柴油机密封形式设计与失效模式分析

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摘 要：文章论述了密封设计与失效预防在汽车工业中的重要性。阐述了密封技术的设计形式、常用材料与密封失效模式的关系，介绍了新密封技术的发展以及相应应用领域等。重点针对493柴油发动机的典型密封设计和常见失效形式及预防措施进行了阐述，对产品设计及三漏故障预防有很好的借鉴作用。

关键词：密封设计;密封失效;失效预防;新密封技术

中图分类号：U464.172  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2018）24-154-04

Diesel engine sealing design and failure mode analysis

Cheng Long

（ Anhui Jianghuai Navistar Diesel Engine Co.， Ltd.， Anhui Hefei 230601 ）

Abstract： This paper discusses the importance of seal design and failure prevention in automobile industry. In this paper， the design of the sealing technology form， commonly used materials and sealing failure mode， the relationship between the development of new sealing technology are introduced and the corresponding application fields， etc. Focus on typical 493 diesel engine seal design and common failure forms and prevention measures are expounded， for product design and three leakage fault prevention has a good reference.Keywords： seal design; seal failure; failure to prevent; seal of new technologyCLC NO.： U464.172  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2018）24-154-04

前言

發动机是汽车的心脏，是汽车性能优劣的关键总成之一。发动机的整体性能水平是由各个循环体系的高效运行组成，其中密封技术是各个循环体系的最基本考核指标。密封技术涉及材料组成、结构设计和生产工艺等， 要把整个发动机的密封技术解决好，就要了解发动机的密封部件运行的基本工况，包括螺栓扭矩、螺栓孔距分布、使用温度、密封介质和密封面压力分布等，从而对密封结构的设计、密封材料的选材、性能指标和成型工艺进行确定。

柴油机是一种用途广泛的原动机，柴油机工作时，除了排气和噪声对环境造成污染外，若柴油机的密封不好，会造成机油、燃油、冷却液的漏泄，其漏泄如发生在机体内部，将造成柴油机的故障，如柴油与润滑油混合、润滑油与冷却液混合;如发生在柴油机外部，则将可能造成柴油机故障并污染环境，即使上述漏泄未引起柴油机故障，也会污染机体表面。柴油机是一种热力机械，在柴油机上，需要进行密封设计的部位很多，有常温静密封，高温静密封，动密封。密封的介质有燃油、机油、冷却液、高压燃气和排气。所以，在柴油机设计中，需对不同部位采用不同的密封设计，以确保可靠的密封，尽可能减少柴油机的漏泄^[2]。

密封的本质在于阻止被密封的空间与周围介质之间的质量交换。密封的方法主要有下述几种：

（1）尽量减少密封部位

在进行容器和设备设计时，应尽可能少设置密封部位。特别是对于那些易燃、易爆、有毒、强腐蚀性介质的容器和设备，更应少采用密封连接。

（2）堵塞或隔离泄漏通道

在密封部位设置垫片，采用密封胶， 可大大提高连接的密封性能。 由于垫片或密封均具有良好的变形特性，容易与被连接元件表面贴合，填满表面的微间隙，堵塞或减小被密封流体的泄漏通道，实现密封。

（3）增加泄漏通道中的流动阻力介质通过泄漏通道泄漏时会遇到阻力

流动阻力与泄漏通道的长度成正比，与泄漏通道的当量半径成反比。对于垫片密封来说，适当增加垫片宽度，即增加泄漏通道长度，提高垫片的密封比压，即减小泄漏通道的当量半径可增加泄漏阻力，改善连接的密封。

（4）采用永久性或半永久性连接采用焊接、钎焊或利用胶粘剂可形成永久性或半永久性连接。如图1 所示的焊接垫片密封就是一种半可拆的连接形式^[3]。

1 493柴油机密封形式简介

493柴油机中密封的内容主要包括油、水、气三个方面，密封形式大部分以静密封为主，动密封为辅。其中静密封按照油路、水路和气路分别有多种密封方式。动密封包括前后主油封与曲轴之间的旋转动密封、活塞与缸套之间的往复动密封等。

