發(fā)動機高壓油管滲漏問題分析及解決

馮光強、李剛、黃秋慶

（柳州賽克科技發(fā)展有限公司質(zhì)量部，柳州 545007）

0 引言

滲漏是指由于容器密封不良或質(zhì)量不好，碰撞振動或內(nèi)裝物膨脹使密封區(qū)域受損等導(dǎo)致的泄漏現(xiàn)象，發(fā)生滲漏的物質(zhì)主要指液態(tài)物質(zhì)。根據(jù)《液體泄漏等級衡量表》，結(jié)合泄漏可視度狀態(tài)，可將泄漏分為10 等級（圖1）。其中等級1 為最嚴重的大量泄漏，等級10 為無泄漏。

圖1 液體泄漏等級衡量表

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，滲漏是最為常見的設(shè)備問題之一，據(jù)不完全統(tǒng)計，每年因滲漏造成的經(jīng)濟損失超過3 萬億元以上[1]。而在發(fā)動機燃油類管路中，其密封等級要求最高。在高壓力的工作環(huán)境中，如果燃油管路產(chǎn)生滲漏，輕則會導(dǎo)致環(huán)境污染，重則會引起燃燒，危及用戶人身安全。所以，快速有效地解決燃油類管路滲漏問題，不僅僅是從經(jīng)濟和質(zhì)量成本考慮，更是從國家強制安全法規(guī)方面考慮。本文的滲漏主要指渦輪增壓發(fā)動機高壓油管與高壓油軌密封面處的燃油滲漏。

某型渦輪增壓發(fā)動機高壓油管與油泵和油軌之間均為金屬剛性密封，加之內(nèi)部油壓較大（≥35 MPa），連接處較易產(chǎn)生油液滲漏問題。在試驗臺架測試過程中，測試早期滲漏等級即可達到1 ～3 級，油液呈股狀或滴狀，滲漏部位主要集中在高壓油管與高壓油軌連接處。此類問題涉及產(chǎn)品質(zhì)量及安全法規(guī)，需重點解決。

1 滲漏原因分析

該型渦輪增壓發(fā)動機高壓系統(tǒng)采用頂噴布置，主要包含高壓油泵、高壓油管、高壓油軌、壓力傳感器和噴油器等組件（圖2）。高壓油泵及高壓油軌通過螺栓固定在凸輪軸罩蓋上，高壓油管通過螺母連接油泵及油軌。燃油的傳遞路徑為油泵——油管——油軌— —噴油器。高壓油管是將高壓油泵的燃油傳輸?shù)礁邏河蛙?，其管路連接處承受很高的燃油壓力，因此對于連接處的密封要求很高。

圖2 發(fā)動機高壓組件示意圖

該型發(fā)動機的高壓油管連接處采用球頭- 錐面密封結(jié)構(gòu)（圖3）。油管球頭與喇叭口錐面在外部螺母緊固之前為線性密封，當施加擰緊扭矩之后，球頭和錐面發(fā)生彈塑性變形，使球頭和錐面之間形成一個環(huán)狀密封面[2]。此密封面就是保證內(nèi)部燃油不滲漏的關(guān)鍵，拆解實物表現(xiàn)為密封壓痕。經(jīng)分析，造成高壓油管密封部位滲漏的原因有以下幾點。

圖3 高壓油管球頭與錐面密封面示意圖

1.1 密封面有固體顆粒雜質(zhì)，對密封面的劃傷

金屬表面在加工完成后，肉眼觀察是光滑平整的，但在微觀形貌下，存在極其微小的凸起與凹坑。在兩金屬面受壓緊力的情況下，凸起部分會被壓平填充至凹坑部分，從而減少密封截面通道面積，減少滲漏的途徑[3-4]。但如果此時有大顆粒的雜質(zhì)存在于密封面中，將會導(dǎo)致滲漏通道截面面積變大，極端情況下導(dǎo)致油液滲漏。通過檢查滲漏故障發(fā)動機的高壓油管與油軌密封面，發(fā)現(xiàn)個別案例存在白色圓點狀印記。經(jīng)分析，這是因為在安裝過程中，油管球頭與油軌錐面之間存在顆粒雜質(zhì)，密封面壓痕不完整，最終導(dǎo)致滲漏問題的發(fā)生。

