柴油機(jī)相繼增壓排氣切換閥閥軸斷裂 故障分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)

李向陽(yáng)，趙 博，岳 文，胡志龍，陳曉軒

（1.海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表局，上海201206；2.海軍裝備部駐上海地區(qū)第三軍事代表室，上海200031；3.上海船用柴油機(jī)研究所，上海201108）

0 引言

相繼增壓技術(shù)是改善高增壓比柴油機(jī)低工況性能最為有效的方法，被較多柴油機(jī)制造商所采用[1]，其工作原理是采用2 臺(tái)或多臺(tái)渦輪增器，隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增長(zhǎng)，渦輪增壓器按次序相繼投入運(yùn)行，使工作著的渦輪增壓器始終在高效率區(qū)運(yùn)行[2]。相繼增壓系統(tǒng)通過(guò)安裝在渦輪入口的排氣切換閥的開(kāi)啟、關(guān)閉控制增壓器切入、切出工作，因此，排氣切換閥的可靠性對(duì)相繼增壓系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行有很大的影響。排氣切換閥直接與柴油機(jī)高溫排氣接觸，研制過(guò)程中發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)很大。

在某型相繼增壓柴油機(jī)研制過(guò)程中，為降低整機(jī)試驗(yàn)排氣切換閥的故障風(fēng)險(xiǎn)，在試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了排氣切換閥的密封性能及可靠性試驗(yàn)，在此過(guò)程中發(fā)生了閥軸斷裂故障。本文就該故障原因進(jìn)行了排查分析，并采取了相應(yīng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，改進(jìn)后的排氣切換閥通過(guò)了平臺(tái)試驗(yàn)考核。

1 故障現(xiàn)象

排氣切換閥的結(jié)構(gòu)形式為開(kāi)關(guān)型蝶閥，在平臺(tái)上進(jìn)行密封性能和使用壽命試驗(yàn)時(shí)，閥前排氣溫度最高達(dá)到580℃，最高壓力約為0.3 MPa。在閥門開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)達(dá)到6 000 次，進(jìn)行第一次密封性能測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)閥門內(nèi)部泄漏量異常大，對(duì)閥門進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)閥軸已經(jīng)斷裂，閥板跌落到排氣穩(wěn)壓桶內(nèi)。

排氣切換閥拆檢情況如圖1所示。由圖1可以看出，軸套孔有明顯被拉長(zhǎng)的痕跡，軸堵小端磨損嚴(yán)重，兩者都發(fā)生了嚴(yán)重變形。閥板材料有軟化現(xiàn)象，閥板與閥軸的連接處發(fā)生了嚴(yán)重變形，閥軸第一道密封環(huán)槽根部發(fā)生斷裂。

圖1 排氣切換閥拆檢情況

2 故障原因排查分析

根據(jù)排氣切換閥的拆檢情況，閥板的軟化變形現(xiàn)象表明，材料成分可能不達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致閥板無(wú)法承受580℃的排氣溫度。閥軸第一道密封環(huán)槽處發(fā)生斷裂的可能原因有2 個(gè)：一是材料成分不達(dá)標(biāo)；二是閥軸伸出閥體長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，伸出段受力情況類似一長(zhǎng)懸臂梁，閥板軟化變形后與閥體卡死，在執(zhí)行氣缸作用力下，閥軸第一道環(huán)槽處受到彎矩和扭矩的作用，其應(yīng)力超過(guò)了材料強(qiáng)度?；谝陨系呐挪榉治鼋Y(jié)果，閥軸斷裂故障的原因有以下幾點(diǎn)：閥軸和閥板材料成分不達(dá)標(biāo)、閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠合理和閥軸設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足。下面將從這幾個(gè)方面進(jìn)行分析計(jì)算。

2.1 材料成分分析

根據(jù)排氣切換閥的使用要求，閥軸和閥板選用的材料為16Cr20Ni14Si2，故障件排氣切換閥閥軸、閥板材料化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果與16Cr20Ni14Si2 標(biāo)準(zhǔn)成分對(duì)比如表1所示。

表1 材料化驗(yàn)結(jié)果成分與標(biāo)準(zhǔn)成分對(duì)比

從表1可知，閥軸和閥板材料中，其主要成分C、Ni、Cr、Si等均不達(dá)標(biāo)，且偏離標(biāo)準(zhǔn)值非常大。根據(jù)相關(guān)研究，在700℃以下，C、Si 元素的含量對(duì)16Cr20Ni14Si2耐熱鋼高溫屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有較大影響[3]，所以材料成分不達(dá)標(biāo)是閥軸斷裂的重要因素。

2.2 閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

由于排氣切換閥需在大溫度區(qū)間內(nèi)可靠運(yùn)行，為防止高溫時(shí)閥軸與軸套卡死，兩者之間需留有0.2 mm 的設(shè)計(jì)間隙。在執(zhí)行氣缸的作用下，0.2 mm 的間隙設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致閥軸存在一定角度的偏擺，如圖2所示，這使閥板與閥體存在卡死的風(fēng)險(xiǎn)。另外閥軸伸出閥體的長(zhǎng)度為50 mm，受力情況類似懸臂梁，在執(zhí)行氣缸作用力下，閥軸上存在一定的彎矩，這將引起閥軸發(fā)生彎曲變形，導(dǎo)致閥板卡死的風(fēng)險(xiǎn)增加。因此，為確保閥門可靠運(yùn)行，需對(duì)密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)。

