船舶柴油机气阀损坏及应对方法探析获奖科研报告

船舶柴油机气阀损坏及应对方法探析获奖科研报告摘

要：柴油機作为船舶运输的主要动力机械，其运行状态直接决定了船舶运输效率。作为船舶柴油机主要零部件的气阀是最容易出故障的零部件之一，气阀在工作过程中处于恶劣工作环境，因此气阀的好坏也直接影响柴油机性能和能量的转化效率。本论文就针柴油机气阀这一主要零部件进行分析，了解气阀在柴油机工作时所处的工作环境，针对气阀的工作条件分析气阀损坏磨损的种类及相关原因，并对导致气阀损坏和磨损的因素提出应对方法。这将有利于减少气阀磨损及防止气阀损坏，降低气阀故障率，提高气阀使用寿命，同时减少零部件的更换和降低维修成本，进而提高柴油机的使用寿命和提高生产效率。

关键词：船舶柴油机;气阀;损坏;磨损;应对方法

引言

船舶柴油机有着输出扭矩大、输出功率高和经济性好的优点，工作循环遵循新鲜空气进入、缸内空气压缩、燃料燃烧做功、废气排出的这四个过程。柴油机使用燃油为燃料，采用压缩发火的方式，具有经济性好、可靠性高、寿命长、维修方便等优点。这就决定了柴油机在船舶交通运输行业拥有着不凡的地位，船舶柴油机是船舶名副其实的心脏，作为船舶心脏的柴油机工作性能的好坏也就决定了船舶运输的效率。近年来直流扫气技术的发展，同时老一代弯流扫气、横流扫气以及半回流扫气柴油机的逐渐淘汰，二冲程直流扫气柴油机成为现代船舶心脏的主流。在主流柴油机中，气阀是燃烧室必不可少部件之一，决定新鲜空气的进入和燃烧废气的排出，气阀工作性能的好坏对柴油机的功率输出、燃料的能量转化效率、安全性能等息息相关。气阀在柴油机的工作过程中要经受温度很高、压力很大的燃气直接冲击和冲刷，四冲程柴油机还承受阀座弹簧张缩和摇臂撞击，气阀在受热膨胀时还产生各种附加应力，这些因素使得气阀成为柴油机中工作条件最恶劣，也是最容易损坏的部件之一。

1柴油机的气阀结构介绍

四冲程柴油机与二冲程的换气机构有所不同，四冲程的气阀机构采用的是进气阀和排气阀相组合的双气阀形式;二冲程则是采用扫气口和排气阀相组合的形式。柴油机的气阀机构开启时外界的空气进入气缸或者气缸内的废气排出，气阀机构关闭时缸内空气被压缩直至点燃膨胀做功。气阀在正确的时间开启或者关闭才能保证柴油机性能的良好，气阀密封不好漏气则会影响柴油机的输出功率，气阀的密封性能对柴油机正常工作有着很重要作用。气阀是燃烧室必不可少部件之一，与温度很高压力很大的燃烧气体相接触，工作时会被磨损、腐蚀，还会被进入和排出的气体冲刷，所以说气阀是工作环境极其恶劣的柴油机部件之一。

1.1气阀的作用

柴油机换气机构在柴油机工作的过程中按照进气、压缩、做功、排气的工作循环次序，在规定的时间开启或者关闭各个气缸的进气阀（进气口）和排气阀（排气口）。使得外界的空气能够通过进气阀进气口进入到气缸内，燃烧膨胀做功后的废气能够通过排气阀排出气缸，再开始下一个的工作循环，使柴油机进行连续和完善的工作过程。四冲程柴油机的进排气阀和二冲程直流扫气柴油机的排气阀与气缸盖、气缸套、活塞组成燃烧室。气阀的工作性能好坏将决定柴油机是否能正确良好的实现换气过程，从而也决定了柴油机气缸内燃料燃烧时的能量转换效率和柴油机对外界的功率输出。

