بخشی از مقاله
چکیده
سوپاپها در موتورهای احتراقی، تحت دماهای زیاد دارای کارکرد هستند و معمولا پدیده خستگی، مهمترین آسیب در ایجاد خرابی آنهاست. لذا شناخت مکانیزمهای خرابی میتواند به فرایند طراحی و بهینهسازی این گونه قطعات کمک کند. در این مقاله، مکانیزمهای خرابی در یک سوپاپ دود موتور دیزل سنگین - مربوط به کامیون ولوو - ، بررسی شده است. این گونه سوپاپها از آلیاژ فولاد - Cr21Mn9Ni4N5 - 1,4871 ساخته شدهاند که در معرض بارگذاریهای مکانیکی- حرارتی طی شرایط کارکردی موتور، هستند.
با توجه به اینکه این نوع شکست، در چندین مورد تکرار و معمولا پس از طی مسافت 50 هزار کیلومتر ایجاد شده است، لذا نیازمند بررسی میباشند. براساس مشاهدات سطح شکست و حضور خطوط ساحلی در نواحی مختلف، میتوان گفت که نوع شکست، ناشی از پدیده خستگی بوده است. همچنین، وجود یک تنش مکانیکی غیر متعارف و دمای زیاد - تنش حرارتی - ، عامل اصلی مکانیزم شکست، تشخیص داده شده است. تنش مکانیکی میتواند ناشی از عدم هممحوری در قطعات سوپاپ و یا نشیمنگاه آن بوده و تنش حرارتی نیز میتواند ناشی از عبور گازهای احتراق باشد.
مقدمه
سوپاپها قطعات بسیار مهمی در موتورهای احتراقی هستند که وظیفه آنها، ورود هوا و سوخت و خروج محصولات احتراق از محفظه بین سرسیلندر و پیستون - یا همان محفظه احتراق - میباشد .[2-1] عملکرد آنها تاثیر مستقیمی بر پارامترهای عملکرد موتور همچون توان، گشتاور، مصرف سوخت، میزان آلایندگی و غیره دارد.
تنشهای اعمالی در سوپاپها در طول عمر کارکردی آنها، براساس مبحث دینامیک سیستم زمانبندی و فشار احتراق اعمالی، قابل محاسبه میباشد .[2-1] همچنین، در طول فرایند احتراق در موتور، دمای سوپاپ هوا معمولا به 550 درجه سانتیگراد میرسد و دمای سوپاپ دود نیز، بین 700 تا 900 درجه سانتیگراد، بسته به نوع موتور، میتواند باشد .[3-2] بر این اساس، سوپاپها تحت تاثیر بارهای توام مکانیکی- حرارتی هستند که با توجه به حرکت آنها، این بارگذاری از نوع سیکلی است. لذا مواد مورد استفاده در ساخت سوپاپها، باید استحکام کافی در برابر پدیده خستگی را دارا باشند .
معمولا خرابیهای ناشی از پدیده خستگی در سوپاپها، شامل سه دسته میباشد. یک نوع از این خرابیها میتواند در ناحیه کلگی - بشقابی - سوپاپ و ناشی از ترکهای شعاعی ایجاد شده در اثر گرادیان دما باشد. این نوع خرابی همان پدیده خستگی حرارتی است. نوع دوم خرابی، میتواند ناشی از ترکهای محیطی در محل نشیمنگاه سوپاپ، بر اثر بارهای مکانیکی ضربهای باشد. خرابی نوع سوم نیز، میتواند بر اثر تمرکز تنش در محل اتصال ساق به گلگی سوپاپ - و یا در محل جوش اصطکاکی - و یا در محل شیارهای موجود روی ساق سوپاپ باشد .[2-1] البته خرابیهای دیگری ناشی از اکسیداسیون یا خوردگی ماده نیز مطرح است که در این دستهبندی - خرابیهای ناشی از پدیده خستگی مکانیکی- حرارتی - ، جایگاهی ندارد.
