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摘 要：针对发动机试制阶段气门油封脱落引起故障频发的情况，通过对气门油封拔脱力影响因素分析，充分考虑可行性的前提下，提出从改进装配工艺或气门导管结构方面提升拔脱力两种解决思路，根据气门油封拉压力试验结果比对，得到改进气门导管结构对提升拔脱力效果最好，且不影响装配力，为解决故障提供了最优方案。
关键词：气门导管 气门油封 拔脱力
Analysis of the Influence of Valve Guide Structure on the Pull-out Force of Valve Oil Seal
Xing Jifen，Wu Dingyong，Luo Mingxiong
Abstract：In view of the frequent failure caused by valve oil seal falling off during engine trial production， through the analysis of the influencing factors of the pull-out force of valve oil seal， under the precondition of full consideration of feasibility， two solutions of improving assembly process or valve guide’s structure to enhance pull-out force were proposed. According to the comparison of valve oil seal pull and pressure test results， the improved valve guide structure has the best effect on lifting the pull-out force， and does not affect the assembly force， which provides the optimal solution to the fault.
Key words：valve guide， valve oil seal， pull-out force
某型號发动机在试制阶段频繁出现异响、烧机油现象，经发动机拆解发现由于气门油封脱落引起，这一故障严重影响装配线生产节拍、产品质量及发动机性能，亟待解决。为避免发动机运行过程中气门油封跟随气门运动，造成气门油封松脱，需从增加气门导管与气门油封之间的拔脱力入手设计改进方案，以解决该故障[1]。
1 气门导管及气门油封介绍
气门导管对气门的运动起导向作用，保证气门做往复直线运动，使气门与气门座圈能正确贴合，并将气门杆的热量传给气缸盖，如图1所示，h1段与气门油封配合，h2段装入气缸盖，与其配合。
气门油封是发动机气门组的重要零件之一，防止过多的机油进入燃烧室，造成燃烧异常，同时保持燃烧室与气缸盖罩的压力 ，避免气体窜入气缸盖罩。其主要靠油封唇口部位与气门杆接触形成密封。气门油封允许气门在其内部上下运动而不松脱，其下端h3段与气门杆配合，h4段为气门油封橡胶筋条结构，其与气门导管配合。气门油封结构如图2，气门油封与气门导管装配图如图3。
2 拔脱力影响因素分析
轴与轴套在过盈配合的情况下，拔脱力的表达式为：
F=PS=PDH （1）
其中，P为轴与轴套接触面间平均接触压力，S为接触面积，D为轴套内径，H为轴套长度。
由于最大拔脱力与过盈量、摩擦系数均成正比[2]，因此，平均接触压力表达式为：
P=kef （2）
其中，k为比例常数，e为过盈量，f为摩擦系数。将（2）式带入（1）式得：
F=kπefDH （3）
在不考虑气门油封弹性橡胶材料以及结构的情况下，气门油封与气门导管的过盈配合可参考（3）式，则拔脱力与两者之间的摩擦力、过盈量、配合直径、配合长度成正比。下面分析调整以上参数以增加拔脱力的可行性。
从理论上，增大以上4个参数均可以提升拔脱力，但其都会导致气门油封装配过程中的装配力增加，增大装配难度，降低装配效率。尤其在日常维修作业中，不可能采用生产线压装力可调可控的专业安装设备，通常采用人工敲击的不可控安装方式，在装配力变大的情况下，势必需要更大的敲击力，易造成气门油封损坏。
在配合长度方面调整，必须通过增加气门油封长度，即通过改变其结构实现，制造工艺相对复杂，并且长度增加范围受发动机结构限制，在有限空间内不一定能满足拔脱力要求，需反复验证，该方案设计及制造成本过高。
在过盈量、内径方面调整，要通过改变气门导管和气门油封的尺寸实现，需重新设计、制造两种零件，且要反复验证，该方案同样存在成本过高的问题。
在摩擦力方面调整，只需从改善工艺标准方面入手，装配气门油封时在气门导管配合部位采取酒精脱脂（不涂润滑油）的工艺即可。因为现装配工艺标准中考虑气门导管和气门油封安装方便、避免由于摩擦力过大损坏气门油封唇口，提升装配质量，通常要求在气门导管配合部位涂润滑油后装配，这势必会减小摩擦力，导致拔脱力减小。因此，提出方案一：酒精脱脂（不涂润滑油）的装配工艺，且无需改变零件结构将是成本较低的解决方案，但其装配力是否符合标准还需进一步验证。