1.1 油路密封形式

油路密封分为润滑油和燃油两种类型，由于燃油油路需从油箱运输到油泵，然后通过高压油管进入喷油器喷射燃烧，高压油管之间连接点为重点密封对象，密封形式属于高压静密封，通过规定力矩以及良好设计尺寸实现墩头之间高压力连接，最终实现燃油密封。

润滑油路密封包括以下：

1）机冷器与机体间密封——密封形式：橡胶密封圈;

2）油泵与机体间密封——密封形式：橡胶密封圈;

3）缸体与油底壳之间密封——密封形式：橡胶密封圈或密封胶密封;

4）齿轮室与缸体间密封——密封形式：纸垫片;

5）缸盖护罩与缸盖之间密封——密封形式：橡胶密封圈;

6）机油压力传感器密封——密封形式：螺纹密封胶;

7）涡轮增压器进回油路密封——密封形式：铜垫片+卡箍紧固密封;

8）发电机真空泵进回油管路密封——密封形式：铜垫片+卡箍紧固密封;

9）曲轴与机体、油底壳之间的密封——密封形式：油封密封圈;

10）缸盖与机体之间密封——密封形式：复合钢制垫片。

橡胶密封圈和复合钢制垫片如下图2所示：

1.2 水路密封形式

水路密封主要针对发动机冷却液的密封及防锈处理，水路密封包括以下：

1）进水管焊合件与机体间密封——密封形式：纸垫片;

2）出水口与节温器壳体间密封——密封形式：纸垫片;

3）缸盖与机体之间密封——密封形式：复合钢制垫片;

4）水泵与机体间密封——密封形式：橡胶密封圈;

5）EGR冷却器进水管与缸盖间密封——密封形式：橡胶密封圈;

6）钢管与胶管管路之间密封——密封形式：卡箍紧固密封。

纸垫片及卡箍如下图3所示：

1.3 气路密封形式

发动机气体包含新鲜空气系统、燃油混合气、燃烧后高温废气等几种密封形式，任何一处均需要做好密封处理，否则对发动机性能及排放均有影响，气路密封主要包含以下：

1）EGR冷却器与进出气管路间——密封形式：單层或多层钢制垫片以及石墨垫片;

2）进气歧管、排气歧管与缸体间——密封形式：复合钢制垫片;

3）缸盖与机体之间——密封形式：复合钢制垫片;

4）涡轮增压器与排气弯管间——密封形式：双层钢制垫片或复合钢制垫片;

5）EGR阀与管路之间——密封形式：多层钢制垫片;

6）催化器两端——密封形式：多层钢制垫片或石墨复合垫片;

7）活塞环密封——密封形式：活塞环与缸套动态摩擦密封。

密封垫片及活塞环见如图4所示：

2 493柴油机典型密封失效模式分析及预防

2.1 泄漏的危害与形式

若不能做好密封方面的工作就会导致柴油机各种泄漏及污染，漏泄如发生在柴油机的内部，将造成柴油机故障，如柴油与润滑油混合、润滑油与冷却液混合;如发生在柴油机外部，则将可能造成柴油机故障并污染环境，即使上述漏泄未引起柴油机故障，也会污染柴油机的外表面，影响产品美观与企业形象。

泄漏的种类划分有多种，这里列出两种：

2.1.1 按泄漏的机理分类

（1）界面泄漏：在密封件（垫片、填料）表面和与其接触件的表面之间产生的一种泄漏。如法兰与垫片之间、填料与轴或填料箱之间的泄漏。

（2）渗透泄漏：介质通过密封件（垫片、填料）本体毛细管渗透出来，这种泄漏发生在致密性较差的植物纤维、动物纤维和化学纤维等材料制成的密封件上。

（3）破坏性泄漏：密封件由于急剧磨损、变形、变质、失效等因素，使泄漏间隙增大而造成的一种泄漏。

2.1.2 按泄漏的密封部位分类

（1）静密封泄漏：无相对运动密封副间的一种泄漏。如法兰、螺纹、箱体、卷口等结合面的泄漏。相对而言，这种泄漏比较好处理。

（2）动密封泄漏：有相对运动密封副间的一种泄漏。如旋转轴与轴座间、往复杆与填料间、动环与静环间等动密封的泄漏。这种泄漏较难处理。

（3）关闭件泄漏：关闭件（闸板、阀瓣、球体、旋塞、节流锥、滑块、柱塞等）与关闭座（阀座、旋塞体等）间的一种泄漏。这种密封形式不同于静密封和动密封，它具有截止、换向、节流、调节、减压、安全、止回、分离等作用，它是一种特殊的密封装置，这种泄漏很难处理。

