柴油机排气阀杆断裂原因分析

摘要：对某船柴油机失效排气阀进行的材料分析及断口电镜扫描分析表明，阀杆为疲劳断裂， 疲劳是由于气阀间隙过大，阀杆受到过大的冲击负荷和侧向推力，造成阀杆锁夹下边缘处异常磨损，致使疲劳源萌生、扩展直至断裂。

关键词： 排气阀；断裂；间隙

排气阀是柴油机的重要零部件之一，其工作环境恶劣，阀杆在落座时将承受由惯性力引起的交变载荷及弹簧锁施加的交变载荷，其载荷最高可达30KN。另外，排气阀还要承受高达2000℃的燃气的冲刷，当气缸转入进气冲程时，缸内的温度又将急剧降低，这种温度的剧烈变化，使排气阀产生了交变的热应力。由于交变热应力和机械应力两者的叠加，致使排气阀失效的故障，在柴油机的故障当中比较多见。某船用柴油机在运行了1000多小时后，一排气阀在阀杆锁夹下缘及阀杆根部发生断裂，阀盘脱落坠入燃烧室，致使活塞碎裂，连杆断裂，机体击穿。本文对发生事故的排气阀断裂原因进行分析。

1.材料分析

材料化学成分分析显示，阀盘和阀杆的各元素含量均符合技术要求。硬度测试未发现异常。金相分析显示，阀盘材料组织为奥氏体晶粒组织+析出相，晶粒度级别为9.0级；阀杆基体组织为回火索氏体+碳化物+少量铁素体，局部表面组织出现相对含量较高的铁素体组织，材料组织符合技术要求。

2.断口分析

因阀盘坠入燃烧室，阀盘在往复运动的活塞的冲撞下，原始断面受到严重的二次破坏，无法做断面分析，因此有效的分析断面只有3个。

2.1 断口宏观形貌

断口的宏观形貌如图1所示，其中1#、2#为锁夹下缘的匹配断口，3#为阀杆根部断口。从图片可清晰地看到，锁夹下缘断口的边缘受到高频次的磨损而发生凹陷，凹陷处沿圆周分布，呈环向的缺口形态，断面因磨损严重而光滑明亮，断口附近的阀杆表面存在纵向磨痕，以及起伏的挤压凹痕（图2）。阀杆根部断口断面保存较为完好，呈浅灰色，可观察到清晰的贝纹状疲劳停止线，疲劳弧线从不同方向由表向内逐步扩展，为多源疲劳断裂，起裂源均位于表面。疲劳裂纹扩展至一定深度后，发生快速断裂，终断区断口有明显起伏。

2.2 断口微观形态

超声波清洗断口，在扫描电镜下观察到锁夹下边缘断口的微观形态如图3所示。断口磨损严重，大部分原始断口已破坏，但仍残留极少部分的原始断口，可观察到细密的疲劳裂纹，疲劳间距为亚微米级，显示了疲劳的缓慢扩展阶段。

阀杆根部的断口形貌如图4所示，断口为多源疲劳起裂，共有4处疲劳源，均位于表面。源区断口平坦，并可见细小磨痕，扩展区为粗糙的疲劳条纹，部分条纹间还分布一些韧窝断口，显示阀杆受到了较大交变应力，疲劳扩展速度较快。断口的不同区域离散分布较多的粒状析出相。

3.阀杆断裂先后顺序分析

断口电镜扫描表明，排气阀阀杆锁夹下缘的断裂为疲劳断裂，断口的疲劳条纹较为细密，断口具有低应力、高频次的疲劳断裂特征。阀杆根部亦为疲劳断裂，断口上的疲劳条纹间距较大，断面较为粗糙，裂纹扩展的中后期还出现较大面积的韧窝断口，是在相对较大的交变应力作用下发生的低频次疲劳断裂，断口发生多源线性疲劳起裂，这些交变应力来自不同方向，应为阀杆往复运动时产生的异常横向抖动应力。 因此，从疲劳条纹间距的细密程度及断面的磨损情况分析，应该是锁夹下缘首先发生疲劳断裂，断后的阀杆仍在导管内上下往复运动，形成较大的横向摆动，使阀杆根部也发生疲劳断裂。

4.阀杆锁夹下缘疲劳断裂原因分析

阀杆断裂于锁夹下缘，由图2可以看出，锁夹的端面与阀杆发生了非正常的磨损，阀杆发生了异常的横向抖动。柴油机的装配记录表明，阀杆与排气阀导管的配合间隙正常，拆检发现，断裂排气阀的导管内表面未发生异常磨损，除断口附近的阀杆有磨损外，阀杆其他部位亦无异常磨损。但是气阀间隙检查发现，故障机的其他气阀间隙是正常间隙的2～3倍，动力学仿真计算表明，在气阀间隙过大的情况下，阀杆受到的冲击负荷和侧推力会随间隙的增大而急剧增加，应力分析显示锁夹下边缘及阀杆根部正是排气阀的最薄弱处，在气阀间隙达到3.5倍正常值时，阀杆锁夹下缘的应力接近材料屈服极限。由此可得出结论：此次气阀疲劳断裂是由于气阀间隙过大，阀杆受到过大的冲击负荷和侧推力，造成阀杆锁夹下边缘处异常磨损，致使疲劳源萌生、扩展直至断裂。

而气阀间隙过大，是由于长期未按要求定期检查、调整气门间隙，是维护保养不当造成的，由此带来的教训十分深刻。

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