某柴油機(jī)氣缸蓋墊片密封失效故障分析及改進(jìn)

李志勇，王春英，劉旺

1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室,山東濰坊 2610613;

2.濰柴動(dòng)力股份有限公司發(fā)動(dòng)機(jī)研究院，山東濰坊 261061

0 引言

氣缸蓋墊片位于氣缸體和氣缸蓋之間，其功能是保證氣缸體與氣缸蓋結(jié)合面的良好密封。氣缸蓋墊片密封失效，將導(dǎo)致漏氣、漏水、漏油及油水混合等嚴(yán)重問題，因此必須保證氣缸蓋墊片密封良好。氣缸蓋墊片承受極高的交變機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，惡劣的使用條件對(duì)其設(shè)計(jì)及可靠性提出了更高的要求。

氣缸蓋墊片有分體式和整體式兩種形式。分體式缸墊本體為金屬骨架及一個(gè)個(gè)鑲嵌的橡膠圈，缸口封氣采用低碳鋼板制成的圓環(huán)，圓環(huán)為平板、無壓波、但厚度不同的一個(gè)系列，缸口密封為迷宮式密封[1]，如圖1所示。該結(jié)構(gòu)的墊片由于零部件較多，拆裝比較繁瑣，逐漸被整體式氣缸蓋墊片所取代。整體式氣缸蓋墊片的缸口封氣、封水、封油的密封件做成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，裝配、維修比較便利，如圖2所示。

柴油機(jī)氣缸蓋墊片受力狀態(tài)比較復(fù)雜，一直處于高爆發(fā)壓力、高溫環(huán)境下，還需要滿足密封可靠性，保證氣缸蓋墊片不漏氣。本文中針對(duì)某大缸徑柴油機(jī)耐久試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的氣缸蓋墊片漏氣故障，通過仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)分析缸蓋墊片漏氣產(chǎn)生的原因，提出改進(jìn)建議，并對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 故障概況

某柴油機(jī)運(yùn)行約117 h,一個(gè)缸的機(jī)體缸蓋結(jié)合面出現(xiàn)漏水故障，對(duì)該氣缸蓋、氣缸蓋墊片進(jìn)行拆檢，發(fā)現(xiàn)氣缸蓋墊片水孔橡膠圈發(fā)生破裂，拆檢故障缸墊照片見圖3。更換新氣缸蓋墊片后，繼續(xù)進(jìn)行柴油機(jī)耐久試驗(yàn)。

耐久試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)所有拆機(jī)缸墊進(jìn)行狀態(tài)確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)另外兩個(gè)缸缸墊的進(jìn)氣側(cè)位置有異常，見圖4。從拆檢結(jié)果可以看出，柴油機(jī)發(fā)生漏水問題是由缸墊膠圈破裂導(dǎo)致。缸墊漏水位置缸口燃?xì)饷芊鈳幱写罅糠e碳，膠圈的破裂位置靠近燃燒室，可以推斷膠圈破裂是由缸墊漏氣導(dǎo)致。對(duì)缸蓋進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣側(cè)位置的氣缸蓋墊片密封帶出現(xiàn)嚴(yán)重磨損。進(jìn)一步查找原因，發(fā)現(xiàn)該部位的氣缸蓋與氣缸體之間分離間隙過大，氣缸蓋、氣缸蓋墊片之間相對(duì)振動(dòng)較大且相互摩擦導(dǎo)致密封面異常磨損。

針對(duì)出現(xiàn)的問題，從兩方面對(duì)影響氣缸蓋墊片密封性能的因素進(jìn)行分析：1)進(jìn)行仿真計(jì)算，研究分析氣缸蓋抬升量和氣缸墊片密封帶接觸面接觸壓力情況；2)研究氣缸蓋螺栓擰緊工藝對(duì)缸蓋墊片密封性的影響。

2 仿真分析

2.1 氣缸蓋墊片抬升量

柴油機(jī)工作過程中，氣缸內(nèi)燃?xì)獗l(fā)壓力產(chǎn)生的移動(dòng)量和熱脹冷縮產(chǎn)生的變形量使得氣缸體與氣缸蓋之間產(chǎn)生間隙，這個(gè)間隙稱為氣缸蓋抬升量[2]。氣缸蓋墊片在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中反復(fù)壓緊回彈，工作一定時(shí)間后，墊片不能回彈到原始高度，喪失密封性能。

