jìn)行裝配尺寸模擬，確定刮蹭部位位于進(jìn)氣閥導(dǎo)套上端倒角處至孔口向上延伸約26 mm 的位置，與進(jìn)氣閥31 mm 總行程相近。見(jiàn)圖2。進(jìn)氣閥刮蹭部位示意圖如圖3 所示。

圖2 進(jìn)氣閥UG 尺寸模擬

圖3 進(jìn)氣閥刮蹭部位示意

通過(guò)對(duì)刮蹭的區(qū)域狀態(tài)進(jìn)行了分析，推斷進(jìn)氣閥桿表面產(chǎn)生刮蹭痕跡的原因有以下幾方面：

1）潤(rùn)滑油清潔度不好。

2）進(jìn)氣閥桿與進(jìn)氣閥導(dǎo)套內(nèi)徑或外徑超出圖紙要求。

3）氣缸蓋上、下端進(jìn)氣閥孔形位公差超出圖紙要求。

4）進(jìn)氣閥導(dǎo)套氮化處理不符合要求。

針對(duì)上述可能原因逐一調(diào)查分析，抽取已使用過(guò)的進(jìn)氣閥桿、進(jìn)氣閥導(dǎo)套、氣缸蓋檢測(cè)相關(guān)尺寸、形位公差及表面粗糙度等進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)抽取有明顯刮蹭痕跡的進(jìn)氣閥導(dǎo)套送第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)失效分析、滲層深度、疏松等級(jí)、表面硬度等進(jìn)行檢測(cè)。

2.2 滑油清潔度方面

經(jīng)檢測(cè)，滑油顆粒度在顆粒等級(jí)15 μm～25 μm中，顆粒度數(shù)48 650 顆/一百毫升，符合滑油投油工藝要求:顆粒等級(jí)15 μm～25 μm，顆粒度數(shù)50 000顆/一百毫升，因此潤(rùn)滑油清潔度不存在問(wèn)題。

2.3 進(jìn)氣閥桿與進(jìn)氣閥導(dǎo)套尺寸超差

抽取6 根出現(xiàn)刮蹭的進(jìn)氣閥桿，再?gòu)膫}(cāng)庫(kù)調(diào)取6 根同一批次全新的進(jìn)氣閥桿，對(duì)這12 根進(jìn)氣閥桿的尺寸進(jìn)行復(fù)測(cè)。復(fù)測(cè)的項(xiàng)目包括桿身的直線度、直徑、表面粗糙度和端面的垂直度。經(jīng)復(fù)測(cè)，這些尺寸都沒(méi)有超出圖紙規(guī)定的值，并且出現(xiàn)刮蹭的進(jìn)氣閥和全新的進(jìn)氣閥的測(cè)量結(jié)果也并沒(méi)有可見(jiàn)的差異。

抽取7 個(gè)與出現(xiàn)刮蹭的進(jìn)氣閥桿匹配的進(jìn)氣閥導(dǎo)套，再?gòu)膫}(cāng)庫(kù)調(diào)取10 個(gè)同一批次全新的進(jìn)氣閥導(dǎo)套，對(duì)這17 個(gè)進(jìn)氣閥導(dǎo)套的尺寸進(jìn)行復(fù)測(cè)。復(fù)測(cè)的項(xiàng)目包括導(dǎo)套孔內(nèi)徑、導(dǎo)套孔表面粗糙度、導(dǎo)套上部倒角處形狀、導(dǎo)套孔的直線度和導(dǎo)套外徑。經(jīng)復(fù)測(cè)，已經(jīng)使用過(guò)的導(dǎo)套內(nèi)孔表面粗糙度超過(guò)圖紙規(guī)定值從Ra0.8 達(dá)到Ra0.93～Ra1.23，而新的導(dǎo)套內(nèi)控表面粗糙度為Ra0.62～Ra0.69，并未超過(guò)圖紙規(guī)定的值。其它尺寸都沒(méi)有超出圖紙規(guī)定的值，沒(méi)有可見(jiàn)的差異。由于新的10 個(gè)閥導(dǎo)套內(nèi)孔表面粗糙度并未超過(guò)圖紙要求，而拆檢的7 個(gè)閥導(dǎo)套內(nèi)孔上部、下部表面粗糙度的變化均表現(xiàn)出了一致性，因此這應(yīng)是零部件使用過(guò)程中正常出現(xiàn)的變化。

