一种发动机气门导管的磨损评价方法

周鹏飞，张向军，梅本付，陈 俊，宗利华，郎伟钦

（1.清华大学天津高端装备研究院，天津 300300；2.泛亚汽车技术中心，上海 201210）

0 引言

随着现代车用发动机技术的不断发展及环保法规的不断严格，发动机向高经济性、高功率密度、高可靠性和低排放的方向发展[1]。配气机构作为发动机的重要组成部分，是实现发动机进气过程和排气过程的控制机构[2]。发动机的高功率、高速化已然成为未来的发展趋势，这就要求在高速运行的条件下仍然能够平稳、可靠地工作，因而对其配气机构提出了更高的要求。通过对配气机构的失效形式进行统计分析，气门与气门导管的耐磨性是配气机构耐久性的主要影响因素之一[3]。

有效评价气门导管的磨损程度，成为研究气门导管耐磨性能的必要手段。通过气门导管内径圆度测量、内表面形貌观测、内表面轴向二维粗糙度曲线对比等，多角度对气门导管的磨损情况进行定量或半定量分析，有效地评价了气门导管的磨损程度，为气门导管摩擦磨损规律的研究提供了基础。

1 气门导管的工作过程及影响

气门导管是发动机气门的导向装置，能将气门杆上的热量向气缸盖传送、逸散。气门导管下部与发动机气道内的高温高压气体接触，上部与缸盖内润滑各摩擦副的机油接触，并在内部承受气门驱动机构的侧向推力，同时又与气门构成摩擦副，进行剧烈的往复运动（图1）。倘若气门导管发生偏磨或断裂，轻则增加发动机机油油耗，重则造成发动机燃烧不完全，功率下降，严重影响发动机的动力经济性，甚至造成气门损坏[4-6]（图 2）。

图1 发动机配气机构结构

图2 气门导管损坏

2 磨损表面形貌观测

对气门导管进行1/4剖切，发现内表面锈蚀严重，这可能是磨损表面长时间暴露在空气中所致；也有可能是在高温乏油的工作环境中发生了锈蚀。用无水酒精超声清洗，清洗前后导管的内表面情况如图3所示。在低倍率显微镜下观察，发现内表面有大量点蚀坑（图4）。

图3 清洗前后内表面对比（1/4剖切）

图4 内表面点蚀坑（500 μm，2×）

采用体式显微镜对内表面进行低倍观察，导管内壁有犁削现象（图 5a），这可能是犁沟效应导致，可能原因：①两体磨损，导管表面的硬质颗粒，在摩擦副相对运动过程中对导管进行了犁削；②三体磨损，混入了硬质杂质，在摩擦副运动过程中相当于导管表面的硬质颗粒，进行了犁削。

从图5a椭圆形区域以及放大10倍的形貌分析，结合上述电镜图片观测，这个区域的磨损可能存在多种磨损形式：①摩擦副长时间往复运动导致的疲劳磨损（层状剥落）；②乏油状态下，环境温度较高，以及导杆与导管的材料相熔性问题导致的黏着磨损；③高温化学环境下的腐蚀微坑（边界光滑的微坑）。

图5 低倍观察

采用扫描电镜对典型磨损区域进行高倍观察，发现明显的疲劳点蚀坑（图6），这一般发生在稳定磨损阶段以后的急剧磨损阶段；还发现了皲裂特征（图7），这表明内表面多处正处于皲裂阶段，并会逐渐发展为剥离，形成点蚀坑。

图6 点蚀坑特征

图7 皲裂特征

3 圆度测量分析

选取和测量新气门导管的原则如下。

（1）与磨损气门导管同型号、同批次出厂，随机选取新气门导管样品10个。

（2）对10个样品的测量值取平均，测量位置如图8所示，作为新气门导管的参照值。

图8 圆度测量位置

表1 气门导管内径测量

气门导管内径测量见表1，其中，圆度Ro=Rmax-Rmin，Rmax为最大包容圆半径，Rmin为最小包容圆半径，圆度为0时，为理论圆。从表1可见，相比于新导管，磨损导管在3个测量位置的直径普遍增大，柱体的平均直径增大了0.011 3 mm；旧导管的柱体圆度较新导管增加2.7倍。

4 磨损区域取样定量分析

内表面取样区域如图9所示，二维粗糙度曲线见图10，其中黑色区域表示磨损导管，灰色区域表示新导管。图10a，b显示磨后旧导管的粗糙度曲线跳动明显增大，表面磨损较新导管严重；图10c显示新旧导管粗糙度曲线跳动相当。

图9 内表面取样区域

图10 轴向二维粗糙度对比曲线

采用三维轮廓仪对带状区域进行了三维扫描及图像拼接，3D形貌图如图11所示。图11a标识区域显示，新气门导管内表面存在着轻微缺陷（色度差异较小），因为取样区域是随机选取，这有可能是普遍现象；图11b标识区域显示，内表面存在着显著磨损现象（色度差异较大）。全图拼接可以有效判断导管内部的磨损位置。

图11 轮廓三维形貌扫描

在上述随机选取的带状区域下，采用 Sa，Sq定量地比较导管磨损前后的磨损程度。Sa和Sq定义如下。

（1）高度偏差Sa。面粗糙度的评价参数，用于表征物体取样区域表面形貌的粗糙程度。

其中，z（xk，y）l为坐标点（xk，yl）到基准平面的距离，M，N 分别为三维表面图像的长度和宽度。它表示区域形貌的算数平均偏差，如图12所示。

图12 参量示例

（2）高度均方根偏差Sq。计算表面微凸体高度的标准偏差，用于表征表面微凸体的高度分布。

通过Sa和Sq计算，相比于新导管，磨后旧导管的Sa值增加了27.3%，Sq值增加了96.5%，如图13所示。

图13 导管Sa、Sq值对比

5 结论

（1）对气门导管进行1/4剖切,通过内表面的形貌特征观测、随机取样区域的定量粗糙度分析，配合气门导管的圆度测量，形成了一种基于气门导管的磨损评价方法。

（2）通过对磨损导管的内表面观测发现，气门导管磨损的主要类型为犁削磨损/疲劳磨损以及黏着磨损。内截面的全图拼接可以有效判断导管内部的磨损位置。磨损气门导管的内径增大了0.0113 mm，圆度为 0.0318，主要发生在近气门座一端。

（3）从轴向二维粗糙度曲线的对比来看，磨损导管的跳动明显较大，导管轴向全长均有不同程度的磨损；Sa，Sq值可以定量地评价取样区域的磨损程度。

[1]舒歌群，马维忍，梁兴雨，等.柴油机配气机构多体动力学的仿真研究[J].机械设计，2009，26（3）：49-52.

[2]杨靖，李斌，李帅，等.基于Pro/E的发动机配气机构参数化设计[J].小型内燃机与摩托车，2011，40（6）：55-58.

[3]赵卫平，刘义佳，王浩，等.某四缸发动机气门导管断裂问题分析与解决[J].小型内燃机与车辆技术，2015，44（3）：48-51.

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[6]钟文红.280-285型柴油机气门导管的自制[J].内燃机车，2007，5（5）：27-28.