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技术维修与康明斯知识 |
柴油发电机气门座的检查、铰削和研磨方法 |
摘要：气门座是影响柴油发电机可靠性，安全性的关键零部件之一。由于工作环境十分恶劣，气门座的磨损失效是不可避免的，其磨损后直接影响柴油发电机的的输出功率，工作性能及服役寿命。但是柴油发电机气门座的维修是一项对精度要求很高的工作，目的是恢复气门与座圈的密封性，如果维修不当，可能会导致燃气泄漏、功率下降。特此，康明斯公司在本文分析气门座磨损失效原因的基础上，提出了柴油发电机组气门座的正确维修方法。
一、维修质量的影响
以下是维修质量不合格可能引发的主要问题，从严重到轻微依次说明：
1、发电机组无法起动或功率骤降
（1）现象：盘车轻快无压缩阻力、起动困难或怠速不稳、带载掉转速甚至冒白烟。
（2）原理：气门与座圈贴合不严，造成压缩冲程漏气。柴油机高度依赖压缩热自燃，压力不足则无法达到自燃温度。
（3）量化影响：密封性差10%，功率可能下降20%~30%甚至更多。
2、排气门烧蚀与阀座断裂
（1）现象：发电机组运行一段时间后逐渐出现异响、冒黑烟，拆检发现排气门工作面出现麻点、沟槽甚至局部熔化。
（2）根本原因：
① 接触位置错误：铰削时接触环带过高（靠近气门杆），散热路径长，热量积聚导致烧蚀。
② 接触宽度超标：工作面过宽（>3mm）会导致单位面积压力下降，密封油膜破坏；过窄（<1mm）则容易压溃变形。
3、早期磨损与故障复发
（1）现象：维修后仅运行几十到几百小时，又出现漏气、异响等问题。
（2）原因：
① 同心度偏差：铰削时以旧导管定位，而旧导管已有磨损。气门杆中心线与座圈中心线不重合，导致气门落座时产生“拍击”偏摆，加剧磨损。
② 座圈松动：座孔尺寸测量不准或过盈量不足，发电机组振动导致座圈在座孔内转动或跳动，最终脱落打坏缸盖。
4、油耗增加与排放恶化
（1）具体表现：机油消耗增加（排气门导管间隙过大导致上油）、燃油耗率上升、排气烟度增大（不完全燃烧）。
（2）隐性成本：看似“还能用”，但在高负载工况下会积碳加速、喷油器结焦，形成恶性循环。
5、振动增大与噪音升高
（1）原因：各缸压缩压力不均导致曲轴转速波动加剧；气门落座冲击声变大；严重时排气“放炮”。
（2）后果：损坏发电机轴承、联轴器弹性元件，加速发电机组支撑减震垫老化。
二、气门座的拆卸与检查
拆卸和清洁气门座，是整个维修工作中最需要耐心和细心的环节，在不损伤气缸盖的前提下，完整、安全地取下旧座圈，并彻底清洁所有相关部件，为后续的铰削和研磨打好基础。下面是具体的操作步骤和关键要点：
1、准备工作
在动手之前，先做好这几件事，能让后续工作顺利很多：
（1）确保发动机完全冷却：待机组冷却至室温后再操作，同时断开蓄电池负极，防止意外启动。
（2）拆卸气缸盖：按照维修手册的顺序（通常从两端向中间），分2-3次对称拧松缸盖螺栓，然后取下缸盖，并将密封面朝上放置好。
（3）拆卸气门组件：必须使用气门弹簧压缩器来拆卸弹簧，这是保证安全的关键。取出锁片、弹簧座、弹簧和气门后，建议用小盒子按顺序摆放并做好标记（比如#1进气、#1排气），这样能保证后续原位置装回，维持发动机原有的磨合状态。
（4）初步清洁：在拆座圈前，先用刮刀和钢丝刷，把缸盖燃烧室、座圈周围的积碳和油泥大致清理一下。这能让你看清座圈的真实状况，也方便拆卸工具卡得更稳。
（5）确认座圈类型：检查一下缸盖。如果它是直接在缸盖铝合金上加工出来的“整体式”座圈（多见于部分老旧小型机），那是不可拆卸的，否则整个缸盖就报废了。可拆卸的一般是镶嵌式的“座圈”。
2、拆卸旧气门座圈
旧座圈与缸盖座孔是过盈配合（紧配合），拆的时候要非常小心，核心原则是施力必须垂直、均匀，严禁蛮力。
（1）专用拉拔器（拉马法）：这是对缸盖最安全、损伤最小的方法。将工具的三个拉爪从座圈内孔伸入，使其卡在座圈下缘，然后拧紧上方的中心螺杆，利用丝杆的力量，将座圈平稳、垂直地拉出来。如果感觉太紧，可以用喷灯或热风枪均匀加热缸盖座圈周围（利用热胀冷缩原理辅助拆卸），或喷一点松动剂。
