柴油機汽缸蓋墊片密封失效故障分析及改進

梁 毅

(廣西嘉德機械股份有限公司，廣西 玉林 537000)

0引言

汽缸蓋襯墊有2種形式，即分體式和整體式。在分體式缸蓋中，它由鑲嵌橡膠圈和金屬骨架組成，缸口封氣采用低碳鋼板環(huán)，環(huán)形封氣為平板型、無壓波浪型、迷宮型和不同厚度的缸口封氣類型。這種墊片的結(jié)構(gòu)一般零件較多，拆裝繁瑣，因此在現(xiàn)階段已不被經(jīng)常使用?，F(xiàn)階段常用的汽缸蓋墊片為整體式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的墊片由密封油、密封水等封件共同組成，在使用、維護和組裝方面更加方便。

柴油機缸蓋襯墊受力狀態(tài)復(fù)雜，始終處于高壓、高溫、高爆狀態(tài)。為了確保汽缸蓋密封無泄漏，同時要考慮密封安全，本文通過模擬分析和試驗驗證汽缸蓋密封泄漏原因?qū)ζ湎到y(tǒng)地進行了分析，并提出了改進意見。

1故障概況

在運行約117 h后，某柴油機汽缸的機體出現(xiàn)缸蓋結(jié)合面漏水問題。在對該缸蓋墊片的拆檢過程中發(fā)現(xiàn)，水孔橡膠圈出現(xiàn)裂痕，為了保證其應(yīng)用質(zhì)量，因此維修人員更換了缸蓋墊片，然后又進行了耐久性試驗。在試驗之后，確認(rèn)柴油機汽缸蓋墊應(yīng)用狀態(tài)，在檢查過程中發(fā)現(xiàn)在其中2個缸墊的進氣側(cè)位置有異常情況出現(xiàn)。由拆檢結(jié)果可知，柴油機缸蓋漏水是由汽缸襯墊破裂導(dǎo)致的。汽缸墊泄漏位置汽缸口氣封帶上積碳較多，膠圈出現(xiàn)裂紋的位置與燃燒室鄰近，由此可知膠圈破裂是導(dǎo)致汽缸泄露的主要原因。然后檢查汽缸蓋，發(fā)現(xiàn)汽缸蓋墊片的進氣側(cè)位置有嚴(yán)重的墊片磨損問題。然后再進一步查找原因，發(fā)現(xiàn)缸蓋與缸體的分離間隙超過常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，缸蓋與缸蓋墊片的摩擦較大，震動較大，進而造成了密封面的嚴(yán)重?fù)p壞。

分析了影響汽缸蓋密封性能的2方面因素，一是模擬計算汽缸蓋提升量與汽缸蓋密封帶接觸壓力情況，二是研究汽缸蓋螺栓擰緊工藝對汽缸蓋密封性能的影響。

2仿真分析

2.1汽缸蓋墊片抬升量

利用Proe軟件建立了汽缸蓋、汽缸墊、汽缸體和汽缸內(nèi)膽的精確三維模型。利用HyperMesh有限元分析軟件共享預(yù)處理網(wǎng)絡(luò)，確定汽缸體、汽缸墊、汽缸墊和汽缸蓋的接觸特性，并對其施加精確的邊界條件。通過ABAQUS求解器迭代計算得到了汽缸墊的提升速度，通過對汽缸蓋的整體仿真計算，評價了汽缸蓋與缸體進氣側(cè)2個螺栓之間的剛度。結(jié)果表明，當(dāng)汽缸蓋燃燒室發(fā)生爆燃并達到輪轂最大高度14.39566m時，汽缸蓋升程大于圓周方向上的其它位置。拆卸檢查確定后，缸蓋密封進氣側(cè)密封條磨損，有漏氣痕跡，說明進氣側(cè)牽引力較大，與仿真結(jié)果一致。

2.2汽缸蓋墊片冷、熱態(tài)缸口位置面壓

為了確保缸蓋墊片的密封性，缸蓋墊片接觸面的接觸壓力應(yīng)大于缸體最大爆炸壓力。但實際上該柴油機氣缸蓋接觸壓力低于工作負(fù)荷的最大氣壓，存在著密封排氣的危險。

