對柴油機配氣機構異常磨損的改進

梁丹

摘 要：為了有效地提高配氣機構的可靠性，該文針對現如今柴油機配氣機構存在的異常磨損問題，從設計、材料等幾個方面入手加以計算分析，旨在尋找一個有效的優化設計，以期解決柴油機配氣機構存在的問題，確保柴油機的運行安全。

關鍵詞：柴油機；配氣機構；磨損

中圖分類號：TK42 文獻標志碼：A

0 前言

柴油機的配氣機構是按照發動機氣缸工作循環、點火的實際順序，開啟并關閉氣缸的進氣門與排氣門，使氣缸之內能夠及時地涌入新鮮的空氣，排出廢氣。因此一旦柴油機的配氣機構出現問題，不僅運轉會受到影響，還會導致燃燒不充分，甚至會造成活塞溶頂、缸套出現破裂的問題。所以，確保配氣機構的安全穩定運行就顯得尤為重要。為此以下筆者即結合個人實踐工作經驗與相關參考文獻，從理論與實踐2個方面入手，提出配氣機構異常磨損的原因及其改進優化措施，以供參考。

1 柴油機配氣機構異常磨損現象及其原因排查

目前市場上銷售的某一型號的柴油機，其鐵柱存在較為嚴重的異常磨損問題，并且出現了推桿折彎、推桿球頭邊緣異常磨損等情況。為了更好地分析造成該問題的原因，拆解檢查了故障發動機，挺柱磨損十分嚴重，與正常挺住底部高度幾乎相差了一半以上，推桿球頭邊緣的磨損也是如此，而造成這一問題很有可能是因為零件本身存在質量問題。

為了能夠更好地解決這一問題，找到解決方法，筆者從設計、工藝、材料等幾個方面入手查找原因。挺柱正處于凸輪軸和推桿之間，起到了傳遞凸輪軸推力到搖臂的作用，同時還能夠起到固定推桿球所在球窩中心線位置的作用。并且通過彈簧機構本身的壓緊力作用，能夠使推桿球頭運動到同一個固定軌跡上。所以出現異常磨損故障很有可能是由于自身的設計剛度不足，或者是表面的硬度不足造成的。而結合該柴油機配氣機構總體布置情況，通過校核計算可知，如果設計剛度滿足基本要求，那么原設計不存在任何的問題。

2 柴油機配氣機構故障零件的校核計算與材料風險分析

剛度是指材料或者是結構遭受到外力時抵抗彈性變形的一種能力，是材料彈性變形難易程度的一種表征。所以在故障零件的校核計算上要明確推桿、挺柱本身的剛度是否達到設計要求。為此可以利用以下公式進行計算：

K=EA/l （1）

式中：E為彈性模量；A為橫斷面積；l為桿長。

通過查表我們得知推桿材料的彈性模量為E1=210 kN/mm2，橫斷面積A1=78.5 mm2，推桿的長度l1=316.6 mm。

將上述數據帶入（1）中，可知：

K1=5.21×104 N/mm

彈簧的最大彈力合力為1.032 kN，由于我們可以認為彈簧的全部彈力都作用在推桿挺柱之上，所以推桿剛度并不存在問題，排除了由于推桿強度不足而造成故障問題的可能性。

通過查表我們得知挺柱材料的彈性模量E=1.4×105 N/mm2，橫斷面積A 2=803.84 mm2，挺柱底部的長度l 2=8.5 mm。

將上述數據帶入（1）中，可知：

K2=1.324×106 N/mm

同樣可以近似地認為彈簧的全部作用力都作用在了推桿挺柱上，也排除了由于挺柱底部強度不足而造成變形的可能性。

由于挺柱、推桿剛度都不存在問題，也就排除了由于相關構件剛度不足而造成的推桿彎曲、挺柱異常磨損的問題，設計失誤這種情況也就排除了。

此外，該柴油機的挺柱、凸輪接觸面使用的是冷激鐵柱工藝，但是因為缺乏有效的無上檢測手段，所以可能會出現材料風險。

3 柴油機配氣機構異常磨損的改進優化建議

鑒于當前各個廠家在冷激鑄鐵工藝上存在的檢測問題，筆者建議可以利用與凸輪軸表面硬度相同的YG11C材料，采用層纖焊接方法將其焊接在挺柱盤的底部，取消原本底部的冷激鐵柱工藝。在出廠的時候采取超聲波檢查方法，既保證了挺柱的可靠使用，又解決了冷激鑄鐵的工藝風險。而經過了8 000 h的可靠性驗證，該方案不僅解決了材料質量可能存在的風險問題，也保證了發動機本身的性能要求。

在推桿頭部異常磨損問題的改進優化上，應先對推桿球頭的疲勞情況進行分析，通過Pro/E Mechanica軟件對推桿建模進行材料、受力定義，結合產品的特性導入Mechanica疲勞分析組建，再進行疲勞分析，隨后輸出日志壽命，如圖1所示。可見推桿球頭的邊緣存在疲勞斷裂風險。而推桿球頭邊緣一旦出現了疲勞斷裂問題，勢必會影響到推桿運動軌跡，從而影響發動機的可靠運行。

結合CAE的分析結果，可以將推桿球頭邊緣的銳角修改成為圓角，同時提高球頭最大位置的深度。修改后推桿球頭邊緣容易遭受疲勞損害的位置已經得到了明顯的改善。此時我們再利用Pro/E進行建模，并且導入Pro/E Mechanica之中展開疲勞分析，其計算結果如圖2所示。從圖2中可以清楚地看到推桿球頭的邊緣，其壽命明顯要大于107，因此也有效地解決了推桿球頭的疲勞斷裂風險。

4 結語

綜上所述，該文筆者就柴油機挺柱的異常磨損情況、推桿的彎曲情況、頭部的磨損情況等進行了簡要分析，并對此質量問題展開了深入的研究，通過計算與分析對配氣機構異常磨損問題提出了相應的改進優化建議，旨在進一步提高柴油機配氣機構的運行可靠性，最大限度地提高差柴油機的實際使用壽命。

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