基于解決柴油發(fā)動機(jī)“三漏”問題的密封研究

時(shí)間：2023年5月基于解決柴油發(fā)動機(jī)“三漏”問題的密封研究

一拖（洛陽）柴油機(jī)有限公司郭宏恩目錄CONTENTSPART01背景介紹PART03柴油發(fā)動機(jī)主要密封方式PART02柴油發(fā)動機(jī)“三漏”的危害PART05柴油發(fā)動機(jī)密封發(fā)展趨勢PART04柴油發(fā)動機(jī)三漏檢測技術(shù)一、背景介紹

一拖（洛陽）柴油機(jī)有限公司，坐落于牡丹之都河南省洛陽市，成立于1958年，專業(yè)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)“東方紅”品牌多缸系列柴油機(jī)，具有年產(chǎn)20萬臺的生產(chǎn)能力。公司為國家認(rèn)定的高新技術(shù)企業(yè)，被中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化協(xié)會，中國農(nóng)業(yè)機(jī)械工業(yè)協(xié)會、中國農(nóng)業(yè)機(jī)械流通協(xié)會等單位授予“中國農(nóng)機(jī)行業(yè)最具影響力品牌”、“內(nèi)燃機(jī)行業(yè)排頭兵”等榮譽(yù)。

公司專注于農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域，立足于非道路領(lǐng)域的卓越應(yīng)用，生產(chǎn)的“東方紅”系列柴油機(jī)，依其動力強(qiáng)勁、可靠耐用、高效低耗、環(huán)保節(jié)能的優(yōu)勢特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械、發(fā)電機(jī)組、船泊等領(lǐng)域。柴油機(jī)爆發(fā)壓力高，扭矩儲備大，機(jī)油壓力高，作業(yè)工況惡劣，決定了其對密封性要求更為嚴(yán)格。二、柴油發(fā)動機(jī)“三漏”的危害柴油發(fā)動機(jī)的“三漏”故障一直是一塊難啃的硬骨頭，是發(fā)動機(jī)行業(yè)的一個(gè)老大難問題。

發(fā)動機(jī)“三漏”包括漏油、漏氣、漏水。

漏油包括漏機(jī)油和柴油，分屬于機(jī)油潤滑系統(tǒng)和柴油供給系統(tǒng)；漏氣包括漏進(jìn)氣和排氣，分屬于進(jìn)氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)；漏水屬于冷卻系統(tǒng)。

發(fā)動機(jī)漏油、漏水故障不僅使發(fā)動機(jī)表面粘附灰塵，看起來臟兮兮的。由于柴油、機(jī)油價(jià)格昂貴，很多廠家用的冷卻水是防凍液，價(jià)格也不菲，所以漏油、漏水故障還會給用戶造成經(jīng)濟(jì)損失。此外，發(fā)動機(jī)漏油、漏水嚴(yán)重時(shí)，還會造成發(fā)動機(jī)抱軸、拉缸、停機(jī)、啟動困難等故障，給用戶造成難以估量的損失。如果這些故障在三包期內(nèi)，大部分損失要由發(fā)動機(jī)制造廠承擔(dān)。

進(jìn)氣系統(tǒng)漏氣，會使空氣中的灰塵進(jìn)入氣缸，造成發(fā)動機(jī)氣缸早磨故障，氣缸間隙增大，下排氣增大，發(fā)動機(jī)功率下降（沒勁），冒黑煙，直至不能工作。發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)漏氣，不僅污染環(huán)境，還可能造成火災(zāi)，嚴(yán)重時(shí)會車毀人亡。

