宛春利

[摘 要]气门失效从失效模式主要有颈部断的掉头、盘部的掉块、烧蚀、翅曲变形、锥面的磨损、杆部断和杆端崩落及焊片脱落等。这些年来，柴油机厂通过加大排量、提高转速、增压和增压中冷等手段，不断地对柴油机强化。在失效分析中，经常发现气门失效与挺柱和（或）凸轮磨损相伴随的现象。

[关键词]柴油机，气门，失效分析

中图分类号：TK42 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）07-0375-01

一、前言

气门是四冲程内燃机完成工作循环实现换气和密封功能的零件。在形成密闭燃烧室空间的零件中气门的温度最高。进气门工作温度一般在200-450℃，排气门的工作温度一般在600-800℃，有的甚至高达850。目前，我国车用柴油机的最高爆压，自然吸气柴油机一般要大于8.5Mpa，增压及增压中冷柴油机在10-13 Mpa，有的甚至还要高。工作中气门不仅承受着高频冲击、交变的拉压及热应力的作用，还承受着高温腐蚀和高速燃气的冲刷。在此恶劣的工作环境下，个别气门发生失效。轻者需修理，重者要更换整机。不仅严重地损害了用户的利益，也给制造厂带来经济和信誉上的损失。因此，引起柴油机生产厂的严重关注。

二、失效的设计原因

气门设计一般取决于预先设定的工作环境和大量生产的效果成本比（价值工程）。这些年来，柴油机厂通过加大排量、提高转速、增压和增压中冷等手段，不断地对柴油机强化。作为较普遍采用的菌形气门，其工作温度随燃烧效率、排温和冷却系统的有效性而变化，爆压和开启、落座速度决定着其相关应力。柴油机的强化使气门的热负荷和机械负荷大幅度提高，腐蚀影响增大，致使某些方面超出原设定范围，出现了随着柴油机的强化气门的失效率相应升高的现象。可以说某些柴油机强化而未在设计上对气门做相应的改进是气门失效的一个原因。

三、气门的设计改进

（一）原材料的选择

当前，大部分车用柴油机的进气门的材料是马氏体钢的4Cr10Si2Mo，随着温度的提高和机械负荷的增大，氧化和塑性变形成为问题时，就要选用更高合金的马氏体钢，甚至奥氏体钢。而要显著提高抗冲击性就要采用锥面堆焊。

排气门材料一般用奥氏体钢或超耐热钢。奥氏体钢气门一般可承受700-760℃，瞬态可达815-850℃的高温。长期以来我国车用柴油机排气门基本上都是用的21—4N。从热性能讲，21—4N可以满足当前柴油机强化程度的要求。但21—4N是为汽油机设计耐铅腐蚀的一种材料，而21—12N和23—8N是为柴油机设计的材料，能耐V2O5和硫酸盐腐蚀。23—8N和21—12N相比，虽然屈服强度稍低，但延伸率、抗拉弯强度和抗氧化耐硫腐蚀性提高。考虑我国柴油含硫量高，在失效分析中往往提到腐蚀问题，建议排气门材料最好选用23—8N。超耐热合金钢的工作温度可达870-900℃，其疲劳强度和耐腐蚀性要超过奥氏体钢。奥氏体钢价格较高，超耐热合金钢价格更高。为降低成本，也便于气门杆端部的淬火，考虑国内各气门生产厂的摩擦焊工艺已过关，建议气门杆部采用40Cr、4Cr9Si2或4Cr10Si2Mo等材料与气门头部对焊。但焊接的气门杆在气门最大升程时也不得露出气门导管，避免燃气腐蚀侵害。

（二）气门的结构设计

进、排气门头部尺寸及其比例、杆部直径和总长度是根据柴油机总体设计而确定的。一般进、排气门头部直径比例为1：0.7—0.9，增压机可接近于1：1，杆部直径与进气门头部直径比为1：5.5—6.0，相关件气门导管的长度约为杆直径的7倍左右。柴油机强化后在可能和必要的情况下应做合理调整，但一般很难做较大改动。起码不做诸如将杆径减小的削弱强度的更改设计，以免带来新的隐患。