2.3缸蓋螺栓擰緊工藝對比

內(nèi)燃機缸蓋密封的密封功能主要是通過缸蓋螺栓的張緊力來實現(xiàn)的。適當(dāng)?shù)穆菟◤埦o力是缸蓋密封的關(guān)鍵。若拔下缸蓋螺栓，螺栓的軸向力將壓縮缸蓋的密封帶，從而產(chǎn)生回彈力。反作用力的回彈力作用于汽缸體內(nèi)和汽缸蓋，使汽缸內(nèi)的回彈力大于氣體壓力，達到密封效果。對故障機汽缸蓋主副螺栓連接狀態(tài)的軸向力進行測試，結(jié)果見表1。

從表1中可以看出，螺栓的阻尼比副螺栓的阻尼大，對汽缸蓋的進出口端2個主螺釘?shù)奈恢妹芊庥幸欢ㄓ绊慬1]。然后，對缸蓋螺栓的纏繞過程進行檢測與分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的缸蓋螺栓纏繞工藝并不適合，后2步顯示，缸蓋的附加螺釘使缸蓋軸力減低，因此該程序必須改進。

3改進方案

3.1汽缸蓋和汽缸體進氣側(cè)結(jié)構(gòu)改進

通過對進氣側(cè)缸蓋和缸體的結(jié)構(gòu)模型進行改進，對填料進行加高剛度處理，以減少高爆震壓下缸蓋的提升。經(jīng)過改進，使缸蓋最大升程降至13.6 μm，接觸壓力增大。

3.2缸蓋螺栓擰緊工藝改進

在汽缸蓋密封中，合理的螺旋傳動功率至關(guān)重要。缸蓋螺栓的連接過程對缸蓋螺栓的軸向力和頂板與頂板的接觸壓力影響較大。仿真計算和實際測量的結(jié)果應(yīng)加以優(yōu)化。最終步驟是擰緊主螺釘，確保螺栓具有足夠的擰緊力。

在進行新的螺栓緊固程序試驗后，汽缸蓋螺栓軸向力和螺栓軸向力應(yīng)增大。

對缸蓋螺栓進行了優(yōu)化設(shè)計后，發(fā)現(xiàn)缸蓋密封進口側(cè)2個主要螺釘中間的缸蓋厚度最小；經(jīng)汽缸蓋螺栓纏繞工藝改進后，汽缸蓋的提升體積明顯減小，汽缸蓋密封的接觸壓力也隨之增加，這意味著汽缸蓋密封進口的接觸壓力高于汽缸蓋密封的最大爆氣壓力，通過對缸蓋螺栓進行調(diào)整，使缸蓋密度最小、接觸壓力最大分別增加25%和30%左右，能夠較好地滿足柴油機氣缸密封的要求[2]。

4試驗驗證

通過全負(fù)荷抗力試驗和熱沖擊試驗，研究在固定和臨時溫度場條件下，按修正后調(diào)整值和1000 h滿載阻力分別對發(fā)動機進行改造，做3000倍的熱沖擊試驗。實驗結(jié)果表明，改進后的密封條無滲漏、磨損現(xiàn)象，調(diào)節(jié)效果良好。

5結(jié)語

模擬計算和試驗結(jié)果表明，提高缸體和缸蓋進口側(cè)的剛度，可以有效地降低缸蓋的推力。改進缸蓋主副螺栓的連接方式，使其軸向拉力增大，使缸蓋密封帶的接觸壓力增大；通過改進前后缸蓋提升量的對比分析，確定纏繞過程中缸蓋螺栓的位置對缸蓋提升的影響。根據(jù)模擬分析和試驗結(jié)果，對汽缸蓋、缸體、汽缸密封等結(jié)構(gòu)進行合理的設(shè)計和改進。并對缸蓋螺栓纏繞工藝進行了優(yōu)化。對改進裝置進行了仿真分析和耐久性試驗。