气阀断裂故障分析

齐发致，刘国栋，李伟杰

（申佳船厂，上海 200135）

0 引 言

任何投入运行的设备，零部件的失效会导致设备故障。机械设备发生故障的表现形态很多，其中有一种突发性故障，发展速度非常之快并带有突变性质，其常见的表现形态之一为运动件断裂。引起零部件失效的原因也是各种各样的，但这类运动件的断裂往往是由疲劳引起，发展过程较长，但外观表现不明显。尤其对于普通机械设备来说，疲劳裂纹难于监测，最后通常导致突发性断裂。难以通过状态监测进行预报，无法用一定的规律描述或反映故障的发展过程。某型柴油发电机组运行中发生的气阀断裂失效的故障就是一例。针对此故障案例，从各个方面对引起失效的原因进行分析讨论。

1 设备故障概况

1.1 故障件尺寸

阀杆直径φ12mm；风门板尺寸 40mm×40mm；风门轴直径φ7mm；装风门板处直径φ6mm，上有 M3螺孔2只。

1.2 故障描述

故障设备为直列型6缸柴油机，使用时发现有异常抖动。按程序进行启动前检查后，可启动柴油机，在空车状态下继续观察，发现No.6缸缸头内有异常响声，即停机再检查，发现No.6缸气阀间隙偏大，进气阀间隙技术要求0.4mm，现为0.6mm，排气阀间隙技术要求0.5mm，现为0.7mm。调整气阀间隙至标准值后，再次启动柴油机，空车运行时异常响声消除，持续运行了6min左右，瞬间突然出现一次较强的声响并伴有抖动，随即运行平稳，共运行25min均无异常现象，然后停机待冷却后，通过曲轴箱门盖内检查气缸内壁、连杆大端轴向灵活性，无其他异常发现。

用户再次使用该柴油机，启动后在50%负荷下连续运行，其间运行参数为：滑油压力0.46～0.47MPa；淡水压力0.16MPa；海水压力0.07MPa；淡水温度65～70℃；滑油温度70～80℃；排烟温度300～380℃。

外部综合观察及参数显示均说明柴油机运行正常，但在连续运行至3.83h后，柴油机出现异常声响，机器抖动，排气管冒火等异常情况。且因无法正常停机，随即通过关闭燃油总管应急停车，盘车检查无明显卡滞现象，但柴油机已无法再次启动。

1.3 拆检

盘车检查无明显异常现象，对喷油时规检查时发现 No.6缸进气阀与摇臂始终处于压紧状态。经全面拆卸检查，确认共有4个故障点分别为第4、5、6缸和增压器，总共损坏进气风门组件一套、活塞3只、气缸2只、气缸头2只，进排气阀各两只和相关附件、喷油器一套、增压器转子一套。其中：No.4缸缸头风门轴在下螺孔处断裂，风门轴上无明显撞击痕迹，风门脱落，其中一风门螺栓嵌于该缸活塞顶部，另一螺栓和断下的另半截风门轴未见，碎断情况不明，掉下的风门板卡在No.6缸的进气口处；No.4缸活塞顶面存在少量的撞击痕迹，基本上分布在活塞顶部阀坑之间的岸上（图 1）；No.5缸缸套表面有较粗的拉痕并手感轻微（图2）。

No.6缸两只进气阀阀杆均弯曲，其中一进气阀阀盘在根部断裂脱落，脱落阀盘的圆周因撞击而残缺不圆，盘面凹凸不平（图3）。两只排气阀阀杆均弯曲，两只阀盘均在根部断裂脱落，其中一只阀盘本身也断裂成数块，阀盘因撞击已无原形（图3）。缸头进气口处有No.4缸脱落的风门板。

图1 No.4缸活塞顶面撞击痕迹

图2 No.5缸套表面拉痕

图3 No.6缸两进气阀阀杆状况

No.6缸缸头平面在中心φ130mm圆内存在严重撞击痕迹，四只气阀座工作斜面一周均有撞击痕迹。有一根排气阀杆咬死在导筒内，其断口与阀座底面平齐，导筒壁被压坏断裂掉落。另3只气阀导筒全部损坏，其断口低于缸头本体，一只喷油器也咬死在上面（图4）。活塞顶面受严重撞击，已无原始形状存在（图5），撞击痕迹多数与阀盘形状相似，并有一小块阀盘嵌于其中，顶部第一道环岸以上严重拉伤，拉伤深度约0.5～1mm，较均匀地分布于约80%的圆周上，在裙部受侧推力面有两处呈块状拉伤痕迹，面积均约20mm×30mm，拉伤深度小于0.3mm，全部活塞环未断并在环槽中无咬死情况，整个活塞无明显过热现象；缸套上与活塞裙部拉痕对应处有拉痕，宽度约15mm，手感较重，上下贯穿。增压器的废气端有断下的排气阀盘，呈不规则圆形，涡轮严重损坏，压气叶轮正常（图6）。