2.4 氣缸蓋上、下端尺寸超差

隨機(jī)抽取了1 個(gè)氣缸蓋，對(duì)氣缸蓋進(jìn)氣閥導(dǎo)套安裝孔進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)量的尺寸為氣缸蓋閥導(dǎo)套安裝孔的內(nèi)徑，以及閥導(dǎo)套安裝孔與氣閥座安裝孔的同心度。經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)同心度有非常輕微的超差，圖紙規(guī)定該同心度不超過(guò)0.03 m m，測(cè)量值分別為0.033 m m 和0.035 mm。通過(guò)進(jìn)一步分析認(rèn)為該尺寸超差不足以產(chǎn)生進(jìn)氣閥桿刮蹭的故障。

2.5 進(jìn)氣閥導(dǎo)套氮化處理不符合要求

隨機(jī)抽取1 個(gè)與出現(xiàn)刮蹭的進(jìn)氣閥桿匹配的進(jìn)氣閥導(dǎo)套和1 個(gè)全新的進(jìn)氣閥導(dǎo)套，送上海軌道交通檢測(cè)技術(shù)有限公司進(jìn)行了失效分析。同時(shí)，取2個(gè)與出現(xiàn)刮蹭的進(jìn)氣閥桿匹配的進(jìn)氣閥導(dǎo)套和1 個(gè)全新的進(jìn)氣閥導(dǎo)套共3 個(gè)進(jìn)氣閥導(dǎo)套送滬東重機(jī)計(jì)量檢測(cè)中心做理化試驗(yàn)比對(duì)，分析結(jié)果表明：以368 Hv為硬度界限值，測(cè)得其有效硬化層深度為70 μm ～ 80 μm，小于技術(shù)文件規(guī)定的要求（有效硬化層深度不得大于100 μm）；由硬度測(cè)定結(jié)果表明，閥導(dǎo)套內(nèi)孔表明硬度為648 Hv～746 Hv，部分內(nèi)孔表面硬度低于技術(shù)文件規(guī)定的要求（內(nèi)孔表面硬度不得大于700 Hv）。

進(jìn)氣閥導(dǎo)套氮化不符合氮化技術(shù)要求，即化合物層、擴(kuò)散層、基體石墨長(zhǎng)度及疏松級(jí)別超出技術(shù)要求；導(dǎo)套基體石墨長(zhǎng)度超出圖紙要求；在氮化后，由于對(duì)導(dǎo)套內(nèi)孔進(jìn)行了珩磨，導(dǎo)致導(dǎo)套內(nèi)孔的化合物層厚度不均，有的幾乎沒(méi)有化合物層；新的導(dǎo)套在氮化前的內(nèi)孔表面就存在開裂及局部剝落現(xiàn)象。

3 橫向?qū)Ρ确治?/h2>

該型柴油機(jī)采用了非常典型的搖臂頂桿機(jī)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)進(jìn)氣閥、排氣閥。進(jìn)氣閥驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 PC 2-6B 進(jìn)氣閥搖臂機(jī)構(gòu)

將該型柴油機(jī)進(jìn)氣閥可能與進(jìn)氣閥閥桿刮蹭相關(guān)的設(shè)計(jì)特征列舉出來(lái)，與相似的柴油機(jī)進(jìn)行對(duì)比如表1 所示。

表1 特性對(duì)比表

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，與PC2-6B 最相近的PC2-6 系列柴油機(jī)，進(jìn)氣閥桿表面是不作氮化處理的，而閥導(dǎo)套的基體材質(zhì)雖然相同，但是內(nèi)孔表面是否作氮化處理卻有區(qū)別。PA6 系列柴油機(jī)缸徑為280 mm，轉(zhuǎn)速較PC2-6 和PC2-6B 系列柴油機(jī)要高得多。比較PA6 和PC2-6B 進(jìn)氣閥的設(shè)計(jì)，PA6 進(jìn)氣閥桿身和進(jìn)氣閥導(dǎo)套內(nèi)孔表面都做了硬化處理。