（2）敲击法：没有专业工具且座圈已严重松动。找一个能穿过座圈内孔的旧气门，在气门头部边缘对称焊两点，或从对面用长铳子抵住座圈边缘，轮流敲击，把它“震”出来。
（3）切削法（破坏性拆除）：用铣床等专业设备，将旧座圈直接铣掉。风险极高，一般修理厂不具备条件，仅作为其他方法都无效时的最后选择。
3、奠定精度基础
旧座圈取出后，需要进行一次真正彻底的清洁。所有后续的测量和铰削都建立在这个干净的表面上，马虎不得。
（1）清洁座圈承孔：先用刮刀小心地刮除座圈孔内的积碳、锈迹和残留的密封胶，然后用钢丝刷或圆形砂纸打磨，去除毛刺和氧化层。
（2）清洁缸盖本体：用软毛刷和专用清洗剂（如柴油或化清剂）彻底清洗整个缸盖，特别是油道和水道口。清洗后，用压缩空气将所有孔道和表面吹干。
（3）清洁气门导管：这是最容易忽略的地方。用与导管内径匹配的圆形铰刀或专用导管刷，彻底清除内壁的积碳和胶质。
（4）清洁气门：用钢丝刷或台钻配合砂纸，将气门杆部、头部和锥面上的积碳打磨干净，露出金属光泽。
4、拆卸后检查
（1）气门质量检查
气门座的磨损主要是磨料磨损和由于冲击负荷造成的硬化层疲劳脱落，以及排气门座受高温燃烧气体的腐蚀和烧蚀。气门座磨损后工作面加宽，气门关闭不严，气门密封性降低。检修时，首先使用铁刷清洗气门，再检查气门的磨损和损坏。
① 检查气门头部和杆的弯度，气门杆端部变形或磨损时进行修正，修正值必须是最小值。
步骤如图1所示，使用千分表和V形架，测量气门杆弯曲度。检查时，气门杆支承在两个距离100 mm的V形架上，然后用千分表检查气门长度的1／2处即为弯曲度。超过允许限度，应用手压机校正。
② 气门厚度小于极限值时更换气门。在维修时，要检验每个气门杆尾端有无偏摇、磨损和弯曲。
气门杆尾端偏斜使用限度：进气门为0.1 mm，排气门为0.1 mm。
③ 检查每个气门的工作面和杆有无磨损、烧毁或变形，如有必要应进行更换。
测量气门头厚度标准值：进气门为1 0 mn，排气门为1 5 mm。使用限度：进气门为0.7 mm，排气门为1.0 mm。
（2）气门座质量检查
① 检验气门座与气门的接触面宽度：这个宽度高速柴油机要求以1.5~2.5mm为合适。宽度过小，则气门与气门座接触差、导热差，甚至漏气；宽度过大，则容易堆积炭渣和气门关闭不严，使接触面烧蚀而漏气。
② 气门座位置尺寸的检查：在气门座中放入合格的进、排气门，用深度千分尺测量气门最高部位距气缸盖下平面的距离，应保持在规定的极限值内。该极限值的规定按制造厂的技术文件规定执行。
③ 气门头工作面接触印痕配合宽度：标准配合宽度为1.3～1.5mm，印痕状况为连续无间断环形印痕(进、排气门规定相同)。其检查方法一般是在气门座上均匀地涂一层红丹油，用气门研磨工具使气门座与气门头旋转研配，就能得到各气门的接触印痕。各气门配合面得到的接触印痕必须符合规定。
④ 检查气门座工作面：检查其有无烧蚀、斑点、裂纹和沟槽，
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图1 气门弯曲及外斜度检查 |
图2 气门座检查示意图 |
三、气门座的修复与更换
1、气门座的铰削
铰削适用于软质气门座，通常用气门座铰刀进行（如图3所示）。一副气门座铰刀的角度一般为15°、30°、45°、75°（或60°）四种。30°和45°的铰刀又分为粗刃和细刃两种。一般粗刀刃上带有齿形，用它作初步的铰削，当铰削到一定程度时，再用细刃铰刀进行精细加工。
（1）用第一把45度的铰刀修整气门座粗糙的接触表面。
（2）用第二把15度的铰刀修整气门座，并使45度铰刀修整的座面周界变为规定值。
（3）再用第三把60度铰刀修整气门座，使45度铰刀修整的座面宽度达到规定值。
（4）最后用第一把45度铰刀刮去使用15度和60度铰刀修整气门座时产生的毛刺。
2、气门座的研磨
研磨的判断条件除了采用气压法外，也可采用划线法（如图4所示），用铅笔在气门工作面上划若干条分布均匀的素线，然后将气门插入气门座内，轻敲或转动，取出气门观察所画素线是否均匀切断，如果有线条未被切断则表明密封不严，需进行研磨。研磨可分为机器研磨和手工研磨两种。
（1）手工研磨工艺：