1.2 裝配擰緊扭矩過大，接觸面發(fā)生塑性變形

擰緊扭矩主要需要克服3 個接觸面的摩擦力矩：油管球頭與錐面摩擦力矩M1；球頭外部螺母與球頭背部支撐面摩擦力矩M2；內(nèi)外螺紋間的摩擦力矩M3。3 個摩擦力矩的計算公式如下[5]。

式中Ff— —軸向預(yù)緊力

d2— —球頭與錐面接觸面等效直徑

μ2——球頭與錐面接觸面摩擦因數(shù)

dw— —支撐面等效直徑

μw——支撐面摩擦因數(shù)

dp——外螺紋有效直徑

μs——螺紋副摩擦因數(shù)

β——螺紋升角

由此可以得出裝配時的擰緊扭矩，即為M1、M2和M3之和：

由式（4）可知，如果擰緊扭矩過大，在摩擦因素、零部件尺寸不變的情況下，將會導(dǎo)致軸向預(yù)緊力過大，使接觸面發(fā)生塑性變形，甚至壓潰密封面，導(dǎo)致滲漏問題發(fā)生。經(jīng)測試，在不同擰緊扭矩的情況下，密封面壓痕呈現(xiàn)出不同的寬度表現(xiàn)（圖4）。在螺母擰緊扭矩為36 N·m 情況下，密封壓痕寬度數(shù)值波動較大，最大值為1 525.90 μm，最小值為486.25 μm，極差為1 039.65 μm。當降低扭矩至28 N·m 時，壓痕寬度數(shù)值較為穩(wěn)定，最大值為1 363.60 μm，最小值為676.27 μm，極差為687.33 μm，極差值降低33.9%。

圖4 不同擰緊扭矩值密封壓痕寬度對比

另外，在不同擰緊扭矩的情況下，密封面壓痕呈現(xiàn)出不同的深度表現(xiàn)（圖5）。在螺母擰緊扭矩為36 N·m 時，密封壓痕深度數(shù)值波動較大，最大值為41.30 μm，最小值為4.27 μm，極差為37.03 μm。降低扭矩至18 ～28 N·m 時，壓痕寬度數(shù)值較為穩(wěn)定，最大值為36.21 μm，最小值為6.23 μm，極差為29.98 μm，極差值降低18.9%。

圖5 不同擰緊扭矩值密封壓痕深度對比

密封面壓痕寬度及深度數(shù)值的極差越大，說明密封面的形成越不穩(wěn)定。在極端情況下密封面就會出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象，最終導(dǎo)致滲漏問題發(fā)生。而在實際問題分析解決過程中，的確也發(fā)生過密封面壓潰現(xiàn)象。

1.3 靜態(tài)扭矩衰減，密封不嚴

扭矩分為動態(tài)扭矩及靜態(tài)扭矩。動態(tài)扭矩指的是在裝配過程中工具或設(shè)備實時顯示的扭矩，是螺栓克服動態(tài)摩擦所達到的扭矩。一般定扭矩工具和擰緊機預(yù)先設(shè)置的扭矩值就是動態(tài)扭矩值，主要用于生產(chǎn)過程中。靜態(tài)扭矩指的是在被擰緊的螺栓停止后，再繼續(xù)沿著擰緊方向克服靜態(tài)摩擦所達到的最大扭矩。靜態(tài)扭矩是螺栓緊固之后測量的，又稱為檢測力矩。在靜態(tài)扭矩檢測中，如果靜態(tài)扭矩小于動態(tài)扭矩，則認為扭矩存在衰減。