就進(jìn)氣閥桿和進(jìn)氣閥導(dǎo)套表面是否進(jìn)行硬化處理，見(jiàn)表2。

表2 表面硬化處理對(duì)比

應(yīng)留意到，PC2-6B 的設(shè)計(jì)中，進(jìn)氣閥桿表面硬度與進(jìn)氣閥導(dǎo)套內(nèi)孔表面硬度是存在較大差異的。PA6 和PC2-6 都是滬東重機(jī)有限公司已經(jīng)穩(wěn)定批量生產(chǎn)的機(jī)型，進(jìn)氣閥桿沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)類似的問(wèn)題。特別是PC2-6 和PC2-6B 在設(shè)計(jì)指標(biāo)上又非常相近[2-3]，因此，零件表面硬化處理可能是問(wèn)題原因的關(guān)鍵因素。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)以上的零件符合性分析以及橫向?qū)Ρ确治?，初步推斷進(jìn)氣閥導(dǎo)套表面氮化層的制作質(zhì)量與技術(shù)要求不符是導(dǎo)致問(wèn)題發(fā)生的原因。為此，滬東重機(jī)有限公司與進(jìn)氣閥導(dǎo)套制造方進(jìn)行了深入的溝通，制造方在通過(guò)工藝攻關(guān)以后，制作了一批表面氮化層完全符合圖紙要求的進(jìn)氣閥導(dǎo)套，供試驗(yàn)驗(yàn)證。

在換裝新制作的進(jìn)氣閥導(dǎo)套和全新的進(jìn)氣閥以后，柴油機(jī)開展了10 h 的負(fù)荷試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)整機(jī)進(jìn)氣閥進(jìn)行拆檢發(fā)現(xiàn)，32 根進(jìn)氣閥中有15 根進(jìn)氣閥導(dǎo)套表面已經(jīng)出現(xiàn)了明顯刮蹭的痕跡，刮蹭的部位與之前一致，部分進(jìn)氣閥桿刮蹭的痕跡甚至比之前更深。驗(yàn)證試驗(yàn)表明，進(jìn)氣閥導(dǎo)套氮化層硬度和深度的改善并未使問(wèn)題現(xiàn)象消失，反而有加重問(wèn)題的趨勢(shì)。

根據(jù)以上分析和試驗(yàn)驗(yàn)證的情況，基本確定該問(wèn)題的原因應(yīng)該是進(jìn)氣閥閥桿和進(jìn)氣閥導(dǎo)套不能良好匹配造成的。

5 設(shè)計(jì)改進(jìn)及驗(yàn)證

5.1 進(jìn)氣閥桿和閥導(dǎo)套的匹配

PC2-6B 柴油機(jī)進(jìn)氣閥上部是帶轉(zhuǎn)閥機(jī)構(gòu)的。根據(jù)如上分析及驗(yàn)證的情況，對(duì)進(jìn)氣閥表面刮蹭的痕跡作了進(jìn)一步的檢查，發(fā)現(xiàn)刮蹭痕跡的間隔和數(shù)目與轉(zhuǎn)閥機(jī)構(gòu)的工作間隔相匹配，因此可以判斷刮蹭總是在固定的位置產(chǎn)生。

既然刮蹭總是在固定的位置產(chǎn)生，那么必然就有沿垂直于閥桿方向的力，導(dǎo)致閥桿在導(dǎo)套邊緣上產(chǎn)生刮蹭。進(jìn)氣閥搖臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)，頂桿機(jī)構(gòu)相對(duì)于閥桿頂部會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移。如圖5 所示，氣閥在關(guān)閉時(shí)，進(jìn)氣搖臂頂桿回轉(zhuǎn)半徑為228 mm，行程為31 mm。

圖5 進(jìn)氣搖臂

據(jù)此可以計(jì)算頂桿相對(duì)于氣閥頂部會(huì)產(chǎn)生的橫向位移為

該位移量遠(yuǎn)大于進(jìn)氣閥與閥導(dǎo)套的間隙0.12 m m～0.171mm，因此可能引起氣閥的來(lái)回?cái)[動(dòng)。該閥頂桿機(jī)構(gòu)與閥之間通過(guò)摩擦力產(chǎn)生作用，由于有滑油進(jìn)行潤(rùn)滑，故選取摩擦系數(shù)為0.1。

查詢進(jìn)氣閥彈簧的圖紙，可以將彈簧的彈性力數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?。

表3 彈簧彈性力

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以計(jì)算氣閥在關(guān)閉時(shí)，彈簧的彈性力為2 532 N；氣閥完全打開時(shí)，彈簧的彈性力為4 385 N。故氣閥頂桿機(jī)構(gòu)與閥頂部之間的支撐力理論上在2 532 N～4 385 N。

