船舶柴油機氣閥損壞及應(yīng)對方法探析

梁小俊

摘?要：柴油機作為船舶運輸?shù)闹饕獎恿C械，其運行狀態(tài)直接決定了船舶運輸效率。作為船舶柴油機主要零部件的氣閥是最容易出故障的零部件之一，氣閥在工作過程中處于惡劣工作環(huán)境，因此氣閥的好壞也直接影響柴油機性能和能量的轉(zhuǎn)化效率。本論文就針柴油機氣閥這一主要零部件進(jìn)行分析，了解氣閥在柴油機工作時所處的工作環(huán)境，針對氣閥的工作條件分析氣閥損壞磨損的種類及相關(guān)原因，并對導(dǎo)致氣閥損壞和磨損的因素提出應(yīng)對方法。這將有利于減少氣閥磨損及防止氣閥損壞，降低氣閥故障率，提高氣閥使用壽命，同時減少零部件的更換和降低維修成本，進(jìn)而提高柴油機的使用壽命和提高生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：船舶柴油機;氣閥;損壞;磨損;應(yīng)對方法

引言

船舶柴油機有著輸出扭矩大、輸出功率高和經(jīng)濟性好的優(yōu)點，工作循環(huán)遵循新鮮空氣進(jìn)入、缸內(nèi)空氣壓縮、燃料燃燒做功、廢氣排出的這四個過程。柴油機使用燃油為燃料，采用壓縮發(fā)火的方式，具有經(jīng)濟性好、可靠性高、壽命長、維修方便等優(yōu)點。這就決定了柴油機在船舶交通運輸行業(yè)擁有著不凡的地位，船舶柴油機是船舶名副其實的心臟，作為船舶心臟的柴油機工作性能的好壞也就決定了船舶運輸?shù)男省＝陙碇绷鲯邭饧夹g(shù)的發(fā)展，同時老一代彎流掃氣、橫流掃氣以及半回流掃氣柴油機的逐漸淘汰，二沖程直流掃氣柴油機成為現(xiàn)代船舶心臟的主流。在主流柴油機中，氣閥是燃燒室必不可少部件之一，決定新鮮空氣的進(jìn)入和燃燒廢氣的排出，氣閥工作性能的好壞對柴油機的功率輸出、燃料的能量轉(zhuǎn)化效率、安全性能等息息相關(guān)。氣閥在柴油機的工作過程中要經(jīng)受溫度很高、壓力很大的燃?xì)庵苯記_擊和沖刷，四沖程柴油機還承受閥座彈簧張縮和搖臂撞擊，氣閥在受熱膨脹時還產(chǎn)生各種附加應(yīng)力，這些因素使得氣閥成為柴油機中工作條件最惡劣，也是最容易損壞的部件之一。

1 柴油機的氣閥結(jié)構(gòu)介紹

四沖程柴油機與二沖程的換氣機構(gòu)有所不同，四沖程的氣閥機構(gòu)采用的是進(jìn)氣閥和排氣閥相組合的雙氣閥形式;二沖程則是采用掃氣口和排氣閥相組合的形式。柴油機的氣閥機構(gòu)開啟時外界的空氣進(jìn)入氣缸或者氣缸內(nèi)的廢氣排出，氣閥機構(gòu)關(guān)閉時缸內(nèi)空氣被壓縮直至點燃膨脹做功。氣閥在正確的時間開啟或者關(guān)閉才能保證柴油機性能的良好，氣閥密封不好漏氣則會影響柴油機的輸出功率，氣閥的密封性能對柴油機正常工作有著很重要作用。氣閥是燃燒室必不可少部件之一，與溫度很高壓力很大的燃燒氣體相接觸，工作時會被磨損、腐蝕，還會被進(jìn)入和排出的氣體沖刷，所以說氣閥是工作環(huán)境極其惡劣的柴油機部件之一。

1.1 氣閥的作用

柴油機換氣機構(gòu)在柴油機工作的過程中按照進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣的工作循環(huán)次序，在規(guī)定的時間開啟或者關(guān)閉各個氣缸的進(jìn)氣閥（進(jìn)氣口）和排氣閥（排氣口）。使得外界的空氣能夠通過進(jìn)氣閥進(jìn)氣口進(jìn)入到氣缸內(nèi)，燃燒膨脹做功后的廢氣能夠通過排氣閥排出氣缸，再開始下一個的工作循環(huán)，使柴油機進(jìn)行連續(xù)和完善的工作過程。四沖程柴油機的進(jìn)排氣閥和二沖程直流掃氣柴油機的排氣閥與氣缸蓋、氣缸套、活塞組成燃燒室。氣閥的工作性能好壞將決定柴油機是否能正確良好的實現(xiàn)換氣過程，從而也決定了柴油機氣缸內(nèi)燃料燃燒時的能量轉(zhuǎn)換效率和柴油機對外界的功率輸出。

