某型柴油机汽缸盖排气阀阀座异常磨损原因分析

熊小龙，陈士阁

(1.海军驻兴平地区军事代表室,陕西 兴平 713105；2.陕西柴油机重工有限公司，陕西 兴平 713105)

技术交流

某型柴油机汽缸盖排气阀阀座异常磨损原因分析

熊小龙1，陈士阁2

(1.海军驻兴平地区军事代表室,陕西 兴平 713105；2.陕西柴油机重工有限公司，陕西 兴平 713105)

针对某型柴油机汽缸盖排气阀阀座的异常磨损现象，根据初步原因分析，制定方案进行排查，检查结果及验证表明：缸盖材料组织不均匀，局部铁素体含量过高是其阀座异常磨损的直接原因。最终，通过采取继续严格按照固化后的“某型机缸盖作业指导书”的要求进行操作，密切监控落砂时间和落砂后缸盖的放置状态，确保浇注后间隔固定时间落砂，落砂后燃烧面朝上，缸盖之间避免互相挤压等措施，保证了缸盖的可靠性。

柴油机；缸盖；排气阀；铁素体

汽缸盖的主要作用是密封汽缸，其上通常安装有喷油器，进、排气阀，安全阀等，其内部有进、排气道，冷却水腔等，这些因素使缸盖成为结构最复杂的柴油机零部件之一[1]。

缸盖受到高温高压燃气的作用和螺栓预紧力的作用，使之产生压缩应力、弯曲应力和热应力。所以要求缸盖有足够的强度和刚度，以保证其可靠的工作。而缸盖的进、排气阀阀座又是其本体上最易磨损的部位。文中就某型机排气阀阀座异常磨损现象做了详细分析，并提出改进措施。

1 故障现象

某型柴油机交货试验后，B1、B4、B6、B94个缸排气阀间隙异常，B1缸1个排气阀间隙为0，B6缸2个排气阀间隙为0，B4缸1个排气阀间隙为0.20 mm，B9缸1个排气阀间隙为0.05 mm，远低于要求的间隙0.50 mm。检查发现，B1、B4、B6、B94个缸盖排气阀阀座异常磨损，磨损情况见表1。

2 初步原因分析

引发排气阀座磨损的可能原因如下。

1)阀座冷却不良，高温下阀座耐磨性降低：与此有关的主要零件有缸盖，机身至缸盖的冷却水道。

2)气阀落座润滑缓冲不良：与此有关的主要零件有排气摇臂，气阀间隙调节螺钉，转阀机构，缸盖至气阀的润滑油道。

3)落阀冲击力过大：与此有关的主要零件有气阀弹簧，排气阀弹簧座，气阀挺杆，气阀卡块，排气阀，缸盖阀座，排气阀导管，排气凸轮。

4)排气阀硬度过高。

5)缸盖阀座材料耐磨性差。

3 排查方案

根据上述分析，确定B1、B4、B6、B94个缸的拆检项目如下。

1)机身与缸盖连接处冷却水道是否通畅。

2)缸盖冷却水流量，要求冷却水压力为0.15～0.20 MPa，流量在30 s内小于20.50 kg。

3)解剖B1、B6缸盖，检查在阀座处的冷却水腔尺寸。

4)检查摇臂轴的油孔尺寸、位置。

6)贴合检查摇臂座与缸盖的滑油道对接位置。

8)气阀卡块安装配对情况，目测外观。

9)气阀内外弹簧刚度及自由长度。

10)检查挺杆长度及球头外观。

11)阀座与排气阀贴合。

12)H55-074(D(17±0.009)mm)塞规测量排气阀导管孔与阀座同轴度和阀面贴合。

13)B排凸轮轴所有排气凸轮型线。

14)转阀机构的灵活性和排气阀弹簧座的全部尺寸。

15)检测阀座磨损缸盖的金相组织、化学成分和硬度，并在B1、B6缸盖上取样检查抗拉强度。

4 检查结果及验证

根据上述方案进行检查，结果如下。

4.1零部件拆检情况

1)缸盖冷却水水道通畅，流量满足图纸要求。

2)测量排气阀导管孔及其与贴合面的同轴度满足图纸要求，贴合面与排气阀贴合不断线。

3)摇臂轴的油孔尺寸、位置符合图纸要求。

6)除B4缸1个排气阀内弹簧检验力矩超差1.6 N·m和1个进气阀内弹簧的检验力矩超差0.6 N·m外，其余气阀弹簧刚度及自由长度均满足图纸要求。

7)所有挺杆长度合格，球头外观无异常。

8)转阀机构转动灵活，气阀卡块安装配对正确，外观无异常。

9)排气阀弹簧座尺寸符合技术要求。

10)磨损阀座对应排气阀的锥角、卡块安装处尺寸及总长合格。

11)复查凸轮轴所有排气阀对应的凸轮型线记录，型线全部合格。

可以看出，除B4缸1个排气阀和1个进气阀的内弹簧检验力矩略高(最高超出1.6 N·m)外，其余零部件均合格。气阀弹簧刚度超差可能由于测量误差导致，另一方面，气阀弹簧刚度增加，气阀与气阀传动机构紧紧贴合，气阀落阀速度仅与凸轮型线有关，不会异常增加而增加落阀冲击力，因此不会导致阀座异常磨损。

