發(fā)動(dòng)機(jī)活塞密封圈失效分析

孫繼紅

摘? 要：某活塞發(fā)動(dòng)機(jī)采用O形圈動(dòng)密封，在進(jìn)行新型潤(rùn)滑油性能驗(yàn)證試驗(yàn)中，密封圈斷裂，導(dǎo)致燃?xì)庑孤?。為了明確導(dǎo)致密封圈斷裂的主要原因，分別對(duì)密封圈壓縮量、活塞環(huán)狀態(tài)以及潤(rùn)滑油進(jìn)行了計(jì)算、觀察與試驗(yàn)。分析結(jié)果表明：該發(fā)動(dòng)機(jī)活塞密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，熱車試驗(yàn)后活塞環(huán)狀態(tài)正常。密封圈斷裂是由于潤(rùn)滑油抗氧化性較差造成。潤(rùn)滑油在接觸銅后發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致滑油變質(zhì)，潤(rùn)滑失效，密封圈斷裂后燃?xì)庑孤┩＼?。熱車試?yàn)結(jié)果及試后分析表明：該型潤(rùn)滑油無法滿足該型發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑需求。

關(guān)鍵詞：O型密封圈;潤(rùn)滑;密封失效;抗氧化性

中圖分類號(hào)：TH136? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）36-0105-03

Abstract： The O-shaped seal ring is utilized in the engineering for its reliable sealing. A power test for the effectiveness validation of the new type lubricating oil was discontinue suddenly for the reason of the ring broken and the gas leak. To clarify the main reason of the test failure， a lot of working had been done such as the computation of the compression amount of the sealing ring， the piston ring status and experiment analysis of the lubricating oil. Our results showed that the piston sealing structure was reasonable and the piston ring status was normal after test， the chief reason for the test failure was that the oxidation resistance of lubricating oil is poor. The power test and analysis showed that the tested lubricating oil cannot satisfy the demand of the engine lubrication requirement.

Keywords： O-shaped seal ring; lubrication; sealing failure; oxidation resistance

O型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(duì)相互銜接零件的摩擦力小等優(yōu)點(diǎn)[1]，在工程中被廣泛采用?；钊前l(fā)動(dòng)機(jī)主要運(yùn)動(dòng)件之一，活塞在工作過程中受燃?xì)獾臎_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(rùn)滑環(huán)境?；钊幱诎l(fā)動(dòng)機(jī)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(rùn)滑非常困難。不良的潤(rùn)滑會(huì)給動(dòng)力系統(tǒng)帶來一系列不良影響，如功率下降、磨損加劇、機(jī)油上竄、耗油量急增等，導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等性能全面下降[2]?；钊蜌飧滋字g通常采用活塞環(huán)和橡膠O形圈的組合密封方式，用于密封燃燒室產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)庖源_?；钊c氣缸套的密封。O形圈安裝在活塞表面，在工作過程中同樣會(huì)接觸到潤(rùn)滑油，因此，潤(rùn)滑油必須同時(shí)有效潤(rùn)滑活塞、活塞環(huán)以及密封圈。有效的潤(rùn)滑是發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定可靠工作的重要保證。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的密封與潤(rùn)滑一直是工程中研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

熊春華等[2]對(duì)缸套活塞環(huán)潤(rùn)滑模型進(jìn)行了計(jì)算，提出了適用于缸套活塞環(huán)的潤(rùn)滑油粘度指標(biāo)。張志才等[4]為解決潤(rùn)滑油出現(xiàn)的高溫性能差等問題，試驗(yàn)考察了兩個(gè)黏度等級(jí)重負(fù)荷動(dòng)力傳動(dòng)通用潤(rùn)滑油在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上的實(shí)際使用性能。王丹等[5]通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，研究黏度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦功、功率、扭矩及油耗的影響。莫麗等[6]采用有限元方法，對(duì)O 形圈往復(fù)動(dòng)密封中的密封性能，以及不同工況下的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，文章中提出往復(fù)動(dòng)密封中，為了保證O 形圈的使用壽命和啟動(dòng)性能，不宜取過大的預(yù)壓縮率。王雋[1]對(duì)船舶艉軸密封裝置中的O形橡膠密封圈失效原因進(jìn)行了詳細(xì)分析，他在文章中指出，橡膠圈壓縮率偏大，橡膠環(huán)及與其接觸部件的材質(zhì)硬度偏低和加工精度不夠， 密封溝槽寬度偏大， 磨粒侵入和潤(rùn)滑不良是導(dǎo)致艉軸密封裝置O形橡膠密封圈失效的主要原因。李耀東等[7]對(duì)艦載設(shè)備裝置中常用的大直徑的回轉(zhuǎn)裝置密封結(jié)構(gòu)摩擦力過大問題進(jìn)行分析，并提出了減摩措施。

