大功率發動機閥橋導柱斷裂原因分析與工藝優化

摘要：某大功率高速發動機在臺架試驗過程中，個別氣缸排溫異常升高，排查發現排氣閥橋導柱發生斷裂。通過建立故障樹，圍繞零部件制造質量、裝配過程、運行使用等方面進行故障逐項排查，找出閥橋導柱斷裂故障是由閥橋組件裝配不當引起；圍繞故障原因制定了解決方案，同時優化了閥橋導柱安裝工藝要求。

關鍵詞：發動機；閥橋導柱；異常斷裂

0 前言

氣缸蓋閥橋搖臂組件是發動機的重要零部件之一。在發動機的運行過程中，氣缸燃燒室所需的進排氣需要通過搖臂組件驅動氣閥的開啟與關閉來輸送，以確保燃燒室的正常工作。其中，閥橋導柱主要起到對搖臂組件上下運動的導向作用，確保2 組進氣或排氣閥能夠同時開啟或關閉。在正常情況下，導柱自身并不受力。然而，若閥橋在上下運動過程中出現不平衡狀態，則會導致導柱產生偏磨和異常受力。閥橋周期性地上下運動會逐漸導致閥橋導柱發生異常斷裂的情況［1］。

1 故障現象

某發動機為船用V 型高速大功率柴油發動機（以下簡稱“發動機”）。發動機在開展臺架試驗運行至高工況時，A1 缸排溫為450 ℃，超出各缸平均排溫130 K。隨即停機勘驗排查。停機后，現場拆檢發現A1 缸進氣閥橋導柱在缸蓋安裝過渡部位發生斷裂（如圖1 所示），閥橋掉落在缸蓋內部。

閥橋導柱裝配示意圖如圖2 所示。B6 缸進氣閥橋導柱斷口位置距離導柱頂端約130 mm，位于導柱在缸蓋孔的安裝根部附近，斷口從J1 側至J2側斜向上，導柱表面閥橋下端運行范圍內J1 側和J2側有磨痕。

2 原因分析和排查

根據故障現象和閥橋導柱的工作條件進行分析，認為導致A1 缸閥橋導柱斷裂的原因可能有：

（1） 零部件質量問題。例如閥橋導柱的硬度、化學成分、尺寸等不滿足要求，導致閥橋無法承受工作環境，產生疲勞斷裂。

（2） 氣閥間隙及閥橋間隙不滿足裝配技術要求。異常間隙導致閥橋組件兩側受力不平衡，從而造成導柱斷裂。

（3） 氣閥彈簧問題。氣閥彈簧剛度不足、裝配不到位等均會造成閥橋兩側受力不平衡，進而產生異常彎矩，導致導柱斷裂。

（4） 閥座異常磨損。閥座異常磨損導致閥橋兩側間隙不一致，從而造成導柱斷裂。

（5） 缸蓋加工質量問題。缸蓋閥橋導柱孔及氣閥導套孔尺寸超差，導致閥橋受力不平衡而斷裂。

根據上述分析建立故障樹，如圖3 所示。

2. 1 初步排查及原因分析

經排查，結合故障樹，從零部件制造質量、發動機裝配及使用、清潔度等方面對故障進行排查。排查發現相關零部件結構設計合理，制造質量滿足要求。然而，在檢查過程中發現，故障件閥橋的閥頂座在初始時未裝配到底。在柴油機運行過程中，閥頂座受到敲擊后沉入閥橋，從而導致產生了異常的氣閥間隙。隨著柴油機的持續運行，閥橋導柱逐漸發生斷裂。

2. 2 力學仿真分析

為驗證上述故障排查及分析結論，對本次故障現象開展力學仿真計算分析。

2. 2. 1 異常間隙下導柱斷裂受力分析

在正常工作時，閥橋導柱作為閥橋上下運動的導向，不受側向力。結合故障現場勘驗情況，在閥橋J2 側與閥桿間發現有1.49 mm 的間隙，閥橋兩端存在異常高度差，可能使閥橋工作過程中出現傾斜。閥橋導柱承受異常的側向力而引發疲勞斷裂，如圖4 所示。

為證實以上推論，對閥橋導柱進行仿真計算，分析當閥橋兩側出現高度差時導柱的受力情況，如圖5 所示。

由圖5 可以看出：

（1） 當閥橋J2 側與氣閥出現0.3 mm 間隙時，閥橋導柱疲勞安全系數為2.66，滿足設計要求；這與擴大拆檢發現的2 號機組柴油機A7 缸排氣閥橋兩端間隙差異0.3 mm 現象吻合。

（2） 當閥橋J2 側間隙增加至1.5 mm 時，導柱疲勞安全系數僅為0.81，已不滿足疲勞判據。最小疲勞安全系數的位置位于J1 側，與本次故障裂紋源方位一致。過盈安裝根部位置的最大應力為545 MPa，位于J1 側，為拉應力，即閥橋導柱在J1 側萌生裂紋，會在拉應力的作用下向J2 側擴展，最終因疲勞而斷裂。

（3） 當閥橋J2 側間隙為1.5 mm 時，閥橋防轉凸臺位置的位移量達到2.21 mm，遠大于防轉凸臺與氣閥桿單邊最大間隙（1.1 mm，考慮零件公差）。這會導致閥橋防轉凸臺內壁在工作過程中不斷地與氣閥桿發生接觸，進而形成磨損痕跡，與拆檢現象一致。

2. 2. 2 閥頂座運行過程中被敲入力分析

根據《機械設計手冊 第五版（第2 卷）》過盈連接壓入法裝配計算方法，根據該發動機閥橋-閥頂座的零件材料和結構，設計閥頂座的壓入力為4 543 N。

根據該發動機進氣凸輪型線動力學的計算結果，進氣閥橋兩端單側受力的最大值為5 109 N，已超出裝配壓入力，因此氣閥敲擊能夠使未裝配到位的閥橋下陷。

3 裝配工藝優化改進

為避免后續類似問題再次發生，立即進行裝配工藝優化，細化了閥橋部件裝配工藝規程，并增加了閥橋安裝檢驗措施。設計了專用檢查工裝（圖6），利用專用工裝壓裝工具將閥橋閥頂座安裝到位。在閥橋總成恢復至室溫后，為了確認閥頂座被壓裝到位，新增了檢驗環節，利用檢查工裝來檢測閥頂座到閥橋端面的高度尺寸（要求為（17±0.2） mm，如圖7 所示），以確認閥頂座是否壓裝到位。

4 結語

本文通過建立故障樹，并依此針對故障現象進行逐一排查。結果表明：此次故障的直接原因為閥橋兩側存在1.49 mm 間隙高度差，根本原因為閥橋組件J2 側閥頂座未裝配到位。在運行過程中，閥橋兩側受力不平衡產生異常力矩使閥橋導柱產生彎曲變形，閥橋位置發生偏移，進而受到氣閥頂部撞擊產生異常磨損。隨著敲擊深度增加，閥橋導柱整受力進一步惡化，伴隨連續高工況運轉，最后導致疲勞斷裂。

基于對故障的詳細剖析以及原因的精準定位，提出了優化閥橋導柱裝配檢查的工藝方案。經過現場實際驗證，該方案切實可行，成功地解決了發動機閥橋導柱異常斷裂故障。

參考文獻

［ 1 ］ 孫智，江利，應鵬展. 失效分析[M]. 北京：機械工業出版社，2009.

［ 2 ］ 吳士軍，劉玲，史文獻，等. 某柴油機氣門斷裂分析[J]. 內燃機與配件，2021（20）：155-156.