柴油機排氣閥桿斷裂原因分析

肖紅林

摘要：對某船柴油機失效排氣閥進行的材料分析及斷口電鏡掃描分析表明，閥桿為疲勞斷裂， 疲勞是由于氣閥間隙過大，閥桿受到過大的沖擊負荷和側向推力，造成閥桿鎖夾下邊緣處異常磨損，致使疲勞源萌生、擴展直至斷裂。

關鍵詞： 排氣閥；斷裂；間隙

排氣閥是柴油機的重要零部件之一，其工作環境惡劣，閥桿在落座時將承受由慣性力引起的交變載荷及彈簧鎖施加的交變載荷，其載荷最高可達30KN。另外，排氣閥還要承受高達2000℃的燃氣的沖刷，當氣缸轉入進氣沖程時，缸內的溫度又將急劇降低，這種溫度的劇烈變化，使排氣閥產生了交變的熱應力。由于交變熱應力和機械應力兩者的疊加，致使排氣閥失效的故障，在柴油機的故障當中比較多見。某船用柴油機在運行了1000多小時后，一排氣閥在閥桿鎖夾下緣及閥桿根部發生斷裂，閥盤脫落墜入燃燒室，致使活塞碎裂，連桿斷裂，機體擊穿。本文對發生事故的排氣閥斷裂原因進行分析。

1.材料分析

材料化學成分分析顯示，閥盤和閥桿的各元素含量均符合技術要求。硬度測試未發現異常。金相分析顯示，閥盤材料組織為奧氏體晶粒組織+析出相，晶粒度級別為9.0級；閥桿基體組織為回火索氏體+碳化物+少量鐵素體，局部表面組織出現相對含量較高的鐵素體組織，材料組織符合技術要求。

2.斷口分析

因閥盤墜入燃燒室，閥盤在往復運動的活塞的沖撞下，原始斷面受到嚴重的二次破壞，無法做斷面分析，因此有效的分析斷面只有3個。

2.1 斷口宏觀形貌

斷口的宏觀形貌如圖1所示，其中1#、2#為鎖夾下緣的匹配斷口，3#為閥桿根部斷口。從圖片可清晰地看到，鎖夾下緣斷口的邊緣受到高頻次的磨損而發生凹陷，凹陷處沿圓周分布，呈環向的缺口形態，斷面因磨損嚴重而光滑明亮，斷口附近的閥桿表面存在縱向磨痕，以及起伏的擠壓凹痕（圖2）。閥桿根部斷口斷面保存較為完好，呈淺灰色，可觀察到清晰的貝紋狀疲勞停止線，疲勞弧線從不同方向由表向內逐步擴展，為多源疲勞斷裂，起裂源均位于表面。疲勞裂紋擴展至一定深度后，發生快速斷裂，終斷區斷口有明顯起伏。

2.2 斷口微觀形態

超聲波清洗斷口，在掃描電鏡下觀察到鎖夾下邊緣斷口的微觀形態如圖3所示。斷口磨損嚴重，大部分原始斷口已破壞，但仍殘留極少部分的原始斷口，可觀察到細密的疲勞裂紋，疲勞間距為亞微米級，顯示了疲勞的緩慢擴展階段。

閥桿根部的斷口形貌如圖4所示，斷口為多源疲勞起裂，共有4處疲勞源，均位于表面。源區斷口平坦，并可見細小磨痕，擴展區為粗糙的疲勞條紋，部分條紋間還分布一些韌窩斷口，顯示閥桿受到了較大交變應力，疲勞擴展速度較快。斷口的不同區域離散分布較多的粒狀析出相。

3.閥桿斷裂先后順序分析

斷口電鏡掃描表明，排氣閥閥桿鎖夾下緣的斷裂為疲勞斷裂，斷口的疲勞條紋較為細密，斷口具有低應力、高頻次的疲勞斷裂特征。閥桿根部亦為疲勞斷裂，斷口上的疲勞條紋間距較大，斷面較為粗糙，裂紋擴展的中后期還出現較大面積的韌窩斷口，是在相對較大的交變應力作用下發生的低頻次疲勞斷裂，斷口發生多源線性疲勞起裂，這些交變應力來自不同方向，應為閥桿往復運動時產生的異常橫向抖動應力。 因此，從疲勞條紋間距的細密程度及斷面的磨損情況分析，應該是鎖夾下緣首先發生疲勞斷裂，斷后的閥桿仍在導管內上下往復運動，形成較大的橫向擺動，使閥桿根部也發生疲勞斷裂。

4.閥桿鎖夾下緣疲勞斷裂原因分析

閥桿斷裂于鎖夾下緣，由圖2可以看出，鎖夾的端面與閥桿發生了非正常的磨損，閥桿發生了異常的橫向抖動。柴油機的裝配記錄表明，閥桿與排氣閥導管的配合間隙正常，拆檢發現，斷裂排氣閥的導管內表面未發生異常磨損，除斷口附近的閥桿有磨損外，閥桿其他部位亦無異常磨損。但是氣閥間隙檢查發現，故障機的其他氣閥間隙是正常間隙的2～3倍，動力學仿真計算表明，在氣閥間隙過大的情況下，閥桿受到的沖擊負荷和側推力會隨間隙的增大而急劇增加，應力分析顯示鎖夾下邊緣及閥桿根部正是排氣閥的最薄弱處，在氣閥間隙達到3.5倍正常值時，閥桿鎖夾下緣的應力接近材料屈服極限。由此可得出結論：此次氣閥疲勞斷裂是由于氣閥間隙過大，閥桿受到過大的沖擊負荷和側推力，造成閥桿鎖夾下邊緣處異常磨損，致使疲勞源萌生、擴展直至斷裂。

而氣閥間隙過大，是由于長期未按要求定期檢查、調整氣門間隙，是維護保養不當造成的，由此帶來的教訓十分深刻。