气门常见失效模式故障分析

康明斯发动机进、排气门是在发动机工作过程中密封燃烧室和控制发动机气体交换的精密零件，是保证发动机动力性能、经济性能、可靠性、耐久性的重要零件。

气门的工作条件恶劣，进气门的工作温度可达300～400℃，排气门的工作温度可达700～900℃。进气门主要受反复冲击的机械负荷，排气门除受反复冲击的机械负荷外，还受高温氧化性气体的腐蚀以及热应力（即气门盘部因温度梯度产生的应力）、锥面热胀应力（即气门的堆焊材料与基体材料膨胀系数不同产生的附加应力）、和燃烧时气体压力等共同作用，气门在落座时还承受由惯性引起的冲击交变载荷及弹簧压力、高温腐蚀气体的高速冲刷力等，所承受的机械应力图如图一所示。气门在设计、材质与制造合理的条件下，气门的失效主要为磨损与疲劳断裂，磨损主要在气门与配气机构中相关接触件的磨损，它除了降低发动机的效率外，还因改变气门与相关件的相互位置及受力状态而间接促进气门疲劳断裂；气门的疲劳断裂主要是受到高频率的张压交变压应力，冲击交变应力、弯曲、冷热、及燃气腐蚀的单一或综合作用造成的。如果发动机装配、修理、使用方面不按技术规程要求进行，气门配合的相关件质量不合格，气门很容易发生失效，并且主要发生在盘部单薄处、颈部及锁夹槽等应用力集中处。

因为气门失效的原因是多方面的，且较为复杂，不能逐一叙述，现就常见的几种气门失效模式故障分析。

（图一）

一、气门颈部断裂（见下图）

1. .发动机超速超载，温度过高，材料强度下降

内燃机过载超速是很普遍的现象，由于过载运行一般会加剧发动机内温度大幅提升，当气门实际工作温度高于设计的发动机气门工作温度极限时，造成气门疲劳强度的下降，腐蚀燃的产生及活化，特别是工作温度较大的地方超过允许上限时，材料组织的就会发生变化，如气门马氏体材料的局部退火金相组织转变，导致硬度和强度下降；而奥氏体材料，正常组织是奥氏体加均匀分布的颗粒状化物，塑性比较好，当温度升高，组织发生质的变化时，如奥氏体基体上有较多的层状析出物，或析出聚集长大成带尖角与锋棱且相当部分沿奥氏体晶界分布的粗片碳化物，它将分割塑性好的基体，并成为成千上万的潜在微裂纹萌生处，增大了气门应力疲劳，导致气门颈部早期疲劳断裂。

2.气门导管与气门间隙过大

间隙过大，将会造成气门在运动过程中摆动，杆部异常磨损，气门温度升高，落座不正，受力不均匀等，导致气门颈部断裂。

3.气门座松脱

气门座松脱，将会造成气门单边落座而产生交变弯曲应力，导致气门颈部断裂。

4.气门弹簧折断或锁夹脱落

气门弹簧折断（有些用户在维修时更换气门后不更换弹簧）或锁夹脱落（锁夹与气门不匹配），将会造成气门掉缸，导致气门被活塞顶断。

5.气门座口与气门导管不同心

不同心会出现气门杆部单边磨损或异常磨损痕迹，造成气门单边落座而产生交变弯曲应力，导致气门颈部断裂。

6.活塞与气门撞击

气门与活塞接触导致气门颈部断裂，其表现形式为活塞顶面与气门相对应的位置有与气门尺寸相符合的重复撞击痕迹，气门盘部无积碳，呈旋转摩擦的光亮面。

二、气门盘部失效（见下图二）

气门在工作过程中所受的热量，约75％通过盘部与座圈接触而散热，约25％通过杆部与导管接触而散走，若气门锥面与座圈在某一点接触，盘部此部分不能通过阀座散热而温度急剧升高，以到熔化，再加上气门锥面与座圈密封不良，高温燃气从此冲刷而导致盘部此部分烧熔而产生月牙形烧蚀或掉块。

