葛堅(jiān),崔彥軍,趙志強(qiáng),張青鋒,李治明,向?qū)毶?/p>

河南柴油機(jī)重工有限責(zé)任公司,河南 洛陽 471039

0 引言

柴油機(jī)氣門是保證發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性的重要零部件,是氣缸內(nèi)高溫、高壓氣體的重要密封部件。氣門承受高溫條件下氣門落座時(shí)產(chǎn)生的沖擊性交變載荷及缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生的氣體沖擊載荷[1-2],并且隨著柴油機(jī)強(qiáng)化程度和排放要求的提高,氣門的工作環(huán)境更加惡劣,爆發(fā)壓力更大,燃燒溫度更高,所承受的機(jī)械應(yīng)力與熱應(yīng)力更高,對(duì)氣門的可靠性提出了更高要求。優(yōu)化材質(zhì)選擇、凸輪型線設(shè)計(jì)、氣門間隙設(shè)計(jì)等,均有利于提高氣門的可靠性[3-4]。

本文中針對(duì)某船用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門斷裂,進(jìn)行排查分析,確定故障原因,并采用動(dòng)力學(xué)仿真及有限元分析驗(yàn)證,提出解決方案,有效解決進(jìn)氣門斷裂問題。

1 故障分析

某船配備4臺(tái)結(jié)構(gòu)相同的V型12缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī),記為1#～4#。該船發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示,其中面向飛輪左、右兩側(cè)分別記為A、B列,靠近飛輪端為A1、B1缸、遠(yuǎn)離飛輪端為A6、B6缸。船體累計(jì)運(yùn)行5 903 h時(shí),3#發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)機(jī)油壓力波動(dòng),3#發(fā)動(dòng)機(jī)A5氣缸附近有機(jī)油滲出,立即停止3#發(fā)動(dòng)機(jī)工作,機(jī)器冷卻后,拆檢A5氣缸,發(fā)現(xiàn)該氣缸進(jìn)氣門脫落且進(jìn)氣門閥桿與閥盤接觸的根部斷裂,活塞破裂,氣缸套有裂紋。進(jìn)氣門斷口為疲勞斷裂,A4、A6氣缸燃燒室內(nèi)有零部件損壞后產(chǎn)生的顆粒物,A1缸內(nèi)有機(jī)油形成的積液,A2、A3缸未發(fā)現(xiàn)異常,B1～B6缸未發(fā)現(xiàn)異常,使用手動(dòng)盤車裝置檢查發(fā)動(dòng)機(jī)無明顯卡滯現(xiàn)象。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

1.1 氣門影響因素

1.1.1 技術(shù)因素

3#發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門技術(shù)規(guī)格已批量應(yīng)用10余年,在此期間未做過技術(shù)變更,排除進(jìn)氣門技術(shù)因素引起的故障。

1.1.2 裝配過程

查閱故障機(jī)裝配檔案,該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門及其配套零部件裝配過程嚴(yán)格按照作業(yè)指導(dǎo)書要求進(jìn)行裝配、調(diào)整和檢驗(yàn),裝配過程符合工藝要求。

1.1.3 強(qiáng)度分析

按照進(jìn)氣門技術(shù)要求測試3#發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門常溫下的抗拉強(qiáng)度、500 ℃高溫下的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度,進(jìn)氣門常溫下的抗拉強(qiáng)度為1 436 MPa,500 ℃高溫下的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為841、756 MPa。檢測結(jié)果表明該進(jìn)氣門常溫和高溫下力學(xué)性能符合技術(shù)要求[5-6],檢測斷裂進(jìn)氣門閥桿、閥盤的硬度及化學(xué)成分等,均滿足技術(shù)要求。

按照零部件入廠檢驗(yàn)要求,對(duì)故障缸進(jìn)氣門配套件中的氣門鎖夾、彈簧座、彈簧、旋轉(zhuǎn)座、搖臂、調(diào)節(jié)螺釘、氣門導(dǎo)管、閥座等相關(guān)零部件進(jìn)行檢查,檢查結(jié)果均滿足技術(shù)要求。

1.1.4 氣門檢查

氣門檢查主要包括對(duì)氣門間隙、氣門冷卻、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行進(jìn)行檢查。

1)氣門間隙

發(fā)動(dòng)機(jī)氣門搖臂與氣門之間、氣門與閥座之間經(jīng)過長時(shí)間的相互運(yùn)動(dòng)及沖擊,產(chǎn)生磨損,導(dǎo)致氣門間隙變化,需要定期檢查氣門間隙并進(jìn)行調(diào)整[7-9]。