發(fā)動機(jī)“三漏”的危害如此巨大，人們就需要并且渴盼密封性優(yōu)良的發(fā)動機(jī)。三、柴油發(fā)動機(jī)主要密封的方式

密封可分為相對靜止接合面之間的靜密封和相對運(yùn)動接合面之間的動密封兩大類。

靜密封的密封部位是靜止的，如管道法蘭、螺紋連接、壓力容器與蓋間的密封等。

動密封的密封部位有相對運(yùn)動，可分為旋轉(zhuǎn)密封和往復(fù)密封，還可以分為接觸式密封和非接觸式密封及無軸封三類。

發(fā)動機(jī)的動密封主要有活塞與氣缸套之間的密封和曲軸的前后油封。

活塞與氣缸套之間采用活塞環(huán)密封，屬于非接觸式密封，是活塞環(huán)開口位置相互錯(cuò)開的迷宮密封。

曲軸前后的密封一般采用橡膠骨架油封，用于密封柴油機(jī)曲軸箱內(nèi)的潤滑油。油封的外圓面與油封孔之間屬于靜密封，可以通過涂密封膠來加強(qiáng)密封性，解決泄漏問題。油封與曲軸之間采用主副唇密封，副唇朝外，用于防塵。主唇朝內(nèi)，內(nèi)表面有螺紋和駐油點(diǎn)。螺紋的旋向與曲軸旋向相同，進(jìn)入油封主唇螺紋上的潤滑油在旋轉(zhuǎn)的曲軸表面帶動下沿著螺紋返回曲軸箱，起到封油作用。螺紋上的駐油點(diǎn)的作用是在柴油機(jī)停止工作時(shí)，防止?jié)櫥脱刂鞔缴系穆菁y流出。動密封前油封后油封

發(fā)動機(jī)的靜密封種類較多，有直螺紋密封、錐螺紋密封、錐面密封、O型圈密封、橡膠密封圈密封、組合密封墊圈密封、銅墊圈密封、鋁墊圈密封、膠管密封、碗形塞片密封、接合面之間采用墊片密封、接合面之間采用密封膠密封等等。

1、直螺紋密封

直螺紋密封主要是針對一些空間位置小，無法加工成盲孔的螺孔的密封，如東方紅柴油發(fā)動機(jī)的噴油泵法蘭盤的緊固螺栓、液壓泵連接板的緊固螺栓、飛輪殼與推桿室相通的一個(gè)緊固螺栓、水泵的個(gè)別緊固螺栓、節(jié)溫器緊固螺栓等等。一般是在螺栓或螺柱的螺紋上提前涂預(yù)涂膠或現(xiàn)場涂螺紋鎖固劑來密封。靜密封

預(yù)涂膠一般采用設(shè)備涂覆，一致性控制較好，密封效果好；螺紋鎖固劑需要操作工在現(xiàn)場涂覆，涂覆位置、多少、膠線形狀等都影響密封性能，所以容易出現(xiàn)“三漏”故障。預(yù)涂膠即預(yù)涂干膜膠，分為鎖固型和密封型兩種。密封型預(yù)涂膠沒有防松作用，僅起密封作用，適用于沒有振動的機(jī)器或設(shè)施的密封部位。由于柴油機(jī)工作時(shí)振動較大，所以該類型預(yù)涂膠不適用于柴油機(jī)。東方紅柴油發(fā)動機(jī)已停止使用密封型預(yù)涂膠。鎖固型預(yù)涂膠既有防松作用，又起密封作用，特別適用于有振動的密封部位，如發(fā)動機(jī)上。

東方紅柴油發(fā)動機(jī)的螺紋密封普遍采用鎖固型預(yù)涂膠或螺紋鎖固劑密封，其好處是這兩類膠都具有防松作用，不怕振動，適合發(fā)動機(jī)使用。

鎖固型預(yù)涂膠的缺點(diǎn)是拆卸力矩大，一些小零件、薄壁零件容易損壞，造成拆卸困難。

2、錐螺紋密封

錐螺紋密封零件主要有螺塞、接頭等，其錐螺紋符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T12716-201160°密封管螺紋（NPT）。

在東方紅柴油發(fā)動機(jī)上，采用錐螺紋連接或密封的零件很多，如氣缸蓋上暖風(fēng)接頭、機(jī)體主副油道兩端螺塞、機(jī)體側(cè)面與主油道相通的斜油孔孔口安裝的螺塞和接頭、油底殼上機(jī)油標(biāo)尺套管、水泵上暖風(fēng)接頭、節(jié)溫器上螺塞和傳感器、機(jī)濾上傳感器、空壓機(jī)彎管接頭、暖風(fēng)開關(guān)、放水閥等等。

