發(fā)動機活塞密封圈失效分析

朵小英 郭慶元

摘 要：圈密封具有安裝使用方便，密封可靠，高壓降下作用穩(wěn)定且對相互銜接零件的摩擦力小等優(yōu)點，在工程中被廣泛采用。活塞是發(fā)動機主要運動件之一，活塞在工作過程中受燃氣的沖刷和加熱，工作環(huán)境惡劣。為了保障活塞的正常穩(wěn)定工作，需要提供良好的潤滑環(huán)境?；钊幱诎l(fā)動機的心臟部位，高速、高溫、高壓且不斷變向的工況環(huán)境，致使其潤滑非常困難。不良的潤滑會給動力系統(tǒng)帶來一系列不良影響，如功率下降、磨損加劇、機油上竄、耗油量急增等，導(dǎo)致內(nèi)燃機的動力性、經(jīng)濟性、可靠性等性能全面下降。鑒于此，本文對發(fā)動機活塞密封圈失效進行分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：密封圈;潤滑;密封失效;抗氧化性

0 引言

分別從密封圈壓縮量、試驗后活塞環(huán)狀態(tài)以及滑油變質(zhì)三個方面分析了造成密封圈斷裂的原因，計算結(jié)果表明活塞密封結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、試驗后活塞環(huán)狀態(tài)正常，導(dǎo)致試驗中異常停車的原因是潤滑油氧化安定性差，接觸銅后發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致滑油變質(zhì)，潤滑失效，密封圈斷裂后燃氣泄漏。熱車試驗結(jié)果表明：改型潤滑油不能滿足發(fā)動機的潤滑使用需求。

1 故障原因分析

1.1 形圈壓縮量校核

活塞密封用于密封燃氣，屬于徑向密封結(jié)構(gòu)類型，密封圈尺寸為φ32mm×2.4mm。按照CB1236-95中對往復(fù)氣動密封的要求，對圈壓縮率、內(nèi)徑拉伸率、外徑壓縮率要求范圍分別為：9.8%～20.0%、≤6%，≤5%。校核后圈壓縮率、內(nèi)徑拉伸率、外徑壓縮率分別為11.34%～20.0%、2.3%與3.8%，滿足參考標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.2 滑油變質(zhì)分析

（1）乳化反應(yīng)分析。潤滑油形成乳化液必須具有三個必要條件：1）必須有互不相溶（或不完全相溶）的兩種液體。2）兩種混合液中應(yīng)有乳化劑（能降低界面張力的表面活性劑）存在。3）要有形成乳化液的能量，如強烈的攪拌、循環(huán)、流動等。

在實驗室中對使用過的潤滑油加熱，用溫度計對滑油溫度進行實時監(jiān)測，加熱至100°時滑油開始沸騰，持續(xù)加熱，沸騰加劇，溫度迅速上升到120°，之后溫度逐漸下降，沸騰減弱，被加熱的滑油發(fā)出噼啪聲，繼續(xù)加熱，滑油開始冒煙，油溫逐漸上升到160°后趨于穩(wěn)定。將滑油盛出，滑油由加熱前的乳狀變?yōu)楹谏蜖?，發(fā)亮，不透明。

（2）氧化反應(yīng)分析。試驗后的潤滑油呈黑色，而該潤滑油使用前棕褐色，油發(fā)亮，較粘稠，呈半透明狀態(tài)。很明顯，潤滑油中除了與水發(fā)生乳化反應(yīng)，還產(chǎn)生了一些黑色固體，加熱后，黑色物體分散到潤滑油中，導(dǎo)致潤滑油變黑，且不透明。將未摻水的潤滑油進行加熱，潤滑油在170°左右冒煙，繼續(xù)加熱后油溫不再上升，盛出后顏色呈棕褐色，油清亮，與加熱之前相比顏色略有加深，目測無明顯異常。

（3）誘導(dǎo)期測試。誘導(dǎo)期是指在規(guī)定的加速氧化條件下，油品處于穩(wěn)定狀態(tài)所經(jīng)歷的時間周期，以分鐘表示，它是評價油在長期貯存中氧化及生膠趨向的一個項目。油的誘導(dǎo)期越短，則安定性越差，生膠越快，可貯存的時間也越短。在230℃，氧氣加壓條件下對本次試驗使用的新型潤滑油和前期一直使用良好的潤滑油進行誘導(dǎo)期測試。從圖中可以看出：在該試驗條件下，前期使用的潤滑油開始氧化時間為38.54min，本次熱車試驗使用的新型潤滑油開始氧化時間為16.91min。實驗表明：與前期使用的潤滑油相比，本次熱車試驗使用的潤滑油誘導(dǎo)期較短，安定性較差。