1.2 氣閥的工作環(huán)境

現(xiàn)代船舶為了運營能夠更加的經(jīng)濟性，作為船舶心臟的主推進(jìn)動力裝置的柴油機大都使用劣質(zhì)燃油，這類燃油燃燒粗暴，燃燒的溫度高，壓力高，作為燃燒室組成部分的氣閥與這些高溫度高壓力的燃?xì)庵苯咏佑|。有增壓系統(tǒng)的柴油機排氣閥閥盤的溫度高達(dá)650～800℃，閥桿的溫度也會達(dá)到150～250℃。在進(jìn)氣閥的上下兩側(cè)分別是缸內(nèi)的高溫燃?xì)夂屯饨鐪囟容^低的新氣，新氣有一定的冷卻作用，所以溫度較低，但進(jìn)氣閥溫度也會達(dá)到450～500℃，閥桿溫度在100～120℃。但也因為氣閥兩側(cè)的溫度梯度較大，使氣閥和閥座的不同區(qū)域受熱不同，變形不同將產(chǎn)生附加的應(yīng)力。在柴油機的排氣階段，排氣閥會受到高溫高壓廢氣的沖刷，四沖程柴油機在進(jìn)氣階段會受到新氣的沖刷。氣閥開啟大多都還是依賴于機械傳動，在傳動過程中頂桿和搖臂會對氣閥產(chǎn)生撞擊和磨損。氣閥關(guān)閉復(fù)位依賴于氣閥彈簧伸展回彈，在關(guān)閉的一瞬間氣閥與閥座也會發(fā)生碰撞和損壞，氣閥在打開和關(guān)閉時撞擊形成沖擊性的交變負(fù)荷。因此，氣閥要忍受很高的熱力負(fù)荷和撞擊負(fù)荷。而且在碰撞時閥面和閥座還會因為彈性形變、柴油機工作時存在的振動以及氣閥彈簧螺旋線的扭轉(zhuǎn)造成楔入性和扭轉(zhuǎn)性的相對滑動?；瑒訒沟脹]有潤滑條件的氣閥接觸面間干摩擦引起小金屬顆粒脫落，脫落的小金屬顆粒和燃油燃燒形成的炭粒和雜質(zhì)燃燒產(chǎn)生的灰分轉(zhuǎn)變成磨料又加速氣閥的損壞。船舶柴油機燃用的劣質(zhì)燃油中礬、鈉、硫等元素含量較大，燃燒生成相應(yīng)的礬、鈉、硫的氧化物及氧化物生成的相應(yīng)的鹽和聚合物有的熔點低（低至535℃），有的熔點高（高達(dá)900℃）。這些物質(zhì)在柴油機廢氣排放的時候會部分沉積在氣閥接觸面上，使得氣閥因為配合不良，密封性變差，并對氣閥造成高溫?zé)g。所以說，氣閥是柴油機中工作條件最惡劣的零部件之一，不僅與高溫高壓的燃?xì)庀嘟佑|，而且承受新氣廢氣的沖刷，還承受開啟關(guān)閉的交變載荷和變形產(chǎn)生的附加應(yīng)力。

2 柴油機氣閥的損壞種類

金屬零件在長時間的工作過程中所處的環(huán)境和狀態(tài)各不相同，要么承受高溫，要么接觸低溫?；蛘呱硖幊睗窕蚋稍铮只蛘弑焕旎驂嚎s，或許既受拉也受壓交替存在。不同的工作狀態(tài)和環(huán)境會導(dǎo)致不同的損壞形式，通常氣閥零件的損壞形式有四種：

（1）磨損：氣閥閥桿與氣閥導(dǎo)套的接觸面在力的作用下滑移，滑移使接觸面逐漸的被摩擦損耗。主要的影響為兩個零件的原有體積逐漸的減小，摩擦還導(dǎo)致兩個零件產(chǎn)生變形和相接觸的表面配合質(zhì)量發(fā)生變化。相接觸的兩零件產(chǎn)生摩擦就一定會產(chǎn)生磨損。磨損導(dǎo)致零件的原有尺寸變化使得零件原有的配合間隙變大，零件喪失精度也就影響了零件的使用壽命和可靠性。