這種NPT錐螺紋雖然名稱為密封管螺紋，但是這種錐螺紋為過渡配合，本身并不起密封作用。以前采用白厚漆密封或在螺紋上纏生料帶密封，近年多采用預(yù)涂膠或螺紋鎖固劑密封。由于發(fā)動機(jī)工作時(shí)振動大，所以錐螺紋上一般采用鎖固型預(yù)涂膠，避免松動，產(chǎn)生泄漏。也可以采用管螺紋密封膠，但是由于管螺紋密封膠表干時(shí)間過長，不太適合裝機(jī)后很快進(jìn)行出廠磨合試驗(yàn)的發(fā)動機(jī)，只有空壓機(jī)彎管接頭這種在試驗(yàn)時(shí)不起密封作用的場合才適用。

如果零件錐螺紋制造精度不良，由于預(yù)涂膠零件所涂預(yù)涂膠基本上是定量的，可能填不滿螺紋之間的縫隙，仍然會出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。這時(shí)可以在錐螺紋的預(yù)涂膠部位再涂螺紋鎖固劑，以加強(qiáng)密封。

有的錐螺紋零件如放水閥、暖風(fēng)開關(guān)等有安裝方向要求，會出現(xiàn)達(dá)到安裝方向時(shí)錐螺紋扭矩小的情況，這種零件最適合在錐螺紋的預(yù)涂膠部位再涂螺紋鎖固劑以加強(qiáng)密封。

3、O型圈密封

東方紅柴油發(fā)動機(jī)氣缸套、機(jī)油泵、噴油泵、飛輪殼、液壓泵傳動齒輪軸等零件采用O型圈密封，O型圈密封主要應(yīng)用于圓柱形零件的密封，少部分應(yīng)用于端面密封。要求選型合理；孔口有倒角，安裝時(shí)避免切圈。

4、橡膠圈密封

東方紅柴油發(fā)動機(jī)的氣缸蓋罩下部采用橡膠圈密封，該密封結(jié)構(gòu)與O型圈密封結(jié)構(gòu)類似。由于氣缸蓋罩一側(cè)與排氣管距離較近，溫度較高，因此橡膠圈改用了耐高溫的氟橡膠。

5、碗形塞片密封

東方紅柴油發(fā)動機(jī)氣缸蓋、機(jī)體上很多工藝孔都采用碗形塞片密封。碗形塞片密封結(jié)構(gòu)簡單，密封可靠，制造成本低。碗形塞片密封需要在碗形塞片的圓周或孔的圓周涂碗形塞膠。

東方紅柴油發(fā)動機(jī)的YTN機(jī)體加工線引進(jìn)了機(jī)器人自動涂膠、檢測及壓裝技術(shù)，涂膠、安裝控制一致性好，質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

6、膠管密封

東方紅柴油發(fā)動機(jī)上使用膠管的部位較多，通風(fēng)排氣膠管、分油器回油管、增壓器泄油管、EGR冷卻器進(jìn)出水管、小循環(huán)水管、增壓器進(jìn)氣膠管等等。膠管與硬管應(yīng)采用過盈配合。膠管一般采用普通卡箍、強(qiáng)力卡箍和彈簧卡箍緊固。彈簧卡箍的彈力一致性好，密封質(zhì)量容易保證，但是其規(guī)格選擇必須正確，否則容易脫落，造成滲漏故障。

7、墊片密封

這種密封是發(fā)動機(jī)上應(yīng)用最普遍、最廣泛的密封形式。以前，發(fā)動機(jī)上大部分的平面結(jié)合面密封都是采用墊片密封，如氣缸蓋墊片、進(jìn)氣管墊片、排氣管墊片、齒輪室墊片、齒輪室蓋墊片、加油口蓋墊片、噴油泵墊片、法蘭盤墊片、油底殼墊片、機(jī)油濾清器墊片、機(jī)冷器墊片等等。這是我們要重點(diǎn)研究和解決的密封形式。

