柴油机常见故障分析.docx

武汉理工大学毕业设计（论文）柴油机常见故障分析配气机构及排气阀故障分析学院（系） 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。作者签名： 年 月 日导师签名： 年 月 日摘要由于柴油机结构复杂，零部件繁多，所产生的故障也多种多样，通过对该厂故障案例的统计分析，本文选择故障所占比例较大的配气机构中排气阀故障做主要描述。本文首先对柴油机配气机构的组成，作用及原理作简单介绍，简要介绍配气机构常见故障及其原因。接着，对配气机构中排气阀的常见故障进行详细地讨论分析，并提出预防措施和解决方法。最后根据本厂发生的具体排气阀断裂的案例进行深入地分析，从化学成分，力学性能，金相分析上初步判断阀杆是由腐蚀应力造成的。然后采用有限元软件Abaqus对排气阀的应力，强度等进行仿真计算，得出排气阀断裂的原因是由于气阀单边受力，凹坑处应力过大导致微裂纹的产生，裂纹逐步扩大，最终造成阀杆的突然断裂。关键词：排气阀；故障；Abaqus；应力；断裂AbstractDue to complex structure and various components of diesel engine, the malfunction of diesel can take place in many ways. After carefully analyzing the cases of the factory, the paper mainly deals with the breakdown of exhaust valve in admission gear, which accounts for most breakdowns. The paper firstly introduces the composition and theory of exhaust valve. And also explain the reason for a breakdown, then the way to prevent or make up for these breakdowns are further introduced. Finally, according to the specific case of exhaust valve breakdown of factory and based on the analysis of chemical composition, mechanical property and metallographic analysis, the breakdown of exhaust valve is the result of corrosion stress. Then, the FEA software ABAQUS is applied to simulate the working process of exhaust valve. And final reason for the breakdown is the stress in the depression of valve, which further results in the fissure and finally the sudden fracture of the valve stem.Key Words: exhaust valve; malfunction; Abaqus; stress; fracture 目录第一章 绪论31.背景、目的及意义32.国内外现状43.本文研究内容5第二章 配气机构71.基本结构及功用72.工作原理83.常见故障8第三章 排气阀常见故障分析及预防措施91.概述92.排气阀的结构及其作用93.排气阀的工作条件及要求103.1工作条件103.2对排气阀的要求124.排气阀常见故障124.1排气阀的烧损124.2排气阀的高温腐蚀134.3气阀锥面磨损过快144.4阀盘与阀杆的断裂144.5气阀卡滞15第四章 案例分析161.