1、气门头部

气门头部的设计十分重要。颈部形状对气流影响最大，杆与颈部过渡处对气流也有影响。头部设计既要使之较好实现换气功能，又要兼顾可靠性和耐久性好的设计，为有效地改善气体流动，在进气門锥面与颈部角之间设计出副座角（或称后角）。不合理的设计，在第二热节点处可能会因屈服强度而产生缩颈或断裂；锥面强度不足，在过高的负荷下可能会因磨损而产生断裂，因变形漏气而烧损。为使气门能承受更高的爆压而增加盘厚使气门总质量增大，将带来落座冲击力和热容量增大，产生对磨损不利等问题；为减少冲击力引发的失效而减轻气门质量，又可能带来强度等问题。这些往往是互相矛盾的。改进的实施应根据失效分析抓住主要矛盾。杆和颈部的过渡区往往是机械应力和热应力均高的部位，不仅要求各处应力分布均匀，而且要求材料有足够的机械强度和延伸率；而排气门此处受排气冲击，对腐蚀和疲劳非常敏感，一般设计成锥形。

2、气门锥面角度

我国车用柴油机的原始设计基本上都是自然吸气式，为兼顾密封和磨损，一般均采用90°锥面角。增压及柴油机改成燃烧CNG、LPG气体燃料发动机后，锥角一般要改成120°，甚至140—150°。如果进气门磨损严重，这种锥角的改动是最简单又经济的办法。但要注意改动后对气门清除配合锥面上的积碳的能力的影响，要采取措施予以弥补。

3、气门杆及相关件

气门杆部的失效主要有杆断、端部焊片脱落、端面裂纹蹦落、掉块等。杆断主要发生在气道侧距导管端面2mm—5mm处和锁夹槽处。前者是弯曲应力所致，可同时观察到气门杆的偏磨痕迹，有的还可看到导管口处的破损。而锁夹槽处则可观察到微振磨损或尖角应力引起疲劳断裂的形貌。有的机型此处失效率很高。

气门杆及相关件的设计，不仅要搞好单件设计，还要保证锁夹槽、锁夹及弹簧座的协调一致、受力合理。早期设计的气门杆上往往带有积碳槽，不仅减弱了强度，还可能在过渡处产生尖角应力。在气门密封解决的今天，应研究其是否还有保留的必要，有的机型已取消。还有的机型气门导管端距气门头部的尺寸偏大，气门杆又细，对承受弯曲应力十分不利。锁夹槽和锁夹的设计很讲究。单圆弧式可适用于任何气门，采用14°15′和10°包容角为保证气门、锁夹和弹簧座组合在一起提供了足够的夹紧力，锁夹槽和锁夹凸凹缘之间在设计上要留有径向间隙。双道圆弧槽一般用于大于等于9mm杆径，包容角14°15′。此结构圆弧处缺口敏感较低，且两槽能产生附加剪切力。多道圆弧槽式是靠杆与锁夹的凹凸缘之间的接触来支撑气门，因此不仅要求凹凸缘的形状有尽量大的接触面积，而且要求接触面有足够的硬度以保证耐磨。以往因担心锁夹槽处淬透而发生脆断，有的设计硬度要求偏低，锁夹槽淬火机床的应用免除了设计人员的这一担忧。多道锁夹槽式使气门处于旋转自由状态，利于气门旋转。

4、配气驱动机构

配气机构的设计参数、驱动机械的几何位置和动力性能都可能使气门的应力增大，成为失效的原因。同时，驱动机构零件的失效还可能造成气门产生关联失效。在失效分析中，经常发现气门失效与挺柱和（或）凸轮磨损相伴随的现象。一些机型在失效分析中提出气门弹簧力过大问题，有的甚至提出挺柱接触应力超出许可范围，这些必将对挺柱和凸轮轴的磨损产生影响，进而波及到气门。

气门旋转可消除气门和座配合锥面上的积碳，这对锥角加大后尤为重要。同时，气门旋转还会使气门磨损和受热均匀，改善座的传热，也有利于杆的均匀磨损。

实践表明，根据失效分析，通过对诸如凸轮型线、凸轮锥角与挺柱球面的合理匹配、凸轮轴刚度、挺柱的技术要求、弹簧力的调整、摇臂相对气门位置的要求、摇臂R和气门杆端粗糙度提高等改进，使气门的失效率下降或某种失效模式得到解决。

参考文献

[1] 万辛，林大渊.内燃机设计.天津：天津大学出版社，1998.