通過ProE軟件建立精確地缸蓋-缸墊-機(jī)體-缸套一體化三維模型，基于Hypermesh有限元分析軟件進(jìn)行前處理網(wǎng)格劃分，建立機(jī)體-缸套-缸墊-缸蓋的接觸屬性，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)施加準(zhǔn)確的邊界條件，通過ABAQUS求解器迭代計(jì)算得到氣缸墊片抬升量。根據(jù)機(jī)體缸蓋一體化仿真計(jì)算評(píng)估結(jié)果，該柴油機(jī)氣缸蓋及氣缸體進(jìn)氣側(cè)的兩主螺栓之間部位剛度較差，柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒爆發(fā)的瞬間，缸蓋在此位置抬升量比圓周方向其他位置大，最大抬升量達(dá)到14.3 μm，如圖5所示。對(duì)故障機(jī)拆解并檢查后發(fā)現(xiàn)，氣缸蓋墊片進(jìn)氣側(cè)密封帶存在嚴(yán)重磨損，并有燃?xì)庑孤┑暮圹E，說明進(jìn)氣側(cè)的抬升量偏大，這與仿真計(jì)算結(jié)果吻合。

2.2 氣缸蓋墊片冷、熱態(tài)缸口位置面壓

為保證氣缸蓋墊片的密封性能，氣缸蓋墊片密封帶接觸面的接觸壓力必須大于缸內(nèi)最大燃?xì)獗l(fā)壓力[3]。根據(jù)氣缸蓋墊片接觸壓力仿真計(jì)算結(jié)果，按現(xiàn)有缸蓋螺栓擰緊工藝預(yù)緊缸蓋螺栓的條件下，氣缸墊上接觸壓力分布不均勻，氣缸蓋墊片進(jìn)氣側(cè)兩主螺栓之間及排氣側(cè)兩主螺栓之間接觸壓力都比較小，接觸壓力最小的區(qū)域?qū)?yīng)的氣缸密封性較差，而氣缸蓋墊片密封最差的位置出現(xiàn)在進(jìn)氣側(cè)兩主螺栓中間位置，該處接觸壓力比氣缸其他位置都要低，且接觸壓力低于工況負(fù)荷下缸內(nèi)最大燃?xì)獗l(fā)壓力，因此該部位存在密封失效發(fā)生燃?xì)庑孤╋L(fēng)險(xiǎn)。

2.3 缸蓋螺栓擰緊工藝對(duì)比

發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋墊片主要通過缸蓋螺栓提供的夾緊力實(shí)現(xiàn)密封功能，合理的螺栓預(yù)緊力對(duì)氣缸蓋墊片密封至關(guān)重要[4]。當(dāng)氣缸蓋螺栓擰緊后，螺栓軸向力壓縮氣缸蓋墊片密封帶產(chǎn)生回彈力，回彈力的反作用力作用于氣缸體和氣缸蓋上，該回彈力大于被密封的缸內(nèi)燃燒氣體壓力，從而達(dá)到密封的效果。

對(duì)故障機(jī)氣缸蓋主、副螺栓擰緊狀態(tài)下的軸力進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表1所示。

表1 某柴油機(jī)1000 h耐久試驗(yàn)主副螺栓衰減測(cè)量對(duì)比 mm

由表1可知，主螺栓衰減率比副螺栓要大，對(duì)氣缸蓋墊片進(jìn)、排氣側(cè)兩主螺栓之間位置密封性都有一定的影響，據(jù)此對(duì)氣缸蓋螺栓擰緊工藝進(jìn)行排查分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的缸蓋螺栓擰緊工藝不夠合理，最后兩步擰緊都是對(duì)氣缸蓋副螺栓進(jìn)行擰緊，造成缸蓋主螺栓軸力的衰減，需要對(duì)擰緊工藝進(jìn)行改進(jìn)[5-6]。

3 改進(jìn)方案

根據(jù)前述的氣缸墊片密封性影響因素評(píng)估分析結(jié)果，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋墊片抬升量和氣缸蓋墊片密封帶的密封力是影響氣缸蓋墊片密封性能的關(guān)鍵因素。因此，需要從減小氣缸蓋墊片抬升量和增加缸蓋墊片密封帶接觸壓力2個(gè)方面采取措施。