در زمینه تحلیل خرابی و استحکام خستگی سوپاپها، مقالات متعددی به چاپ رسیده است که در ادامه، به بررسی برخی از آنها پرداخته میشود
. وروالد1 و همکارانش [1]، استحکام خستگی نوعی فولاد ضدزنگ - X45CrSi93 - را که در سوپاپ موتورهای احتراقی کاربرد دارد، بررسی کردند. نتایج آنها نشان داد که افزایش قابل توجهی در افزایش استحکام خستگی محوری فولاد مارتنزیتی، بعد از فرایند نیتروژندهی، در مقایسه با فرایند کرومدهی، مشاهده میشود.
آزادی و همکارانش [2]، تحلیل خرابی یک سوپاپ هوا در یک موتور بنزینی را بررسی کردند. نتایج آنها نشان داد که حفره انقباضی در فرایند تولید، عامل خرابی نبوده اما یک عامل مکانیکی ناشی از تلرانسهای غیرمجاز ابعادی، باعث ایجاد یک نیروی خمشی کاملا معکوس شونده شده و سپس در اثر بارگذاری سیکلی، شکست رخ داده است. همچنین، نوع بارگذاری سیکلی با مشاهده خطوط ساحلی2 در سطح شکست، توسط آنها به اثبات رسید.
اپوهورسکی3 و همکارانش [4]، تحلیل خرابی یک ساق سوپاپ را بررسی کردند. آنها نشان دادند که خرابی به دلیل چقرمگی کم ماده و لایههای نیتروژندهی شده در محل دندانههای موجود روی سوپاپ بوده است. تحلیل خرابی سوپاپ دود در یک موتور توربین گازی توسط وون و هان[5] 4، انجام پذیرفت. آنها نشان دادند که خرابی، نتیجه حرارت بیش از حد بوده است. کاهش شدید سختی در ماده و خوردگی شدید سطح در ساق سوپاپ را مشاهده کردند که نشان از وجود حرارت بیش از حد داشت.
یو و ژو[6] 5، یک تحلیل خرابی براساس بررسیهای متالورژیکی سوپاپهای یک موتور دیزل را انجام دادند. مطالعات ریزساختاری آنها مشخص نمود که پدیده خستگی، مکانیزم خرابی در قطعات بوده است.
فنگ6 و همکارانش [7]، تحلیل خرابی سوپاپ دود، بعد از 200 ساعت کارکرد در یک موتور احتراقی را بررسی کردند. آنها نشان دادند که فاکتور اکسیداسیون، عامل خرابی بوده است. شکل لایه اکسیدی تشکیل شده، بصورت نازک و متخلل گزارش شد.
غیاثی و سلطانلو [8]، تحلیل تخریب سوپاپ دود در یک موتور اتوبوس را بررسی کردند. آنها نشان دادند که نتایج تحلیل شیمیایی و سختی سنجی مطابق با استاندارد بوده اما نتایج بررسی ریزساختاری آنها نشان دهنده ایجاد نواقص ریزساختاری ناشی از افزایش دما بود. لذا علت احتمالی تخریب، کارایی نامناسب موتور و درنتیجه افزایش بیش از حد دما و در نهایت تخریب و شکست دریچه بوده است.
در این مقاله، به تحلیل آسیب و خرابی ناشی از بارگذاریهای مکانیکی- حرارتی سیکلی - شامل پدیده خستگی - ، برای یک سوپاپ دود در موتور دیزل سنگین، انجام پذیرفته است. برای این منظور، تحلیلهای ریزساختاری انجام شده تا علل خرابی استخراج گردد.