7.1墊片的定義和作用

墊片是一種夾持在兩個(gè)獨(dú)立的連接件之間的材料或材料的組合。

墊片的作用是在預(yù)定的使用壽命內(nèi)，保持兩個(gè)連接件之間的密封。墊片必須能夠密封結(jié)合面，并對密封介質(zhì)不滲透和不被腐蝕，能承受壓力和溫度的作用。

7.2墊片的泄漏方式要求墊片密封，必須知道墊片的泄漏方式。墊片密封的泄漏方式分為三種：界面泄漏、滲透泄漏和吹出泄漏。

7.2.1界面泄漏：兩個(gè)連接件表面（下稱密封面）從機(jī)械加工的微觀紋理來看，存在粗糙度和變形，他們與墊片之間總是存在泄漏通道，由此產(chǎn)生的流體泄漏統(tǒng)稱為界面泄漏，它占總泄漏量的80%-90%。

7.2.2滲透泄漏：對非金屬材質(zhì)的一類墊片而言，從材料的微觀結(jié)構(gòu)來看，其本身存在微小的縫隙或細(xì)微的毛細(xì)管，具有一定壓力的流體自然容易通過他們滲漏出來，這被稱為滲透泄漏，它占總泄漏量的10%-20%。

7.2.3吹出泄漏：當(dāng)夾緊墊片的總載荷因各種原因減少到幾乎等于作用在結(jié)合面邊沿的流體靜壓力時(shí)，導(dǎo)致了密封面的分離。這時(shí)若增加流體壓力，對機(jī)械完整性很差的墊片，則沿墊片橫向或徑向作用的流體壓力會將其撕裂，引起密封流體的大量泄漏，這被稱為吹出泄漏，它屬于一種事故性泄漏。

對于上述第二種情況，通?？赏ㄟ^不同材料的復(fù)合或機(jī)械組合形成不滲漏性結(jié)構(gòu)，或者使用較大的壓緊力使材料更加密實(shí)，減少以至消除泄漏；對于第一種情況和第三種情況，則與墊片材料性質(zhì)、結(jié)合面的性質(zhì)與狀態(tài)、密封流體的特性以及緊固件夾緊程度等有關(guān)，他們也是解決墊片密封設(shè)計(jì)安裝使用以及密封失效分析等問題的關(guān)鍵。

7.3墊片的密封機(jī)理

墊片用于對兩個(gè)連接件密封面產(chǎn)生初始裝配密封和保持工作密封。

7.3.1初始密封

在實(shí)際當(dāng)中，連接件的兩個(gè)密封面總是存在粗糙度，兩者也不是絕對平行的，剛度也有限，加上緊固件柔度不同和排列分散，因此密封面的載荷通常是不均勻的。為了彌補(bǔ)這種不均勻的載荷和相應(yīng)的變形，在兩密封面間插入一墊片，使之適應(yīng)密封面的不規(guī)則性。顯然，要產(chǎn)生初始密封的基本要求是壓縮墊片，使其與密封面間產(chǎn)生足夠的壓力（通常稱為墊片預(yù)緊應(yīng)力，也稱初始墊片比壓），以阻止介質(zhì)通過材料本身滲透，同時(shí)保證墊片材料受壓縮后發(fā)生的彈性或彈塑性變形能夠填塞密封面的變形及表面不平，以堵塞界面泄漏的通道。

7.3.2工作密封

當(dāng)零件內(nèi)表面受到流體壓力作用時(shí)，密封面被迫發(fā)生分離，此時(shí)要求墊片能釋放出足夠的彈性應(yīng)變能，以彌補(bǔ)這一分離量，并且留下足以保持密封所需要的工作（殘留）墊片應(yīng)力。此外，這一彈性應(yīng)變能還要補(bǔ)償裝置長期運(yùn)行過程中墊片應(yīng)力的松弛。另外，由于連接件不同的熱變形，也導(dǎo)致墊片應(yīng)力的降低或升高。