（2）變形：在機械設(shè)備正常工作時，有時由于所處的工況條件比較惡劣，或者需要設(shè)備經(jīng)常處于滿載甚至超載的情況下工作，設(shè)備的某些零件因為接觸高溫或者受拉力壓力過大就會產(chǎn)生變形。變形對于形狀復(fù)雜、相對位置精度高的零件會加速零件的磨損，甚至是導(dǎo)致零件的斷裂，進(jìn)而也影響零件和設(shè)備的使用壽命和可靠性。

（3）斷裂：因為零部件所制造材料內(nèi)部性質(zhì)不均勻、加工時工藝處理不當(dāng)并且在受力、受熱、腐蝕等單一或者共同的作用時，使零件持續(xù)性遭受損壞，最終導(dǎo)致裂紋或者被分成幾部分。斷裂在不同的受力情況、不同的物理化學(xué)條件時的斷裂有多種形式，這是一個很復(fù)雜過程。零部件承受周期性的交變力會發(fā)生疲勞斷裂。零部件所處環(huán)境是持續(xù)高溫時會發(fā)生蠕變斷裂，當(dāng)零件處在腐蝕環(huán)境下時會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕或者腐蝕疲勞。斷裂幾乎會使零件完全喪失工作性能，從而導(dǎo)致危害機械設(shè)備造成更嚴(yán)重的機損事故。

（4）腐蝕：金屬零件的腐蝕是因為零件所處環(huán)境的周圍介質(zhì)與零件產(chǎn)生化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕或者物理腐蝕使零件的原有尺寸精度喪失或者幾何形狀發(fā)生變化的損傷現(xiàn)象。因為是零件周圍的介質(zhì)引起的損傷，這種損傷總是從金屬的最外層表面開始，一步一步的由淺入深到達(dá)內(nèi)部。讓零件的外表面質(zhì)量發(fā)生變化，出現(xiàn)不規(guī)則形狀的凹洞、斑潰瘍等破壞區(qū)域，從而導(dǎo)致零件損壞。

以上的四種損壞形式或多或少在柴油機氣閥中都有存在。氣閥損壞會使柴油機消耗更多的燃油來做功，但輸出功率下降，最終柴油機的經(jīng)濟性下降。

3 柴油機氣閥損壞的應(yīng)對方法

氣閥損壞的四種損壞形式相互滲透，相互摻雜，有單個因素造成的一種損壞，有單個因素造成的多種損壞，有多個因素造成的一種損壞，也有多個因素造成的多種損壞。想要降低氣閥故障率的發(fā)生幾率及防止氣閥損壞情況的發(fā)生，就要從多個方面入手。

3.1 氣閥減磨

氣閥減磨可以有兩個方面，一個是氣閥相互配合零部件之間要有良好的潤滑，另一個是氣閥使用耐磨的材料制造或者在外層的配合面噴涂耐磨的保護層。氣閥在良好的潤滑環(huán)境時，兩個零部件的接觸外層之間會存在一層非常薄的流體膜，兩個零部件之間的摩擦轉(zhuǎn)移發(fā)生在潤滑劑的流體膜內(nèi)，這種狀態(tài)下的摩擦系數(shù)非常的小，阻力小使得兩個零部件能夠更加容易的自由相對滑動，摩擦不直接發(fā)生在兩個零部件的外層配合面，產(chǎn)生的磨損也就最小。因此，使配合的零部件之間能夠有良好的潤滑條件是減小磨損消耗行之有效的應(yīng)對方法。

在氣閥中部的閥桿和導(dǎo)套，上部的哈弗塊凹槽等部分有滑油潤滑的部位要保證潤滑良好。因此要保持滑油的清潔，確保供給滑油的壓力在規(guī)定的范圍值內(nèi)，還要保證油路的暢通無泄漏，對滑油要進(jìn)行冷卻，過高溫度下的滑油容易變質(zhì)影響潤滑性能。對于氣閥沒有潤滑或難以建立潤滑條件的部位可以噴涂或選用耐磨材料。

