气门和气门座圈磨损的设计优化

董朵 徐增密 李超 王少帅

摘要：某柴油机的进气门和气门座圈异常磨损，导致额定功率劣化。计算和对比分析表明，进气门和气门座圈密封锥面面积偏小，零部件材料耐磨能力不足是导致该故障的主要原因。根据这两方面因素，本文提出了对应的优化措施，并通过耐久试验证明了方案的有效性，为此类故障的分析解决提供了参考。

Abstract： The intake valve and valve seat ring of a diesel engine were abnormally worn， and the wear leads to deterioration of rated power. The calculation and comparative analysis show that the main causes are the small area of the seal cone and the poor wear-resisting ability of the material. According to these two factors， this paper provides corresponding optimization measures， and proves the effectiveness of the scheme through durability test. This paper provides a reference for the analysis and solution of such faults.

關键词：气门;气门座圈;磨损

Key words： valve;valve seat ring;wear

中图分类号：U472.43                                  文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）02-0036-03

0  引言

气门座圈镶嵌在缸盖底面，与气门配合形成了进排气道的密封带。气门和气门座圈承受来自于气门高频往复运动的机械负荷，以及高温燃气引起的热负荷，很容易产生磨损或疲劳断裂。对于发动机高动力性的不断追求，使得发动机爆压越来越高，气门和气门座圈的故障风险进一步加剧[1]。

气门与气门座圈一旦产生过度磨损，气门位置会异常上移，导致气门间隙减小甚至气门关闭不严，从而引起发动机功率下降、排放劣化、气门弯曲（碰撞活塞）等故障。

本文以某柴油机的气门和气门座圈磨损故障为研究对象，通过受力分析和材料分析确认故障原因，并针对性地提出了设计优化方案。

1  故障情况

某四气门柴油机进行800h耐久试验，耐久后排放合格，但标定点功率异常劣化：耐久前为121.7kW，耐久后为116.3kW，劣化率4.4%，超过2%的限值。

对耐久试验样机进行拆检分析，发现进气门和气门座圈磨损异常，测量结果如图1所示。从图中可以看出，耐久后气门下沉量介于0.485～0.739mm之间，明显偏大。气门座圈和气门阀座都有磨损，其中气门座圈磨损相对严重。

故障机进气门和气门座圈如图2所示，从图中可以看出，气门座圈出现台阶，但不存在局部偏磨，可以排除气门偏置和局部高温问题。

2  磨损原理

针对此类磨损问题，已有大量的基础研究成果[2-4]，主要的磨损形式如下：

①黏着磨损：材料的接触表面在载荷作用下产生塑性变形，在局部的高压下发生焊合或者结合。

②磨粒磨损：气门和气门座圈材料不同，一方的硬质粒子对另一方的较软接触表面发生切削作用。

③疲劳磨损：接触的表层材料受到冲击和径向剪切作用，当这种应力超过材料的塑性极限时，材料产生发径向压缩变形和径向剪切流动。

④烧蚀磨损：高温含硫燃气使材料受到腐蚀作用，特别是在零部件存在热变形及零件表面存在积碳的情况下，气门和气门座间的漏气更容易产生烧蚀磨损。

⑤微动磨损：气门头部和缸盖在爆压下反复弹性变形，使气门相对气门座圈产生微小运动，造成工作表面损坏。

磨损原因可归结为：润滑条件差、接触应力大、材料表面粗糙度大、材料硬度及耐磨性问题、废气烟度大、高温、气门刚度差等[5-9]。

在气门和气门座圈没有局部异常，且发动机爆压和凸轮轴形线不变的前提下，此问题的分析通常从受力和材料两方面着手[10-12]。其次还可以优化燃烧或优化冷却水套，但相应优化方案比较复杂，同时对发动机性能或结构强度有影响，所以作为次要考虑因素。

3  受力分析及优化

气门和气门座圈的实际受力非常复杂，需要考虑温度场、气门运动、弹塑性变形等，分析周期较长[13-14]。工程问题一般通过简化处理进行初步判断，即假设气门与气门座圈之间摩擦系数为0，不存在摩擦力。

如图3所示，气门与气门座圈密封锥面的受力关系为：

Fn=Fv/cos α

Fn=Pn×Sn=Pn×[（R2-R1）/cosα]×[2×π×（R1+R2）/2]

Fv=Pv×Sv=Pv×π×R3^2

图3中，Fn代表垂直于密封锥面的法向力，Fv是分解到竖直方向的分力，Fh是分解到水平方向的分力，α是气门锥角。因为密封锥面绕气门一周，所以密封锥面Fh的合力为0。

Pn是密封锥面的面压，Sn是密封锥面面积，Pv是发动机爆压，Sv是气门底部面积。

R1是密封锥面小径，R2是密封锥面大径，R3是气门底部直径。

如表1所示，根据上述公式推算，优化前气门与气门座圈密封锥面的面压为127MPa。为了降低磨损，这里将R1从14.7mm减小为14.35mm，以增加密封锥面面积，优化后密封锥面面压降低为96MPa。

4  材料分析及优化

进气门采用了X45CrSi93合金钢及表面淬火处理，为了进一步提高可靠性，更改为53Cr21Mn9Ni4N合金钢及表面渗氮处理。有文章表明[15]，淬火表面在富油条件下摩擦系数稳定磨损量小，但在干摩擦下摩擦系数上升磨损量大，证明淬火工艺具备良好的抗磨粒磨损能力，但抗黏着磨损能力差。而氮化表面在富油条件和干摩擦下都能保持摩擦系数稳定，且磨损量小，证明氮化工艺同时具备良好的抗磨粒磨损和黏着磨损能力。但渗氮层往往比较薄且较脆，抗疲劳能力差，要在试验中重点关注。

进气门座圈的材料由3010升级为AP711G，以提升抗磨损能力。进行磨耗试验对比两种材料的抗磨能力，在磨耗试验机1600r/min，试验温度300℃的边界条件下，试验结果如图4所示。相对于3010，AP711G的磨损量可降低约30%。

5  试验验证

优化后再次进行800h耐久试验，耐久后排放合格，标定点功率正常：耐久前为120.3kW，耐久后为119.6kW，劣化率0.6%。

对耐久试验样机进行拆检分析，测量结果如图5所示。优化后气门下沉量介于0.039～0.100mm之间，气门座圈磨损量最大值0.026mm，磨损情况取得显著改善。

改进样机的进气门和气门座圈如图6所示，从图中可以看出，零件表面正常，进气门渗氮层未发生疲劳破裂，上次试验后进气门座圈出现的台阶在本次试验中也并未出现。

6  结论

本文分析了进气门和气门座圈磨损过量问题，并进行了优化设计，主要结论如下：

①磨损的主要原因是密封锥面面压过高。

②磨损的次要原因是气门和气门座圈的材料耐磨性不足。

③提高密封锥面面积，气门使用表面渗氮，气门座圈使用AP711G，试验表明以上优化措施能显著降低进气门和气门座圈的磨损量。

参考文献：

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