一種發(fā)動機氣門導(dǎo)管的磨損評價方法

周鵬飛，張向軍，梅本付，陳 俊，宗利華，郎偉欽

（1.清華大學(xué)天津高端裝備研究院，天津 300300；2.泛亞汽車技術(shù)中心，上海 201210）

0 引言

隨著現(xiàn)代車用發(fā)動機技術(shù)的不斷發(fā)展及環(huán)保法規(guī)的不斷嚴格，發(fā)動機向高經(jīng)濟性、高功率密度、高可靠性和低排放的方向發(fā)展[1]。配氣機構(gòu)作為發(fā)動機的重要組成部分，是實現(xiàn)發(fā)動機進氣過程和排氣過程的控制機構(gòu)[2]。發(fā)動機的高功率、高速化已然成為未來的發(fā)展趨勢，這就要求在高速運行的條件下仍然能夠平穩(wěn)、可靠地工作，因而對其配氣機構(gòu)提出了更高的要求。通過對配氣機構(gòu)的失效形式進行統(tǒng)計分析，氣門與氣門導(dǎo)管的耐磨性是配氣機構(gòu)耐久性的主要影響因素之一[3]。

有效評價氣門導(dǎo)管的磨損程度，成為研究氣門導(dǎo)管耐磨性能的必要手段。通過氣門導(dǎo)管內(nèi)徑圓度測量、內(nèi)表面形貌觀測、內(nèi)表面軸向二維粗糙度曲線對比等，多角度對氣門導(dǎo)管的磨損情況進行定量或半定量分析，有效地評價了氣門導(dǎo)管的磨損程度，為氣門導(dǎo)管摩擦磨損規(guī)律的研究提供了基礎(chǔ)。

1 氣門導(dǎo)管的工作過程及影響

氣門導(dǎo)管是發(fā)動機氣門的導(dǎo)向裝置，能將氣門桿上的熱量向氣缸蓋傳送、逸散。氣門導(dǎo)管下部與發(fā)動機氣道內(nèi)的高溫高壓氣體接觸，上部與缸蓋內(nèi)潤滑各摩擦副的機油接觸，并在內(nèi)部承受氣門驅(qū)動機構(gòu)的側(cè)向推力，同時又與氣門構(gòu)成摩擦副，進行劇烈的往復(fù)運動（圖1）。倘若氣門導(dǎo)管發(fā)生偏磨或斷裂，輕則增加發(fā)動機機油油耗，重則造成發(fā)動機燃燒不完全，功率下降，嚴重影響發(fā)動機的動力經(jīng)濟性，甚至造成氣門損壞[4-6]（圖 2）。

圖1 發(fā)動機配氣機構(gòu)結(jié)構(gòu)

圖2 氣門導(dǎo)管損壞

2 磨損表面形貌觀測

對氣門導(dǎo)管進行1/4剖切，發(fā)現(xiàn)內(nèi)表面銹蝕嚴重，這可能是磨損表面長時間暴露在空氣中所致；也有可能是在高溫乏油的工作環(huán)境中發(fā)生了銹蝕。用無水酒精超聲清洗，清洗前后導(dǎo)管的內(nèi)表面情況如圖3所示。在低倍率顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)內(nèi)表面有大量點蝕坑（圖4）。

圖3 清洗前后內(nèi)表面對比（1/4剖切）

圖4 內(nèi)表面點蝕坑（500 μm，2×）

采用體式顯微鏡對內(nèi)表面進行低倍觀察，導(dǎo)管內(nèi)壁有犁削現(xiàn)象（圖 5a），這可能是犁溝效應(yīng)導(dǎo)致，可能原因：①兩體磨損，導(dǎo)管表面的硬質(zhì)顆粒，在摩擦副相對運動過程中對導(dǎo)管進行了犁削；②三體磨損，混入了硬質(zhì)雜質(zhì)，在摩擦副運動過程中相當于導(dǎo)管表面的硬質(zhì)顆粒，進行了犁削。

從圖5a橢圓形區(qū)域以及放大10倍的形貌分析，結(jié)合上述電鏡圖片觀測，這個區(qū)域的磨損可能存在多種磨損形式：①摩擦副長時間往復(fù)運動導(dǎo)致的疲勞磨損（層狀剝落）；②乏油狀態(tài)下，環(huán)境溫度較高，以及導(dǎo)桿與導(dǎo)管的材料相熔性問題導(dǎo)致的黏著磨損；③高溫化學(xué)環(huán)境下的腐蝕微坑（邊界光滑的微坑）。

