氣閥斷裂故障分析

齊發致，劉國棟，李偉杰

（申佳船廠，上海 200135）

0 引 言

任何投入運行的設備，零部件的失效會導致設備故障。機械設備發生故障的表現形態很多，其中有一種突發性故障，發展速度非常之快并帶有突變性質，其常見的表現形態之一為運動件斷裂。引起零部件失效的原因也是各種各樣的，但這類運動件的斷裂往往是由疲勞引起，發展過程較長，但外觀表現不明顯。尤其對于普通機械設備來說，疲勞裂紋難于監測，最后通常導致突發性斷裂。難以通過狀態監測進行預報，無法用一定的規律描述或反映故障的發展過程。某型柴油發電機組運行中發生的氣閥斷裂失效的故障就是一例。針對此故障案例，從各個方面對引起失效的原因進行分析討論。

1 設備故障概況

1.1 故障件尺寸

閥桿直徑φ12mm；風門板尺寸 40mm×40mm；風門軸直徑φ7mm；裝風門板處直徑φ6mm，上有 M3螺孔2只。

1.2 故障描述

故障設備為直列型6缸柴油機，使用時發現有異常抖動。按程序進行啟動前檢查后，可啟動柴油機，在空車狀態下繼續觀察，發現No.6缸缸頭內有異常響聲，即停機再檢查，發現No.6缸氣閥間隙偏大，進氣閥間隙技術要求0.4mm，現為0.6mm，排氣閥間隙技術要求0.5mm，現為0.7mm。調整氣閥間隙至標準值后，再次啟動柴油機，空車運行時異常響聲消除，持續運行了6min左右，瞬間突然出現一次較強的聲響并伴有抖動，隨即運行平穩，共運行25min均無異常現象，然后停機待冷卻后，通過曲軸箱門蓋內檢查氣缸內壁、連桿大端軸向靈活性，無其他異常發現。

用戶再次使用該柴油機，啟動后在50%負荷下連續運行，其間運行參數為：滑油壓力0.46～0.47MPa；淡水壓力0.16MPa；海水壓力0.07MPa；淡水溫度65～70℃；滑油溫度70～80℃；排煙溫度300～380℃。

外部綜合觀察及參數顯示均說明柴油機運行正常，但在連續運行至3.83h后，柴油機出現異常聲響，機器抖動，排氣管冒火等異常情況。且因無法正常停機，隨即通過關閉燃油總管應急停車，盤車檢查無明顯卡滯現象，但柴油機已無法再次啟動。

1.3 拆檢

盤車檢查無明顯異常現象，對噴油時規檢查時發現 No.6缸進氣閥與搖臂始終處于壓緊狀態。經全面拆卸檢查，確認共有4個故障點分別為第4、5、6缸和增壓器，總共損壞進氣風門組件一套、活塞3只、氣缸2只、氣缸頭2只，進排氣閥各兩只和相關附件、噴油器一套、增壓器轉子一套。其中：No.4缸缸頭風門軸在下螺孔處斷裂，風門軸上無明顯撞擊痕跡，風門脫落，其中一風門螺栓嵌于該缸活塞頂部，另一螺栓和斷下的另半截風門軸未見，碎斷情況不明，掉下的風門板卡在No.6缸的進氣口處；No.4缸活塞頂面存在少量的撞擊痕跡，基本上分布在活塞頂部閥坑之間的岸上（圖 1）；No.5缸缸套表面有較粗的拉痕并手感輕微（圖2）。

No.6缸兩只進氣閥閥桿均彎曲，其中一進氣閥閥盤在根部斷裂脫落，脫落閥盤的圓周因撞擊而殘缺不圓，盤面凹凸不平（圖3）。兩只排氣閥閥桿均彎曲，兩只閥盤均在根部斷裂脫落，其中一只閥盤本身也斷裂成數塊，閥盤因撞擊已無原形（圖3）。缸頭進氣口處有No.4缸脫落的風門板。

圖1 No.4缸活塞頂面撞擊痕跡

圖2 No.5缸套表面拉痕

圖3 No.6缸兩進氣閥閥桿狀況

No.6缸缸頭平面在中心φ130mm圓內存在嚴重撞擊痕跡，四只氣閥座工作斜面一周均有撞擊痕跡。有一根排氣閥桿咬死在導筒內，其斷口與閥座底面平齊，導筒壁被壓壞斷裂掉落。另3只氣閥導筒全部損壞，其斷口低于缸頭本體，一只噴油器也咬死在上面（圖4）。活塞頂面受嚴重撞擊，已無原始形狀存在（圖5），撞擊痕跡多數與閥盤形狀相似，并有一小塊閥盤嵌于其中，頂部第一道環岸以上嚴重拉傷，拉傷深度約0.5～1mm，較均勻地分布于約80%的圓周上，在裙部受側推力面有兩處呈塊狀拉傷痕跡，面積均約20mm×30mm，拉傷深度小于0.3mm，全部活塞環未斷并在環槽中無咬死情況，整個活塞無明顯過熱現象；缸套上與活塞裙部拉痕對應處有拉痕，寬度約15mm，手感較重，上下貫穿。增壓器的廢氣端有斷下的排氣閥盤，呈不規則圓形，渦輪嚴重損壞，壓氣葉輪正常（圖6）。

