阀桥导柱断裂原因分析

付雨霞　江秋红　李宁

摘 要：本文对阀桥导柱断裂的原因进行了分析和计算，发现导柱材料疲劳强度低以及前后排气阀存在温差，使阀桥单边产生弯矩， 进而使得导柱疲劳断裂。通过改进导柱材料，提高抗疲劳强度，有效解决了这一问题。

关键词：阀桥导柱；疲劳强度； 疲劳断裂

中图分类号：U672.2 文献标识码：A

1 前言

2009年，某型号柴油机在使用和台架试验期间不断出现阀桥导柱断裂事故，经检查发现是摇臂铸造尺寸偏大，工作时撞击阀桥，阀桥导柱受弯曲作用出现疲劳断裂（见图1、图2）。经在阀桥被碰撞部位倒角避让碰撞后，阀桥导柱断裂现象基本消除。

然而，最近在使用中又连续出现多起阀桥导柱断裂事故，经检查阀桥都是削去避让倒角的，没有碰撞痕迹，因此，导致阀桥断裂必然另有原因。

2 阀桥导柱断裂原因分析

分析阀桥导柱断裂情况，有如下主要特征：

（1）断裂的几乎全部是排气阀导柱（只有一支进气阀导柱）；

（2） 导柱断裂方向相同，均为由机体排气侧向操纵侧断裂，即由后排气阀向前排气阀方向断裂。

由此，我们从排气阀导柱和进气阀导柱的差异入手，包括零件差异和工作环境状况的差异，找出其中能够引起导柱断裂的因素。与导柱有关联的零件，如气阀、气阀弹簧、阀桥、导柱、气阀座等，进、排气阀都一样，不存在差异。

从工作状态看，一边是进气，温度、压力较低；一边是排气，温度、压力高；从气道和气阀的布置看，气阀是串联布置（见图3），一前一后。这种布置使得后面的气阀受气流冲击次数多、时间长，工作温度必然较高，即工作时后进气阀温度比前进气阀高。

图3 气道和气阀布置图

在柴油机工作中，由于气阀温度不同，膨胀量不同，导致气阀开启时间不统一，就有可能导致气阀受力不同而影响到阀桥的工作平衡。为此，进行了气阀工作温度的测量。

柴油机额定工况运行1小时达到热平衡稳定后，停机迅速打开气缸盖，用红外线测温计测量各支气阀端部的温度，发现进气阀温度基本无差别， 而排气阀温度则有差异，如表1所列：

表1 前、后排气阀温差表

3 阀桥导柱受力分析计算

前后两支排气阀的工作温度不同，后排气阀受两股高温排气作用，阀体温度较高，膨胀量较大，这样，工作时就会出现两个排气阀打开不同步，后排气阀总是提前打开。在后排气阀打开瞬间，气缸压力作用在阀盘底面，通过气阀作用在阀桥上，使阀桥单边受力不平衡而产生弯矩，弯矩作用在导柱上。下面对导柱的受力进行分析。

3.1 气阀受力分析

排气阀打开时受到的作用力有缸内气体作用力（F1）、气阀弹簧力（F2）、气阀惯性力（F3）、阀桥顶头作用力（F4）、摇臂顶头作用力（F5）以及弯矩M作用，如图4、图5、图6所示。

图4 气阀受力分析

图5 气阀受力分析

图6 气阀受力分析

其中：缸内气体作用力 F1=Pg×S阀

阀桥顶头作用力 F4= F1 + F2 + F3

摇臂顶头作用力 F5= F4

气阀关闭状态下内、外弹簧合力 F2=2 106 N

按推进特性测量气缸压力，查得排气阀在曲轴转角480°、CA打开瞬间的气缸压力如表2所示。

表2 气缸压力表

3.2 气阀受力计算

气阀受力计算值，如表3所列。

表3 气阀受力计算值

3.3 阀桥导柱应力计算

阀桥导柱应力计算值，如表4所列。

阀桥导杆弯矩 M= F4×L

导杆受压力 F5= F4

阀桥导柱工作应力：

σ= + （1）

表4 阀桥导柱应力计算值

注：表中σa=σmax

3.4 阀桥导柱疲劳强度计算

阀桥导柱安全系数计算值，如表5所列。

阀桥导柱材料为45#钢

材料抗拉强度 σb=597 MPa

屈服强度 σs=352 MPa

持久极限 σ-1≈0.27（σb+σs）×1.4

材料常数 φ=01～0.2， 取0.15

表面质量因数 β=0.928

尺寸系数 εa=0.895

应力集中因数 K=1

安全系数：

n= ≥ [n] （2）

表5 阀桥导柱不同负荷时安全系数计算值

由此可知，阀桥导柱在超过25%负荷后是不安全的。

4 阀桥导柱改进方案

4.1 加大导柱直径

加大导柱直径可以有效提高导柱的疲劳强度，见表6。但由于45#钢的质量不稳定，金相组织评定级别6级，为回火索氏体+托氏体+条状及较大块状铁素体，因此加大直径仍有一定风险，且气缸盖也失去了通用性。

表6 安全系数随导柱直径加大而提高

4.2 更换导柱材料为42CrMoA

更换导柱材料为42CrMoA后，安全系数n如表7所列。

导柱材料为42CrMoA：

材料抗拉强度 σb=1 080 MPa

屈服强度 σs=930MPa

持久极限 σ-1≈0.27（σb+σs） ×1.4

材料常数 φ=0.2～0.3，取0.2，

表面质量因数 β=0.80

尺寸系数 εa=0.80

应力集中因数 K=1.0

表7 的安导柱材料为42CrMoA的全系数

由此可知，材料改为42CrMoA，在100%负荷导柱安全系数仍满足要求。

通过以上实机测试和分析计算，得到如下结论：

（1）柴油机工作时，同一缸两个前后排气阀存在温差，后排气阀温度偏高；

（2）阀桥导柱断裂方向由排气侧指向操纵侧，与后排气阀温度偏高、前排气阀温度低方向一致；

（3）在排气阀存在温差、后排气阀首先打开的情况下，阀桥导柱受脉动弯矩作用，疲劳强度偏低，若采用45#钢在25%以上工况安全系数均小于许用值，导柱存在疲劳破坏可能性。

5 改进措施

（1）导柱材料由45#钢改为42CrMoA，提高疲劳强度；

（2）导柱外圆不分两极，尺寸统一为φ30s6（），简化加工工艺，同时也保持前后零件的互换性；

（3）阀桥导孔尺寸公差相应调整。

6 结束语

该型柴油机投入使用以后，陆续出现阀桥导柱断裂事故，其中有摇臂形状尺寸偏差撞击阀桥导致的，也有阀桥调节螺柱材料质量问题导致的，这些通过严格控制零件尺寸和材质得到了有效控制。

之后，仍有导柱断裂情况，为此进行了更深入的分析，找到了引起导柱断裂的潜在原因：一是导柱材料疲劳强度低；二是前后排气阀存在温差，阀桥导柱受脉动弯矩反复作用下出现疲劳断裂。将导柱材料改为42CrMoA后，大大提高疲劳了强度，有效解决了导柱疲劳断裂问题。