1.2气阀的工作环境

现代船舶为了运营能够更加的经济性，作为船舶心脏的主推进动力装置的柴油机大都使用劣质燃油，这类燃油燃烧粗暴，燃烧的温度高，压力高，作为燃烧室组成部分的气阀与这些高温度高压力的燃气直接接触。有增压系统的柴油机排气阀阀盘的温度高达650～800℃，阀杆的温度也会达到150～250℃。在进气阀的上下两侧分别是缸内的高温燃气和外界温度较低的新气，新气有一定的冷却作用，所以温度较低，但进气阀温度也会达到450～500℃，阀杆温度在100～120℃。但也因为气阀两侧的温度梯度较大，使气阀和阀座的不同区域受热不同，变形不同将产生附加的应力。在柴油机的排气阶段，排气阀会受到高温高压废气的冲刷，四冲程柴油机在进气阶段会受到新气的冲刷。气阀开启大多都还是依赖于机械传动，在传动过程中顶杆和摇臂会对气阀产生撞击和磨损。气阀关闭复位依赖于气阀弹簧伸展回弹，在关闭的一瞬间气阀与阀座也会发生碰撞和损坏，气阀在打开和关闭时撞击形成冲击性的交变负荷。因此，气阀要忍受很高的热力负荷和撞击负荷。而且在碰撞时阀面和阀座还会因为弹性形变、柴油机工作时存在的振动以及气阀弹簧螺旋线的扭转造成楔入性和扭转性的相对滑动。滑动会使得没有润滑条件的气阀接触面间干摩擦引起小金属颗粒脱落，脱落的小金属颗粒和燃油燃烧形成的炭粒和杂质燃烧产生的灰分转变成磨料又加速气阀的损坏。船舶柴油机燃用的劣质燃油中矾、钠、硫等元素含量较大，燃烧生成相应的矾、钠、硫的氧化物及氧化物生成的相应的盐和聚合物有的熔点低（低至535℃），有的熔点高（高达900℃）。这些物质在柴油机废气排放的时候会部分沉积在气阀接触面上，使得气阀因为配合不良，密封性变差，并对气阀造成高温烧蚀。所以说，气阀是柴油机中工作条件最恶劣的零部件之一，不仅与高温高压的燃气相接触，而且承受新气废气的冲刷，还承受开启关闭的交变载荷和变形产生的附加应力。

2柴油机气阀的损坏种类

金属零件在长时间的工作过程中所处的环境和状态各不相同，要么承受高温，要么接触低温。或者身处潮湿或干燥，又或者被拉伸或压缩，或许既受拉也受压交替存在。不同的工作状态和环境会导致不同的损坏形式，通常气阀零件的损坏形式有四种：

（1）磨损：气阀阀杆与气阀导套的接触面在力的作用下滑移，滑移使接触面逐渐的被摩擦损耗。主要的影响为两个零件的原有体积逐渐的减小，摩擦还导致两个零件产生变形和相接触的表面配合质量发生变化。相接触的两零件产生摩擦就一定会产生磨损。磨损导致零件的原有尺寸变化使得零件原有的配合间隙变大，零件丧失精度也就影响了零件的使用寿命和可靠性。

（2）变形：在机械设备正常工作时，有时由于所处的工况条件比较恶劣，或者需要设备经常处于满载甚至超载的情况下工作，设备的某些零件因为接触高温或者受拉力压力过大就会产生变形。变形对于形状复杂、相对位置精度高的零件会加速零件的磨损，甚至是导致零件的断裂，进而也影响零件和设备的使用寿命和可靠性。

（3）断裂：因為零部件所制造材料内部性质不均匀、加工时工艺处理不当并且在受力、受热、腐蚀等单一或者共同的作用时，使零件持续性遭受损坏，最终导致裂纹或者被分成几部分。断裂在不同的受力情况、不同的物理化学条件时的断裂有多种形式，这是一个很复杂过程。零部件承受周期性的交变力会发生疲劳断裂。零部件所处环境是持续高温时会发生蠕变断裂，当零件处在腐蚀环境下时会产生应力腐蚀或者腐蚀疲劳。断裂几乎会使零件完全丧失工作性能，从而导致危害机械设备造成更严重的机损事故。

（4）腐蚀：金属零件的腐蚀是因为零件所处环境的周围介质与零件产生化学腐蚀、电化学腐蚀或者物理腐蚀使零件的原有尺寸精度丧失或者几何形状发生变化的损伤现象。因为是零件周围的介质引起的损伤，这种损伤总是从金属的最外层表面开始，一步一步的由浅入深到达内部。让零件的外表面质量发生变化，出现不规则形状的凹洞、斑溃疡等破坏区域，从而导致零件损坏。

以上的四种损坏形式或多或少在柴油机气阀中都有存在。气阀损坏会使柴油机消耗更多的燃油来做功，但输出功率下降，最终柴油机的经济性下降。

3柴油机气阀损坏的应对方法

气阀损坏的四种损坏形式相互渗透，相互掺杂，有单个因素造成的一种损坏，有单个因素造成的多种损坏，有多个因素造成的一种损坏，也有多个因素造成的多种损坏。想要降低气阀故障率的发生几率及防止气阀损坏情况的发生，就要从多个方面入手。

3.1气阀减磨

气阀减磨可以有两个方面，一个是气阀相互配合零部件之间要有良好的润滑，另一个是气阀使用耐磨的材料制造或者在外层的配合面喷涂耐磨的保护层。气阀在良好的润滑环境时，两个零部件的接触外层之间会存在一层非常薄的流体膜，两个零部件之间的摩擦转移发生在润滑剂的流体膜内，这种状态下的摩擦系数非常的小，阻力小使得两个零部件能够更加容易的自由相对滑动，摩擦不直接发生在两个零部件的外层配合面，产生的磨损也就最小。因此，使配合的零部件之间能够有良好的润滑条件是减小磨损消耗行之有效的应对方法。

在气阀中部的阀杆和导套，上部的哈弗块凹槽等部分有滑油润滑的部位要保证润滑良好。因此要保持滑油的清洁，确保供给滑油的压力在规定的范围值内，还要保证油路的畅通无泄漏，对滑油要进行冷却，过高温度下的滑油容易变质影响润滑性能。对于气阀没有润滑或难以建立润滑条件的部位可以喷涂或选用耐磨材料。