圖4 No.6缸缸頭平面受損狀況

圖5 No.6缸活塞頂面受撞擊

圖6 No.6渦輪損壞

2 氣閥斷裂原因分析

分析1：查閱設備運行的記錄，柴油機運行無顯著異常，運行參數滿足使用說明書規定的要求。故障瞬間前也不存在明顯的外力因素，故可以確認設備不存在超負荷運行的情況。

分析2：所更換的進排氣閥，來自正規的采購渠道，無充分理由認為其產品所用材質存在問題。外表無顯而易見的制造缺陷，也不存在人為造成零部件受損傷的情況。

分析3：查閱原裝配記錄，無裝配不良記錄顯示，故障之前柴油機已累計運行時間長達60.5h且運行狀態良好，推斷沒有因裝配不良引起氣閥或風門軸超應力而斷裂的附加外力存在，因此不存在因裝配引起的零部件失效情況。

分析4：No.4缸風門軸是否因意外之力而斷裂，按風門軸縱斷面占進氣通道流通面積的百分比計算，擊中風門軸概率約6%，從進氣歧管到風門處的距離僅100mm左右，碎塊很難在極短的時間內被加速至進氣氣流速度，況且碎塊的質量很小，即使一次撞擊也很難達到打斷風門軸所需的能量和力。通過5倍放大鏡仔細觀察，也未發現風門軸上有明顯撞擊痕跡，可以推斷風門軸沒有被碎塊擊中，即沒有承受到意外的附加應力。

分析5：觀察風門軸的斷口，屬脆性斷裂（圖7），由于氫脆發生的脆性斷裂,通常是很突然地發生，并且在低應力情況下發生的[1]，比對其他氫脆斷裂的情況，可以推定風門軸的斷裂是由自身缺陷所引起的，再根據該型柴油機風門軸的失效經歷，近兩年來工廠已發現3例該類型風門軸斷裂的案例，則推斷風門軸斷裂造成該缸故障的概率更大。

分析6：經驗給出，No.4缸風門軸上掉下的碎塊如果通過排氣閥進入排氣總管后，幾乎沒有機會再次通過排氣閥進入其他氣缸。其次風門軸上掉下的碎塊質量很小，要在其被嵌入活塞體之前，撞壞氣閥的可能性似乎不大，否則可認為氣閥自身存在缺陷。同時根據該型柴油機所發生過的同類失效經歷，確實存在著落下的異物被嵌入活塞頂部，柴油機仍然繼續正常運行的情況。所以推斷 No.6缸內的碎塊是本缸所產生的。

分析7：該柴油機修復交付后已運行60.5h，說明時規調整正常，運行中如遇氣閥調節螺栓松脫，氣門間隙變大，但不會頂缸。故進排氣時規未調整好而引起氣閥斷裂的可能性不存在。

分析8：通過觀察損壞的排氣閥上的斷面，屬脆性斷裂斷面（圖8、9），認為No.6缸某一排氣閥因自身存在某種缺陷，致使材料在氣缸內燃燒的高溫化學氣體介質中的加速腐蝕疲勞[2]，最終導致斷裂。斷裂落下的碎塊進入氣缸后，如果柴油機不被阻停而能繼續轉動的話，只有在下列幾個情況下才可能：1) 進入氣缸的碎塊尺度小于活塞在上死點時的氣缸余隙；2) 機構有足夠的力將碎塊壓入比他軟的活塞頂部，從而保證活塞能越過上死點；3) 機構有足夠的力將碎塊擊碎，使碎塊尺度小于活塞在上死點時的氣缸余隙；4)機構有足夠的力使機構變形撐大氣缸余隙，從而保證活塞能越過上死點。

圖7 風門軸斷口

圖8 排氣閥脆性斷裂斷面

圖9 排氣閥脆性斷裂斷面

本案例中由于活塞頂部的硬度較碎塊硬度低許多，且碎塊的尺度相對較小，因而表現為第2）種情況，將碎塊壓入活塞頂部，拆檢后活塞頂面的實際狀況可以證實這種情況的存在。

當No.6缸內斷裂掉下的碎塊是整個閥盤或部分閥盤時，因尺度稍大或落下時其大尺度方向處于垂直，從而產生一個伴有聲響的較強抖動，最終導致活塞、缸頭及氣閥的嚴重損毀。同時其他碎塊通過排氣道進入排氣總管，導致增壓器的噴嘴或渦輪葉片打壞。此時進排氣閥均已毀壞，造成進排氣時規混亂，進排氣道互通。因進排氣總管內氣體壓力始終是波動的，在活塞上行時其壓縮氣體的壓力仍可能高于進氣總管壓力，將其中較小的碎塊吹入進氣總管，從而通過進氣總管進入其他氣缸內。

3 結 語

通過對本案例的分析可知，進排氣閥及風門軸的斷裂疑似為低應力疲勞斷裂，兩者是互相獨立的事件。如果能進一步對本案例中的失效件進行高倍的斷口分析[3]或電鏡觀察，則可以得到更為準確的結論。從而將失效原因反饋給零部件制造廠，以便改善制造工藝，對各方面都將是有益的。

[1] 周志光. 鋼件脆性斷裂失效分析[A]. 陶正耀. 失效分析論文集[C]. 中國機械工程學會材料學會，1984. 348-352.

[2] 曾振鵬. 柴油機零件失效分析實例[A]. 陶正耀. 失效分析論文集[C]. 中國機械工程學會材料學會，1984. 469-478.

[3] 陳廣異. 電子顯微斷口分析法在機械產品失效方面的應用[A]. 陶正耀. 失效分析論文集[C]. 中國機械工程學會材料學會，1984. 29-39.