測量3#發(fā)動(dòng)機(jī)未出現(xiàn)故障缸的進(jìn)氣門間隙,發(fā)現(xiàn)B1、B2、B3、A4、A6的進(jìn)氣門間隙分別為1.95、1.95、2.25、1.75、2.15 mm,均遠(yuǎn)大于進(jìn)氣門間隙應(yīng)為0.30 mm的規(guī)定,不符合進(jìn)氣門間隙設(shè)計(jì)要求。

2)氣門冷卻

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋水道堵塞時(shí),引起氣缸蓋冷卻不良,導(dǎo)致氣門散熱異常,影響氣門機(jī)械性能。檢查故障發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸蓋水道,未發(fā)現(xiàn)明顯堵塞現(xiàn)象;檢查其他氣缸蓋,均未發(fā)現(xiàn)水道堵塞現(xiàn)象。

3)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行

發(fā)動(dòng)機(jī)在過載狀態(tài)下運(yùn)行時(shí),進(jìn)氣門的熱負(fù)荷、機(jī)械負(fù)荷均超出正常工作狀態(tài),熱負(fù)荷升高會(huì)導(dǎo)致氣門過熱,影響氣門機(jī)械性能。經(jīng)調(diào)查該船發(fā)生故障時(shí),較長時(shí)間內(nèi)未有過載運(yùn)行記錄。

1.2 進(jìn)氣門斷口分析

進(jìn)氣門發(fā)生斷裂位置為頭部圓錐面與閥桿直線段過渡位置,斷口形貌如圖2所示。由圖2可知:進(jìn)氣門斷口處裂紋從進(jìn)氣門表面周向多處開始,向中心部擴(kuò)展;擴(kuò)展區(qū)有明顯疲勞貝紋線,為疲勞斷裂;斷口表面粗糙,心部斷裂區(qū)面積較大。分析原因?yàn)檫M(jìn)氣門頭部圓錐面與閥桿直線段過渡位置相對(duì)薄弱,氣門間隙明顯增大時(shí),進(jìn)氣門與閥座之間的撞擊力增大,進(jìn)氣門承受的載荷變大,導(dǎo)致進(jìn)氣門斷裂。

圖2 進(jìn)氣門斷口形貌

1.3 氣門間隙調(diào)整

為避免氣門落座時(shí)對(duì)閥座產(chǎn)生較大的沖擊力,在凸輪軸型線設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留過渡段,氣門間隙設(shè)置與過渡段設(shè)計(jì)密切相關(guān),且氣門間隙調(diào)整有嚴(yán)格的工藝要求。該V型12缸發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)火順序?yàn)锳1—B2—A5—B4—A3—B1—A6—B5—A2—B3—A4—B6,當(dāng)某氣缸處于壓縮上止點(diǎn)時(shí),該缸進(jìn)、排氣門全關(guān),氣門推桿處于最低位置,可輕松轉(zhuǎn)動(dòng),同一時(shí)刻有一個(gè)對(duì)應(yīng)缸處于排氣上止點(diǎn),該對(duì)應(yīng)缸進(jìn)、排氣門全開,其余各缸處于中間狀態(tài),此時(shí)僅處于壓縮上止點(diǎn)的氣缸可調(diào)整氣門間隙,其余各缸均不可調(diào)整氣門間隙,待處于壓縮上止點(diǎn)位置的氣門間隙調(diào)整完畢后,手動(dòng)盤車,按照發(fā)火順序依次調(diào)整其余各缸氣門間隙[10]。

當(dāng)氣缸未處于壓縮上止點(diǎn)時(shí)調(diào)整氣門間隙,引起氣門實(shí)際間隙過大,改變了正常的配氣相位,造成進(jìn)、排氣門延時(shí)開啟且提前關(guān)閉,縮短了進(jìn)、排氣門的有效開啟時(shí)間,降低了氣門的實(shí)際開啟高度,不利于氣缸內(nèi)廢氣排出與新鮮空氣進(jìn)入,發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降;進(jìn)、排氣門間隙過大還造成運(yùn)動(dòng)副間產(chǎn)生沖擊力,導(dǎo)致氣門搖臂與閥桿頂部之間、氣門與閥座之間的撞擊力增大,加快配氣凸輪、挺柱、搖臂、氣門導(dǎo)管等配氣機(jī)構(gòu)相關(guān)零部件磨損,縮短零件使用壽命[11]。在氣門工作過程中,氣門鎖夾下邊緣和閥桿下部靠近閥盤處的薄弱部位易造成應(yīng)力集中,致使氣門損壞。