概述162.Abaqus简介163.案例分析173.1案例内容173.2现象分析173.3拆检分析183.3.1拆检同机不同缸的气阀构件183.3.3断阀的机械性能和化学成分193.3.2断阀外观分析203.3.3旋阀器和阀座导承检查233.3.4初步结论23第五章 采用Abaqus对排气阀进行仿真231.材料性能参数232.仿真模型243.受力情况分析254.排气阀应力及强度分析284.1仿真步骤284.2结果分析304.2.1排气阀开启304.2.2排气阀关闭315.结论34第六章 总结与展望351.全文总结352.展望35参考文献37第一章 绪论1.背景、目的及意义随着现在社会工业化的水平的越来越高，柴油机作为最常用的动力设备之一，广泛用于石油矿场、铁路牵引、固定发电、工程机械等领域。柴油机在现代化的船舶建设发展历程当中有着非常重要的地位。船舶柴油机是船舶的心脏，其性能的优劣直接影响着船舶运行的安全和效率。现在船舶柴油机日益向着高速化、大型化、精密化的方向发展，工作性能不断地改善，自动化程度越来越高，能耗也越来越小。一方面，它将大大提高劳动生产率，降低生产成本和能耗12；但是，在另一方面也带来了问题，当柴油机中某一环节产生故障后，会使设备造成损坏，影响船舶的运行，对公司造成巨大的经济损失。更严重的是，柴油机故障有时会危及人的人身安全。近年来，尽管安全航运法规不断地健全，航运技术不断进步，海上发生事故的次数也呈下降趋势。但是总体上说海上航行仍然是个高风险的行业，每年发生的事故造成了大量的人员伤亡和财产损失，海洋环境也受到破坏。船舶柴油机的组成结构非常复杂，一旦发生重大故障，经济损失十分严重，甚至造成人身伤害。因此对船舶柴油机故障进行深入地研究，对保证船舶柴油机的正常工作，具有十分重要的意义。通过对柴油机故障的分析以及处理方法研究，至少可以做到：1）预防故障的发生或防止事故的扩大。2)进行应急处理、减少机损事故。3)当故障发生后进行事后分析，以便确认责任和吸取教训。从根本上来讲，柴油机工作效率的高低和运转的好坏对整个系统的运转有着很大的影响，所以日常的诊断和故障分析，实时的对状况进行检测和控制,能从根本上保证系统的稳定、安全、高效益的运行。在实际的工作中还需要对柴油机的基本情况进行分析，对常见的故障进行探讨,以研究出新的故障分析和诊断的途径,避免不利情况对正常的生产产生影响。因此，对柴油机进行故障分析和故障诊断的研究，能够带来潜在的巨大经济效益和社会效益。具体表现在：1)可以保障工作生产的安全性，减少或避免因事故而造成的重大经济损失以及人身伤害。2)能够帮助操作人员尽早地发现设备的异常现象，便于船员尽快查明故障的原因，从而实现有计划、有针对性的维修。3)提高了航运系统的合理安排和安全营运能力。2.国内外现状我国是造船大国，也是航运大国。海运业是促进中国国民经济迅速发展的重要因素之一。我国经过几十年的迅速发展，成为世界上拥有较大商船队的国家之一，为世界贸易的发展做出了很大的贡献，也为中国经济的持续发展提供了有力保障3。2011年我国水上运输舰船总规模首次突破2亿载重吨，其中海运船队达到1.15亿载重吨，仅次于希腊、日本和德国，居世界第四位3。在我国船舶制造业和航运业飞速发展中，船舶动力装置进行状态监测和故障诊断技术的研究，预防和处理船舶动力装置可能发生的故障，特别是船舶推进系统可能发生的故障和故障的部位，对提高船舶的设计性能和航行安全，营运的经济性和可靠性都具有非常重要的意义。由于国际贸易的发展，航运业的竞争也越来越激烈，导致人们对船舶营运的安全性、经济性和环保性要求不断提高，同时计算机、网络、通信等信息技术的飞速发展，极大地推动了船舶柴油机故障诊断的发展。如今内燃机的发展方向大多倾向于大功率，低油耗，低污染性，这就要求对内燃机的结构、燃烧、后处理不断地优化，同时就使配气机构的设计和制造的难度大大提高。配气机构是柴油机的重要组成部分，它需要在规定的时间内把燃烧后的废气排出气缸,并尽可能吸入足够多的新鲜空气。