某型缸蓋氣門和座圈改進

段彩蓮

摘要：文章首先對某型缸蓋氣門的常見故障進行了介紹，然后進行了失效分析，最后給出了針對性的改進方案，提高了氣門和座圈的耐腐蝕性、耐磨性。

關鍵詞：缸蓋氣門;座圈;改進方案

0 ?引言

據市場反饋某型柴油機在使用約1200h，發現氣門故障。拆解后如圖1，需要進行改進。

1 ?氣門的常見故障

發動機氣門工作在高溫、高腐蝕性、沖擊和交變載荷下，氣門的設計、結構、形狀、材料、加工工藝等都會影響其使用期限，與氣門相關的氣門座圈、氣門導管、氣門彈簧、凸輪軸、氣缸蓋、冷卻狀態等也會影響氣門。常見的氣門損壞方式如下：

1.1 排氣門燒蝕

燒蝕現象在氣門頸部、錐面、頭部端面均可見到，以錐面的影響最大。燒蝕之處為麻點，繼而被高溫燃氣沖刷成溝槽，氣門的密封性完全被破壞，發動機無法正常運轉。

引起排氣門燒蝕的原因通常有材料抗高溫腐蝕性不夠;積碳破壞氣門與座圈間熱傳導，造成錐面局部溫度升高，氣門材料燒蝕等。

1.2 氣門斷裂

斷裂主要發生在鎖夾槽及頸部與桿部交接處附近，最常見的損壞形式是疲勞損壞。

氣門斷裂的主要原因有：頸部鍛造裂紋未消除;發動機排溫過高;氣門座扭曲變形或與導管同心度差使氣門產生彎曲應力;氣門強度過低;鎖夾槽過渡圓角太小等。

1.3 氣門頭部裂紋和碎落

造成氣門頭部碎落的因素很多，通常是屬于沖擊損壞和疲勞損壞。

主要原因有氣門鍛造時有小裂紋、氣門座圈變形等。

1.4 氣門錐面磨損過快

主要是由于氣門材料選擇不當或氣門材料與座圈材料、硬度匹配不合適;以及氣門與座圈產生相對滑移，造成氣門磨損;此外，機油滲漏，積碳過多也會引起氣門錐面異常磨損。

2 ?失效分析

該柴油機應用于近海捕撈漁船，發動機基本參數如表1。

氣門桿部材料4Cr10Si2Mo，頭部材料23-8N，熱處理后頭部硬度≥HRC28。與之配合的粉末冶金座圈，材料PB50WD，硬度HRC40～55。

2.1 材料檢測

對失效件進行材料檢測，發現進、排氣門座圈同為PB50材料，進氣門座圈檢測沒有Co，不符合要求，硬度符合圖紙要求。座圈密度比圖紙要求低。

2.2 電鏡分析

使用電子顯微鏡，對氣門、座圈進行掃描分析。

從樣件座圈磨損的電子掃描圖片中可以看到由于氧化、腐蝕等原因容易造成座圈中耐磨粒子剝落，造成座圈加速磨損形成凹槽或凹坑。（圖3、圖4）

2.3 失效分析

通過綜合分析確定：

①氣門的失效首先是由于氣門座圈不耐磨引起。

②通過成分檢測，該PB50材料主要采用的是以Cr-Mo合金作為耐磨粒子添加在普通基體材料中，通過高溫燒結彌散形成燒結合金鋼，該材料中Cr很容易在300～400℃與氧發生反生成氧化物，尤其是進氣門側含氧量高的情況下，且該氧化物是疏松的。在氣門落座時，氣門與氣門座圈發生金屬接觸，在落座力作用下產生滑移，再加上氣門本身的旋轉，故進氣門座圈產生明顯的一圈凹槽，造成氣門與座圈密封性能降低，同時由于燃燒不充分，產生大量積炭，又加劇了磨損。

③溫度較高的排氣門，氣門與座圈之間發生干澀沖擊配合，在高溫的情況下，積炭中的固體顆粒在排氣門發生粘結磨損，該發動機在近海捕魚作業，空氣鹽分酸性腐蝕性更強，發動機增壓使排氣的氣流壓力大，在高溫、高速、酸性腐蝕性氣流的沖刷容下易造成耐磨粒子剝落形成磨粒磨損，由于PB50材料整體熱硬度不高，排氣門座圈很容易產生凹坑。凹坑出現的情況下，氣門與座圈配合緊密度降低，造成熱傳導性能下降，氣門熱量不能及時傳導出處，形成氣門熱應力變形。

3 ?改進方案

①排氣門材料改為21-4NWNb，氣門采用整體氮化處理，提高耐高溫、耐腐蝕性。

②耐磨性能與耐腐蝕性能更好的ST25，同時具備良好的熱硬度。

對氣門與座圈進行模擬試驗，先進行4h臺架沖擊試驗，檢測氣門下沉量，再進行12h臺架沖擊試驗，檢測氣門下沉量。試驗表明改進后的磨損量明顯減少。（圖5）

4 ?結語

通過對故障件進行分析和針對性改進，提高氣門和座圈的耐腐蝕性、耐磨性，改進后的缸蓋氣門座圈和氣門，應用在漁船上，現已運行超過2000h無故障。

參考文獻：

[1]史紹熙主編.柴油機設計手冊[M].中國農業機械出版社 1984年1月北京第一版，統一書號15216-139.

[2]朱仙鼎主編.中國內燃機工程師手冊[M].上海科學技術出版社，2000.8.ISBN 7-5323-5459-8.