3.2气阀检查修理

任何一个零部件在使用过程中都会不可避免的会存在磨损消耗、被四周介质腐蚀、到达疲劳极限的自然损坏，可以通过及时的检查修理来减少可能引起的更严重故障的发生。

3.2.1气阀间隙的调整

气阀之所以有气阀间隙是因为金属的热膨胀性。气阀在受热后可以有多余的空间来膨胀，要是没有气阀间隙，气阀在受热膨胀时会因为受压力过大而变形，气阀间隙有一个规定的合适值。要是气阀间隙过大，气阀在膨胀时填充的空间还有剩余，气阀就会因为敲击严重，引起磨损加剧，还会使得气阀晚开早关，不能在正确合适的时间开关，影响柴油机的换气质量。如果气阀间隙过小，膨胀时的余地空间就不够，气阀就将受力弯曲变形。柴油机运行时的震动会使得气阀间隙逐渐的改变，所以要经常性的测量调整气阀间隙。气阀间隙的测量调整都应该要在气阀完全关闭的状态下，按照说明书的标准间隙来进行调整。

3.2.2气阀研磨及修理

研磨是使用与零件相配合的研磨工具和零件，或者在两个相配合的零件之间加入含有磨料颗粒的研磨剂，在合适的压力和速度之下使研磨工具与零件或者两个配合零件做相对的运动，使得加入期间的研磨剂对零件的配合面进行精密的切削加工，从而恢复零件原有的表面质量和配合精度。

在研磨时，被研磨的零件外层各部分的研磨路径应该要尽可能的保证一样，并且要使外层表面的每一部分都会被研磨到。研磨时的压力也要均匀的分布在零件的外层表面上，选择合适的压力对研磨的效率很重要，粗研磨的压力范围一般在0.1MPa～0.2MPa，精研磨的压力范围在0.01MPa～0.1MPa。研磨时的移动速度对研磨效率也会有影响，移动速度太快，零件摩擦生热来不及被冷却会引起零件的变形，研磨表面质量下降。在合适的速度范围内，速度越快研磨的效率就越高。粗研磨时选择使用磨料颗粒大的研磨剂在较高的压力和速度下可以很快的切削零件表面;精研磨则是选择磨料颗粒小的研磨剂在比较低的速度和压力下对零部件进行切削，最后获得符合要求的零件表面粗糙度等级。

研磨时可以根据磨损的程度和研磨的需要先粗研再精研，使得阀线能够恢复。气阀损坏很严重时可以使用手工电弧来进行堆焊修整。阀面因腐蚀烧穿形成孔洞时已经不能在使用，应该给予换新的气阀。阀面出现较多的麻点和孔穴可以采取机械加工的方法来进行修复，也同样可以采取电弧堆焊、喷焊、喷涂来修复。修复后的阀盘与阀座的接触面积要不小于原来的1/3。

阀杆的损坏一般是因磨损腐蚀导致阀杆变细，在横截面积最小处断裂。对阀杆应该要经常进行磨损测量，计算出相应的磨损量与标准值相比较，超过标准值时可以采用镀铬或者镀铁来修复，也可以采用喷涂或者喷焊工艺恢复原有的圆度、圆柱度和尺寸。阀杆在工作时因受力过大可能引起的形状变化，在检修时应该要使用百分表在平台或者车床上进行校验，弯曲量大于要求值时要采用加压校直法对气阀进行矫正。

3.3气阀材料选择及加工工艺

工作过程中气阀关闭阀盘阀座撞击磨损，阀杆导套相对运动磨损。因此，气阀的制造材料要选择能耐受高温，在高温的环境下还需要具有很好的机械性能。要耐腐蚀，在高温条件下不易被腐蚀。还要耐磨，被撞击时抗的住冲击。热传导性能要好，降低受热不均存在的温度梯度。受热时膨胀系数要小，减少膨胀时的附加应力。

3.3.1气阀制造材料的选择

进气阀的材料常选用40Cr、35CrMo、40CrNi等合金调质钢，或选用气阀钢4Cr9Si2等。排气阀常选用气阀钢4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo、4Cr14Ni14W2Mo等[2]。

为恢复气阀阀杆因磨损变细和提高阀杆的耐磨性、耐腐蚀性，可以在阀杆喷涂铁基合金、镍基合金或镍铬铝复合材料等。

3.3.2材料热处理

4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo排气阀锻造毛坯退火处理：由于锻造后出现部分马氏体，硬度高达HRC40以上，为了便于加工先进行退火处理，最后进行调质处理以获得较高的耐热性和耐磨性。4Cr9Si2用于工作温度≤650℃的排气阀。4Cr10Si2Mo用于工作溫度≥650℃的排气阀。4Cr14Ni14W2Mo用于工作温度≤750℃的排气阀，在1170℃～1200℃经固溶处理，并在750℃进行时效处理以达到要求室温和高温机械性能[2]。

3.4改善