由于氣閥頂桿運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的橫向位移遠(yuǎn)大于氣閥間隙，故可以認(rèn)為氣閥頂桿機(jī)構(gòu)在開始向下壓氣閥時(shí)，既已通過(guò)摩擦力產(chǎn)生橫向的推力，引起氣閥擺動(dòng)。該推力大小理論值為253.2 N～438.5 N。當(dāng)進(jìn)氣閥在搖臂機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)氣閥桿便在進(jìn)氣閥導(dǎo)套孔口處反復(fù)刮蹭。

由于進(jìn)氣閥導(dǎo)套表面進(jìn)行了氮化處理，較進(jìn)氣閥表面要硬得多，因此，進(jìn)氣閥的這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)便相當(dāng)于進(jìn)氣閥導(dǎo)套上口處倒角在閥桿表面反復(fù)“切削”，形成刮蹭痕跡樣貌。

PC2-6 柴油機(jī)采用了和PC2-6B 柴油機(jī)十分相近的設(shè)計(jì)，并且工作轉(zhuǎn)速和氣閥行程也十分相近，但是由于PC2-6 進(jìn)氣閥導(dǎo)套并未采用氮化處理，因此也就沒(méi)有產(chǎn)生這樣的問(wèn)題。值得留意的是，如圖6 所示，PA6 的進(jìn)氣閥驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用了閥頂架的型式，因此，進(jìn)氣閥本身工作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生額外的橫向力，橫向力由閥頂架導(dǎo)向桿承受。

圖6 PA 6 柴油機(jī)的氣閥頂桿機(jī)構(gòu)

5.2 設(shè)計(jì)改進(jìn)方案

進(jìn)氣閥導(dǎo)套表面的硬化層可以確保足夠的耐磨性，并確保閥導(dǎo)套的工作壽命，但要同時(shí)顧及進(jìn)氣閥工作時(shí)不產(chǎn)生刮蹭，則必須根據(jù)問(wèn)題發(fā)生的機(jī)理對(duì)進(jìn)氣閥導(dǎo)套進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。

如圖7 所示，通過(guò)對(duì)進(jìn)氣閥導(dǎo)套上開口處增加一個(gè)倒圓過(guò)渡，便可有效降低發(fā)生刮蹭處的表面硬度，降低接觸應(yīng)力。

圖7 進(jìn)氣閥導(dǎo)套開口處的設(shè)計(jì)改進(jìn)

5.3 設(shè)計(jì)改進(jìn)驗(yàn)證

在柴油機(jī)上重新安裝了經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)改進(jìn)的進(jìn)氣閥導(dǎo)套后，按照與前一次驗(yàn)證相同的方法開展了約10 h的試驗(yàn)驗(yàn)證，整機(jī)所有32 根進(jìn)氣閥導(dǎo)套經(jīng)檢查沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何刮蹭的痕跡，原來(lái)發(fā)生刮蹭的部位經(jīng)檢查非常光順。

通過(guò)后續(xù)在柴油機(jī)上開展1 000 h 可靠性試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，問(wèn)題沒(méi)有復(fù)現(xiàn)，可以確認(rèn)問(wèn)題發(fā)生機(jī)理清楚，并已徹底排除。設(shè)計(jì)和制造狀態(tài)根據(jù)驗(yàn)證情況進(jìn)行固化。

6 結(jié)論

隨著新機(jī)型開發(fā)項(xiàng)目的增長(zhǎng)，各種機(jī)型開發(fā)過(guò)程中均發(fā)現(xiàn)了一系列設(shè)計(jì)、配套、制造和裝配方面的問(wèn)題，其中有諸多經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)值得學(xué)習(xí)和總結(jié)。在問(wèn)題發(fā)現(xiàn)、分析和解決的過(guò)程中，盡管看來(lái)嚴(yán)格按照?qǐng)D紙進(jìn)行生產(chǎn)，但問(wèn)題依然沒(méi)有得到有效解決。然而，在國(guó)產(chǎn)化的過(guò)程中，在諸多細(xì)節(jié)上必然會(huì)出現(xiàn)細(xì)微的差異，這些差異并未在圖紙中進(jìn)行體現(xiàn)。因此，一味追求與原設(shè)計(jì)一致并不一定是解決問(wèn)題的有效辦法，分析和掌握問(wèn)題發(fā)生的機(jī)理，才能真正找到解決問(wèn)題的最佳方案，同時(shí)提高技術(shù)和質(zhì)量控制水平。