氣門和氣門座圈磨損的設計優化

董朵 徐增密 李超 王少帥

摘要：某柴油機的進氣門和氣門座圈異常磨損，導致額定功率劣化。計算和對比分析表明，進氣門和氣門座圈密封錐面面積偏小，零部件材料耐磨能力不足是導致該故障的主要原因。根據這兩方面因素，本文提出了對應的優化措施，并通過耐久試驗證明了方案的有效性，為此類故障的分析解決提供了參考。

Abstract： The intake valve and valve seat ring of a diesel engine were abnormally worn， and the wear leads to deterioration of rated power. The calculation and comparative analysis show that the main causes are the small area of the seal cone and the poor wear-resisting ability of the material. According to these two factors， this paper provides corresponding optimization measures， and proves the effectiveness of the scheme through durability test. This paper provides a reference for the analysis and solution of such faults.

關鍵詞：氣門;氣門座圈;磨損

Key words： valve;valve seat ring;wear

中圖分類號：U472.43 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）02-0036-03

0 ?引言

氣門座圈鑲嵌在缸蓋底面，與氣門配合形成了進排氣道的密封帶。氣門和氣門座圈承受來自于氣門高頻往復運動的機械負荷，以及高溫燃氣引起的熱負荷，很容易產生磨損或疲勞斷裂。對于發動機高動力性的不斷追求，使得發動機爆壓越來越高，氣門和氣門座圈的故障風險進一步加劇[1]。

氣門與氣門座圈一旦產生過度磨損，氣門位置會異常上移，導致氣門間隙減小甚至氣門關閉不嚴，從而引起發動機功率下降、排放劣化、氣門彎曲（碰撞活塞）等故障。

本文以某柴油機的氣門和氣門座圈磨損故障為研究對象，通過受力分析和材料分析確認故障原因，并針對性地提出了設計優化方案。

1 ?故障情況

某四氣門柴油機進行800h耐久試驗，耐久后排放合格，但標定點功率異常劣化：耐久前為121.7kW，耐久后為116.3kW，劣化率4.4%，超過2%的限值。

對耐久試驗樣機進行拆檢分析，發現進氣門和氣門座圈磨損異常，測量結果如圖1所示。從圖中可以看出，耐久后氣門下沉量介于0.485～0.739mm之間，明顯偏大。氣門座圈和氣門閥座都有磨損，其中氣門座圈磨損相對嚴重。

故障機進氣門和氣門座圈如圖2所示，從圖中可以看出，氣門座圈出現臺階，但不存在局部偏磨，可以排除氣門偏置和局部高溫問題。

2 ?磨損原理

針對此類磨損問題，已有大量的基礎研究成果[2-4]，主要的磨損形式如下：

①黏著磨損：材料的接觸表面在載荷作用下產生塑性變形，在局部的高壓下發生焊合或者結合。

②磨粒磨損：氣門和氣門座圈材料不同，一方的硬質粒子對另一方的較軟接觸表面發生切削作用。

③疲勞磨損：接觸的表層材料受到沖擊和徑向剪切作用，當這種應力超過材料的塑性極限時，材料產生發徑向壓縮變形和徑向剪切流動。

④燒蝕磨損：高溫含硫燃氣使材料受到腐蝕作用，特別是在零部件存在熱變形及零件表面存在積碳的情況下，氣門和氣門座間的漏氣更容易產生燒蝕磨損。

⑤微動磨損：氣門頭部和缸蓋在爆壓下反復彈性變形，使氣門相對氣門座圈產生微小運動，造成工作表面損壞。

磨損原因可歸結為：潤滑條件差、接觸應力大、材料表面粗糙度大、材料硬度及耐磨性問題、廢氣煙度大、高溫、氣門剛度差等[5-9]。

在氣門和氣門座圈沒有局部異常，且發動機爆壓和凸輪軸形線不變的前提下，此問題的分析通常從受力和材料兩方面著手[10-12]。其次還可以優化燃燒或優化冷卻水套，但相應優化方案比較復雜，同時對發動機性能或結構強度有影響，所以作為次要考慮因素。

3 ?受力分析及優化

氣門和氣門座圈的實際受力非常復雜，需要考慮溫度場、氣門運動、彈塑性變形等，分析周期較長[13-14]。工程問題一般通過簡化處理進行初步判斷，即假設氣門與氣門座圈之間摩擦系數為0，不存在摩擦力。

如圖3所示，氣門與氣門座圈密封錐面的受力關系為：

Fn=Fv/cos α

Fn=Pn×Sn=Pn×[（R2-R1）/cosα]×[2×π×（R1+R2）/2]

Fv=Pv×Sv=Pv×π×R3^2

圖3中，Fn代表垂直于密封錐面的法向力，Fv是分解到豎直方向的分力，Fh是分解到水平方向的分力，α是氣門錐角。因為密封錐面繞氣門一周，所以密封錐面Fh的合力為0。

Pn是密封錐面的面壓，Sn是密封錐面面積，Pv是發動機爆壓，Sv是氣門底部面積。

R1是密封錐面小徑，R2是密封錐面大徑，R3是氣門底部直徑。

如表1所示，根據上述公式推算，優化前氣門與氣門座圈密封錐面的面壓為127MPa。為了降低磨損，這里將R1從14.7mm減小為14.35mm，以增加密封錐面面積，優化后密封錐面面壓降低為96MPa。

4 ?材料分析及優化

進氣門采用了X45CrSi93合金鋼及表面淬火處理，為了進一步提高可靠性，更改為53Cr21Mn9Ni4N合金鋼及表面滲氮處理。有文章表明[15]，淬火表面在富油條件下摩擦系數穩定磨損量小，但在干摩擦下摩擦系數上升磨損量大，證明淬火工藝具備良好的抗磨粒磨損能力，但抗黏著磨損能力差。而氮化表面在富油條件和干摩擦下都能保持摩擦系數穩定，且磨損量小，證明氮化工藝同時具備良好的抗磨粒磨損和黏著磨損能力。但滲氮層往往比較薄且較脆，抗疲勞能力差，要在試驗中重點關注。

進氣門座圈的材料由3010升級為AP711G，以提升抗磨損能力。進行磨耗試驗對比兩種材料的抗磨能力，在磨耗試驗機1600r/min，試驗溫度300℃的邊界條件下，試驗結果如圖4所示。相對于3010，AP711G的磨損量可降低約30%。

5 ?試驗驗證

優化后再次進行800h耐久試驗，耐久后排放合格，標定點功率正常：耐久前為120.3kW，耐久后為119.6kW，劣化率0.6%。

對耐久試驗樣機進行拆檢分析，測量結果如圖5所示。優化后氣門下沉量介于0.039～0.100mm之間，氣門座圈磨損量最大值0.026mm，磨損情況取得顯著改善。

改進樣機的進氣門和氣門座圈如圖6所示，從圖中可以看出，零件表面正常，進氣門滲氮層未發生疲勞破裂，上次試驗后進氣門座圈出現的臺階在本次試驗中也并未出現。

6 ?結論

本文分析了進氣門和氣門座圈磨損過量問題，并進行了優化設計，主要結論如下：

①磨損的主要原因是密封錐面面壓過高。

②磨損的次要原因是氣門和氣門座圈的材料耐磨性不足。

③提高密封錐面面積，氣門使用表面滲氮，氣門座圈使用AP711G，試驗表明以上優化措施能顯著降低進氣門和氣門座圈的磨損量。

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