發動機氣門是發動機的重要零部件之一,在密閉燃燒室空間工作的零件中,氣門的溫度最高。進氣門工作溫度一般在200~450C排氣門的工作溫度一般在700~850C。高溫下材料的各項性能發生變化,使機械性能下降,甚至發生蠕變。與此同時,氣門還要承受高壓,目前我國自然吸氣柴油機的最高爆壓一般要大于8.5MPa 增壓及增壓中冷柴油機為10~15MPa有的甚至還要高。工作中氣門不僅承受著高頻沖擊、交變的拉壓及熱應力的作用,還承受著高溫腐蝕和高速燃氣的沖刷。在高溫、高壓和高速氣流作用下氣門頸部易產生疲勞斷裂現就失效類型、原因與對策闡述如下,供同行參考。
失效類型判定
氣門在盤桿過渡處的疲勞斷裂(即所謂氣門掉頭)按照失效機制劃分，主要有兩種形式:單向彎曲疲勞斷裂和旋轉彎曲疲勞斷裂，單向彎曲疲勞斷裂一般為非正常失效，主要失效形式是旋轉彎曲疲勞斷裂,失效件的代表性斷口見圖1,位置見圖2
圖2)可以判斷，斷裂發生在氣門頭部與氣門桿的交接處,這里同時也是第二熱點,因此,氣門頸部失效屬于在第二熱點和粗細交接處的旋轉彎曲疲勞斷裂。斷口信息表明,氣門斷裂起源于較高的彎曲工作應力,這與發動機的整體結構有一定的關系。通常柴油機功率提高，發動機的熱負荷相應增加,發動機的熱負荷隨功率提高而增加，氣門的工作溫度必然隨之上升;同時發動機整體熱負荷的變化,也會導致氣門承受的機械應力產生變化。因此，應對氣門進行強化。
造成斷裂的原因分析
3.1 氣門桿與氣門導管之間間隙不適當,過小或過大在配氣機構的制造和裝配過程中氣門座錐面相對于導管軸線不可避免會產生工藝偏差,如果氣門桿與氣門導管間隙過小,氣門落關閉后的彎曲應力將更多的由氣門桿頸部承受.再加上氣門工作時的旋轉高頻運動，容易導致氣門頸部疲勞斷裂:反之氣門間隙過大也將導致氣門落座沖擊過大,從而導致氣門疲勞失效。發動機氣門組件的裝配精度直接影響氣門的使用壽命。在氣門關閉時,如果氣門與氣門副配合存在偏差,那么氣門每次落座必定存在歪斜氣門桿需要承受彎曲扭矩,而由彎曲扭矩產生的應力將會導致氣門磨損失效。圖3所示的氣門桿在第二熱點處彎曲的現象可以推斷出,在氣門關閉時,氣門可能會承受較大的彎曲應力。
圖3 動機氣門使用后與用前對比3.3氣門桿端面與搖臂接觸不正常
圖4 氣門桿端據臂接觸痕跡
通過氣門桿端面與搖臂接觸痕跡可以推斷出發動機氣門桿端面和搖頭臂相對運動是否正確(見圖4)。當接觸痕跡偏離時,亦會使氣門產生偏磨增加氣門桿部彎曲應力，導致氣門彎曲疲勞斷裂。3.4 頸部圓弧過渡部分表面粗糙度偏低
根據設計圖紙要求氣門在頭部與桿部的粗細交接處采用圓弧過渡,過渡區的表面粗糙度要求為1.6,圖5為全新氣門加工效果圖。
根據比對，頭部與桿部連接圓弧的圓弧表面粗糙度已經達到1.6的加工要求,但是可以看出,頭部的表面粗糙度較差,存在很多細小紋路,這種細小紋路可能會對疲勞裂紋的萌生和發展產生較大的影響，圖6為使用后的發動機進氣門圓弧交接處的照片。
圖6 使用后的氣門圍弧交接處狀況通過圖6可以看出，在氣門頭與氣門桿的粗細交接處的疲勞裂紋已經初步產生，如果繼續使用，裂紋內部將會進一步腐蝕,裂紋擴大,最終形成斷裂3.5設計缺陷
氣門的第二熱點與過渡圓弧幾乎重合是一個主要的設計缺陷,氣門的第二熱點是一個熱應力較為集中的位置，而過渡圓弧是氣門頭部與氣門桿粗細交接的位置，該位置是一個彎曲應力集中的地方,將兩種應力集中點設計在同一位置,勢必增加了這一位置的應力,從而造成該位置的失效率較高綜上所述，氣門頭部和桿部交接處強度不足是造成氣門盤桿過渡處彎曲疲勞斷裂的主要原因.
改進措施
4.1改進氣門頸部結構設計
改進氣門頸部結構設計，在盤桿過渡處增加6的傾角,并適當縮短氣門桿部磨光長度,這樣既增加了第二熱點位置的直徑，增強盤桿過渡處強度又避免了盤桿過渡處與第二熱點重合,使兩個應力集中位置分離。
圖7 頸部結構對比
4.2 合理確定氣門桿與氣門導管的配合間隙
合理確定氣門桿與氣門導管的配合間隙,防止間隙過大或過小。如圖7,在配氣機構的制造和裝配過程中,氣門座錐面相對于導管軸線不可避免會產生工藝偏差A’,當氣門關閉,氣門盤在氣門座上的配合有歪斜時,若氣門沒有漏氣,則說明氣門座與氣門錐面的間隙是依靠作用在氣門盤上的氣體壓力來消除的，這樣就在氣門桿頸部產生了彎曲應力。為了保證氣門的壽命,氣門在第二熱點的彎曲應力小于材料的疲勞極限。
氣門桿與氣門導管之間的間隙應該存在一個最小值,由于數據缺少,無法精確計算這一最小值但是根據資料，對于排氣門氣門桿與導管的間隙選擇推薦為8=0.01d,當氣門的d=9.5mm時應該在0.095mm左右，按IT8的加工精度，最小值應該在0.073附近。但是,氣門桿與氣門導管之間的配合公差帶是H8/e8,可以得出0.025≤8S0.069,明顯小于0.073推薦最小值。為此,建議更改氣門桿與氣門導管之間的配合公差,使配合間在合理范圍內。
4.3提高頸部和頸部與桿部過渡處的表面粗糙度
(1)對頸部和頸部與桿部過渡處采用拋光或者精磨的加工方法:
(2)對頸部和頸部與桿部過渡處采用高速變頻控制實施等線速度車削:
(3)對頸部和頸部與桿部過渡處采用豪克能技術加工。
結論
(2)對頸部和頸部與桿部過渡處采用高速變頻
