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氣門失效模式分析(二)
發布時間:2010-11-18 發布者: 閱讀:

 

 

一、引言

氣門作為發動機配氣機構中的執行元件,是保證發動機動力性能、經濟性能、可靠性及耐久性的重要零件。工作時長期處于高溫、有害氣體腐蝕及反復的沖擊載荷作用,其工作環境十分惡劣。由于其擔負的特殊功用和惡劣的工作條件,氣門失效時有發生,輕則損及功率,重則機器報廢甚至產生惡性事故。

由于種種原因,近年來,氣門失效在市場反饋呈上升趨勢,給用戶和配件供應商帶來了極壞影響。本文從排氣門設計、制造、組裝和使用等方面對氣門失效的原因進行了分析,并提出了相應對策。

二、氣門常見的失效模式

1.活塞和氣門撞擊造成的氣門斷裂。發動機工作中,在任何情況下,氣門與活塞都不能發生接觸,哪怕是輕微的接觸也會導致氣門斷裂。其表現形式是:在活塞頂面與氣門相對應的位置有和氣門盤部尺寸相符合的重復撞擊痕跡,在氣門盤端面無積碳,呈旋轉摩擦的光亮面,如圖1所示。

 

2.鎖夾脫落。氣門安裝時,若鎖夾選用不對,安裝不好或受強烈震動沖擊等,鎖夾會脫落或失效,氣門將掉人缸內,其表現形式為氣門鎖夾槽部位完好,氣門桿部彎曲,如圖2所示。

3.鎖夾的內凹筋與氣門鎖夾槽形不符,將會嚙傷鎖夾槽,造成氣門鎖夾槽部斷裂,其表現形式為鎖夾槽部可見明顯的嚙傷痕跡,如圖3所示。

 

4.搖臂與氣門接觸位置不正確,氣門桿端將會受側向推力導致氣門鎖夾槽部斷裂。其表現形式為氣門桿端面可見明顯的受側向推力的磨痕,如圖4所示。

 

5.氣門導管與氣門座口的同軸度超差,會使氣門的頸部和盤部受單邊落座而產生交變彎曲應力,造成氣門頸部斷裂或盤部掉塊。其表現形式為氣門桿有明顯的單邊磨損或異常磨損痕跡,氣門錐面和座口接觸位置偏移,并常伴有氣門不旋轉等,如圖5和圖6所示。

 

6.氣門導管間隙超差。氣門導管超過使用極限,將會造成氣門在運動過程中擺動、桿部異常磨損、氣門溫度升高及落座不正受力不均勻等,導致氣門失效,如圖7所示。

 

7.廢氣中不應存在的固體顆粒及異常的化學腐蝕物質以及高溫導致氣門錐面蝕坑,嚴重時會使氣門錐面局部燒蝕或盤部開裂損壞,如圖8和圖9所示。

 

8.高溫氣體從氣門錐面與座口接觸不嚴處逸出,造成氣門錐面局部燒蝕(俗稱“燒口”),如圖10所示。

 

9.氣門實際工作溫度高于設計的發動機氣門工作溫度極限,導致氣門局部材料退火,金相組織轉變,機械強度降低、盤部變形和氣門頸部斷裂,如圖11所示。

 

10.進氣潔凈度差、氣門間隙不當、落座時對座口沖擊大及氣門旋轉太快導致氣門錐面異常磨損,如圖12和圖13所示。

 

11.氣門端面不允許打標記或研磨氣門時敲擊,否則將使局部應力集中導致開裂,如圖14所示。

 

12.導管內孔與氣門桿徑尺寸間隙小于有關規定或潤滑不良導致氣門運動狀態異常,磨損嚴重或氣門損壞,如圖15所示。

 