圖2 間隙引起閥軸偏擺的示意圖

2.3 閥軸強(qiáng)度設(shè)計(jì)校核

排氣切換閥閥軸主要受到來(lái)自執(zhí)行氣缸扭矩和彎矩的作用力，根據(jù)其受力情況，對(duì)閥軸的應(yīng)力分布進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)閥軸卡死時(shí)，其應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖3所示。從計(jì)算結(jié)果可知，閥軸第一道環(huán)槽處及其與閥板連接處根部的最大應(yīng)力分別為965.23 MPa和976.21 MPa，超過(guò)了16Cr20Ni14Si2材料的抗拉強(qiáng)度（590 MPa），所以閥軸在這兩處存在極大的斷裂風(fēng)險(xiǎn)，需增加閥軸的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

圖3 閥軸上應(yīng)力分布

3 排氣切換閥改進(jìn)設(shè)計(jì)

基于以上的計(jì)算分析結(jié)果，從排氣切換閥的結(jié)構(gòu)、閥板和閥軸材料、閥軸強(qiáng)度這3方面對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

3.1 材料選型改進(jìn)

原排氣切換閥的閥板和閥軸選用的材料為16Cr20Ni14Si2 耐熱鋼，隨著市場(chǎng)的變化，該型號(hào)耐熱鋼已逐漸淡出市場(chǎng)，為確保后續(xù)生產(chǎn)周期中，材料采購(gòu)的渠道暢通，將這2 個(gè)部件的材料調(diào)整為305B耐熱鋼，同時(shí)加工前對(duì)305B材料進(jìn)行成分分析，確保材料質(zhì)量。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)

原方案閥板采用的是60°斜置結(jié)構(gòu)，靠閥板側(cè)面與閥體內(nèi)腔接觸密封，對(duì)閥體內(nèi)腔以及閥板側(cè)面的加工精度要求較高，但閥體內(nèi)腔受熱后容易產(chǎn)生不規(guī)則變形，導(dǎo)致接觸面無(wú)法完全接觸，影響密封性能。另一方面，閥板上下兩側(cè)均采用面接觸承載結(jié)構(gòu)，為保證閥門啟閉順暢，要求上下承載面具有較高的同軸度，加工難度大?；谝陨显?，將閥板更改為90°擋板式結(jié)構(gòu)，且將閥板加厚，軸孔穿透整個(gè)閥板，從而降低工藝難度。

高溫閥閥桿處密封由原先的密封環(huán)密封改為石墨填料的密封結(jié)構(gòu)，如圖4所示。石墨填料密封結(jié)構(gòu)因石墨具有柔軟、潤(rùn)滑特性，無(wú)冷態(tài)間隙，消除了閥軸的偏擺問(wèn)題。由于增加了填料壓蓋，可使閥軸懸臂長(zhǎng)度縮短，減小閥軸受到執(zhí)行氣缸的彎矩。

圖4 閥軸密封結(jié)構(gòu)原方案與改進(jìn)方案比較

3.3 閥軸改進(jìn)設(shè)計(jì)

根據(jù)計(jì)算分析，閥軸2 處斷裂位置的應(yīng)力均超過(guò)的材料的抗拉強(qiáng)度，因此改進(jìn)方案將閥軸的直徑由原先的12 mm 增加到20 mm，并取消了密封環(huán)槽。改進(jìn)方案與原方案的比較如圖5所示。

圖5 閥軸原方案與改進(jìn)方案比較

為確保改進(jìn)設(shè)計(jì)的閥軸強(qiáng)度能滿足排氣切換閥設(shè)計(jì)要求，對(duì)閥軸的應(yīng)力分布進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)分析可知，閥門未發(fā)生卡滯時(shí)，閥軸上主要承載動(dòng)摩擦阻力矩，其值小于閥門關(guān)閉時(shí)，由執(zhí)行氣缸推力經(jīng)連桿搖臂機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化而成的主動(dòng)力矩。因此，可按閥門關(guān)閉情況計(jì)算閥軸的應(yīng)力分布。閥門關(guān)閉時(shí)，閥軸的應(yīng)力分布結(jié)算結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可知，閥軸上最高應(yīng)力為63 MPa，305B材料在800℃時(shí)的屈服強(qiáng)度為150 MPa[4]，改進(jìn)后的閥軸設(shè)計(jì)強(qiáng)度能滿足要求。

圖6 閥門關(guān)閉時(shí)，閥軸應(yīng)力分布云圖

4 結(jié)論

排氣切換閥改進(jìn)設(shè)計(jì)后，在試驗(yàn)平臺(tái)上完成了密封性能及壽命試驗(yàn)考核，試驗(yàn)結(jié)果滿足排氣切換閥的設(shè)計(jì)要求。通過(guò)相繼增壓排氣切換閥閥軸斷裂故障的分析及改進(jìn)后方案的驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

1）閥軸和閥板的材料成分不達(dá)標(biāo)引起閥板軟化變形后與閥體卡死，以及閥軸設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足是導(dǎo)致閥軸斷裂的主要原因。

2）閥軸伸出閥體懸臂過(guò)長(zhǎng)，密封環(huán)結(jié)構(gòu)的冷態(tài)間隙，是導(dǎo)致閥軸斷裂的次要原因。

3）排氣切換閥改進(jìn)設(shè)計(jì)后，完成了平臺(tái)試驗(yàn)考核，改進(jìn)后的排氣切換閥能滿足設(shè)計(jì)要求，降低后續(xù)整機(jī)試驗(yàn)排氣切換閥的故障風(fēng)險(xiǎn)。