為了驗(yàn)證某新型潤(rùn)滑油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑效果，開展了發(fā)動(dòng)機(jī)熱車試驗(yàn)。試驗(yàn)中途故障停車。產(chǎn)品分解后發(fā)現(xiàn)，活塞密封圈斷裂，導(dǎo)致燃?xì)庑孤?，發(fā)動(dòng)機(jī)停車，同時(shí)，潤(rùn)滑油試驗(yàn)后性狀發(fā)生顯著改變。為了明確造成密封圈斷裂的主要原因，分別從密封圈壓縮量、活塞環(huán)密封以及滑油變質(zhì)三個(gè)方面，分析了造成密封圈斷裂的可能性。

1 試驗(yàn)故障描述

發(fā)動(dòng)機(jī)活塞密封結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。活塞與氣缸套之間的密封采用三道活塞環(huán)與一道O形圈的組合密封方式。密封環(huán)的作用是減少高溫高壓燃?xì)饨佑|橡膠O形圈，避免O形圈密封介質(zhì)溫度過高，損壞密封圈。為了保障活塞的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)以及密封可靠性，對(duì)活塞、活塞環(huán)以及密封圈進(jìn)行強(qiáng)制潤(rùn)滑。

熱車試驗(yàn)中，機(jī)艙壓力突然超限后試驗(yàn)臺(tái)啟動(dòng)自動(dòng)停車功能。試驗(yàn)后釋放潤(rùn)滑油，將產(chǎn)品分解，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)活塞密封圈斷裂，同時(shí)潤(rùn)滑油顏色性狀與試驗(yàn)前差別較大，圖2為試驗(yàn)前后潤(rùn)滑油的照片。從圖中可以看出：試驗(yàn)前潤(rùn)滑油呈棕褐色，油發(fā)亮，使用后的潤(rùn)滑油呈灰色、糊狀，非常粘稠。從試驗(yàn)后潤(rùn)滑油的顏色來看，潤(rùn)滑油極有可能在發(fā)動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)前發(fā)生了乳化反應(yīng)。為了判斷是否有水摻入滑油，對(duì)試驗(yàn)后的潤(rùn)滑油進(jìn)行稱重，結(jié)果顯示滑油重量與試驗(yàn)前一致，這表明：試驗(yàn)過程中沒有大量水進(jìn)入滑油。從分解情況來看， O形密封圈斷裂導(dǎo)致燃?xì)庑孤┦菍?dǎo)致機(jī)艙壓力升高最終停車的唯一原因。

將潤(rùn)滑油靜置30分鐘后，裝潤(rùn)滑油的瓶底有大量灰色沉淀物。靜置3天，滑油底部呈現(xiàn)黑色膠狀物，如圖3所示。

2 故障原因分析

2.1 O形圈壓縮量校核

活塞密封用于密封燃?xì)?，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[8]中對(duì)往復(fù)氣動(dòng)密封的要求，對(duì)O形圈壓縮率、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O形圈壓縮率、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。

2.2 活塞環(huán)密封失效

從發(fā)動(dòng)機(jī)的分解情況可以明確：導(dǎo)致機(jī)艙壓力升高、超限，最終自動(dòng)停車的原因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)活塞密封圈斷裂后燃?xì)庑孤┰斐伞．a(chǎn)品分解后觀察發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)，發(fā)現(xiàn)靠近密封圈位置的活塞環(huán)仍具有較好的彈性，排除了由于活塞環(huán)失效，大量燃?xì)饨佑|密封圈從而導(dǎo)致密封圈斷裂的原因。

鑒于該套發(fā)動(dòng)機(jī)完成過多次與本次試驗(yàn)相同工況的熱車試驗(yàn)，試驗(yàn)過程及試驗(yàn)后產(chǎn)品分解并無異常，而本次試驗(yàn)更換了新型潤(rùn)滑油，滑油使用前后性狀發(fā)生顯著改變，分解后除密封圈斷裂外，活塞環(huán)等其它組部件無異常，因此造成密封圈斷裂的原因可能是由于更換潤(rùn)滑油引起。

2.3 滑油變質(zhì)分析

從試驗(yàn)后的潤(rùn)滑油狀態(tài)來看，潤(rùn)滑油可能發(fā)生了兩種反應(yīng)。一種反應(yīng)導(dǎo)致滑油乳化，另一種反應(yīng)導(dǎo)致滑油產(chǎn)生黑色膠狀沉淀。前者稱為乳化反應(yīng)，后者稱為氧化反應(yīng)。

2.3.1 乳化反應(yīng)分析

潤(rùn)滑油形成乳化液必須具有三個(gè)必要條件[9]：

（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(qiáng)烈的攪拌、循環(huán)、流動(dòng)等。

在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)使用過的潤(rùn)滑油加熱，用溫度計(jì)對(duì)滑油溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，加熱至100°時(shí)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蜖睿l(fā)亮，不透明，如圖4所示。

由上述現(xiàn)象可以判定，試驗(yàn)中滑油混入了少量水份，滑油經(jīng)過發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)烈攪拌發(fā)生乳化反應(yīng)，通過持續(xù)加熱將水份蒸發(fā)后，滑油由糊狀恢復(fù)為油狀。

為了驗(yàn)證加水能使該滑油乳化，取干凈的滑油，加入少量自來水，進(jìn)行攪拌后，發(fā)現(xiàn)原本清亮透明的滑油迅速變成不透明的糊狀，圖5所示。