通常，气阀的加速度较大时可以使气阀迅速地开启和关闭,这种情况下的换气效率比较高，有利于提高柴油机经济性和动力性，并且配气机构零部件之间的接触力要尽可能地小,这就需要降低运动件加速度以减小其振动和噪声,保证其工作的可靠性,延长柴油机的使用寿命20。这两个不同的要求则是现代柴油机配气机构设计中的难题。气门-凸轮式密封性较好，是目前配气机构最常用的形式。配气机构系统研究的内容归纳起来主要有两个方面：一方面是零部件的设计，其中包括凸轮型线，气门摇臂机构的设计，气门弹簧及气门等零件的设计，其中以凸轮型线的设计最为重要13。因为凸轮作为配气机构的原动件，直接控制着整个机构的运动。另一方面是配气机构的动力学问题，对于动力性的研究，主要是对进排气阀运动规律曲线的研究13。国外对配气机构的摩擦、振动模型、配气相位以及可变气门正时等的研究有一些报道，国内也在致力于研究更精确的凸轮-挺柱副的动力润滑、气门的振动模型、凸轮型线以及非对称凸轮型线的拟合等问题13，主要表现在以下几个方面： （1）配气机构由刚性设计发展为弹性设计； （2）设计出了许多性能优良的凸轮型线； （3）由孤立的凸轮型线设计发展到整个配气机构系统的设计。 内燃机配气机构凸轮的研究已经涉及到了配气机构性能的各个方面，包括凸轮的型线、挺柱的运动规律、气门的振动模型、挺柱与凸轮的摩擦应力、接触应力等13。在研究更精确的凸轮挺柱副的动力润滑、气门振动模型、非对称凸轮型线及凸轮型线的拟合等方面上，国内外都有很大的发展13。在气阀上，制造气阀的材料很大程度上决定了气阀故障的发生率，气阀用钢的发展至关重要。目前，我国专业的气阀用钢执行有两个标准，即GB/T1277308（内燃机气阀钢钢棒技术条件）和GB1221-92( 耐热钢棒)，标准中包括7个马氏体钢号：51Cr8Si2、42Cr9Si2、45Cr9Si3、40Cr10Si2Mo、80Cr20Si2Ni、85Cr18Mo2V、86Cr18W2Vre15；七个奥氏体钢号：3Cr21Mn9Ni4N 、45Cr14Ni14W2Mo、55Cr21Mn8Ni2N、53Cr21Mn9Ni4N、50Cr21-Mn9Ni4Nb2WN、33Cr23Ni8Mn3N、20Cr21Ni12N、61Cr21Mn10MoVNbN15。除此之外，国际标准和德国标准中把镍基合金列入了气阀钢标准，我国现行标准中也列入了两种镍基合金15。根据我国最新的气阀钢标准与国内外常用气阀钢牌号的归纳和对比，我国气阀钢的发展在世界上是处于中等水平的15。图1-1. 列入中国、日本德国以及国际标准的气阀钢牌号153.本文研究内容柴油机是一个庞大并且极其复杂的系统，所构成的零件繁多，产生的故障也复杂多样，考虑到篇幅以及深入程度问题，故本文只取其中的一部分来介绍分析。本文首先对柴油机配气机构的组成，作用及原理作简单介绍，分析配气机构常见故障的原因和处理措施。接着，对配气机构中排气阀的常见故障进行详细地讨论分析，并提出解决方法。最后根据本厂发生的具体排气阀断裂的案例进行深入地分析，采用有限元软件Abaqus对排气阀的受力情况，强度等进行仿真计算，得出排气阀断裂原因的结论。第二章 配气机构1.基本结构及功用配气机构是控制柴油机进气和排气过程的机构，其作用就是根据柴油机各缸的发火顺序，定时开启和关闭进气阀和排气阀，进气过程中使新鲜空气进入气缸内，同时在排气过程把燃料燃烧后的废气从气缸内排出。柴油机工作时气阀开启和关闭的时间很短，通常在千分之几秒的时间内完成。因此，配气机构的零件在急剧变化的状况下运动，由于惯性力的作用，部分零部件之间往往会受到很大的冲击力，同时燃烧产生的温度很高，与高温燃气直接接触的部位会受到很高的热负荷和高温燃气的腐蚀作用。并且各零件的工作环境的润滑条件也很苛刻，时常会因为润滑不充足造成零件的严重磨损。在为满足柴油机性能的前提下，就要求配气机构有足够的气体流通面积，保证定时地开启和关闭进排气阀，以尽可能多的吸进新鲜空气，废气能够充分排除。同时还要求结构简单，工作可靠，拆检维修方便。配气机构的布置形式通常分为四种:顶置气门式，中置凸轮轴式，侧置气门式和上置凸轮轴式22。