图二

1．气门制造问题造成的盘部裂开掉块

气门堆焊时造成局部应力集中没有完全消除，或存在裂纹，在气门工作时加剧应力释放，导致气门掉块的发生外。

2．气门座合面严重磨损后疲劳掉块（见下图）

原因是气门间隙过大,落座时对座圈冲击力大,气门密封接触带过宽，使用不合格（如含硫量过高）的燃料,长期超负荷工作等导致气门锥面异常磨损。

3．气门锥面局部烧蚀（俗称“烧口”）（见下图）

座合面密封不良漏气是引起烧熔烧伤的直接原因

发动机过热引起的气门变形，更换气门时与气门座研配不良，气门间隙过小，气门弹簧弹力不足，过多的积碳使气门发卡以及座合面上沉积等都会造成座合面密封不良。

三、气门杆部失效

1．气门杆部弯曲（见下图）

原因是锁夹脱落或气门、气门导管与座圈不同心。

气门安装时，若锁夹使用不匹配，安装不好或受强烈震动冲击等，锁夹会脱落或失效，气门将掉入缸内被活塞顶弯，其表现形式为气门锁夹槽部位完好，气门杆部弯曲。

气门与气门导管不同心或与座圈不同心，轻则造成气门杆部弯曲，重则造成气门颈部断裂。

2．气门杆部严重磨损（见下图）

原因是导管内孔小于有关规定造成导管内孔与气门杆配合间隙过小或润滑不良，导致气门运动状态异常，磨损严重或气门损坏。

3．气门锁夹槽部断裂（见下图）

原因是锁夹的内凸筋若与气门锁夹槽形不符，将会啮伤锁夹槽；摇臂与气门接触位置不正确，气门杆端将会受到侧向推力都会造成气门锁夹槽部断裂，其表现形式为锁夹槽部可见明显的咬啮伤痕或气门杆端面可见明显的受侧向推力的磨痕。

另外，因气门弹簧断裂、气门座圈脱落、正时链条断裂、气门导管断裂、配气相位错误、发动机超速（飞车）等原因均会导致气门失效。

四、安装气门的注意事项

基于上述气门失效原因，要求安装气门时应按以下执行：

⑴气门是发动机的重要零件，工作时受强烈的机械负荷、高温和化学腐蚀，应正确安装。在装配过程中不得磕碰，不可受侧向力，否则将使气门变形变位，影响气门密封，导致气门早期损坏。

⑵更换新气门时，应同时更换新的气门导管和气门弹簧。使用旧的导管将增加机油消耗和积碳，而积碳将导致气门工作温度升高，影响气门使用寿命，旧的气门弹簧因弹力降低，对气门寿命是有害的。新导管装入缸盖后，应用铰刀校正导管的圆度和内孔尺寸，使气门杆与导管孔的间隙符合发动机说明书的规定，不可加工已精加工过的气门杆。

⑶对变形或烧伤和气门座圈必须铰、磨校正，不能仅用与气门对研的方法修复。对无法修复的气门座圈应换新。修复或换新座圈，应确保座圈口与导管孔同轴，同轴度允差0.03～0.05毫米。气门与气门座圈配合时，气门盘端面的位置应符合说明书要求（一般不应高出缸盖平面），符合上述要求后，再与气门对研。

⑷气门与气门座轻轻对研，保证气门密封性，研磨时不可用粗研磨料。气门座与气门锥面的接触部位应在气门锥面的中下部。气门与座圈必须密封，密封不良，将导致发动机功率下降和气门早期损坏。研磨后，应用煤油将磨料清洗干净并风干，再用清洁的机油润滑气门杆、座圈和导管后方能装配。

⑸应选择合格的匹配的气门锁夹。锁夹应无毛刺，锁夹与气门装配后应轻轻对研，保证在锁夹开口处无卡口现象；装配气门锁夹时，不得敲击气门杆端部，且须装牢，否则将造成气门摇动，致使锁夹工作时划伤气门槽颈，导致使用时气门锁夹槽颈处断裂。

⑹安装气门弹簧上座时，座内锥孔与锁夹外锥面应接触良好。

⑺装配后应严格按发动机说明书调整气门间隙。正确的气门间隙非常重要，气门间隙过小，当气门温度升高后，气门伸长，导致气门与座圈密封不良，使燃烧室轻微漏气，降低了发动机功率；同时，长时间将导致气门盘锥面烧蚀。气门间隙过大，将造成气门冲击座圈，使气门受力增大，导致气门易断裂而失效。