經(jīng)調(diào)查,在停機(jī)狀態(tài)下調(diào)整3#發(fā)動(dòng)機(jī)氣門間隙時(shí),查找所有能轉(zhuǎn)動(dòng)的氣門搖臂推桿,調(diào)整對(duì)應(yīng)氣缸的氣門間隙,完畢后再盤車360°,調(diào)整其余氣缸氣門間隙,該方法不符合氣門間隙調(diào)整工藝要求。

2 仿真計(jì)算

2.1 動(dòng)力學(xué)仿真

進(jìn)氣門間隙分別為0.3、1.0、2.0 mm時(shí),進(jìn)行配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算,模擬進(jìn)氣搖臂與進(jìn)氣門之間的接觸力、進(jìn)氣門落座力的變化,結(jié)果如圖3所示。

a)進(jìn)氣搖臂與進(jìn)氣門之間的接觸力 b)進(jìn)氣門落座力

由圖3可知:隨著進(jìn)氣門間隙增加,進(jìn)氣搖臂與進(jìn)氣門接觸力增大,進(jìn)氣門落座力明顯增大;進(jìn)氣門間隙為0.3、1.0、2.0 mm時(shí),進(jìn)氣搖臂與進(jìn)氣門最大接觸力分別約為1.8、4.0、5.6 kN,進(jìn)氣門最大落座力分別約為2.5、3.1、9.5 kN。

基于摩擦學(xué)理論,材料的沖擊磨損與沖擊力成正比,進(jìn)氣門間隙增大時(shí),閥盤落座力振動(dòng)沖擊增大,進(jìn)氣門受到的拉伸力增大,進(jìn)氣門閥盤根部產(chǎn)生疲勞源,在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),進(jìn)氣門進(jìn)行上下往復(fù)運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致進(jìn)氣門斷裂[12-14]。

2.2 有限元分析

進(jìn)氣門間隙分別為0.3、2.0 mm時(shí),將進(jìn)氣搖臂與進(jìn)氣門之間的接觸力、進(jìn)氣門落座力導(dǎo)入有限元軟件安全系數(shù),進(jìn)行疲勞分析[15],安全系數(shù)分析結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知:進(jìn)氣門間隙分別為0.3、2.0 mm時(shí),進(jìn)氣門安全系數(shù)最小區(qū)域均為閥桿上部靠近鎖夾下邊緣和閥桿靠近閥盤處;進(jìn)氣門間隙為0.3 mm時(shí),最小安全系數(shù)為1.76;進(jìn)氣門間隙為2.0 mm時(shí),最小安全系數(shù)為1.31;隨著進(jìn)氣門間隙增大,安全系數(shù)明顯下降。

a)0.3 mm b)2.0 mm

2.3 解決方案

發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中已規(guī)定發(fā)動(dòng)機(jī)的各缸發(fā)火順序、發(fā)火間隔角等,僅能調(diào)整氣缸位于壓縮上止點(diǎn)位置時(shí)的氣門間隙。當(dāng)氣缸位于壓縮上止點(diǎn)時(shí),用手旋轉(zhuǎn)進(jìn)氣門對(duì)應(yīng)的推桿,可轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)可按標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整氣門間隙,其余各缸氣門間隙均不可調(diào)整,待該缸氣門間隙調(diào)整完畢后,盤車360°,依次調(diào)整其余各缸氣門間隙。

為降低操作難度,在飛輪上刻有各缸上止點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度,同時(shí)在機(jī)體上安裝1個(gè)正時(shí)指針,當(dāng)指針位置指向飛輪上對(duì)應(yīng)的氣缸時(shí),即表明該缸處于上止點(diǎn)位置,通過判斷氣門推桿是否能夠轉(zhuǎn)動(dòng),確定壓縮上止點(diǎn),調(diào)整氣缸氣門間隙。

更換發(fā)動(dòng)機(jī)故障部件,按照標(biāo)準(zhǔn)重新調(diào)整氣門間隙,船體行駛2 200 h后,未再出現(xiàn)此類故障。

3 結(jié)論

1)進(jìn)氣門間隙過大造成進(jìn)氣搖臂與進(jìn)氣門接觸力增大,進(jìn)氣門落座力明顯增大,安全系數(shù)明顯下降,導(dǎo)致進(jìn)氣門斷裂,影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作。

2)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門間隙屬于設(shè)計(jì)時(shí)的固有屬性,需嚴(yán)格按照工藝及維護(hù)保養(yǎng)要求進(jìn)行調(diào)整,當(dāng)氣缸位于壓縮上止點(diǎn)時(shí)才可調(diào)整氣門間隙,并按照發(fā)火次序,依次調(diào)節(jié)其余各缸氣門間隙。