（4）氧化腐蝕安定性。潤滑油工作中會接觸銅，開展了銅片的氧化試驗。對本次試驗使用的新型潤滑油和前期一直使用良好的潤滑油進行了氧化腐蝕安定性試驗。試驗后潤滑油和銅片的狀態(tài)見圖3、圖4所示。從圖中可以看出：經(jīng)過氧化實驗后，本次試驗用的潤滑油顏色發(fā)生了顯著改變，由實驗前的棕色透明變?yōu)榱嗽囼灪蟮暮谏煌该鳎c熱車試驗后的潤滑油顏色接近。此外，銅片也發(fā)生了氧化，在銅片表面生成了黑色物質(zhì)。而前期使用的潤滑油和銅片在試驗前后并明顯改變。

2 故障定位

本次試驗潤滑油經(jīng)歷的過程為：將干凈的潤滑油加入發(fā)動機-發(fā)動機工作在此過程中潤滑油接觸鋼、鋁、銅，承受高溫、發(fā)動機極壓-活塞密封圈斷裂漏氣，燃氣進入艙段，接觸滑油-停車。從分析結(jié)果來看，本次試驗使用的潤滑油在工作中接觸銅，在工作中與銅發(fā)生氧化反應(yīng)，造成滑油變質(zhì)，潤滑失效，最終導(dǎo)致發(fā)動機活塞密封圈斷裂，燃氣泄漏。

3 結(jié)論

（1）不同材質(zhì)的密封件各有優(yōu)劣，應(yīng)針對具體的使用環(huán)境進行合理選用。由于丁腈發(fā)動機的耐候性能相對較差，因此，對耐候性能要求較高及可能裸露在外界的密封件材料不宜選用丁腈發(fā)動機。不同生產(chǎn)廠家的配方和合成工藝不一樣，密封圈性能不一，除在采購時應(yīng)明確相關(guān)技術(shù)指標(biāo)外，到貨后還應(yīng)進行相關(guān)質(zhì)量抽檢，以保證質(zhì)量。

（2）從設(shè)備制造階段開始就加強對密封件的質(zhì)量驗收的現(xiàn)場抽查工作;在設(shè)備安裝階段應(yīng)保證密封件無扭曲、變形、裂紋和毛刺，滿足密封件與法蘭面的尺寸相配合、安裝位置和壓縮量準(zhǔn)確等要求;在設(shè)備運維檢修階段，各密封處應(yīng)無滲漏，如存在裂紋等老化現(xiàn)象的密封件，應(yīng)結(jié)合設(shè)備檢修進行更換。

4 結(jié)束語

密封性是評價機械產(chǎn)品質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，密封失效是造成非計劃停車的主要原因，據(jù)統(tǒng)計60%的非計劃停車都與密封失效有關(guān)。統(tǒng)計顯示機械設(shè)備質(zhì)量事故的1/3以上是由密封件失效引起的。發(fā)動機密封件雖然其本身價值不高，但因為安裝簡便、密封可靠，在機械設(shè)備的液壓氣動系統(tǒng)上普遍使用，起著關(guān)鍵的作用，一旦失效，就會出現(xiàn)泄漏，引起系統(tǒng)壓力下降，導(dǎo)致設(shè)備無法工作，外漏還會導(dǎo)致環(huán)境污染，甚至出現(xiàn)安全事故。

參考文獻：

[1]邢彬，馬羽飛，劉芳，張麗娜.航空發(fā)動機用氟橡膠密封件成型工藝的研究[J].橡塑技術(shù)與裝備，2015，41（23）：27-29.

[2]翟建.發(fā)動機活塞桿中密封件的摩擦學(xué)試驗分析與研究[J].流體傳動與控制，2017（04）：35-37.

[3]陳扶東.斯特林發(fā)動機Leningrader密封件材料及密封性能研究[D].蘭州理工大學(xué)，2017.

[4]常新龍，劉萬雷，程建良，姜帆，賴建偉.固體火箭發(fā)動機密封件濕熱老化性能研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2017，32（04）：222-224.

[5]高貴.斯特林發(fā)動機活塞桿密封結(jié)構(gòu)與材料研究[D].蘭州理工大學(xué)，2017.

[6]雷振寧.斯特林發(fā)動機桿密封裝置性能與密封件摩擦學(xué)研究[D].蘭州理工大學(xué)，2017.