7.4墊片的分類墊片按照構(gòu)造的主體材料分為非金屬、半金屬和金屬墊片三大類。非金屬墊片包括橡膠板墊片、石棉橡膠板墊片（已不允許使用）、無石棉橡膠板墊片、聚四氟乙烯板墊片、發(fā)泡橡膠墊片。東方紅發(fā)動機(jī)上使用的非金屬墊片主要有橡膠板墊片（機(jī)濾墊片）和輥壓無石棉墊片（油底殼、齒輪室、齒輪室蓋、內(nèi)置機(jī)冷器、水泵、節(jié)溫器、空壓機(jī)等等）、發(fā)泡橡膠墊片（液壓泵墊片）。

半金屬墊片包括金屬包覆平墊片、金屬包覆波形墊片、金屬纏繞墊片、金屬增強(qiáng)復(fù)合墊片、金屬波齒復(fù)合墊片、金屬齒形復(fù)合墊片。東方紅發(fā)動機(jī)上使用的半金屬墊片主要有金屬包覆平墊片（氣缸蓋墊片等）、金屬齒形復(fù)合墊片（油底殼墊片、氣缸蓋墊片）。

金屬墊片包括金屬平墊片、金屬波形墊片、金屬齒形墊片、金屬中空O形環(huán)、金屬三角形環(huán)、金屬八角（橢圓）形環(huán)、金屬透鏡墊。東方紅發(fā)動機(jī)上使用的金屬墊片主要有金屬波形墊片（增壓器墊片、排氣管墊片等等）。

7.5.4密封帶位置

密封帶應(yīng)設(shè)置在兩個(gè)相鄰螺栓的連線上，否則密封面上壓緊力小，容易泄漏。發(fā)動機(jī)上很多泄漏部位都是這個(gè)原因，如節(jié)溫器蓋、節(jié)溫器殼體、工作泵等等，采用兩個(gè)螺栓緊固，密封帶分布在螺栓連線的兩邊。

7.6墊片密封的加強(qiáng)

常溫下使用的非金屬墊片和半金屬墊片為了加強(qiáng)密封，常常在密封帶中間涂覆預(yù)涂膠，還有的在裝配現(xiàn)場向墊片兩面涂覆平面密封膠。

7.7典型的墊片密封結(jié)構(gòu)——?dú)飧咨w墊片

氣缸蓋墊片是安放在氣缸體和氣缸蓋之間的彈性密封元件。由于缸體和缸蓋之間不可能絕對平整，因此，就需要有氣缸蓋襯墊來密封。氣缸蓋墊片要密封發(fā)動機(jī)三漏問題的氣、水和油。其上水孔特別多，密封的氣體不僅溫度高、壓力高，而且有腐蝕性。

氣缸蓋墊片材質(zhì)有下列兩種：

①金屬墊A、單層金屬：用單塊光整的鋼板制成，在密封處有彈性凸紋，靠凸紋的彈性及耐熱密封膠的作用來密封。在國外已廣泛使用。優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高，密封效果好，但成本較高。B、多層金屬板疊加：由上蓋板、芯板、下蓋板組成，其特點(diǎn)是依靠上下蓋板、芯板上的凸起環(huán)進(jìn)行線密封。

芯板采用低碳鋼材料，通過沖壓成型制成有密封凸起環(huán)的芯板，后再經(jīng)過處理表面涂上橡膠涂層。密封凸起環(huán)的作用是為了加強(qiáng)燃燒室缸口的強(qiáng)度，抵抗高溫、高壓的沖擊。芯板涂層的作用是彌補(bǔ)蓋板的粗糙度。

上下蓋板采用不銹鋼材料表面加橡膠涂層，通過沖壓成型制成有凸起環(huán)的上、下蓋板。其凸起環(huán)分為半筋和全筋。作用是對水路和油路的密封。蓋板涂層的作用是用于彌補(bǔ)缸體缸蓋的粗糙度。

金屬氣缸墊適用于各種車輛發(fā)動機(jī)的耐高溫、高壓、氣密、水密、油密的接合部位，其綜合技術(shù)性能指標(biāo)均超過了石棉氣缸墊、無石棉氣缸墊的指標(biāo)，是氣缸蓋墊片的發(fā)展方向。