圖5 低倍觀察

采用掃描電鏡對典型磨損區(qū)域進行高倍觀察，發(fā)現(xiàn)明顯的疲勞點蝕坑（圖6），這一般發(fā)生在穩(wěn)定磨損階段以后的急劇磨損階段；還發(fā)現(xiàn)了皸裂特征（圖7），這表明內(nèi)表面多處正處于皸裂階段，并會逐漸發(fā)展為剝離，形成點蝕坑。

圖6 點蝕坑特征

圖7 皸裂特征

3 圓度測量分析

選取和測量新氣門導(dǎo)管的原則如下。

（1）與磨損氣門導(dǎo)管同型號、同批次出廠，隨機選取新氣門導(dǎo)管樣品10個。

（2）對10個樣品的測量值取平均，測量位置如圖8所示，作為新氣門導(dǎo)管的參照值。

圖8 圓度測量位置

表1 氣門導(dǎo)管內(nèi)徑測量

氣門導(dǎo)管內(nèi)徑測量見表1，其中，圓度Ro=Rmax-Rmin，Rmax為最大包容圓半徑，Rmin為最小包容圓半徑，圓度為0時，為理論圓。從表1可見，相比于新導(dǎo)管，磨損導(dǎo)管在3個測量位置的直徑普遍增大，柱體的平均直徑增大了0.011 3 mm；舊導(dǎo)管的柱體圓度較新導(dǎo)管增加2.7倍。

4 磨損區(qū)域取樣定量分析

內(nèi)表面取樣區(qū)域如圖9所示，二維粗糙度曲線見圖10，其中黑色區(qū)域表示磨損導(dǎo)管，灰色區(qū)域表示新導(dǎo)管。圖10a，b顯示磨后舊導(dǎo)管的粗糙度曲線跳動明顯增大，表面磨損較新導(dǎo)管嚴重；圖10c顯示新舊導(dǎo)管粗糙度曲線跳動相當。

圖9 內(nèi)表面取樣區(qū)域

圖10 軸向二維粗糙度對比曲線

采用三維輪廓儀對帶狀區(qū)域進行了三維掃描及圖像拼接，3D形貌圖如圖11所示。圖11a標識區(qū)域顯示，新氣門導(dǎo)管內(nèi)表面存在著輕微缺陷（色度差異較?。?，因為取樣區(qū)域是隨機選取，這有可能是普遍現(xiàn)象；圖11b標識區(qū)域顯示，內(nèi)表面存在著顯著磨損現(xiàn)象（色度差異較大）。全圖拼接可以有效判斷導(dǎo)管內(nèi)部的磨損位置。

圖11 輪廓三維形貌掃描

在上述隨機選取的帶狀區(qū)域下，采用 Sa，Sq定量地比較導(dǎo)管磨損前后的磨損程度。Sa和Sq定義如下。

（1）高度偏差Sa。面粗糙度的評價參數(shù)，用于表征物體取樣區(qū)域表面形貌的粗糙程度。

其中，z（xk，y）l為坐標點（xk，yl）到基準平面的距離，M，N 分別為三維表面圖像的長度和寬度。它表示區(qū)域形貌的算數(shù)平均偏差，如圖12所示。

圖12 參量示例

（2）高度均方根偏差Sq。計算表面微凸體高度的標準偏差，用于表征表面微凸體的高度分布。

通過Sa和Sq計算，相比于新導(dǎo)管，磨后舊導(dǎo)管的Sa值增加了27.3%，Sq值增加了96.5%，如圖13所示。

圖13 導(dǎo)管Sa、Sq值對比

5 結(jié)論

（1）對氣門導(dǎo)管進行1/4剖切,通過內(nèi)表面的形貌特征觀測、隨機取樣區(qū)域的定量粗糙度分析，配合氣門導(dǎo)管的圓度測量，形成了一種基于氣門導(dǎo)管的磨損評價方法。

（2）通過對磨損導(dǎo)管的內(nèi)表面觀測發(fā)現(xiàn)，氣門導(dǎo)管磨損的主要類型為犁削磨損/疲勞磨損以及黏著磨損。內(nèi)截面的全圖拼接可以有效判斷導(dǎo)管內(nèi)部的磨損位置。磨損氣門導(dǎo)管的內(nèi)徑增大了0.0113 mm，圓度為 0.0318，主要發(fā)生在近氣門座一端。

（3）從軸向二維粗糙度曲線的對比來看，磨損導(dǎo)管的跳動明顯較大，導(dǎo)管軸向全長均有不同程度的磨損；Sa，Sq值可以定量地評價取樣區(qū)域的磨損程度。

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