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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、 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21.背景、目的及意义22.国内外现状23.本文研究内容2第二章 配气机构21.基本结构及功用2
7、2.工作原理23.常见故障2第三章 排气阀常见故障分析及预防措施21.概述22.排气阀的结构及其作用23.排气阀的工作条件及要求23.1工作条件23.2对排气阀的要求24.排气阀常见故障24.1排气阀的烧损24.2排气阀的高温腐蚀24.3气阀锥面磨损过快24.4阀盘与阀杆的断裂24.5气阀卡滞2第四章 案例分析21.概述22.Abaqus简介23.案例分析23.1案例内容23.2现象分析23.3拆检分析23.3.1拆检同机不同缸的气阀构件23.3.3断阀的机械性能和化学成分23.3.2断阀外观分析23.3.3旋阀器和阀座导承检查23.3.4初步结论2第五章 采用Abaqus对排气阀进行仿真21
8、.材料性能参数22.仿真模型23.受力情况分析24.排气阀应力及强度分析24.1仿真步骤24.2结果分析24.2.1排气阀开启24.2.2排气阀关闭25.结论2第六章 总结与展望21.全文总结22.展望2参考文献2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，柴油机已经成为我们日常常见的动力设备，主要应用于石油矿场、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
9、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。 我
10、们对柴油机发生故障的原因进行探讨，并研究出解决方法，在目前这种技术水平下，可以达到以下几点目标：1） 能够防范问题再次发生或者减少危害影响的范围。2） 及时的进行补救措施，降低危害。3） 问题出现后进行分析研究，以防再次发生。从本质上来看，柴油机整体工作的好坏主要取决于它的效率和运转的速度，因此我们在日常的维护中，要不定时的对柴油机的工作情况进行检查和监督，防止出现意外情况，保证系统能够安全稳定的进行工作。在实际的工作中，我们不仅要保证柴油机的正常运行，还要对可能出现的问题进行避免，分析可能会出现的原因，并准备好解决办法，以防问题产生时措手不及，扩大危害范围。因此，对柴油机进行故障分析和故障诊
11、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，船业贸易取得了很大的成绩，为世界经济做出了很大成绩，同时也为我国经济的持续发展提供了强有力的保障，成为世界上拥有较大商船队的国家之一3。我国水上运输船只在2011年首次超过2亿载重吨，只是海运
12、船队就有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
13、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。目前对于配气机构系统的研究，主要是从以下两个方面进行的：一个是对零部件的架构，有对凸轮型线、气门摇臂机构的
14、设计，还有对气门弹簧和气门等一些部件的设计，最关键的就是对凸轮型线进行设计。这是由于凸轮型线决定了整个系统的工作，是配气机构最原始的动力部件。另一个就是关于配气系统的动力问题，关于这方面问题的探讨，主要就是分析排气阀的工作曲线13。在外国的媒体上，对配气机构的研究有一定的报告分析，主要就是关于机构的摩擦、振动、配气相位以及可变气门等等，我国对于这方面也开展了一系列的研究，包括对凸轮-挺柱副的更精准的润滑程度、气门振动情况，以及在运行过程中磨合的问题，具体体现在以下几点：（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）由单纯的设计凸轮型线延伸到设计整个配气
15、机构系统。对于凸轮的研究，现在已经牵涉到配气机构的方方面面，因为凸轮的性能好坏决定了整个系统的稳定性，主要内容有凸轮的型线结构、挺柱的工作状态、气门的振动情况、挺柱和凸轮之间的磨合以及相互接触产生的力量等等13。全球在凸轮滑轮、气门振动、凸轮拟合以及不对称的凸轮型线都有了很多的研究和理想的改变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。当今条件下，我们国家在气阀方面使用的钢材型号一般有两个选择，GB/T1277308（内燃机气阀钢钢棒技术条件）以及GB1221-92( 耐热钢棒)，这个里面还有7个马氏体钢号： 42Cr9Si2、 51Cr8Si2、
16、40Cr10Si2Mo、 80Cr20Si2Ni、 45Cr9Si3、86Cr18W2Vre、85Cr18Mo2V15；以及7个奥氏体钢号：61Cr21Mn10MoVNbN、45Cr14Ni14W2Mo、 20Cr21Ni12N、53Cr21Mn9Ni4N、50Cr21-Mn9Ni4Nb2WN、55Cr21Mn8Ni2N、33Cr23Ni8Mn3N、 3Cr21Mn9Ni4N 、15。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。如果把我们国家现在研究气阀钢的水平和其他国家相参照，可以看得出我们国家目前还是很厉害的，在很多国家的前列15。图1
17、-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其实就是对柴油机的进气和排气过程进行控制的
18、机构，主要作用就是依照柴油机正常工作时，发火的次序，来按时打开和关上进气口以及排气口，进气主要就是把外来的空气压入气缸里面，然后把内部的废气排除气缸。柴油机运行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