②半金屬墊片

東方紅柴油發(fā)動機(jī)最早的氣缸蓋墊片是銅皮夾石棉（已停止使用），隨著技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了復(fù)合鋼板石棉板墊片、沖刺板石棉板墊片、復(fù)合鋼板無石棉板墊片、膨脹石墨齒孔復(fù)合板墊片和鋼架石墨復(fù)合板墊片（沖刺板）等等。

氣缸孔護(hù)圈結(jié)構(gòu)：有雙護(hù)圈、嵌入鋼絲環(huán)型護(hù)圈、嵌入弧形密封環(huán)型護(hù)圈和雙聯(lián)圈護(hù)圈（已不使用）等等。

8、密封膠密封

密封膠取代墊片是密封技術(shù)發(fā)展的趨勢。密封膠可以密封0.6mm以下的縫隙，對加工面質(zhì)量要求不高。但是對零件清潔度要求較高，油污、異物、銹跡等等都影響其密封性，需要加以控制。

東方紅柴油發(fā)動機(jī)上鑄鐵油底殼、齒輪室、齒輪室蓋、噴油泵法蘭盤都采用了密封膠密封。

提升油底殼結(jié)合面密封性措施：①鑄鐵油底殼采用涂膠代替墊片

由涂膠機(jī)在機(jī)體頂面涂1598硅膠。

效果：不僅密封性提升，油底殼螺栓扭矩下降幅度還明顯減小。

③拖拉機(jī)型柴油機(jī)油底殼前部左右兩邊各4個(gè)螺栓采用12.9級螺栓代替10.9級螺栓，扭矩由65N.m增大至82N.m。

對油底殼螺栓擰緊機(jī)對擰緊扭矩程序進(jìn)行改進(jìn)，10.9級螺栓扭矩為65N.m，12.9級螺栓扭矩為82N.m。

②拖拉機(jī)型柴油機(jī)油底殼前部左右兩邊法蘭加厚，提高強(qiáng)度。

④安裝螺栓采用預(yù)涂膠螺栓，解決通孔漏油問題。

⑤機(jī)體排氣側(cè)油底殼固定孔由通孔改為盲孔。

⑦沖壓油底殼墊片厚度增加。設(shè)計(jì)厚度由1.2改為1.5，安裝打緊過程不容易產(chǎn)生裂紋。

⑥沖壓油底殼墊片上預(yù)涂膠線位置變更。原預(yù)涂膠線在機(jī)體定位孔處位于定位孔下方，不起密封作用。預(yù)涂膠線外移，使其壓在機(jī)體定位孔外的密封面上。

發(fā)動機(jī)都要進(jìn)行出廠磨合試驗(yàn)，在這個(gè)過程中對“三漏”進(jìn)行檢查控制，可減少三包外賠率。

以前“三漏”的檢查是通過目測、手模等方法，這種方法對于嚴(yán)重的故障比較適用，但是對于微漏、微滲故障卻無能為力。

東方紅柴油發(fā)動機(jī)出廠磨合試驗(yàn)引進(jìn)了紫光燈黑光檢測技術(shù)，對發(fā)動機(jī)早期微漏、微滲故障檢測非常有效，把故障隱患把控在出廠前。

紫光燈黑光檢測技術(shù)是在發(fā)動機(jī)出廠磨合試驗(yàn)用的潤滑油中及試車液（冷卻水）中加入一定比例的熒光劑，試驗(yàn)過程中檢測三漏故障時(shí)，把試驗(yàn)室的照明燈全部關(guān)閉，然后用紫光燈照射發(fā)動機(jī)表面，如果哪個(gè)部位出現(xiàn)異常的光亮，就說明那個(gè)部位有滲漏。四、柴油發(fā)動機(jī)三漏的檢測技術(shù)

1、涂膠代替墊片：由于膠液優(yōu)良的填補(bǔ)性，隨著涂膠工藝的發(fā)展，大零件的密封采用涂膠代替墊片已成為發(fā)展趨