（4）本体泄漏：壳体、管壁、阀体、船体、坝身等材料自身产生的一种泄漏。如砂眼、裂缝等缺陷的泄漏^[3]。

2.2 润滑油路密封失效及预防

493柴油机油路泄漏主要发生在曲轴密封、缸盖密封等位置。典型失效模式为发动机后端漏油、气缸盖罩漏油、油底壳漏油以及传感器渗油等失效形式。

发动机后端油封漏油的原因主要是后油封在动密封过程中发生泄漏，导致发动机后端渗漏，严重影响发动机外表面美观及清洁度。发生漏油的原因是装压后油封时，未考虑主轴承盖与后油封之间的不可见空间，导致二者之间形成积油槽。在油封和曲轴相对运动过程中，产生润滑油泄漏。气缸盖罩漏油主要是密封胶条布置不均或者零件尺寸不符合要求等因素产生，故障图片如图5;油底壳漏油有两种原因：一是针对铁质油底壳密封用的胶条存在做工粗糙、硬度太大等问题，导致无法与机体和油底壳贴合，不能达到密封的效果，二是针对铝制油底壳涂抹密封胶不均匀或者涂胶量过少等因素会导致密封失效，出现漏油问题。机油压力传感器渗油主要是传感器接头上透气口或者螺纹密封位置有渗漏，可通过合理设置透气口孔径和涂抹螺纹密封胶并设定合理力矩的方法规避渗油现象。

因此在不可见部位的密封设计时要充分进行三维数模验证以及剖切面校核，充分避免产生积液槽，影响润滑油及冷却液的容量，进而避免漏液问题产生。

2.3 水路密封失效及預防

493柴油机水路密封失效主要集中在出水口、机冷器取水口以及进水管焊接件与机体等液体过渡部位。

出水口和进水管焊合件与机体连接通过纸垫片密封实现，根据国家规定，逐渐更换掉石棉材质零部件，石棉橡胶板具有压缩率好、回弹率高、致密性好、横向抗拉强度大等优点，更换为纸质垫片后，未明确规定垫片的压缩率，导致垫片过硬，回弹率差，最终无法达到密封规定平面度零件的目的。机冷器进水管与缸盖通过橡胶圈来实现密封效果，橡胶圈具有压缩性好，强度、压缩回弹性好以及耐介质性好等优点，但是压缩永久变形大，耐温性差，强度低，易损坏等缺点，橡胶密封圈必须实现过盈配合方可实现密封效果，在装配过程中，由于配合孔边缘较锐利，容易产生胶圈边缘破损现象，装配后目测无法发现，只有热试或零公里时方可发现问题。

因此在设计纸垫片等密封件时，需要充分考虑纸垫片的特性，主要包括回弹率，横向抗拉强度等参数，须覆盖零部件平面度，保证垫片密封效果。水管密封圈主要注意装配时的操作方法，特别是新员工装配性培训及监控，保证按照正确装配工艺安装，可通过涂润滑油等方法使橡胶圈顺滑装配到配合孔中并保证橡胶圈完好无损，降低故障率。

2.4 气体密封失效及预防

在柴油机中气体密封失效主要针对排气侧泄漏， EGR冷却器进气端是最容易泄漏气体的部位，此种情况在生产单位及客户使用过程中均有发生，这种失效模式修改周期长，费用高，问题隐蔽性强，修改难度大，因此应该在设计之初就应该充分考虑各种因素对垫片密封的影响。