4.2缸盖解剖情况

对磨损的4个缸盖进行解剖，检测结果如下。

经查这4件缸盖分别对应在3炉浇注，具体见表2。

表2 缸号对应炉号

检测磨损缸盖的表面硬度，并对B1、B6、B4、B9缸缸盖进行本体解剖(见图1)，进行硬度、抗拉强度、金相及化学成分分析，结果如下。

4.2.1 入库时该批缸盖质量排查

图1 检测位置示意图

1)化学成分如表3所示。

表3 入库时化学成分 %

2)机械性能及金相如表4所示。

表4 入库时机械性能及金相

4.2.2 解剖前硬度测量

解剖之前，对缸盖燃烧面进行硬度检测，具体检测位置见图1,测量值如表5所示。

表5 解剖前机械性能

4.2.3 解剖排查

对磨损缸盖B1、B6号进行了本体解剖(见图2)。

图2 解剖位置示意图

对2个排气阀部位分别做了硬度、金相及组织分析，具体结果如下。

其中，试样1做金相组织及布氏硬度检测；试样2做化学成分、抗拉强度性能检测。

1)硬度分析。缸盖解剖后对试样1即排气阀鼻梁端面处进行了硬度检测。具体测量位置如图3所示，测量值如表6所示。

图3 硬度测量点示意图

2)金相组织分析。对试样1进行了金相组织分析，具体测量位置如图4所示，结果如表7所示。

图4 测量位置示意图

解剖件号位置石墨形态基体1404-46M1A5珠光体+少量碳化物+铁素体lt;1%M2A4-5珠光体+铁素体lt;1%M3A4-5珠光体+25%铁素体1404-62M1A5珠光体+少量碳化物+铁素体lt;1%M2A4-5珠光体+铁素体lt;1%M3A4-5珠光体+15%铁素体1404-59M1A5珠光体+少量碳化物+铁素体lt;1%M2A5珠光体+少量碳化物+铁素体lt;1%M3A4-5珠光体+8%铁素体

续表7 试样1金相组织测量结果

3)化学成分分析。对试样2进行了化学成分分析，具体结果如表8所示。

表8 试样2化学成分 %

4)抗拉强度。对试样2进行了抗拉性能检测，具体结果如表9所示。

表9 试样2抗拉强度检测结果

结果表明，材料成分、抗拉强度、硬度满足技术文件要求。存在问题是侧面硬度偏低，接近200 HB的下限；排气阀座冷却水腔附近金相组织的铁素体含量异常。

4.3综合分析

综上所述，气阀、摇臂、弹簧等相关零部件符合要求，可以排除其是异常磨损的原因。从缸盖的解剖结果来看，排气阀座附近铁素体含量异常，组织分布不均匀，致使局部强度和硬度偏低，耐磨性降低，柴油机运行过程中，气阀拍击阀座，导致阀座异常磨损。

4.4试验验证

更换阀座磨损的B1、B4、B6、B9缸盖总成，包括气阀、气阀弹簧、弹簧座、摇臂总成和挺杆，按要求重新调整所有进排气阀间隙，柴油机进行试验验证，试验工况如下。

1)转速为1 455 r/min，负荷为100%，运行2.5 h。

2)转速为1 500 r/min工况，负荷为110%，运行30 min。

3)正常停车，冷车状态下测量所有进排气阀间隙。

试验后气阀间隙检查显示，所有气阀间隙符合要求，缸盖正常。

5 结论

缸盖材料组织不均匀，局部铁素体含量过高是缸盖阀座异常磨损的直接原因。

经过对生产控制过程进行排查发现：化学成分控制、浇注温度控制等关键环节均严格按照工艺要求执行。但“在浇注后2.5～3 h落砂”的要求未能达到；实际情况是个别件号由于浇注后温度较高，落砂操作困难，缸盖落砂后埋进砂堆，或者相互挤压造成冷却速度缓慢，造成强度和硬度偏低。

6 改进措施

1)继续严格按照固化后的“某型机缸盖作业指导书”的要求进行操作，控制铁素体含量在要求范围内，确保硬度适宜，组织均匀。

2)密切监控缸盖落砂时间和落砂后缸盖的放置状态，确保缸盖浇注后2.5～3 h再落砂，落砂后燃烧面朝上，缸盖之间避免互相挤压。

[1]贾锡印.船用内燃机结构[M].哈尔滨：哈尔滨船舶工程学院出版社，1990.

Aiming at the abnormal wear phenomenon of exhaust valve seat of some diesel engine cylinder head,the program has been set down according to primary reason analysis.The inspecting result and validation indicate that the direct reasons of abnormal wear on exhaust valve seat are uneven organization of cylinder head material and oversized partial ferrite content.In the end,the depend ability of cylinder head is guaranteed through strict operation in the light of assuredTheoperationinstructorofcertaincylinderhead,watching carefully dropping time and laying state,ensuring the fixed dropping time limit,burning surface upturned after dropping and avoiding extrusion among cylinder heads.

diesel engine;cylinder head;exhaust valve;ferrite

熊小龙(1979-)，男，陕西西安人，工程师，博士，主要从事柴油机质量监督与检验。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.03.002

2014-12-05