三、原因分析及相應對策

從排氣門失效殘骸分析結果來看,其失效方式大多與氣門設計、制造、組裝和使用等環節相關。

(一)氣門制造過程

1.頸部存在校直缺陷

氣門毛坯經熱處理不可避免要產生變形,現國內氣門生產廠家普遍采用雙滾式校直機進行矯正。由于設備調試不當等原因(如校直長度過長),校直輪滾壓到氣門頸部,被壓部位表層將產生微觀變化。金相檢驗發現,此變形區域晶格產生了嚴重扭曲,具有大量位錯和孿晶,校直壓力過大時,有微裂紋出現。由于此種缺陷深度較深,后續加工不能完全去除,并且該種微裂紋用普通探傷的方法很難發現。氣門裝機后,此種微裂紋即成為發生斷裂的裂紋源,要求生產中應采用嚴格的定位裝置和適當的校直壓力進行校直作業。

2.頸部存在較深的刀紋

從失效的氣門來看,頸部加工主要采用2種方式:一是頸部精鍛(或機加工)后進行拋丸處理;二是頸部采用車削或磨削加工,存在刀紋。過深的刀紋會降低鋼的疲勞強度,尤其是在氣門頸部第2熱點附近應避免出現過深的刀紋。

3.鍍鉻缺陷

排氣門有的廠家采取桿部鍍鉻。鍍鉻時,尤其是在鍍層較厚時,常會在鉻層出現環形裂紋。這是由于鉻沉積時產生較高的拉伸應力引起的,這種情況會導致在明顯具有機械彎曲應力處的疲勞強度大大降低。因此,應避免在頸部與桿部過渡表面上鍍鉻。

4.熱處理過程

晶粒大小對鋼的高溫性能影響很大。當使用溫度低于等強溫度時,細晶粒鋼具有較高的強度;當使用溫度高于等強溫度時,粗晶粒鋼具有較高的蠕變抗力和持久強度,但晶粒太大會使持久塑性和沖擊韌性降低。另外金相組織中碳化物分布呈網狀分布,割斷了基體,降低了鋼的疲勞強度。

所以在熱處理生產中,應確保固溶加熱溫度和保溫時間(保溫時間應不低于0.5h),使碳化物充分溶于奧氏體基體,在時效溫度和時間能保證金相合格的情況下,溫度越高,時間越長,越有利于碳化物的彌散效果。

(二)氣門的組裝和使用過程

1.在發動機配氣機構中,氣門與氣門座;氣門與導管;氣門與搖臂構成了3對摩擦副,前2個摩擦副配合不當也是造成氣門失效的一個因素。

發動機氣門座和氣門導管與氣缸蓋是一體的,新氣缸蓋氣門座和氣門導管是一起鉸制的,位置精度很好。經過一段時間的使用后,氣門座口和氣門導管均有不同程度的磨損,尤其是使用了配合性較差的氣門,氣門與氣門座配嚴后,氣門座與導管同軸度變差;同時,氣門桿與導管之間的間隙增大。氣門在氣體壓力、慣性力和彈簧預緊力的共同作用下落座時,將作搖頭運動,這是由于氣門錐面不能同時落座造成,彎曲力矩將增大,并且氣門向導管的傳熱惡化,氣門容易過熱,強度降低,當彎曲應力超過材料的疲勞極限時,氣門將產生斷裂。

2.發動機超速運轉也是造成氣門失效的原因之一。高功率運轉時,發動機雖然在一定的負荷和轉速下運轉,但各部分的溫度很高,機械負荷也最重,就配氣機構而言,容易產生氣門與氣門座的磨損。在山區路面及上下坡等,這樣的負荷是斷續發生的,因此,易導致氣門局部材料退火、金相組織轉變、機械強度降低及在發動機高溫部分會形成裂紋。這種裂紋是熱應力引起的疲勞裂紋,裂紋發生在發動機內承受高溫燃氣作用部分,如容易發生在氣門頸部第2熱點附近。

3.路況和燃油不良有時也是促成斷裂的充分條件。

(三)其他因素

因氣門彈簧斷裂、氣門座口脫落、正時皮帶斷裂或排氣門導管斷裂、配氣相位錯誤及發動機超速等原因也均能導致氣門失效。

四、結束語

造成氣門失效模式有很多,且有時不止一個,往往是多個因素促成的結果。而且一旦事故發生,損破現場無法保護,原始資料不易搜集,給失效分析帶來了種種困難。但無論如何,應充分認識到失效分析的重要性,從事故中取得經驗和教訓,用以改進工作,減少此類問題的再發生。

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