علل خرابی سوپاپها
در صورتی که یک شمای کلی از تحلیل خرابی یک سوپاپ موتور مدنظر باشد، فرضیات تحلیل علل خرابی و شکست سوپاپ، میتواند به دو بخش علل مکانیکی و علل موادی تقسیمبندی شود. فرضیات علل مکانیکی میتواند شامل فرضیات زیر باشد:
الف- سوپاپ و راهنما الف
- - 1 مغایرت ابعاد هندسی و تلرانسی سوپاپ، راهنما و نشمینگاه با نقشه استاندارد الف
- - 2 مشکل در روانکاری داخل راهنمای سوپاپ الف
- - 3 افزایش لقی سوپاپ و راهنما در حین کارکرد موتور الف
- - 4 عدم هممحوری نشیمنگاه سوپاپ با راهنما الف
- - 5 صفحهای نبودن نشیمنگاه سوپاپ بر روی سرسیلندر
ب- سازوکار زمانبندی سوپاپ
ج- فنر، واشر و خار
ج- - 1 مقدار نیروی پیشبار فنر
ج- - 2 حرکت لنگوار فنر
فرضیات مربوط به علل موادی برای خرابی و شکست سوپاپ نیز، میتواند ناشی از موارد زیر باشد:
الف- عدم تطابق ترکیب شیمیایی سوپاپ با نقشه استاندارد
ب- ریزساختار سوپاپ
ج- سختی و خواص مکانیکی سوپاپ و قطعات مرتبط
د- وجود توده ناخالصی و آخال در سوپاپ
حال براساس فرضیات فوق، فعالیتهایی به منظور مشخص نمودن علل واقعی خرابی انجام شد که در ادامه این مقاله، شرح داده میشود. نکته حائز اهمیت دیگر این است که معمولا در سوپاپها، خرابی یا از بخش ساق آن و یا از بخش کلگی - بشقابی - آن است. همچنین، ممکن است که خرابیهای ایجاد شده در سوپاپ، در اثر دو نوع بارگذاری استاتیکی و یا دینامیکی - پدیده خستگی - باشد. در بارگذاری استاتیکی، اضافه بار ناگهانی و یا یک ضربه عامل شکست است اما در بارگذاری دینامیکی، تکرار یک سیکل بارگذاری خمشی، در مرور زمان، باعث ایجاد پدیده خستگی و شکست خواهد شد.
مشاهدات خرابی
در شکل 1، نمونهای از یک سوپاپ دود از موتور دیزل سنگین - مربوط به یک کامیون ولوو - و بخشی از سطح شکست نمایش داده شده است. این گونه شکست، در چندین مورد تکرار و معمولا پس از طی مسافت 50 هزار کیلومتر ایجاد شده است. در شکل 2، سطح شکست نمونه بررسی شده و چند ناحیه شکست روی آن، مشخص گردیده است. بطور کلی، سه ناحیه ترک در شکست خستگی پرچرخه وجود دارد که شامل محل ایجاد ترک، رشد ترک و در نهایت، شکست ناگهانی است. در این نمونه، دو ناحیه ایجاد ترک، شناسایی شدند که خطوط ساحلی در نزدیکی این مناطق و به مرکزیت محل ایجاد ترک، قابل مشاهده هستند. وجود ناخالصی و یا حفره ناشی از روش ساخت در زیرساختار ماده میتواند دلیل بوجود آمده یک ترک - در محل ایجاد ترک - باشد.
شکل :1 نمونه سوپاپ دود و سطح شکست
شکل :2 سطح شکست نمونه سوپاپ دود و تقسیمبندی بخشهای مختلف شکست
خطوط ساحلی قابل مشاهده در شکل 2، ناشی از رشد ترک خستگی میباشند و در بارگذاری استاتیکی - همچون بار اضافی و یا ضربه - ، قابل مشاهده نیستند . لذا نوع شکست در این نمونه، از جنس پدیده خستگی - تکرار یک سیکل بارگذاری به مرور زمان - میباشد. نوع پدیده خستگی در این قطعه نیز، خستگی پرچرخه بوده چراکه فقط در ناحیه الاستیک ماده، قطعه کارکرد دارد و فرکانس بارگذاری آن، به دلیل پدیده احتراق، بسیار زیاد - به عنوان مثال: 4000 دور بر دقیقه برای سرعت دورانی موتور - است. با توجه به اینکه پدیده خستگی نیازمند مدت زمان است، همان گونه که ذکر شد، این نوع خرابی در 50 هزار کیلومتر پیمایش کامیون، ایجاد شدهاند که نشان از رشد ترک دارد.
بررسی نتایج تحلیل خرابی
برای بررسی دقیقتر این موضوع، تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی1 در شکل 3 نمایش داده شده است. در این شکل، سه ناحیه برای پدیده خستگی پرچرخه که قبلا در شکل 2 نشان داده شده بود، مجددا مشخص گردیده است. برای مشخص نمودن دلیل ایجاد ترک، در شکل 4، محل ایجاد ترکهای شماره 1 و 2 نمایش داده شده است که میتواند ناشی از وجود یک ناخالصی و یا یک حفره ناشی از روش ساخت، در ریزساختار ماده باشد.