3.2 氣閥檢查修理

任何一個零部件在使用過程中都會不可避免的會存在磨損消耗、被四周介質(zhì)腐蝕、到達(dá)疲勞極限的自然損壞，可以通過及時的檢查修理來減少可能引起的更嚴(yán)重故障的發(fā)生。

3.2.1 氣閥間隙的調(diào)整

氣閥之所以有氣閥間隙是因為金屬的熱膨脹性。氣閥在受熱后可以有多余的空間來膨脹，要是沒有氣閥間隙，氣閥在受熱膨脹時會因為受壓力過大而變形，氣閥間隙有一個規(guī)定的合適值。要是氣閥間隙過大，氣閥在膨脹時填充的空間還有剩余，氣閥就會因為敲擊嚴(yán)重，引起磨損加劇，還會使得氣閥晚開早關(guān)，不能在正確合適的時間開關(guān)，影響柴油機的換氣質(zhì)量。如果氣閥間隙過小，膨脹時的余地空間就不夠，氣閥就將受力彎曲變形。柴油機運行時的震動會使得氣閥間隙逐漸的改變，所以要經(jīng)常性的測量調(diào)整氣閥間隙。氣閥間隙的測量調(diào)整都應(yīng)該要在氣閥完全關(guān)閉的狀態(tài)下，按照說明書的標(biāo)準(zhǔn)間隙來進(jìn)行調(diào)整。

3.2.2 氣閥研磨及修理

研磨是使用與零件相配合的研磨工具和零件，或者在兩個相配合的零件之間加入含有磨料顆粒的研磨劑，在合適的壓力和速度之下使研磨工具與零件或者兩個配合零件做相對的運動，使得加入期間的研磨劑對零件的配合面進(jìn)行精密的切削加工，從而恢復(fù)零件原有的表面質(zhì)量和配合精度。

在研磨時，被研磨的零件外層各部分的研磨路徑應(yīng)該要盡可能的保證一樣，并且要使外層表面的每一部分都會被研磨到。研磨時的壓力也要均勻的分布在零件的外層表面上，選擇合適的壓力對研磨的效率很重要，粗研磨的壓力范圍一般在0.1MPa～0.2MPa，精研磨的壓力范圍在0.01MPa～0.1MPa。研磨時的移動速度對研磨效率也會有影響，移動速度太快，零件摩擦生熱來不及被冷卻會引起零件的變形，研磨表面質(zhì)量下降。在合適的速度范圍內(nèi)，速度越快研磨的效率就越高。粗研磨時選擇使用磨料顆粒大的研磨劑在較高的壓力和速度下可以很快的切削零件表面;精研磨則是選擇磨料顆粒小的研磨劑在比較低的速度和壓力下對零部件進(jìn)行切削，最后獲得符合要求的零件表面粗糙度等級。

研磨時可以根據(jù)磨損的程度和研磨的需要先粗研再精研，使得閥線能夠恢復(fù)。氣閥損壞很嚴(yán)重時可以使用手工電弧來進(jìn)行堆焊修整。閥面因腐蝕燒穿形成孔洞時已經(jīng)不能在使用，應(yīng)該給予換新的氣閥。閥面出現(xiàn)較多的麻點和孔穴可以采取機械加工的方法來進(jìn)行修復(fù)，也同樣可以采取電弧堆焊、噴焊、噴涂來修復(fù)。修復(fù)后的閥盤與閥座的接觸面積要不小于原來的1/3。

閥桿的損壞一般是因磨損腐蝕導(dǎo)致閥桿變細(xì)，在橫截面積最小處斷裂。對閥桿應(yīng)該要經(jīng)常進(jìn)行磨損測量，計算出相應(yīng)的磨損量與標(biāo)準(zhǔn)值相比較，超過標(biāo)準(zhǔn)值時可以采用鍍鉻或者鍍鐵來修復(fù)，也可以采用噴涂或者噴焊工藝恢復(fù)原有的圓度、圓柱度和尺寸。閥桿在工作時因受力過大可能引起的形狀變化，在檢修時應(yīng)該要使用百分表在平臺或者車床上進(jìn)行校驗，彎曲量大于要求值時要采用加壓校直法對氣閥進(jìn)行矯正。