19、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
20、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
21、。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）
22、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
23、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，对柴油机性能的好坏起着关键的作用，主要是体现在柴油机的经济适用性、工作的性能、可靠性以及排放污染上。排气阀工作时主要是和燃气一起的，它是与高温高压的燃气直接接触的，我们从节约成本的角度来看，现在大部分的船舶使用的柴油机，都是用的质量不好的燃油，这些燃油里面含有很多对排气阀有腐蚀性的元素，比如硫
24、、钒、钠等等。此外，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，要时刻规范自己的行为，按照规定对排气阀进行必要的检查维修，不定时的检查气阀的工作情况，假如有一点不注意就会使得排气阀出现破坏，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
25、依照目前出现的情况，进行仔细的分析研究，找到原因并且根据原因找到对应的解决办法，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） 降低阀门表面和底座上面的积碳含量，严密贴合部位，让破损的地方能够平均分布。2） 保持阀门底盘的温度一致，防止局部过热。3）消除阀杆与导管间的积碳
26、，防止卡住。3.排气阀的工作条件及要求3.1工作条件柴油机的排气阀是处于一个非常艰苦的环境下进行工作的，它要忍受600700C的高温，同时还有腐蚀气体的冲击，地面和这些燃料燃烧物直接接触，在阀门的中间位置温度最高有800C，在阀门的底盘和杆子中间的位置，温度也有700C，具体温度情况如图所示21。温度过高就会使得材料的工作能力降低，同时会损坏材料的本来形状。还有，如果出现阀门面部和底座之间联系不够紧密时，高温气体就会对面部进行损坏。当阀门开始降低的时候，依照原有的惯性和弹簧的共同影响之下，就会产生很大的冲击力，负荷明显加大。当这两者之间的空隙增大时，这种负荷承载力就会越来越高。阀门和底座之间的
27、碰撞，会使得面部出现严重的破损还有形状的改变。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。由于船上使用的柴油机基本上是增压柴油机，在通道内部的气体就会阻碍燃油润滑的可能性。所以，这还会导致两者之间的摩擦变成单纯的干性摩擦，更加使得两者的破损程度加大。另外，阀门杆子的顶部还可能会因为撞击产生破损。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，燃油本身的成本价格不断增高，导致整个航海上的竞争变得更加残酷。船长为了降低自己的成本，增加自己的利益，基本上都
28、使用价格比较低廉质量较差的燃油。这些燃油由于质量很差，粘度就相对比较大，燃烧之后残留下来的遗物也比较多，同时还含有很多有害的元素。在这种燃油燃烧的时候，产生出来的废弃物和有害的气体一起排放到空气中，污染空气，还有一部分残留在机舱内部，损坏机器。比如说在气阀的底部和顶部，残留一些高温的物质，形成高温腐蚀。直到现在，我们还没有能够找到比较合适的方法把残留在机舱内部的腐蚀性物质去掉，同时由于这些物质的存在，一些比较重要的高合金钢和堆焊气阀也受到了比较严重的破坏。另外，假如工作人员违反规定随意操作，在温度比较低的情况下对柴油机进行启动，强制性的施加压力，就会使得柴油机内部的温度非常猛烈的变化，温度忽高
29、忽低的热冲击可能造成排气阀的热变形。在柴油机处于负载的情况下，如果不停的变换手把位置，就会使得内部燃油燃烧状态反复变化，出现不良情况，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。这些都会对排气阀产生危害，造成安全事故。所以，对柴油机进行正确的操作以及规范的保养也是非常必要的。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
30、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在工作中最常出现的问题就是阀门被烧坏。主要原因是气阀锥面与阀座密封不严
31、， 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。特别是低价质量不好的燃油，它含有很多有害的元素，在经过高温燃烧之后会产生一些氧化物以及氧化物的生成物，这些物质往往具有严重的危害，同时具有较低的熔点，一般在530C左右，而且这些气体具有极高的腐蚀性。当排气阀开始工作的时候，因为温度差的原因，一些液态的物质粘在底盘和底座上面，这样就会使得温度不均衡，温差过大导致腐蚀的程度更加厉害，在底盘和底座上面出现一些小细点，导致密封性降低，出现漏气的情况。漏气严重的情况下，火就会从空隙中传过去，然后使得阀门发生变形损毁。排气阀温度升高还会使得出油的地方温度升高，出现积碳和结焦
32、的情况，更严重的情况下还会导致堵塞卡住的现象发生。而且喷油器出现问题还会使得燃烧的情况变得更加恶劣，这样更是加重了排气阀的压力。总的来说，导致排气阀烧损的根本原因是密封性的变差。导致排气阀门保密性不好主要有以下几点原因：(1)因为阀门底盘不同位置的构造不同，比如说它的形状、厚度、对温度的反应都是不同的，所以在底盘上面温度也是不一样的，中间的温度比周围的温度都要高，因为温度差的原因，导致出现漏气的情况。(2)船上使用的柴油机里面燃烧的燃料一般都是含有各种各样的杂物的，经过一系列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