3.1 氣缸蓋和氣缸體進(jìn)氣側(cè)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

機(jī)體缸蓋進(jìn)氣側(cè)剛度弱影響缸墊密封性能，是造成缸墊漏氣的一個(gè)重要原因。根據(jù)仿真分析結(jié)果，改進(jìn)進(jìn)氣側(cè)位置氣缸蓋和氣缸體結(jié)構(gòu)模型，填充材料增大進(jìn)氣側(cè)的剛度，從而減小氣缸蓋在高爆發(fā)壓力下的抬升量，見圖6、7。

改進(jìn)后進(jìn)行仿真計(jì)算，氣缸蓋最大抬升量減小至13.6 μm，如圖8所示；接觸壓力則有一定程度的提高，缸口面壓如圖9～11(圖中單位為MPa),缸孔密封帶面壓如圖12所示。

3.2 缸蓋螺栓擰緊工藝改進(jìn)

合理的螺栓預(yù)緊力對(duì)氣缸蓋墊片密封至關(guān)重要，缸蓋螺栓擰緊工藝對(duì)缸蓋螺栓的軸力及缸蓋墊片密封帶接觸壓力都有較大影響[7-9]。根據(jù)仿真計(jì)算及實(shí)測(cè)對(duì)比的結(jié)果，對(duì)缸蓋螺栓擰緊工藝進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，如圖13所示，最后一步改為對(duì)主螺栓擰緊，保證主螺栓有足夠的擰緊力。

表2 新舊缸蓋螺栓擰緊工藝軸力對(duì)比 kN

對(duì)采用新螺栓擰緊工藝后的缸蓋主螺栓的軸力進(jìn)行檢測(cè)，主螺栓軸力得到提升，見表2。在優(yōu)化缸蓋螺栓擰緊工藝前，氣缸密封最差區(qū)域出現(xiàn)在氣缸蓋墊片進(jìn)氣側(cè)兩主螺栓中間位置，改進(jìn)的缸蓋螺栓擰緊工藝后氣缸蓋抬升量明顯減小，缸口密封帶接觸壓力也有提升，保證了氣缸蓋墊片進(jìn)氣側(cè)位置的接觸壓力高于缸內(nèi)最大燃?xì)獗l(fā)壓力，見圖14、15。調(diào)整氣缸蓋螺栓擰緊工藝后，氣缸蓋墊片最小密封接觸壓力提高25%左右，氣缸蓋最大抬升量降低30%左右，氣缸蓋墊片密封性能明顯提升，更好地滿足柴油機(jī)氣缸密封要求，預(yù)緊后的氣缸密封最差區(qū)域密封效果良好，從根本上解決了氣缸蓋墊片部位密封失效的問題。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

全負(fù)荷耐久試驗(yàn)和熱沖擊試驗(yàn)可以分別在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)溫度場(chǎng)下考核氣缸蓋墊片密封系統(tǒng)對(duì)燃?xì)狻C(jī)油和冷卻液的密封能力及氣缸體、氣缸蓋、缸蓋螺栓等氣缸蓋墊片密封性能的影響。按改進(jìn)后的方案改裝發(fā)動(dòng)機(jī)，分別進(jìn)行1000 h全負(fù)荷耐久試驗(yàn)及3000次熱沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)任何泄漏及密封帶部位異常磨損情況，改進(jìn)方案有效。

5 結(jié)論

1)對(duì)氣缸體、氣缸蓋剛度更改前后氣缸蓋抬升量、氣缸蓋墊片密封帶接觸壓力仿真計(jì)算分析及試驗(yàn)檢測(cè)得知，增加氣缸體、氣缸蓋進(jìn)氣側(cè)的剛度能夠減小氣缸蓋抬升量。2)通過改進(jìn)氣缸蓋主、副螺栓擰緊工藝可增加缸蓋主螺栓擰緊軸力及密封帶接觸壓力；結(jié)合改進(jìn)工藝前后氣缸蓋抬升量對(duì)比分析可知，氣缸蓋螺栓擰緊工藝對(duì)氣缸蓋抬升產(chǎn)生較大影響。3)根據(jù)仿真分析及測(cè)試結(jié)果，對(duì)氣缸蓋、氣缸體、氣缸墊片等的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理的設(shè)計(jì)改進(jìn)，同時(shí)優(yōu)化了氣缸蓋螺栓擰緊工藝，并通過仿真分析評(píng)估及耐久試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了改進(jìn)方案措施的有效性。