根据作用的不同，配气机构主要分为两大部分，为气门驱动组和气门组。气门驱动组包括从正时齿轮到推动气门动作的所有零件，用来定时驱动进排气阀的开启和关闭。它的组成与配气机构的布置形式有关，但构件形式基本相同。主要构件有正时齿轮、凸轮轴、挺杆、推杆、摇臂、摇臂轴和支架。气门组的构成与配气机构的形式没有太大关系，主要构件有进排气阀，阀座，气阀导管，气阀弹簧，气阀弹簧座。气阀的作用是控制进排气道的开启和关闭。气阀的工作条件十分恶劣，受到高温，腐蚀，冲击等多重作用，因此对气阀一般有几点要求：1）足够的热强度，高温下能承受非常大的冲击载荷；2）合理的外形和尺寸，尽量减小对气流的阻力，以增加充气效率；3有良好的耐磨性和抗腐蚀性。因为对气阀有多方面的高要求，所以气阀一般采用优质合金钢制造。同时由于进排气阀的工作条件不同，所以采用不同材料制造。进气阀的工作温度较低，通常采用合金结构钢，如4Cr9Si2。排气阀工作温度高，一般采用耐高温的优质合金钢制作，如4Cr9Si2Mo。同时为提高在高温状态下的耐磨性，还会在气阀锥面密封处堆焊有特种合金。气阀导管的作用是作为气阀运动的导向面，控制气门的运动方向，保证气阀能准确的落到气阀座上，不止于发生歪斜而造成漏气。2.工作原理发动机工作时，通过齿轮带动进排气凸轮轴旋转。当凸轮轴的某缸的凸轮克服气门弹簧的预紧力时，摇臂压下气阀，气门开启；当凸轮轴转到凸轮的基圆段时，气阀在弹簧的作用下复位，气门关闭。通过这个过程，柴油机得以完成它的进气和排气工作。凸轮与曲轴的相对位置和各凸轮之间的相对位置两种因素共同决定进排气阀对的开启和关闭时刻，凸轮与曲轴的相对位置是在装配时按具体的要求决定，凸轮之间的相对位置是通过设计和计算确定的。3.常见故障配气结构零件较多，含一些精密器件，工作条件较恶劣，是柴油机运转过程中发生故障较多的部分，发生的故障、表现形式及其原因主要有以下几种类型（关于气阀故障的原因将在下一章论述）：1）气阀卡滞：柴油机有异响，燃烧不良，冒黑烟，振动异常； 2）阀盘与阀座密封不良：柴油机的压缩压力变低；高转速的工况下燃烧不良，排温过高，排气管冒黑烟；3）气阀与导管的间隙过大：气阀与阀座磨损过快；柴油机运转有异常声响；燃烧不良，排温过高，冒黑烟，低转速工况下排气管冒白烟；4）气阀弹簧断裂：柴油机气阀阀盘与活塞顶碰撞，产生异响，对活塞顶造成破坏，最终可能导致重大故障的发生；冒黑烟，振动异常等故障；5）推杆卡滞或损坏：柴油机会异常振动，冒黑烟；6）气阀阀杆与气阀导管磨损量过多：排气管冒蓝烟，润滑油消耗量过高；7）凸轮轴齿轮破损：柴油机运转不正常，振动异常，有异响，；8）凸轮异常磨损：材料组合,表面粗糙度,凸轮温度,腐蚀,润滑均会导致凸轮的异常磨损;除此之外,安装不正确,间隙过大也会导致异常磨损；9）凸轮-摇臂副磨损：主要是黏着磨损和疲劳磨损，前者引起擦伤，后者造成表面的点蚀。导致黏着磨损的原因主要是因为润滑不良，热量不能及时散发。第三章 排气阀常见故障分析及预防措施1.概述排气阀是柴油机的重要零件，直接影响了柴油机性能的优劣，主要表现在对柴油机动力性、经济性、可靠性以及排放污染上。排气阀直接与高温高压的燃气接触，从经济性上考虑，大多数船舶柴油机大都使用劣质的燃油，其中含有大量硫、钒，钠等元素，燃烧后形成的氧化物和盐类很容易对排气阀造成高温腐蚀。另外，排气阀还要承受很高的机械力，气缸压力以及落座时阀座的冲击而形成的交变载荷，导致气阀锥面的弹性和塑形变形。并且，排气阀的工作过程及其频繁，组件间还存在着磨损。所以排气阀极易发生故障。因此对于船员来说，要严格按规范进行排气阀的检修工作，时刻注意排气阀的运转情况，如稍有失误可能会导致排气阀损坏，最终造成柴油机的非正常运行。现在随着机舱自动化的不断完善、柴油机结构的不断改进，在船舶柴油机上，电力、液压、气体运动融合为一体，彼此之间相互配合、相互制约，共同服务于机器，使得机器正常运转。然而，在船舶航行过程中，主机难以避免的发生一些故障，这就需要船员要根据产生的现象仔细揣摩，分析故障的原因，找出解决的方法，使柴油机恢复到正常的工作状态，以此来保证航行任务的圆满完成。