任何連接，隨著時間的推移都會有一定程度的扭矩衰減，軟連接扭矩衰減尤為嚴重。扭矩衰減不能完全避免，只能通過各種影響因素的控制和優(yōu)化來改善衰減狀況，以確保扭矩衰減后的夾緊力不低于設(shè)計夾緊力的最低要求[6]。驗證證明，當靜態(tài)扭矩衰減比例大于30%時，會導(dǎo)致密封面軸向預(yù)緊力過小，影響密封效果（圖6）。

圖6 靜態(tài)扭矩衰減驗證數(shù)據(jù)

1.4 油管球頭面與油軌錐面不對正，受力不均

高壓油管為剛性金屬管，在設(shè)計過程中，如果油管長度較短且兩端形成夾角，則在安裝過程中難以進行調(diào)整。這就造成球面與錐面無法對正，受力不均，造成密封面局部損傷。如圖7a所示，油管兩端有38°夾角，長度約為180 mm，裝配時不利于球面與錐面的對正。如果在設(shè)計階段適當優(yōu)化油管長度及夾角，則有利于對正。如圖7b 所示，油管兩端呈平行狀態(tài)，長度約為240 mm，方案更優(yōu)。

圖7 油管設(shè)計類型示意圖

2 防滲漏措施制定

根據(jù)滲漏原因分析，有針對性地制定如下措施。

（1）提高零部件清潔度水平。高壓組件為清潔度關(guān)鍵零部件，其清潔度水平的高低直接影響產(chǎn)品性能。尤其是顆粒雜質(zhì)殘留在密封面，將會導(dǎo)致密封失效。

（2）優(yōu)化擰緊扭矩范圍。產(chǎn)品設(shè)計扭矩值需根據(jù)螺栓載荷進行核對，但同時也要核對不同扭矩狀態(tài)下對于密封面的壓痕深度及寬度。設(shè)計值過高會導(dǎo)致密封面壓潰現(xiàn)象，過低則會導(dǎo)致密封面無法形成問題。針對密封面的螺栓扭矩設(shè)計，可結(jié)合實物拆解測量結(jié)果進行優(yōu)化。

（3）優(yōu)化油管背部凸筋高度。高壓油管背部與螺母連接，如果存在凸筋，將會導(dǎo)致虛假扭矩的問題，隨著時間的推移，靜態(tài)扭矩衰減會急劇惡化。如果油管的加工采用冷鐓工藝，其球頭背部易產(chǎn)生0.05 ～0.10 mm 左右的凸筋高度。推薦采用墩旋工藝，凸筋可完全消除（圖8）。

圖8 不同工藝下的高壓油管球頭背部形貌

（4）裝配過程中增加油管組件位置定位工裝。在油管的安裝擰緊過程中，建議使用定位工裝對高壓油管進行定位，保證油管兩端的球頭與錐面對正，保證密封面均勻形成（圖9）。

圖9 定位工裝示意圖

3 效果驗證

經(jīng)驗證，以上措施的實施對于渦輪增壓發(fā)動機高壓油管滲漏問題效果明顯，能有效解決滲漏問題，主要表現(xiàn)在如下兩方面。

（1）高壓油管與油軌密封面結(jié)合處氦檢測試值呈現(xiàn)下降趨勢，且數(shù)值相對穩(wěn)定，無明顯波動。如圖10 所示，左側(cè)數(shù)據(jù)為問題產(chǎn)生階段的氦檢測試值，數(shù)據(jù)波動性較大；右側(cè)數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定。

圖10 高壓油管與油軌密封面結(jié)合處氦檢測試趨勢圖

（2）用熒光燈檢查高壓油管與油軌密封面結(jié)合處，未發(fā)現(xiàn)滲漏點。

4 結(jié)束語

本文對渦輪增壓發(fā)動機高壓油管球頭-錐面密封結(jié)構(gòu)及其原理進行了介紹，并進一步分析了造成高壓油管滲漏的主要原因。通過“改善零部件清潔度、優(yōu)化擰緊扭矩值、優(yōu)化高壓油管背部凸筋高度以及優(yōu)化對正工藝”等方面的改善，有效解決了實際生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的高壓油管滲漏問題。