3.3 氣閥材料選擇及加工工藝

工作過程中氣閥關(guān)閉閥盤閥座撞擊磨損，閥桿導(dǎo)套相對運動磨損。因此，氣閥的制造材料要選擇能耐受高溫，在高溫的環(huán)境下還需要具有很好的機械性能。要耐腐蝕，在高溫條件下不易被腐蝕。還要耐磨，被撞擊時抗的住沖擊。熱傳導(dǎo)性能要好，降低受熱不均存在的溫度梯度。受熱時膨脹系數(shù)要小，減少膨脹時的附加應(yīng)力。

3.3.1 氣閥制造材料的選擇

進(jìn)氣閥的材料常選用40Cr、35CrMo、40CrNi等合金調(diào)質(zhì)鋼，或選用氣閥鋼4Cr9Si2等。排氣閥常選用氣閥鋼4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo、4Cr14Ni14W2Mo等[2]。

為恢復(fù)氣閥閥桿因磨損變細(xì)和提高閥桿的耐磨性、耐腐蝕性，可以在閥桿噴涂鐵基合金、鎳基合金或鎳鉻鋁復(fù)合材料等。

3.3.2 材料熱處理

4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo排氣閥鍛造毛坯退火處理：由于鍛造后出現(xiàn)部分馬氏體，硬度高達(dá)HRC40以上，為了便于加工先進(jìn)行退火處理，最后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理以獲得較高的耐熱性和耐磨性。4Cr9Si2用于工作溫度≤650℃的排氣閥。4Cr10Si2Mo用于工作溫度≥650℃的排氣閥。4Cr14Ni14W2Mo用于工作溫度≤750℃的排氣閥，在1170℃～1200℃經(jīng)固溶處理，并在750℃進(jìn)行時效處理以達(dá)到要求室溫和高溫機械性能[2]。

3.4 改善氣閥的工作環(huán)境

因為氣閥的工作條件極差，這就使得損毀的故障率明顯提高。盡可能的改善氣閥的工作環(huán)境也是降低氣閥發(fā)生故障幾率的有效方法。盡量選用高質(zhì)量的柴油機燃料油和滑油，同時要加強管理，使用分油機對燃油滑油進(jìn)行凈化。對燃油柜及時的進(jìn)行放殘，降低由燃油滑油帶入雜質(zhì)的幾率。要保證氣閥能夠有良好的潤滑，還要留意柴油機的冷卻情況，掌控尾氣的排出溫度在規(guī)定范圍內(nèi)。要保證噴油器的工作狀態(tài)良好，減少因燃料霧化不好引起積碳過多。柴油機啟動前應(yīng)進(jìn)行充分的預(yù)熱，避免啟動后部分區(qū)域溫度上升過快產(chǎn)生附加應(yīng)力。對柴油機的增壓器和進(jìn)氣濾器及時的清潔，減少新氣進(jìn)入帶入的顆粒物質(zhì)。

4 總結(jié)

作為柴油機燃燒室重要組成部分的氣閥，決定了柴油機換氣質(zhì)量的好壞，影響柴油機能量的轉(zhuǎn)化效率、經(jīng)濟性能以及是否能正常運行。因為氣閥的工作條件很特殊性，所以氣閥是很容易發(fā)生故障的零部件之一，要使得氣閥能夠正常工作，應(yīng)該要經(jīng)常性的嚴(yán)格按照船舶柴油機說明書要求，對氣閥進(jìn)行檢修保養(yǎng)，檢修后各部件要正確的安裝復(fù)位，調(diào)整合適的氣閥間隙，還要保證能夠有良好的潤滑，使本就惡劣的工作環(huán)境不能再繼續(xù)惡化。同樣對于柴油機的其他部件，輪機員平時要做到經(jīng)常保養(yǎng)，細(xì)心觀察細(xì)小環(huán)節(jié)，有問題要及時正確進(jìn)行處理，使柴油機的各零部件都處于一個很好的工作環(huán)境。柴油機的使用壽命才會大大提高，減少及防止船船設(shè)備損壞情況發(fā)生，保證船舶安全航行。

參考文獻(xiàn)

[1]?黃加亮.輪機維護與修理.大連海事大學(xué)出版社，2010.9

[2]?滿一新.輪機工程材料.大連海事大學(xué)出版社;2008.10

[3]?中國海事服務(wù)中心.主推進(jìn)動力裝置.大連海事大學(xué)出版社;2012.8.

[4]?張守俊.柴油機排氣閥閥桿頻繁斷裂的分析與處理[J].船舶工程，2010

[5]?晉偉.柴油發(fā)動機常見故障的維修與保養(yǎng)[J].中國設(shè)備工程，2018