由于方案一存在装配力超出标准值的风险，为较好解决故障，考虑增加其他可行性方案供分析比对，择优选用。因此，在不增加装配力的前提下，另外提出方案二：改进气门导管结构，以增加一个与拔脱力方向相反的阻力来提升拔脱力。 3 结构改进方案设计
将气门导管与气门油封配合段的无槽结构改进为斜槽结构，当气门油封向上拔脱过程中，经过斜槽部位时，气门油封橡胶筋条由于弹力作用收缩并抱紧气门导管，槽的上端凸台会对其有一个向下的阻力以防止拔脱，从而达到增加拔脱力的效果;当气门油封向下装配过程中，经过斜槽部位时，其斜槽设计起到导向作用，便于安装，且槽下端无凸台，不会增加装配力。对生产节拍、生产效率以及装配工艺无影响，该方案可行性强，有待进一步验证。其结构图见下表1。
4 方案验证
4.1 待验证方案为：
方案一：酒精脱脂（不涂润滑油）的装配工艺;方案二：斜槽结构气门导管。
4.2 样本选取
优化后的气门油封试验样品为抽样检查合格品，按同類水平分类，选取同一公差段进行试验。
4.3 试验要求
采用气门油封拉压力试验。试验设备为LY2W1拉压力试验机。本试验在常温条件下进行，模拟油封与油封导管的装配与脱出运动，利用工装与拉压力试验机检测油封配合部位全部装入导管的最大力值（即装配力）以及油封配合部位脱出导管的最小力值（即拔脱力）进行检测。气门油封拉力试验数据如表2。
从试验结果可以得出，对于方案一，采用酒精脱脂装配工艺后，拔脱力大幅度上升，但是随之而来的是装配力也同样以几乎同比例增长，根据企业经验数据，建议装配力≤500N。显然，方案一的装配力接近或已经超出标准值要求，此方案不合理。对于方案二，采用加工工艺成本较低的斜槽结构不仅大幅度提升了拔脱力，防脱性较好，并且对于装配力几乎不影响。同时，该结构不影响油封密封性，因为，气门油封密封主要靠油封唇口部位，优化方案只更改了导管与油封配合面的结构，对油封唇口与导管外壁接触配合无影响，因此发动机机油耗不受影响[3]，该方案是最优解决方案。
5 结语
斜槽型气门油封应用之后， 发动机气门油封脱落故障解决，故障率降为零，且气门油封压装合格率保持不变，不影响生产节拍，又提升了产品质量及发动机性能，该改进方案值得推广应用。
基金项目：广西中青年教师基础能力提升项目（项目编号：2019KY1308）。
参考文献：
[1]杨武森.关于某气门油封脱落的原因分析及改进[J].装备制造技术，2014（06）：100-101.
[2]李初晔.过盈配合产生的接触压力和拔出力计算[J].机械工程与自动化，2011（01）：195-197.
[3] 李莉英.气门导杆油封密封性能的研究[D]. 青岛：青岛工业大学，2011.
关键词：气门导管 气门油封 拔脱力
Analysis of the Influence of Valve Guide Structure on the Pull-out Force of Valve Oil Seal
Xing Jifen，Wu Dingyong，Luo Mingxiong
Abstract：In view of the frequent failure caused by valve oil seal falling off during engine trial production， through the analysis of the influencing factors of the pull-out force of valve oil seal， under the precondition of full consideration of feasibility， two solutions of improving assembly process or valve guide’s structure to enhance pull-out force were proposed. According to the comparison of valve oil seal pull and pressure test results， the improved valve guide structure has the best effect on lifting the pull-out force， and does not affect the assembly force， which provides the optimal solution to the fault.
Key words：valve guide， valve oil seal， pull-out force
某型號发动机在试制阶段频繁出现异响、烧机油现象，经发动机拆解发现由于气门油封脱落引起，这一故障严重影响装配线生产节拍、产品质量及发动机性能，亟待解决。为避免发动机运行过程中气门油封跟随气门运动，造成气门油封松脱，需从增加气门导管与气门油封之间的拔脱力入手设计改进方案，以解决该故障[1]。
1 气门导管及气门油封介绍