33、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) 降低部分区域的温度。提高冷却系统的功能，加强冷却能力；提高对燃油系统的管理，确保燃油能够正常工作，改进质量。同时还要控制燃油添加剂的使用情况以及对燃油温度进行合理的检测。2) 确保阀门的开关正常工作，降低燃气对阀门的冲击情况。确保配气机构能够正常工作，燃油气压稳定；时刻关注油泵的运行状态。加强空气系统的管理，注意各处气体压力正常。3) 减少阀门检查维
34、修的周期时间，提高检修的质量。因为使用质量不好的燃油，阀门口检修周期应大大小于说明书上的时间。增加检查的频率，提高清洁的力度，肯定会减少高温腐蚀阀门的程度；加强检修的效率。在对柴油机进行拆下来检修时，要对每一个步骤进行严格检查控制，严格按照规定进行操作，检查，同时对每个测量的数据进行记录，方便后期的研究分析。如果腐蚀的程度超过说明书规定的要求，这个阀门就不能够继续使用。4) 提高日常的管理能力。柴油机在开始工作，启动油泵开始运行时，一定要先检查一下阀门口的空气情况，确保气压正常。在船舶在行使的过程中也要认真的进行检查，注意温度的变化。4.2排气阀的高温腐蚀目前船舶柴油机普遍用的是最差的那种油，
35、里面有很多的有害元素，比如钒、钠以及硫等等还会有腐蚀作用的东西。这些东西在被使用燃烧的时候会产生氧化硫、五氧化二钒以及氧化钠等有害物质。同时这些有害物质之间还会进行化学反应并且和滑油一起产生一种熔点很低盐类。这是个在540摄氏度就会被融化的物质，有很强的腐蚀效果，那么在温度超度这个温度的时候，它就会变成液体躺在排气阀上面形成一层。那么在排气阀运动时，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合金钢也会被腐蚀，在那个里面造成麻点、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
36、元素中以钒的危害性为最大。预防措施:1) 使燃烧的油能够干净。用分油机器让燃烧的油被净化，减少有害物质；2) 保证排气阀温度适当，减少超负荷工作；3) 加强冷却系统，保证水量；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最好的融合物；5) 减少检查时间。定期排查，减少损害。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，使损坏程度更加严重。此外，由于阀门的空隙太大，导致底盘与底座密合度不够，温度不能够彻底冷却，在运行过程中，振动不正常，速度偏快，气阀和材料之间不能够很好的结合匹配，也会使气
37、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） 按时对阀门，管道，底盘以及底座的空隙之间进行检查，确保符合规定；2） 平常的工作中，要减少高强度的工作运行；3） 假如因为温度过高导致表面破损比较严重，可以采用相应的解决办法缓解；4） 对说明书里面的要求具体掌握清楚，严格管理，进行日常维护。4.4阀盘与阀杆的断裂因为阀杆里面有卡槽的地方是阀杆以及阀盘过度圆角的主要地方，一旦所有的力量被聚集在一起，区域的强度接近或超过材料的屈服强度时，长时间的
38、交变载荷能够让气阀因为疲劳被损坏。而根据不完全统计，因为疲劳使气阀断裂的是所有气阀坏掉里面最多的，超过了一半以上。阀盘以及阀座之间变化让应该承受的力偏向；阀杆以及导管空间太多；气阀以及阀座距离太远，撞击太厉害，使大面积出现问题；气阀出现不寻常晃动等等，都有可能使得出现断裂。同时因为阀杆凹槽的地方是整个机构中最脆弱的地方，一旦受到强烈的撞击以及加工的手段不好，也会是气阀产生疲劳断裂。预防措施：1) 对柴油机每天的工作进行维护，一旦察觉问题立刻解决，从不耽误，避免事故；2) 对排气的阀门进行维修的时候，一定要管理好它们之间的距离；3) 在每次检查空间时，保证它们之间符合程序；4) 如果气阀出现不一
39、样的变化一定要及时停机检查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气阀卡滞气门会被卡住，导致停滞，那么导管以及气门空间肯定很小，因为如果排气温度太高，必然导致膨胀，因此他们的空间就变的更小从而被卡在导管中，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
40、，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是利用Abaqu
41、s软件的技术，额定的元分析方法能够使实物的物力系统里面的几何情况以及载荷数据得到分析。同时采用方便快捷彼此联系关系，就是单元的形式来分析无限数据未知的理论数据。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。对于不同数学可能出现物理或者模型方面的事情，根据有限元仿真技术可以保持一致，不过具体情况需要具体对待，他们换算的公式并不是完全一样。正常的有限元处理方法的程序是：第一步：处理情况的范围。第二步：解决问题范围分类。第三步：找出出现问题因素以及方法。第四步：单
42、元求解。第五步：总装推导。第六步：设未知数解方程以及写明原因。换句话说，它的处理方式完全能被分为以下几点：问题分析、算数分析以及最后说明。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
43、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
44、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
45、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
46、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