先将相关部位清洁干净；然后在气门工作面上涂一层粗气门研磨砂，将气门杆上涂些机油后，将其插入导管内；用手捻转气门捻子，进行研磨，当气门与气门座的工作面出现一条较整齐且无斑痕、无麻点的接触环带时，将粗研磨砂洗去换用细气门研磨砂继续研磨。当气门工作面出现一条整齐、灰色无光的环带时，洗去细砂，涂上机油再研磨几分钟即可。
（2）专用工具研磨
① 粗磨
即在研磨工具上涂上较粗的研磨膏进行研磨，以研磨去刀痕或波纹；
② 细磨
即在研磨工具上涂上较细的研磨膏进行研磨，以研磨出连续无间断的环形工作面；
③ 清理
清理气门座上的研磨膏，并用红丹油对工作表面进行检查。应得到连续不间断、宽度均匀的环形印痕。
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图3 气门座手工铰削示意图 |
图4 气门座研磨步骤图 |
3、气门座圈的更换
气门座圈凹陷深度超限、 气门座圈松动和裂纹破损等， 均需 要更换。 气门座圈的结构形式主要有外圆是圆柱形、 圆锥形和带 螺纹的三种。结构不同更换时的方法也就不同。目前，常用的是 前二种， 而小型高速柴油机一般都采用外圆是圆柱形的。 下面对 此结构形式的气门座圈的更换作以介绍。
为了保证柴油机工作中气门座圈不脱落， 与气缸盖结合良好 便于散热，气门座圈与气缸套采用过盈配合。当采用冷镶时，其 配合过盈量为0.04〜0.12 mm采用热镶时，其配合过盈量0.20〜0.25 mm。其座圈外圆的圆度和圆柱度不应大于 0.02 mm。
由于气门座圈与气缸盖座圈孔是过盈配合的， 因此，在更换 拆卸气门座圈时， 要用专用的气门座圈拆卸工具进行拆卸。 将工 具拉爪放入座圈内， 视拉爪尖对准座圈高度的 1/2 处，用一只手 扶住拉爪座，一只手转动锁紧手柄，使三个拉爪顶进座圈，然后 扳动螺母， 座圈就随螺杆上升而拉出。 只要气门座圈内径比气缸 盖上进气或排气通道孔径小 2 mm以上的，或紧靠气门座圈的孔 壁上铣了两个圆弧形缺口的都可以用气门座圈拆卸器（或称拉马）拉出。在没有专用工具的情况下，可利用报废的旧气门拆卸气门座圈也比较方便。 方法是，取一旧气门将头部外缘直径磨小， 略小于气门座圈内孔，再对称挖去两块材料。然后，在需要拆卸 的座圈内孔边缘上点焊一些材料（两个焊点必须对称），使气门 通过挖去的缺口能进入气门座圈内为准。 将旧气门相对气门座圈 转一个角度， 使气门头部端面抵着气门座圈上的焊点材料， 然后 用手锤敲击气门杆端部， 把气门座圈打出。 也可用在气门座圈内孔攻螺纹的办法进行拆卸。 先用丝锥攻出螺纹， 再旋入带螺纹的铳具，从另一端将气门座圈打出， 注意千万不要用丝锥打出气门座圈，因丝锥淬火后硬度较高、较脆，容易损坏。
对于过盈量较大的气门座圈， 或本来就要求热镶的座圈， 可 将气缸盖（一般是铝缸盖）在机油中加热到 150〜180℃，然后 再将需要更换的气门座圈打出。
旧气门座圈打出后， 应对新气门座圈仔细擦拭干净， 与旧气门座圈作比较，检查压入气缸盖后气门的凹陷深度是否有保证； 检查气门座圈与气缸盖气门座圈孔的过盈配合量是否合格等。 然 后涂少许机油， 用专用铳具将新气门座圈压入或打入气缸盖座孔内。打入时为了避免歪斜， 最好采用带有定心杆的专用铳具打入。
注意：利用旧气门作为打入气门座圈的工具是不对的，即使气门座圈与座孔的配合过盈量不是很大， 但因气门上的 力是通过锥面作用在气门座圈上的，有使气门座圈膨胀的趋势， 所以装起来很费劲，容易将气门座圈损坏。配合过盈量在0.20〜 0.25 mm的气门座圈压入时，须将气缸盖放在烘箱内均匀加热， 当温度达到350〜400℃，再迅速压入气门座圈，然后包以石棉 布使之缓冷。 此外， 还可以用干冰或液态氯使气门座圈冷却后再进行装配。
总结：
气门座维修质量对柴油发电机组的性能、可靠性及寿命有决定性影响。气门座作为燃烧室的重要密封界面，其维修质量直接关系到缸压、燃烧效率和发电机组稳定性。简单来说，气门座的维修质量，直接决定了柴油机能否“一枪着车”、能否“满负载运行”、能否“连轴转不烧蚀”。在这项维修上降低标准，往往会让后续的故障更频繁、损失更严重。
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