2.排气阀的结构及其作用排气阀组的主要组成如图3-1:图3-1.气门组结构由排气阀、气阀弹簧、旋阀器，阀杆密封和阀瓣构成。其中在气阀弹簧上部的旋转帽式的旋阀器，其主要作用是使气阀在开关的过程中缓慢地转动，这种旋转对气阀来说尤其重要，特别是在强载、烧重油的柴油机上，可以有效地延长排气阀的寿命。其作用由以下三种：1）减少阀面与阀座上的积碳，使磨损均匀，贴合严密。2）使阀盘受热均匀，防止局部过热。3）消除阀杆与导管间的积碳，防止卡住。3.排气阀的工作条件及要求3.1工作条件船舶柴油机中排气阀工作条件十分恶劣，气阀的底面与柴油高温燃烧产物直接接触，在气阀开启期间还承受着高温（600700°C）和具有腐蚀性的气体的高速（达500m/s）冲刷，气阀中心的温度高达800°C，在阀盘与阀杆的过渡圆弧中段，其温度也有700°C，气阀的温度分布如图所示21。过高的温度会造成金属材料的机械性能降低，材料产生热变形。另外，当气阀锥面与阀座密封不严时，就会导致高温燃气对阀面的烧损。在气阀落座时，气阀在惯性力和弹簧作用力的共同作用下，还承受着相当大的冲击性交变载荷。在气阀间隙增大或气阀出现跳动时，这种交变冲击力载荷会明显升高。气阀与阀座的撞击，容易造成密封面的变形和严重的磨损,产生的冲击力也会使气阀应力集中处的负荷大大升高,如此之高的交变载荷容易使气阀因疲劳而断裂。尤其是在有腐蚀凹坑的情况下,气阀的寿命会大大缩减。因船用柴油机绝大部分为增压柴油机，气道内的气体压力阻止了从气阀导管中获得滑油的可能。因此，气阀与导管之间还可能发生干摩擦，导致阀杆与导管间发生磨损加剧。除此之外阀杆顶端还会受到摇臂对阀杆顶端的撞击与磨损。图3-2.排气阀的温度分布排气阀恶劣的工作环境还有经济上的因素。在20世纪70年代中东石油危机后，燃油价格的不断上涨，航运市场的竞争十分激烈，船东为了降低成本来提高竞争能力、获得更多利润，均使用比较低价且劣质的重油。这些重油的粘度高，滞燃期较长，而且钒、钠和硫的含量比较高。重油在柴油机中燃烧时，渣油中所含的排放物（燃料灰份）有一部分与排出的气体一起离开机器，而剩余部分仍然留在发动机内一些高温（500800°C）的零件上。例如，排气阀和活塞顶，形成沉积，造成 “高温腐蚀”。到目前为止，还没有比较经济的工艺处理能把腐蚀性元素从渣油中去除，由于这些腐蚀性元素的存在，高级合金钢和堆焊排气阀钢也会受到燃油的腐蚀。除此之外，在柴油机运行中船员违反保养规定，在低温状况下启动柴油机，强行施加载荷，会导致柴油机气缸内燃烧温度急剧地变化，温度忽高忽低的热冲击可能造成排气阀的热变形。在柴油机负载状态下，反复变换手柄位，会使柴油机气缸燃烧状态恶化，燃油雾化不良，大量地喷入气缸，造成燃油燃烧不完全，使排气阀表面严重积碳，甚至会造成主机起动困难。这些都会对排气阀的故障造成隐患。因此这些操纵、保养柴油机的不良习惯也是引发柴油机气阀故障的重要因素。3.2对排气阀的要求由上节可知排气阀的工作条件极其恶劣,故对排气阀的结构和材料都有特定的要求.1）较好的材料:在高温情况下,制造气阀的材料应该具有较高的力学性能、耐磨性、抗腐蚀性以及硬度。进气阀与排气阀相比，工作环境相对较好，一般选用40Cr、35CrMo等合金钢。排气阀则使用（）等耐热合金钢。但是仅仅如此还不够，为了进一步提高气阀的耐久性，满足柴油机高压和燃用重油的要求，需要对阀面采取渗铝处理或堆焊硬质合金，阀杆则进行氮化、镀铬等热处理工艺。2）保证气阀具有良好的散热并能冷却及时：阀杆与导管之间的间隙要尽可能的小，阀座与气阀锥面接触紧密，是排气阀的散热良好，温度不至于过高，有较高的可靠性。3）气阀的材料应满足排气阀工作时对刚度和强度的要求。总的来说，对气阀的主要要求是保持良好的气密性。若气密性太差会导致气阀头部过热，严重时造成气阀烧损，最终影响柴油机的工作性能。4.排气阀常见故障4.1排气阀的烧损排气阀烧损是排气阀故障中最常见的。主要原因是气阀锥面与阀座密封不严， 在燃烧过程中高温燃气穿过密封面，而阀面和阀杆严重过热产生热变形，甚至熔穿材料。