气门导管对气门的运动起导向作用，保证气门做往复直线运动，使气门与气门座圈能正确贴合，并将气门杆的热量传给气缸盖，如图1所示，h1段与气门油封配合，h2段装入气缸盖，与其配合。
气门油封是发动机气门组的重要零件之一，防止过多的机油进入燃烧室，造成燃烧异常，同时保持燃烧室与气缸盖罩的压力 ，避免气体窜入气缸盖罩。其主要靠油封唇口部位与气门杆接触形成密封。气门油封允许气门在其内部上下运动而不松脱，其下端h3段与气门杆配合，h4段为气门油封橡胶筋条结构，其与气门导管配合。气门油封结构如图2，气门油封与气门导管装配图如图3。
2 拔脱力影响因素分析
轴与轴套在过盈配合的情况下，拔脱力的表达式为：
F=PS=PDH （1）
其中，P为轴与轴套接触面间平均接触压力，S为接触面积，D为轴套内径，H为轴套长度。
由于最大拔脱力与过盈量、摩擦系数均成正比[2]，因此，平均接触压力表达式为：
P=kef （2）
其中，k为比例常数，e为过盈量，f为摩擦系数。将（2）式带入（1）式得：
F=kπefDH （3）
在不考虑气门油封弹性橡胶材料以及结构的情况下，气门油封与气门导管的过盈配合可参考（3）式，则拔脱力与两者之间的摩擦力、过盈量、配合直径、配合长度成正比。下面分析调整以上参数以增加拔脱力的可行性。
从理论上，增大以上4个参数均可以提升拔脱力，但其都会导致气门油封装配过程中的装配力增加，增大装配难度，降低装配效率。尤其在日常维修作业中，不可能采用生产线压装力可调可控的专业安装设备，通常采用人工敲击的不可控安装方式，在装配力变大的情况下，势必需要更大的敲击力，易造成气门油封损坏。
在配合长度方面调整，必须通过增加气门油封长度，即通过改变其结构实现，制造工艺相对复杂，并且长度增加范围受发动机结构限制，在有限空间内不一定能满足拔脱力要求，需反复验证，该方案设计及制造成本过高。
在过盈量、内径方面调整，要通过改变气门导管和气门油封的尺寸实现，需重新设计、制造两种零件，且要反复验证，该方案同样存在成本过高的问题。
在摩擦力方面调整，只需从改善工艺标准方面入手，装配气门油封时在气门导管配合部位采取酒精脱脂（不涂润滑油）的工艺即可。因为现装配工艺标准中考虑气门导管和气门油封安装方便、避免由于摩擦力过大损坏气门油封唇口，提升装配质量，通常要求在气门导管配合部位涂润滑油后装配，这势必会减小摩擦力，导致拔脱力减小。因此，提出方案一：酒精脱脂（不涂润滑油）的装配工艺，且无需改变零件结构将是成本较低的解决方案，但其装配力是否符合标准还需进一步验证。
由于方案一存在装配力超出标准值的风险，为较好解决故障，考虑增加其他可行性方案供分析比对，择优选用。因此，在不增加装配力的前提下，另外提出方案二：改进气门导管结构，以增加一个与拔脱力方向相反的阻力来提升拔脱力。 3 结构改进方案设计
将气门导管与气门油封配合段的无槽结构改进为斜槽结构，当气门油封向上拔脱过程中，经过斜槽部位时，气门油封橡胶筋条由于弹力作用收缩并抱紧气门导管，槽的上端凸台会对其有一个向下的阻力以防止拔脱，从而达到增加拔脱力的效果;当气门油封向下装配过程中，经过斜槽部位时，其斜槽设计起到导向作用，便于安装，且槽下端无凸台，不会增加装配力。对生产节拍、生产效率以及装配工艺无影响，该方案可行性强，有待进一步验证。其结构图见下表1。
4 方案验证
4.1 待验证方案为：
方案一：酒精脱脂（不涂润滑油）的装配工艺;方案二：斜槽结构气门导管。
4.2 样本选取
优化后的气门油封试验样品为抽样检查合格品，按同類水平分类，选取同一公差段进行试验。
4.3 试验要求
采用气门油封拉压力试验。试验设备为LY2W1拉压力试验机。本试验在常温条件下进行，模拟油封与油封导管的装配与脱出运动，利用工装与拉压力试验机检测油封配合部位全部装入导管的最大力值（即装配力）以及油封配合部位脱出导管的最小力值（即拔脱力）进行检测。气门油封拉力试验数据如表2。
从试验结果可以得出，对于方案一，采用酒精脱脂装配工艺后，拔脱力大幅度上升，但是随之而来的是装配力也同样以几乎同比例增长，根据企业经验数据，建议装配力≤500N。显然，方案一的装配力接近或已经超出标准值要求，此方案不合理。对于方案二，采用加工工艺成本较低的斜槽结构不仅大幅度提升了拔脱力，防脱性较好，并且对于装配力几乎不影响。同时，该结构不影响油封密封性，因为，气门油封密封主要靠油封唇口部位，优化方案只更改了导管与油封配合面的结构，对油封唇口与导管外壁接触配合无影响，因此发动机机油耗不受影响[3]，该方案是最优解决方案。
5 结语
斜槽型气门油封应用之后， 发动机气门油封脱落故障解决，故障率降为零，且气门油封压装合格率保持不变，不影响生产节拍，又提升了产品质量及发动机性能，该改进方案值得推广应用。
基金项目：广西中青年教师基础能力提升项目（项目编号：2019KY1308）。
参考文献：
[1]杨武森.关于某气门油封脱落的原因分析及改进[J].装备制造技术，2014（06）：100-101.
[2]李初晔.过盈配合产生的接触压力和拔出力计算[J].机械工程与自动化，2011（01）：195-197.
[3] 李莉英.气门导杆油封密封性能的研究[D]. 青岛：青岛工业大学，2011.