閥橋導柱斷裂原因分析

付雨霞　江秋紅　李寧

摘 要：本文對閥橋導柱斷裂的原因進行了分析和計算，發現導柱材料疲勞強度低以及前后排氣閥存在溫差，使閥橋單邊產生彎矩， 進而使得導柱疲勞斷裂。通過改進導柱材料，提高抗疲勞強度，有效解決了這一問題。

關鍵詞：閥橋導柱；疲勞強度； 疲勞斷裂

中圖分類號：U672.2 文獻標識碼：A

1 前言

2009年，某型號柴油機在使用和臺架試驗期間不斷出現閥橋導柱斷裂事故，經檢查發現是搖臂鑄造尺寸偏大，工作時撞擊閥橋，閥橋導柱受彎曲作用出現疲勞斷裂（見圖1、圖2）。經在閥橋被碰撞部位倒角避讓碰撞后，閥橋導柱斷裂現象基本消除。

然而，最近在使用中又連續出現多起閥橋導柱斷裂事故，經檢查閥橋都是削去避讓倒角的，沒有碰撞痕跡，因此，導致閥橋斷裂必然另有原因。

2 閥橋導柱斷裂原因分析

分析閥橋導柱斷裂情況，有如下主要特征：

（1）斷裂的幾乎全部是排氣閥導柱（只有一支進氣閥導柱）；

（2） 導柱斷裂方向相同，均為由機體排氣側向操縱側斷裂，即由后排氣閥向前排氣閥方向斷裂。

由此，我們從排氣閥導柱和進氣閥導柱的差異入手，包括零件差異和工作環境狀況的差異，找出其中能夠引起導柱斷裂的因素。與導柱有關聯的零件，如氣閥、氣閥彈簧、閥橋、導柱、氣閥座等，進、排氣閥都一樣，不存在差異。

從工作狀態看，一邊是進氣，溫度、壓力較低；一邊是排氣，溫度、壓力高；從氣道和氣閥的布置看，氣閥是串聯布置（見圖3），一前一后。這種布置使得后面的氣閥受氣流沖擊次數多、時間長，工作溫度必然較高，即工作時后進氣閥溫度比前進氣閥高。

圖3 氣道和氣閥布置圖

在柴油機工作中，由于氣閥溫度不同，膨脹量不同，導致氣閥開啟時間不統一，就有可能導致氣閥受力不同而影響到閥橋的工作平衡。為此，進行了氣閥工作溫度的測量。

柴油機額定工況運行1小時達到熱平衡穩定后，停機迅速打開氣缸蓋，用紅外線測溫計測量各支氣閥端部的溫度，發現進氣閥溫度基本無差別， 而排氣閥溫度則有差異，如表1所列：

表1 前、后排氣閥溫差表

3 閥橋導柱受力分析計算

前后兩支排氣閥的工作溫度不同，后排氣閥受兩股高溫排氣作用，閥體溫度較高，膨脹量較大，這樣，工作時就會出現兩個排氣閥打開不同步，后排氣閥總是提前打開。在后排氣閥打開瞬間，氣缸壓力作用在閥盤底面，通過氣閥作用在閥橋上，使閥橋單邊受力不平衡而產生彎矩，彎矩作用在導柱上。下面對導柱的受力進行分析。

3.1 氣閥受力分析

排氣閥打開時受到的作用力有缸內氣體作用力（F1）、氣閥彈簧力（F2）、氣閥慣性力（F3）、閥橋頂頭作用力（F4）、搖臂頂頭作用力（F5）以及彎矩M作用，如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 氣閥受力分析

圖5 氣閥受力分析

圖6 氣閥受力分析

其中：缸內氣體作用力 F1=Pg×S閥

閥橋頂頭作用力 F4= F1 + F2 + F3

搖臂頂頭作用力 F5= F4

氣閥關閉狀態下內、外彈簧合力 F2=2 106 N

按推進特性測量氣缸壓力，查得排氣閥在曲軸轉角480°、CA打開瞬間的氣缸壓力如表2所示。

表2 氣缸壓力表

3.2 氣閥受力計算

氣閥受力計算值，如表3所列。

表3 氣閥受力計算值

3.3 閥橋導柱應力計算

閥橋導柱應力計算值，如表4所列。

閥橋導桿彎矩 M= F4×L

導桿受壓力 F5= F4

閥橋導柱工作應力：

σ= + （1）

表4 閥橋導柱應力計算值

注：表中σa=σmax

3.4 閥橋導柱疲勞強度計算

閥橋導柱安全系數計算值，如表5所列。

閥橋導柱材料為45#鋼

材料抗拉強度 σb=597 MPa

屈服強度 σs=352 MPa

持久極限 σ-1≈0.27（σb+σs）×1.4

材料常數 φ=01～0.2， 取0.15

表面質量因數 β=0.928

尺寸系數 εa=0.895

應力集中因數 K=1

安全系數：

n= ≥ [n] （2）

表5 閥橋導柱不同負荷時安全系數計算值

由此可知，閥橋導柱在超過25%負荷后是不安全的。

4 閥橋導柱改進方案

4.1 加大導柱直徑

加大導柱直徑可以有效提高導柱的疲勞強度，見表6。但由于45#鋼的質量不穩定，金相組織評定級別6級，為回火索氏體+托氏體+條狀及較大塊狀鐵素體，因此加大直徑仍有一定風險，且氣缸蓋也失去了通用性。

表6 安全系數隨導柱直徑加大而提高

4.2 更換導柱材料為42CrMoA

更換導柱材料為42CrMoA后，安全系數n如表7所列。

導柱材料為42CrMoA：

材料抗拉強度 σb=1 080 MPa

屈服強度 σs=930MPa

持久極限 σ-1≈0.27（σb+σs） ×1.4

材料常數 φ=0.2～0.3，取0.2，

表面質量因數 β=0.80

尺寸系數 εa=0.80

應力集中因數 K=1.0

表7 的安導柱材料為42CrMoA的全系數

由此可知，材料改為42CrMoA，在100%負荷導柱安全系數仍滿足要求。

通過以上實機測試和分析計算，得到如下結論：

（1）柴油機工作時，同一缸兩個前后排氣閥存在溫差，后排氣閥溫度偏高；

（2）閥橋導柱斷裂方向由排氣側指向操縱側，與后排氣閥溫度偏高、前排氣閥溫度低方向一致；

（3）在排氣閥存在溫差、后排氣閥首先打開的情況下，閥橋導柱受脈動彎矩作用，疲勞強度偏低，若采用45#鋼在25%以上工況安全系數均小于許用值，導柱存在疲勞破壞可能性。

5 改進措施

（1）導柱材料由45#鋼改為42CrMoA，提高疲勞強度；

（2）導柱外圓不分兩極，尺寸統一為φ30s6（），簡化加工工藝，同時也保持前后零件的互換性；

（3）閥橋導孔尺寸公差相應調整。

6 結束語

該型柴油機投入使用以后，陸續出現閥橋導柱斷裂事故，其中有搖臂形狀尺寸偏差撞擊閥橋導致的，也有閥橋調節螺柱材料質量問題導致的，這些通過嚴格控制零件尺寸和材質得到了有效控制。

之后，仍有導柱斷裂情況，為此進行了更深入的分析，找到了引起導柱斷裂的潛在原因：一是導柱材料疲勞強度低；二是前后排氣閥存在溫差，閥橋導柱受脈動彎矩反復作用下出現疲勞斷裂。將導柱材料改為42CrMoA后，大大提高疲勞了強度，有效解決了導柱疲勞斷裂問題。