燃油(尤其是低价、劣质的重油)中含有大量的硫、钒、钠等成分，燃烧后生成氧化物及氧化物生成的聚合物往往具有较低的熔点，一般在530左右21。同时具有比较强的腐蚀性。排气阀工作时，由于排气温度的原因，使其以液态附着在阀盘及阀座上时，排气阀总成一旦冷却水中断或冷却不均匀，势必导致阀座与气阀的温度过高，发生钒、钠生成物的高温腐蚀更为严重，使阀面和座面上产生麻点，密封性变差，引起漏气。当漏气严重时，高温火焰将从此处穿过，引起气阀局部过热使阀座变形、阀头翘曲和烧损。排气阀总成温度的增加还会导致喷油嘴的针阀过热，引起油孔结焦和积炭，甚至发生针阀咬死(卡住)等故障。而喷油器故障会导致燃烧状况恶化，反过来又加大了排气阀的热负荷。总的来说，导致排气阀烧损的根本原因是密封性的变差。造成排气阀密封不良的原因主要有以下几点：由于阀盘不同部位的形状、厚度不同，受热、散热条件不同，阀盘圆周上的温度分布不均匀，中心温度高于周边温度，造成气阀阀盘径向上的温度差，过大的温差将造成阀盘的变形从而导致漏气的产生。船舶柴油机一般燃烧的重油中含有的杂质经过复杂的化学反应生成的产物会在贴合面形成一种玻璃状物质（包含硫酸钙、硫酸钠、氧化铁等）。该物质的厚度达到一定程度后在气阀落座的反复冲击下脱落，为高温燃气冲入排气道提供了条件。普通的排气阀的锥面硬度并不是太高，重油中的一些杂质在燃烧后生成的颗粒由于气阀落座的冲击力作用，会使密封面上形成凹坑，凹坑过多数量过多则会形成微细的通道，高温燃气可从其中穿过进入排气道。预防措施:1)消除局部的高温。加强冷却水系统的管理，保证冷却效果；加强燃油系统管理，保证油头的雾化良好，改善燃烧质量。还要注意燃油添加剂的使用和油温的控制。2)保证排气阀的开关到位，减少燃气对气阀的冲刷作用。保证配气机构工作稳定，油压正常；注意凸轮油泵的工作情况。加强空气系统的管理，注意各处气体压力正常。3)缩短气阀检修周期，提高维修质量。 由于劣质燃油的使用，排气阀的检修周期应大大小于说明书上的时间。加强了检查和清洁，必定会大大减少排气阀烧蚀的机会；提高维修质量。在拆装及研磨气阀时必须认真地对每一个环节严格把关，按说明书的要求进行操作，检查、测量阀的各个数据并记录，便于以后进行分析。当烧蚀率或研磨量超过说明书规定的标准时，该阀不能再次使用。(4)加强日常管理。在启动主滑油泵和凸轮轴油泵之前，务必先供上排气阀弹簧空气，并检查空气压力是否正常。航行时要认真巡回检查，注意排温的变化。4.2排气阀的高温腐蚀目前船舶柴油机普遍使用劣质的渣油，其中含有大量的钒、钠和硫等腐蚀性元素。在燃烧过程中硫、钒和钠等元素会形成氧化硫、五氧化二钒和氧化钠等氧化物。氧化物之间发生反应，与滑油反应，形成低熔点的盐类。这些盐类混合物熔点一般为540°C 左右，同时具有较强的腐蚀性。当零件温度在550°C 以上时，使钒、钠化台物处于液体状态，附着在排气阀表面。当排气阀在工作中时，由于燃气的高温因素，可能会使其以液态的形式沉积在阀座和阀杆与阀面的过渡表面上。这时即便是非常耐腐蚀的硬质合金钢也会受到腐蚀，在密封锥面上造成麻点、凹坑。凹坑数量如果过多就有可能使锥面密封处有通道贯穿，导致高温燃气冲入排气道，对阀杆造成损坏。在高温腐蚀的有害元素中以钒的危害性为最大。预防措施:1) 加强燃油的净化。利用分油机加强对燃油的净化处理，尽可能地除去燃油中的杂质；2) 严格控制柴油机排气温度，防止因超负荷运转等原因造成排温过高情况的出现；3) 调节冷却控制，如适当加大冷却水流量等，提高冷却效果;4) 在对油箱加油前要对油样进行化验，然后根据燃油内各元素的含量选择合适的添加剂；5) 缩短排气阀的检修周期。发现排气阀有麻点或凹坑时要及时对气阀锥面进行研磨，保证排气阀具有良好的密封性。4.3气阀锥面磨损过快柴油机燃烧时的爆发压力很高，阀座与阀盘受到反复的高压作用会发生弹性变形，变形后气阀落座会贴合面产生相对运动，使磨损加剧。另外,气阀间隙过大，阀盘与阀座刚度不足，冷却不良，气阀机构振动异常以及气阀落座时速度过大，气阀与阀座材料性能达不到要求或不匹配，也会使气阀锥面的磨损速率增加。重油中含有较多的钒、钠、硫等元素，燃烧生成的产物气阀锥面的高温腐蚀造成的凹坑会使锥面的磨损加快。