由此實(shí)驗(yàn)可以判定，在試驗(yàn)中，有少量水份混入滑油，產(chǎn)品工作時(shí)充分?jǐn)嚢鑼?dǎo)致潤(rùn)滑油乳化。試前試后潤(rùn)滑油重量無明顯變化，考慮到放油時(shí)仍然有少量潤(rùn)滑油殘留在產(chǎn)品中，因此可以判定混入潤(rùn)滑油中的水份很少，應(yīng)該與殘留在產(chǎn)品中的潤(rùn)滑油重量相當(dāng)，而水份只能來自燃?xì)庵械乃魵狻?/p>

通過以上試驗(yàn)現(xiàn)象及分析，可以確定：潤(rùn)滑油在停車前與水發(fā)生乳化反應(yīng)，導(dǎo)致滑油乳化，潤(rùn)滑油中的水份來自于燃?xì)?。燃?xì)庑孤┖?，其中的水蒸氣在發(fā)動(dòng)機(jī)的攪拌下，造成潤(rùn)滑油乳化。

2.3.2 氧化反應(yīng)分析

試驗(yàn)后的潤(rùn)滑油呈黑色，而該潤(rùn)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(rùn)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(rùn)滑油中，導(dǎo)致潤(rùn)滑油變黑，且不透明。

將未摻水的潤(rùn)滑油進(jìn)行加熱，潤(rùn)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(cè)無明顯異常。如圖6所示。

潤(rùn)滑油簡(jiǎn)單加熱前后無明顯異常，但是潤(rùn)滑油的實(shí)際工作環(huán)境為高溫高壓，潤(rùn)滑油工作中接觸鋁、鋼、銅等多種金屬，不是簡(jiǎn)單加熱所能模擬的。為了進(jìn)一步探究潤(rùn)滑油變質(zhì)的原因，開展了潤(rùn)滑油誘導(dǎo)期測(cè)試與氧化腐蝕安定性測(cè)試。

（1）誘導(dǎo)期測(cè)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(shí)間周期，以分鐘表示，它是評(píng)價(jià)油在長(zhǎng)期貯存中氧化及生膠趨向的一個(gè)項(xiàng)目[10]。油的誘導(dǎo)期越短，則安定性越差，生膠越快，可貯存的時(shí)間也越短。在230℃，氧氣加壓條件下對(duì)本次試驗(yàn)使用的新型潤(rùn)滑油和前期一直使用良好的潤(rùn)滑油進(jìn)行誘導(dǎo)期測(cè)試，結(jié)果如圖7、圖8所示。從圖中可以看出：在該試驗(yàn)條件下，前期使用的潤(rùn)滑油開始氧化時(shí)間為38.54min，本次熱車試驗(yàn)使用的新型潤(rùn)滑油開始氧化時(shí)間為16.91min。實(shí)驗(yàn)表明：與前期使用的潤(rùn)滑油相比，本次熱車試驗(yàn)使用的潤(rùn)滑油誘導(dǎo)期較短，安定性較差。（2）氧化腐蝕安定性。潤(rùn)滑油工作中會(huì)接觸銅，開展了銅片的氧化試驗(yàn)。對(duì)本次試驗(yàn)使用的新型潤(rùn)滑油和前期一直使用良好的潤(rùn)滑油進(jìn)行了氧化腐蝕安定性試驗(yàn)。試驗(yàn)后潤(rùn)滑油和銅片的狀態(tài)見圖9、圖10所示。從圖中可以看出：經(jīng)過氧化實(shí)驗(yàn)后，本次試驗(yàn)用的潤(rùn)滑油顏色發(fā)生了顯著改變，由實(shí)驗(yàn)前的棕色透明變?yōu)榱嗽囼?yàn)后的黑色不透明，與熱車試驗(yàn)后的潤(rùn)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(rùn)滑油和銅片在試驗(yàn)前后并明顯改變。

3 故障定位

本次試驗(yàn)潤(rùn)滑油經(jīng)歷的過程為：將干凈的潤(rùn)滑油加入發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)動(dòng)機(jī)工作，在此過程中潤(rùn)滑油接觸鋼、鋁、銅，承受高溫、發(fā)動(dòng)機(jī)極壓-活塞密封圈斷裂漏氣，燃?xì)膺M(jìn)入艙段，接觸滑油-停車。從分析結(jié)果來看，本次試驗(yàn)使用的潤(rùn)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(rùn)滑失效，最終導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)活塞密封圈斷裂，燃?xì)庑孤?/p>

4 結(jié)論

分別從密封圈壓縮量、試驗(yàn)后活塞環(huán)狀態(tài)以及滑油變質(zhì)三個(gè)方面分析了造成密封圈斷裂的原因，計(jì)算結(jié)果表明活塞密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、試驗(yàn)后活塞環(huán)狀態(tài)正常，導(dǎo)致試驗(yàn)中異常停車的原因是潤(rùn)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(rùn)滑失效，密封圈斷裂后燃?xì)庑孤彳囋囼?yàn)結(jié)果表明：改型潤(rùn)滑油不能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑使用需求。

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