针对此种失效模式，应在保证垫片厚度满足法兰平面度设计值的同时充分考虑EGR冷却器法兰的受热变形对密封面的影响。以EGR冷却器垫片漏气为例，垫片波形高度0.3mm，密封法兰平面度各为0.1mm。按照理论值，此垫片能够实现密封要求。但是在热试过程及客户零公里过程中发生过多例漏气漏烟现象。最后发现故障原因是EGR法兰在受热后产生变形，导致平面度超差，最大平面度达到0.35mm，远大于密封垫片的密封能力，后通过采用双层垫片加高波形的方式解决此问题。

因此，在密封设计过程中，不仅要考虑冷态状况下的密封，更要关注零部件受热变形后的影响，规避零部件自身特性缺陷造成的失效模式。

3 先进密封技术简介

近年来新发展的密封技术大致有密封面开槽的表面改形密封技术、控制平衡比技术、多端面密封技术、平行面密封技术、弹性伸缩的波纹管密封技术、窄面密封技术、多端面密封技术、流体阻塞密封技术、零逸出密封技术、安全密封技术、监控密封技术、组合密封技术以及液态密封技术等，利用这些新技术和新概念出现很多新结构。

随着计算机技术的快速发展，有限元仿真技术已成为产品设计、分析人员的有力工具。采用现代有限元仿真技术对发动机各种密封垫进行仿真研究，可以充分考虑各结构的物理特性，排除客观复杂干扰，找出结构的缺点不足并提出解决方案，确定最佳的方案匹配结果，能使大量的实际问题解决在产品设计环节，降低开发成本，缩短产品的设计周期。比如有限元法对柴油发动机气缸垫的密封性能的可靠性进行分析和研究。通过 ANSYS Workbench 平台，充分模拟气缸垫、缸体、缸盖和螺栓的装配体在工况下的密封情况，计算气缸垫与缸体、缸盖的密封接触压力，并根据计算结果分析其在关键部位的密封的可靠性，总结并提出相应的解决方法^[4]­。

按原材料特点，垫片可分为固体垫片和液体垫片（液态密封胶）2种。固体垫片靠压缩回弹特性来实现密封，因此可靠的密封需要较高的夹紧力，有时即使施加很大的夹紧力，也无法用固体垫片将法兰面的沟底100%填充，从而无法从根本上杜绝渗漏通道。使用液态密封胶可以轻易解决固体垫片固有的缺陷，如图6所示。

液体密封垫片具有良好的填充特性，能够将法兰面上凸凹不平的间隙完全填平，从而阻断泄漏;液态密封胶成液态状，并有一定的黏性，对接合面有良好的黏附效果，能保证所有基面各点黏附在一起，有效地防止界面泄漏;同时，液态密封胶不存在任何的压缩变形，没有内应力，没有松弛和蠕变，没有弹性破坏等破坏因素，而且胶体的黏度很高，使液态密封垫片具有突出的防渗漏效果。液态密封胶垫片技术作为解决发动机“跑、冒、滴、漏”问题的一种防漏、治漏的新技术，在发动机上会有越来越多的应用^[5]。

通过不断的新技术创新，必然能够实现各种不同需求、不同场合的密封要求，为保证工业生产及发动机良好运转提供有力保障。

4 结论

本文主要围绕柴油机密封技术的设计与失效模式进行了分析，主要包括1）密封的原理及结构形式，2）493柴油机的密封形式;3）493柴油机典型密封失效形式及预防措施;4）先进密封形式简介等内容。

作为对柴油机密封技术的探讨与梳理，对高速柴油机的密封设计原理及失效形式和预防措施进行了简单介绍，通过梳理密封方面的问题，对后续密封件的设计与失效形式预防将起到借鉴的作用，并能够通过最新密封技术和最少的资源来解决更加复杂的密封问题。

参考文献

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[2] 陈敏，刘晓叙.现代中，小型柴油机密封设计技术[J].广州：润滑与密封，2001（5），68-69.

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[5] 邢东仕.发动机液态密封垫片技术[J].北京：新技术新工艺，2013（1）， 12-15.

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