高负荷运行或燃烧的恶化，阀杆与导管之间的间隙过大，都能使磨损速率增大。预防措施：1) 定期检查气阀与导管、阀盘与阀座的间隙，保证符合规范要求；2) 在日常运行中，尽量避免高负荷长期运行；3) 因高温腐蚀造成的气阀锥面磨损过快，可参考( 排气阀高温腐蚀的应对措施) ；4) 严格按照说明书的要求进行管理和保养。4.4阀盘与阀杆的断裂由于阀杆装设卡块的凹槽处和阀杆与阀盘的过渡圆角处是应力集中的区域，当应力集中区域的强度接近或超过材料的屈服强度时，长时间的交变载荷就会使气阀发生疲劳断裂破坏。疲劳断裂是气阀断裂的最主要原因，大约占到70%以上。造成断裂的原因有：阀盘与阀座的变形使单边受力过大；阀杆与导管的间隙过大；气阀与阀座之间的间隙过大，敲击严重，造成应力过大而破坏；气阀机构的振动。阀杆凹槽处是气阀的薄弱部位，若闭阀冲击力较大或者凹槽加工工艺不良，也会是气阀产生疲劳断裂。预防措施：1) 加强柴油机日常运行管理，如发现有排气阀敲击等状况时，应及时处理；2) 排气阀检修更换时要测量阀杆与导管的间隙，检查阀盘与阀座的贴合度；3) 定期检查气阀间隙，使其在规范范围内；4)当气阀机构发生异常振动时要及时停机检查5）气阀制造是应严格按照热处理工艺规范进行，减少气阀内部残余应力；6）不定时检查气阀的润滑情况，防止干摩擦造成磨损；注意观察表面是否有冲蚀凹坑。4.5气阀卡滞气阀卡滞主要原因是因为导管和气阀阀杆之间的间隙太小，当排气阀温度过高，阀杆受热膨胀，二者之间的间隙变为过盈配合从而使阀杆卡死在导管中，导致排气阀不能正常的往复动作。另一方面，当阀杆由于装配不良，外部冲击力过大，内部某段应力集中等原因造成阀杆的弯曲变形时同样会使阀杆卡死在导管中。预防措施：1） 定期检查阀杆与导管间隙，使其满足说明书的规范要求；2） 柴油机使用过程中要注意排气阀的润滑情况，防止阀杆与导管之间产生干摩擦，热量不能及时散发出去，阀杆与导管产生黏着磨损或膨胀量过大造成卡死；3） 气阀检修时要按说明书要求使用的工具安装，不可在没有特定工具的情况下使用锤击法强行安装。第四章 案例分析1.概述在公司所提供的众多案例中，经过统计分析，发现在进排气系统中发生的故障占有很大比例，统计结果如下图所示：图4-1.故障实例按所在系统分类由上图可以看出，进排气系统所占比例约17.72%，仅次于燃油系统产生的故障。而在进排气系统故障中，进排气阀的故障案例相当多，故本章将在具体实例的基础上对排气阀进行故障原因分析，并采用ABAQUS对排气阀的受力、强度进行仿真计算。2.Abaqus简介本章对排气阀的仿真分析采用Abaqus来进行仿真。有限元分析利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。Abaqus是一种有限元素法软件，用于机械、土木、电子等行业的结构和场分析。Abaqus早年属于美国HKS公司的产品，于2000年中期卖给了达索公司，该软件又被称为达索SIMULIA。对于不同数学模型和物理性质的问题，有限元仿真的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解的方式不同。有限元求解问题的基本步骤通常为：第一步：问题及求解域定义。第二步：求解域离散化。第三步：确定状态变量及控制方法。第四步：单元推导。第五步：总装求解。第六步：联立方程组求解和结果解释。简言之，有限元分析可分成三个阶段，前置处理、计算求解和后置处理。前置处理在软件中构建或从其它CAD软件中导入有限元仿真模型，并对三维模型进行网格的划分；后置处理则是对信息进行整理，分析计算机仿真计算的结果。3.案例分析3.1案例内容某散货船在正常航行途中，听到6DK-20柴油机3#机有强烈敲击声，接着又听见增压器哗啦声和喘振声，随后停机检查，发现第四缸的一根排气阀断裂，造成该机活塞缸套、缸盖总成和增压器总成等部件打坏。缸盖上另三件气阀颈部发生弯曲，相应导管下部被挤碎，进、排气通道有大量积碳，气阀颈部也有积碳；活塞顶被撞击成约40的一个空洞，该缸盖上的各气阀弹簧和气阀锁夹无异常现象。