图4 No.6缸缸头平面受损状况

图5 No.6缸活塞顶面受撞击

图6 No.6涡轮损坏

2 气阀断裂原因分析

分析1：查阅设备运行的记录，柴油机运行无显著异常，运行参数满足使用说明书规定的要求。故障瞬间前也不存在明显的外力因素，故可以确认设备不存在超负荷运行的情况。

分析2：所更换的进排气阀，来自正规的采购渠道，无充分理由认为其产品所用材质存在问题。外表无显而易见的制造缺陷，也不存在人为造成零部件受损伤的情况。

分析3：查阅原装配记录，无装配不良记录显示，故障之前柴油机已累计运行时间长达60.5h且运行状态良好，推断没有因装配不良引起气阀或风门轴超应力而断裂的附加外力存在，因此不存在因装配引起的零部件失效情况。

分析4：No.4缸风门轴是否因意外之力而断裂，按风门轴纵断面占进气通道流通面积的百分比计算，击中风门轴概率约6%，从进气歧管到风门处的距离仅100mm左右，碎块很难在极短的时间内被加速至进气气流速度，况且碎块的质量很小，即使一次撞击也很难达到打断风门轴所需的能量和力。通过5倍放大镜仔细观察，也未发现风门轴上有明显撞击痕迹，可以推断风门轴没有被碎块击中，即没有承受到意外的附加应力。

分析5：观察风门轴的断口，属脆性断裂（图7），由于氢脆发生的脆性断裂,通常是很突然地发生，并且在低应力情况下发生的[1]，比对其他氢脆断裂的情况，可以推定风门轴的断裂是由自身缺陷所引起的，再根据该型柴油机风门轴的失效经历，近两年来工厂已发现3例该类型风门轴断裂的案例，则推断风门轴断裂造成该缸故障的概率更大。

分析6：经验给出，No.4缸风门轴上掉下的碎块如果通过排气阀进入排气总管后，几乎没有机会再次通过排气阀进入其他气缸。其次风门轴上掉下的碎块质量很小，要在其被嵌入活塞体之前，撞坏气阀的可能性似乎不大，否则可认为气阀自身存在缺陷。同时根据该型柴油机所发生过的同类失效经历，确实存在着落下的异物被嵌入活塞顶部，柴油机仍然继续正常运行的情况。所以推断 No.6缸内的碎块是本缸所产生的。

分析7：该柴油机修复交付后已运行60.5h，说明时规调整正常，运行中如遇气阀调节螺栓松脱，气门间隙变大，但不会顶缸。故进排气时规未调整好而引起气阀断裂的可能性不存在。

分析8：通过观察损坏的排气阀上的断面，属脆性断裂断面（图8、9），认为No.6缸某一排气阀因自身存在某种缺陷，致使材料在气缸内燃烧的高温化学气体介质中的加速腐蚀疲劳[2]，最终导致断裂。断裂落下的碎块进入气缸后，如果柴油机不被阻停而能继续转动的话，只有在下列几个情况下才可能：1) 进入气缸的碎块尺度小于活塞在上死点时的气缸余隙；2) 机构有足够的力将碎块压入比他软的活塞顶部，从而保证活塞能越过上死点；3) 机构有足够的力将碎块击碎，使碎块尺度小于活塞在上死点时的气缸余隙；4)机构有足够的力使机构变形撑大气缸余隙，从而保证活塞能越过上死点。

图7 风门轴断口

图8 排气阀脆性断裂断面

图9 排气阀脆性断裂断面

本案例中由于活塞顶部的硬度较碎块硬度低许多，且碎块的尺度相对较小，因而表现为第2）种情况，将碎块压入活塞顶部，拆检后活塞顶面的实际状况可以证实这种情况的存在。

当No.6缸内断裂掉下的碎块是整个阀盘或部分阀盘时，因尺度稍大或落下时其大尺度方向处于垂直，从而产生一个伴有声响的较强抖动，最终导致活塞、缸头及气阀的严重损毁。同时其他碎块通过排气道进入排气总管，导致增压器的喷嘴或涡轮叶片打坏。此时进排气阀均已毁坏，造成进排气时规混乱，进排气道互通。因进排气总管内气体压力始终是波动的，在活塞上行时其压缩气体的压力仍可能高于进气总管压力，将其中较小的碎块吹入进气总管，从而通过进气总管进入其他气缸内。

3 结 语

通过对本案例的分析可知，进排气阀及风门轴的断裂疑似为低应力疲劳断裂，两者是互相独立的事件。如果能进一步对本案例中的失效件进行高倍的断口分析[3]或电镜观察，则可以得到更为准确的结论。从而将失效原因反馈给零部件制造厂，以便改善制造工艺，对各方面都将是有益的。

[1] 周志光. 钢件脆性断裂失效分析[A]. 陶正耀. 失效分析论文集[C]. 中国机械工程学会材料学会，1984. 348-352.

[2] 曾振鹏. 柴油机零件失效分析实例[A]. 陶正耀. 失效分析论文集[C]. 中国机械工程学会材料学会，1984. 469-478.

[3] 陈广异. 电子显微断口分析法在机械产品失效方面的应用[A]. 陶正耀. 失效分析论文集[C]. 中国机械工程学会材料学会，1984. 29-39.