该台柴油机转速720r/min，总共运行时间1703小时。3.2现象分析根据案例中所描述的现象，可分析该故障的发生经过。首先，在某种原因的情况下，排气阀断裂，气阀断裂的下端落入气缸内，由于有异物的进入，断裂部分与缸套，缸盖总成发生直接碰撞，在柴油机的高速转动下，冲击力极大，足以对碰撞部位造成损坏。同时其余三个气阀仍在完成自己的工作过程，在气阀运动过程中，由于缸内金属碎裂物的存在，气阀会受到不确定方向的碰撞，这些侧面冲击会使阀杆与导管发生挤压，最终导致阀杆弯曲，导管的下部被挤碎。另一方面，由于排气阀断裂，大量碎片由排气道进入增压器，碎片与涡轮叶片摩擦碰撞发出哗啦声，在高温燃气，碎片，叶片的变形等多种因素的影响下，增压器发生喘振。由以上推断,可初步推断此次故障产生的最终原因是由于排气阀断裂造成的。3.3拆检分析3.3.1拆检同机不同缸的气阀构件按拆卸规范将2#钢的排气阀拆下,该排气阀与4#缸的排气阀为同一制造批次。 1）检查气阀外貌气阀阀杆为氮化的灰黑色(图5)，阀杆靠近阀盘侧有明显的冲蚀凹坑（图6），表面其它地方没有异常现象。图4-2.拆检的正常气阀外貌图4-3.颈部冲蚀凹坑3.3.3断阀的机械性能和化学成分通过实验对断阀的成分和性能进行分析，所得结果如下表：表4-1力学性能力学性能b(Mpa)5(%)(%)硬度（HB）同批次阀6802144284E8-03306401535266325表4-2化学成分化学成分CSiMnNiCrSPN断裂阀0.382.30.590.529.840.0190.020/4Cr10Si2Mo0.350.451.902.600.700.609.0010.500.0300.0350.150.30经分析，气阀基体材料的化学成分与4Cr10Si2Mo一致，符合国家标准GB/T12773-2008内燃机气阀用钢及合金棒材的要求。3.3.2断阀外观分析1）断口宏观外貌阀的断裂面距离阀底面61.5mm，离R部24.8mm（图4-4）。断裂前没有明显的塑性变形，断口表面明显覆盖着一层深色的腐蚀物（图4-6），且与主应力垂直，是典型的脆性断口，距断口15mm内有明显龟裂状裂纹（图4-5）。杆端部圆周氮化层色泽均匀，无偏磨现象。图4-4断阀阀杆外貌图4-5.断裂处的龟裂状裂纹图4-6断口形貌（黑色为腐蚀物）2）断阀金相分析图4-7颈部金相组织 （100X）晶粒度等级：7.5图4-8.颈部金相组织（400X）碳化物分布：粒状碳化物呈少量断续链状分布（少于5%）根据金相分析结果，满足4Cr10Si2Mo的金相要求。3.3.3旋阀器和阀座导承检查旋阀器：将这台机上拆下的四个旋阀器装在某型号机第1缸上，第2、3、4、5缸靠加热箱侧进、排气阀上装进口旋阀器，然后进行25%负荷、50%负荷、75%负荷、100%负荷试验，发现第1缸进气阀旋阀器其中1只每分钟旋转1/2圈，另外3只每分钟旋转2圈左右，转速相对偏低，但符合大发公司的要求。阀座导承：从实物看导承内壁以及阀杆均未见异常磨损。3.3.4初步结论1） 从上述机械性能、化学成分、金相分析都符合日本大发标准及相关国家标准，可以断定排气阀制造没有质量问题。 2.）阀座导承及阀杆未见异常磨损，说明相关零件制造及装配都没有质量问题。3） 推断阀断裂的原因是：由于该机烧重油（380CST/50），含有一定的硫化物，重油燃烧排放物中的硫化物串入进气道，硫化物与水产生化学作用生成酸，附着在阀杆上产生化学腐蚀，表面产生蚀坑，在拉应力的作用下产生应力集中，进而产生微裂纹，于是在拉应力和腐蚀介质的联合作用下，裂纹不断向内扩展，最终导致阀杆突然断裂，这是典型的应力腐蚀造成的断裂失效形式。第五章 采用Abaqus对排气阀进行仿真1.材料性能参数该型号柴油机所用排气阀的阀杆材料为4Cr10Si2Mo，阀面的材料为NCF80A,为简化模型的仿真计算,将排气阀的工作假定为恒定值,查阅资料,温度取500。查阅资料，该排气阀在500时力学性能如下表：表5-1.力学性能力学性能抗拉强度b(Mpa)条件屈服强度伸长率5(%)断面收缩率(%)